2021年2月美國德州大停電事件概況
蔡正益＊主筆
＊本會會員，前台電核一廠廠長(108年12月退休)
ㄧ、前言
2021年2 月 15 德州遭受歷史新低溫及暴風雪之襲擊，造成大量發電設施故障，負責電網交易與調度的德州電力可靠度委員會(ERCOT - Electric Reliability Council of Texas)因系統供電不足，採取分區輪流停電，造成超過 400 萬戶家庭失去電力，電價飆漲到現貨市場上限的每度電9美元，嚴重影響民眾日常生活。十年前，2011年2月2日德州也發生過異常氣候影響而輪流停電400萬戶，電價飆漲到現貨市場上限(每度3美元)的事件。
本文主要參考前台電調度處鄭金龍處長部落格(Gordoncheng’s Blog)收集的資料，摘述本事件過程重要電力系統情況，並比較2011年大規模停電事件時的能源占比、氣溫變化與電力系統影響的規模等有關德州極端氣候現象與電力自由市場的挑戰。
二、德州天氣、能源與電力系統簡介
德州的氣候通常7/8月是最溫暖的月份，首府達拉斯夏季平均高低溫度約攝氏34/24度；12/1月是最寒冷的月份，達拉斯冬季平均高低溫度約攝氏16/3度。其全年電力需求通常在夏季最高，歷史最高峰時段發生在2018年7月19日，當時需求達到73,259MW。
能源是影響德州政治和經濟發展的主要因素,已知的石油儲量占美國的四分之一，天然氣產量占全美供應量的四分之一，德州的人均能源消耗量全美排名第五。
德州的電力系統屬獨力電網不受聯邦管轄，已建立開放使用的電網以及完全競爭的電力批發與零售市場，其智慧電表裝設率約達100%。ERCOT與德州可靠度機構(TRE - Texas Reliability Entity)合作管控大電網的可靠度，為美國第一家非營利的獨立系統營運商，履行德州法律要求的四項職責-包括維護電力系統可靠度、促進電力市場交易競爭性、確保輸電網路開放以及促進零售電力市場發展等，並負責管理其所轄電力系統上大約2,600萬個德州最終用戶、超過680部發電機和46,500英里長的輸配電網。
ERCOT受德州公共事業委員會(PUCT - Public Utility Commission of Texas)監管，以確保市場競爭性，並由市場參與者委員會共同決定市場協議的訂定與調整。TRE目前根據聯邦能源管制委員會(Federal Energy Commission, FERC)批准的北美電力可靠度機構(North American Electric Reliability Corporation, NERC)所制定之可靠度規範，來建立德州可靠度標準，以監督並確保ERCOT電網之可靠度。
2021年ERCOT轄區內各類燃料別發電裝置容量占比以及2020年各類燃料別發電量占比，詳如下圖所示：
(資料來源：2021/2 ERCOT Fact Sheet ERCOT網站)
三、德州2021年2月15日大停電事件概述
本事件在破紀錄的低溫與冷風效應下，最大停機容量約佔全系統總裝置容量的48.6%，為防止全德州電網崩潰，ERCOT實施了分區輪流停電，其停電事件過程、系統頻率、總停機容量、燃料別發電機組停機容量、可用發電容量與預估負載比較、系統電價及燃料別發電機組發電容量等，請參見圖1-圖7。
2/15(星期一)~2/19(星期五)重要事件如下:
2月15日(星期一)：因極端氣候衝擊，增加不可用的發電容量高達約24,000MW，最高停機容量為52,277MW(大約系統總裝置容量之48.6%)，最高卸載量為20,000MW，燃氣電廠天然氣供應受限，鄰近區域系統情況緊急，多條高壓直流互聯線融通電力受限。
2月16日(星期二)：某些機組恢復發電，而另一些機組仍處於停機不可用狀態，因此淨可用發電容量沒有增加，白天受控停電量減少，但晚上尖峰時段增加。
2月17日(星期三)：氣溫稍微溫和，允許減少受控停電量，淨發電量也稍增。
2月18日(星期四)：可用發電容量繼續增加，早上12:42取消了最後受控停電指令，由於冰風暴造成的損壞，仍有一些停電設施需要人工復電。
2月19日(星期五)：早上09:00系統回復到第二階段電能緊急警報；10:00系統回復到第一階段電能緊急警報；10:35-系統恢復正常運轉。
圖1 2021/2/14(星期日)~2/15(星期一)停電事故經過
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
圖2 2021/2/15(星期一)系統頻率變化曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
圖3 2021/2/14~/19停機總容量統計曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
圖4 2021/2/14~/20各能源別停機容量統計曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
圖5 2021/2/14~/20可發電容量與無卸載預估系統負載比較曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event– ERCOT)
圖6 2021/2/13~2/21系統即時電價與日前電價(美元/千度)曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
圖7 德州ERCOT系統2021/2/11至2/18各類能源別發電曲線
(資料來源：美國能源部Storm Hub;原始資料來源：eia)
四、2021年與2011年德州大停電的比較
(一)2011年2月德州大停電事件概況
