美國德克薩斯州於2021年2月中旬,在10天內接連遭受三場嚴酷的冬季風暴,由於極端寒冷天氣的影響,使得德州整體電力需求打破過去歷史紀錄,然而因電力設備缺乏防凍設計導致發電機組陸續凍結故障,造成發電量快速下降,使得交流電頻率降低至臨界值,若持續供電,恐造成德州整體電網大崩潰,因此,德州電力可靠性委員會(ERCOT)最後採取暫停部分地區供電,使得當地將近450萬戶家庭及企業連續幾天在極端低溫且無電可用下度過,同時還面臨停水及食物短缺危機。根據德州衛生服務部截至7月14日統計,整場事件造成至少210人死亡,死因包括:體溫過低、一氧化碳中毒、火災或車禍等,經濟損失高達1,300億美元,也是美國有紀錄以來損失最慘重的冬季風暴。
德州位於美國南側,緊鄰墨西哥及墨西哥灣,四季氣候暖和,首都休士頓一月的日均溫介於12°C至17°C,除了有美國第二高人口數(2,918萬人),還是坐擁全球石油與天然氣的重鎮。
德州的電力系統不同於其他州,其擁有獨立電網(圖1),主要負責的機關為德州電力可靠性委員會(The Electric Reliability Council of Texas, ERCOT),管理著德州超過2,600萬客戶的電力流動,占該州電力負荷的90%,剩餘的部分則由西部聯合電網及東部聯合電網協助供電。其大部分電力來自於天然氣(2020年為46%)、風能和煤炭(分別為23%和18%),其次為核能(11%)、太陽能(2%)以及水力等。也因為德州電網屬於一獨立系統調度機構(Independent System Operator, ISO),與州外電網的高壓直流輸電連接較少,因此在電力中斷期間,ERCOT幾乎無法從其他州獲得足夠的電力供應;再加上,其發電設備僅針對夏季熱浪過載有處理機制,以及多數發電廠建在建築物外,以利降低夏季過熱的風險,但在寒冷時期便會暴露在外,且缺乏防凍設計,使得災害期間風力發電機、火力發電廠及核電廠因輸氣管、柴油機組、冷卻系統等設備凍結而癱瘓,有超過50%常備發電量因低溫凍結而失去運作,造成德州約450萬戶居民在冰天雪地中連續斷電超過30小時,除了造成生活功能完全中斷,仰賴天然氣的供暖系統也完全無法運作,以及衍生因水管凍結而停水等狀況發生。
圖1、美國本土電網分成三大電網系統組成,分別是西部聯合電網、東部聯合電網及德克薩斯州電網(ERCOT) (資料來源:Joshua W. Busby, etc. 2021)
2021年2月中旬美國接連受到三波冬季風暴侵襲,其中第二波冬季風暴烏里(Uri)影響最大,其自2月12日由美國西北部形成,陸續席捲整個美國中部,包含平常不受冬季風暴影響的中南部地區,美國國家氣象局甚至首度針對德州休士頓發布風寒警報(wind chill warning),直至2月18日於美國東北部離開,影響時間長達一週。
此次冬季風暴在美國中南部地區創下許多最低溫紀錄,於2月16日美國約有73%國土被冰雪覆蓋,而華氏0度線(攝氏-17度)在2月16日甚至達到德州最南端(圖2),德州達拉斯在2月16日達到-16°C,是1989年來的最低溫,而該地區2月的氣候值為15°C。
圖2、2021年2月16日北美地區地面溫度圖,紅色為華氏0度線,2月16日低溫達最南邊(資料來源:Climate Reanalyzer)
此次極端低溫天氣是由於1月初的北極上空平流層突然增暖(Sudden Stratospheric Warmings, SSWs),引發緩慢的大氣連鎖反應,使得將冷空氣鎖在極地渦漩(Polar Vortex)的西風噴流(風速很大的風)減弱,將冷空氣外溢至中緯度地區,包含歐洲、美國等地(圖3),加上從極地到德州地區並沒有地形阻擋,因此冷空氣長驅直下。因極地渦漩潰散造成冷空氣外溢的事件常見於冬季,上次2014年北美寒害事件也是相同的原因造成,但是每次發生潰散的原因及冷空氣外溢的範圍及區域並不相同,像2014年並無平流層突然增暖事件且僅對美國中北部及東部地區造成寒害。
