追问德州大停电
本文作者Craig McClarren，曾从事地质能源行业， 在Forbes和Mental Floss等多家媒体发表科普文章。应《美国华人杂谈》之邀，McClarren为我们撰写了这篇《追问德州大停电》，中文翻译由杂谈撰稿人Yanzi完成。
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本周，德克萨斯州在经历比往常更冷的气温下，电网出现故障，导致持续数日的停电，这一事件震惊了全世界。德州是美国最大的能源生产地，炼油厂林立，遍布石油和天然气井和星罗棋布的发电站。周一晚上，一股强大的寒流以前所未有的低温席卷该州，这种温度在美国大部分地区还属正常，但在德州却打破历史纪录。风力涡轮机原地冻结；煤炭、天然气甚至核电站都已经关闭。
接着各方纷纷甩锅，共和党人尤其将矛头指向可再生能源，民主党人则将矛头指向化石燃料。然而，这一切究竟是为什么、又是怎么发生的呢？要回答这个问题，我们需要看看德克萨斯州的天气发生了什么，是什么原因导致了故障，以及至关重要的，这种为获得巨额利润但容易出故障的德州独特的电网是如何设置和设计的。
我们先从天气说起。周一晚上，一股冷锋穿过美国南部大部分地区，包括德克萨斯州。今年2月3日，达拉斯的气温达到华氏71度（22°C）。2月14日，情人节的周日，气温降至华氏14度（零下10°C）。到了周二晚上，气温降至华氏3度（零下16°C）。暴风雪给一些地区带来了3至5英寸的雪。对生活在美国北部的人来说，这些温度和降雪量并不少见，但对德克萨斯州和南部大部分地区来说，历史上从未记录过这样的低温，根本没做好准备应对。
在气候较冷的地区，房屋普遍配置天然气供暖系统。在德克萨斯州，大多数家庭一年只是几次需要使用低效的电暖器。德州地区通常气候比较炎热，空调要重要得多，房屋设计通常是为了散热而不是保暖。进入住宅的水管位置安在地面上方，不像大多数寒冷地区那样埋在地下和做保温隔热处理，这种设计缺陷导致全州成千上万的家庭水管爆裂。如今，德州不仅面临停电，该州大部分地区也面临着缺水和停水的问题，爆裂的水管使宝贵的水白白流走。而自来水公司也和其他人一样，面临电力中断问题，难以保证供水。
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像这样的恶劣天气会给任何电力系统造成巨大压力，但大多数发达国家的社区都能承受下去。偏偏德州的电网出现了灾难性的故障，弄清楚原因非常重要。故事要从电网的设计开始说起。
为什么德州成了电力孤岛
在第二次世界大战期间，德克萨斯州的两家电力公司同意合作，以提高电网可靠性。这种合作一直持续到20世纪70年代，在1965年美国东北部发生有史以来最大的电力中断事件，令3000万人断电13小时后，当时北美电力可靠性委员会（NERC）开始将北美混乱的电网系统组织成标准化输出和配备安全措施的大型地理区域。NERC组织和规范了北美电力系统，以防止类似的重大停电事件再次发生。如果在一个地理区域内的一个地区发生了电力短缺，另一个地区的发电厂可以维持电力供应，并保持电网正常运转。下图显示了北美的电网系统是如何划分的。
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关于这张地图，有几件重要的地方需要注意。首先，颜色代表区域可靠性委员会，顾名思义，它们主要负责保持电力供应的可靠性。而地图被划分为几大互连区域，这些都是标准化的生产区域——在同个区域内，所有的发电厂都以相同的频率和相位发电。因此，从路易斯安那州的巴吞鲁日（Baton Rouge）到加拿大的马尼托巴省（Manitoba），东部互连区内任何地方产生的电力都可以为东部区内任何地方共享。此外，还要注意互连区的合作协作性质，美国和加拿大都可共享这些电网互连和许多可靠性委员会。
然而，现在请大家注意地图底部中心和黄色区域。这就是德州，或者说是ERCOT，德州能源可靠性委员会（Energy Reliability Council Of Texas），单独的互连区。
当NERC要把不同的电网连接在一起时，德州嗤之以鼻，予以抵制。“别惹德州”是他们很喜欢的一句老话。当地的立法者和政治家厌恶外州人给自家电网制定法规和要求，所以他们创建自己的网络，与全国其他地区分开。
你可能已经猜到。没错，在最严重的风暴过去后的几天后，这就是现在停电的地区。
德州无法从美国任何其他地区获取大量电力，因为德州区域电力生产的相位和频率与其他互连系统不同。这意味着，从电力上讲，德州是独立的。如果它的发电量超过了它的需求，它不能与其他地方共享。如果它不能产生足够的电力，那么就会停电。当德州自己的发电厂发生故障时，位于德州边境的俄克拉荷马州发电厂也无法为德州提供任何电力。
这就解释了为什么德州是现在唯一遭受停电的州，也解释了为什么停电会持续这么久，但还没有解释为什么德州从一开始就如此突然地失去了发电能力。没错，事发时对电力的需求剧增，但德州也是美国最大的电力生产州，即它有足够的能力来满足这个需求。
为什么德州突然失去发电能力
失败的原因要追溯到ERCOT和它拒绝外部监管来管理其运作。美国温带几乎所有其他地区都要求发电设施做好防冻处理，ERCOT却没有。对一个气温很少降到零度以下的州，州内许多立法者将全球气候变化视为左派骗局，像这样的严重冰冻现象简直不可想象。因此，类似防冻处理的措施被视为昂贵又无用的配件，根本不需要。
在整个北纬地区，风力涡轮机在寒流中继续转动。防冻剂和内部加热器可以保持部件润滑，在恶劣天气条件下也能保持最佳运行温度。挪威和芬兰的风电场整个冬季都在运行，美国北边的密西根州也一样。这些风机配备防冻功能。德州的ERCOT看重的是降低成本的机会，也这么做了，于是现在德州大约一半的风力涡轮机已经停止转动。