2011年2月2日因冬季異常暴風雪橫掃德州，造成當天早上6點起開始實施分區輪流停電，直到下午約2點才終止。當時冰風暴造成系統負載突升、天然氣產量減少、天然氣與燃油管路冰凍、儀表結凍等，造成大量發電機組跳機，且現貨電力市場電價漲達當年每度3美元之上限。嗣後，2011年8月 由FERC和NERC共同完成一份長達357頁的調查報告(Report on Outages and Curtailments During the Southwest Cold Weather Event of February 1-5, 2011)，其中指出：
(1)許多發電業者未能充分運用以前嚴冬事件的經驗回饋知識來落實改善與制度化-尤其針對發電和輔助設備的防凍上；
(2)各類型的機組（核能發電機组除外）跳機、降載或未能起機者，以燃氣機組的發電占比最大，其故障百分比也最高；
(3)輸電營運商和分銷商普遍沒有將天然氣設施（如接收、加工處理或壓縮等）定為關鍵必要負載；
(4)電網平衡機構、可靠度協調員和發電業者普遍缺乏對設備溫度設計極限的了解；
(5)德州缺少任何直接要求發電業者進行防寒防凍措施的州級或地區性可靠度標準，許多發電業者未能主動為冬季做好充分運維和演訓的準備等。
該報告針對電網管理有關之下列六個領域提出諸多建議改善事項：(1)電網規劃(Planning)；(2)備用容量(reserves)；(3)與發電業者之協調(Coordination with generator owners/operators)；(4)防寒/防凍(Winterization)；(5)與利害關係人之溝通(Communications)；(6)負載削減(Load shedding)。
根據2011年2月大停電事故後的檢討改善建議狀態報告(Status of Recommendations After February 2011)，在過去的十年中，PUCT與ERCOT做了支持這些建議的變更：例如PUCT於2011年修訂了規則，授權ERCOT執行發電廠現場實地考察、審查耐寒計畫、抽查防寒及防凍措施、驗證電廠員工是否遵守計畫要求、經驗教訓或最佳實務等等。
(二)重要參數比較
比較兩次大停電事件期間的氣溫，可以發現2021年之零下氣溫比2011年溫度更低，且2021年處於在此低溫之時間更長。以德州首府達拉斯為例，在2011年2月，最低溫約攝氏零下11度，且停留在冰點以下約101小時；而2021年2月，達拉斯最低溫約攝氏零下19度，且停留在冰點以下約140小時(參見圖8)，兩次大規模停電事件重要數據比較如下(參見表1)：
圖8 2011與2021冬季停電事故期間各地氣溫比較曲線
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
表1 2011與2021冬季停電事故各種項目比較
(資料來源：Review of February 2021 Extreme Cold Weather Event – ERCOT)
(三)各類能源發電量占比
比較該兩次事件發生前一年的燃料別發電量占比，其中風力發電量由2010年的8%大幅增加到2020年的22.8%；燃氣由2010年之38%增加至2020年之45.5%；燃煤則由2010年之40%降至2020年之17.9% (詳見表2)。
表2 ERCOT 2010年與2020年發電量占比之比較
(資料來源：按ERCOT網站資料自行製表)
五、結語
本事件發生後，美國能源界一片譁然，德州PUCT和ERCOT成為眾矢之的。現任德州州長Greg Abbott認為大量風機在暴風雪襲擊下停機，顯示在極端氣候下再生能源不可靠。但ERCOT之數據分析結果顯示，主要原因為天然氣輸送管線因極低溫結凍造成大量燃氣電廠供氣中斷及燃氣電廠設備故障而停機。而2008年諾貝爾經濟學獎得主Paul Krugman也在2月18日紐約時報發文指出，德州發電業者未落實執行2011年大停電事件調查報告所提出強化電力系統之防寒防凍措施等建議事項，也未備妥足夠之備用容量以因應可能之緊急狀況，才是造成本事件之主因。
至2021年3月中旬止，德州大部份地區已陸續復電。而前揭德州州長與諾貝爾經濟學獎得主之相繼發言與評論，引發對德州能源政策與後續發展之諸多爭議。參考美國國家管制研究協會(National Regulatory Research Institute, NRRI)之分析，這些爭議主要包括：
•在多數發電機組受極低溫衝擊下停機而實施分區輪流停電期間，德州電力市場是否有被業者不當人為操作以獲取更多營收？
•當電價隨著負載需求大幅減少而降低之際，PUCT指出電價應反映電力供給減少之狀況，並指示ERCOT之電力調度應配合執行，導致市場電價飆升至上限值( $9,000/MWh)，PUCT和ERCOT此舉是否涉及市場人為操作之議題？
•ERCOT是否需要建立以裝置容量為基礎之容量市場(capacity market)？蓋因ERCOT現行容量市場是以備轉容量(operating reserve)為基礎，而PJM、NYISO 等獨立系統營運商或獨立電力調度中心係以裝置容量(installed reserve)為基礎。
•ERCOT是否需與鄰近之美國東部Southwest Power Pool (SPP)及Midcontinent Independent System Operator (MISO)所屬電網互聯，以提升ERCOT電網穩定性和韌性？
•電價飆升所造成的德州用戶鉅額之財務負擔甚至於部分企業用戶宣告倒閉，PUCT應如何處理與解決？
美國聯邦政府FERC及德州州長與檢察總長已陸續宣布對此次事件展開調查行動，預計前揭美國國內對本事件所涉各項爭議需要一段時間釐清，值為我們觀察其後續發展。
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