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部分风机停转引来右翼政客和媒体人士对德州可再生能源发起猛烈抨击。德州共和党州长格雷格·阿博特（Greg Abbott）对福克斯新闻说：“这说明绿色新政对美国来说是一笔致命交易。我们的风能和太阳能停产了，它们在我们电网中占到了10%以上的份额，把德州推向了全州缺电的境地。”
来自休斯敦的美国共和党国会议员丹·克伦肖（Dan Crenshaw）在推特上写道：“这就是迫使电网部分依靠风能作为电力能源的后果。当天气状况变得像本周一样糟糕时，像风能这样的间歇性可再生能源在你需要的时候就不存在了。”
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德州农业专员希德·米勒（Sid Miller）甚至说：“我们不应该在德州再建一个风力涡轮机。”
不过，你可能会觉得很奇怪，如果风能和太阳能加起来只占电力生产的10%，整个州的电力系统能因一半的风力涡轮机被冻结就瘫痪了？
当然这种故障未能帮助当前情况，但它肯定不是最大的罪魁祸首。德州因冻结的可再生能源发电机损失了16吉瓦（相当于1600万千瓦）的发电量，但它远不及传统能源损失的30吉瓦的发电量。
原因也是一样的：没有做好防寒防冻处理。发电厂是利用水来冷却的。南德克萨斯州核电站的给水管路系统因低温工作失常，导致1号机组反应堆下线，直接造成1.4吉瓦的产量损失。冻结水管也导致煤炭发电厂停产。大部分剩余损失来自于天然气发电厂，这些发电厂则由于缺乏天然气而不得不停产。
德州是全球最大的天然气生产区之一，所以听到天然气耗尽这样的消息令人震惊，但背后问题颇为类似。将天然气从井口输送到工厂的相关设备没有进行防冻处理。井口冻住了，天然气产量一夜之间减少了一半。简而言之，没有对天然气基础设施进行防冻处理，意味着过冷条件下，无法将天然气从地下输送到靠它发电的电厂。
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为什么德州的未来险象环生
天气会回暖，电力也会恢复，但公众对ERCOT和德州电力系统的信心下跌将难以修复。虽然许多公共部门的人尝试尽快忘记所发生的事情，但显然德州电力部门内部必须作出改变。
然而，右翼政客已在试图推动他们的议程，将整个危机归咎于风力涡轮机的故障，并假装这种故障到处都会发生。他们的呼声是，他们曾经试过可再生能源，而这几乎摧毁了他们，警告美国其他州不要重蹈覆辙，而要投资更多的化石燃料。这是共和党特有的说辞。
事实的真相是，德克萨斯州几乎在每一个方面都没有为这次寒潮做好准备。住宅用电取暖，对电力需求剧增。这些住宅设计无法抵御寒冷天气，输水管道系统也是如此，不仅发生在普通家庭，甚至发生在核电站。
当需求超过了产能，德克萨斯州不能像其他州那样进口电力，因为它已经将自己与全国电网的其他区域隔离开来，排除了外部监管，迎合了极右翼政客的长期分离主义幻想。虽然全球几乎所有其他温带地区的基础设施都进行了防寒防冻处理，但德州的能源监管机构为了省钱，选择不对能源基础设施进行防冻处理，因为他们没有预料到全球气候变化带来的极端天气可能会影响到德州。冻结的涡轮机，冻结的发电厂冷却系统，冻结的探井和供应天然气的管道，所有的这些本是容易避免的，只需要多花一点成本。
气温下降，需求激增，德克萨斯州这个能源孤岛的生产也被冻得停滞不前。原来天气能惹德州。
参考文献：
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_Reliability_Council_of_Texas
https://en.wikipedia.org/wiki/North_American_Electric_Reliability_Corporation
http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/sherer1/
https://www.nerc.com/AboutNERC/Resource%20Documents/NERCHistoryBook.pdf
https://www.naes.com/news/the-dissolution-of-frcc/
https://www.nerc.com/AboutNERC/keyplayers/Pages/default.aspx
https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-02-16/texas-power-plants-shut-by-cold-left-pipes-exposed-to-elements
https://www.texastribune.org/2021/02/16/texas-wind-turbines-frozen/
https://www.cbsnews.com/news/texas-power-outage-wind-turbine-winter-storm-electrical-grid/
https://www.cnn.com/2021/02/17/politics/texas-power-grid/index.html
https://www.houstonchronicle.com/business/energy/article/Power-tight-across-Texas-winter-storm-blackouts-15953686.php
https://www.texastribune.org/2021/02/16/natural-gas-power-storm/
https://www.wunderground.com
https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/event-status/event/2021/20210216en.html
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