圖3、極地渦漩變化圖,左圖為為平時狀況,通常於冬季極地渦漩會變成較不穩定且往南擴散(右圖),將極區空氣往南傳送(資料來源:美國國家海洋暨大氣總署(NOAA))
受到冬季風暴連日侵襲,造成全美數百個地區出現創紀錄低溫,多達七州宣布進入緊急狀態。在美國東岸、中部及南部多處地區因低溫導致道路結冰、停電、交通受阻及機場被迫關閉影響大量航班運行等災情傳出,其中又以德州尤其嚴重,包括位於德州的北美最大煉油廠也關閉,影響東岸逾五分之三的燃料供應,以及面臨大規模停電、停水危機等,以下將針對本次德州的災情做詳細說明。
(一)電力問題
由於受到嚴酷的寒冷天氣影響,導致能源需求激增。從圖4歷程說明可見,2月14日由於溫度驟降至-10°C,德州整體電力負載在同日下午迅速上升至68.6GW,打破過去冬季最高紀錄的66GW,並從負載預測15日需求恐上升至76.8GW,然而因為極端低溫導致部分工廠和天然氣設備陸續故障,出現超出預期的30GW的電力短缺;並且,基於交流電的電網需要非常窄的60Hz範圍內的頻率以保持穩定性,若低於59H頻率將造成整個電網關閉,而在2月15日凌晨,德州電網的頻率一度下降到59.4Hz以下長達4分23秒(圖5),若停留時間超過9分鐘或甚至更長,ERCOT表示整個電網將會崩潰,導致該州陷入黑暗。因此,隨著需求上升和供應的下降,ERCOT自2011年2月以來首次宣布「能源緊急警報EEA 3級」[註1],並於2月15日凌晨1:25下令暫停供電。基於發電缺口如此之大,仍需為醫院和消防站等關鍵基礎設施預留可用電力,因此沒有足夠的備用容量來輪換停電,造成最初預期的輪流供電變成了多天停電,影響德州約450萬戶居民在極端低溫下連續斷電超過30小時,當時災情如圖6至圖8所示。
其實,早在2011年1月31日至2月3日期間的Groundhog day冬季風暴也曾造成德州電力設備出現無法運行狀況,ERCOT除了以各地輪流停電形式,並向墨西哥進口部分電力,當時仍有300萬戶家庭與企業受影響,事後聯邦能源監管委員會(FERC)有呼籲當地發電廠進行冬季防寒設備改造,以適應極端低溫天氣,然而當地發電廠因改造成本過高並未有相對應變處置;而過了將近十年時間,本次冬季風暴橫跨整個州,造成寒冷的時間更長,使得德州再次面臨大規模停電危機,由於德州電網本身獨立性,再加上風暴期間,與德州電網連接的西南電力持負責的州也需要輪流停電,另一個連接的墨西哥也有470萬用戶停電,難以從其他電網獲得支援,因此,ERCOT認為在此極端天氣狀況下相連電網並無法提供德州電力支援。
事件後ERCOT 的首席執行官被解雇、8名董事會成員辭職。另外,還有四家公用事業公司宣布破產,包括:Brazos Electric Power Cooperative、Just Energy、Brilliant Energy及Griddy Energy。其中,Griddy Energy因將批發價格轉嫁給客戶而成為新聞,這導致數千名德州人面臨須負擔超高電費,其中一些超過10,000美元;與此同時,由於在風暴期間以非常高的價格銷售天然氣,許多天然氣供應商宣布增加利潤、股票回購和增加股息。
圖4、冬季風暴影響期間的電力負載狀況與ERCOT在停電的應變歷程(資料來源:Joshua W. Busby, etc. 2021, ERCOT)
圖5、2021年2月15日凌晨1:23至2:03期間交流電的頻率變化歷程(資料來源:ERCOT)
圖6、德州各行政區於2021年2月16日的停電占比程度(資料來源: ERCOT, The Texas Tribune and ProPublica)
圖7、左圖為事件前(2月5日),右圖為事件後(2月16日)於德州休斯頓的衛星影像(資料來源:NASA)
圖8、2021年2月16日在美國的德州沃斯堡,電力公用事業卡車停在城鎮西南側準備進行停電搶救作業(資料來源:EPA/達志影像授權)
(二)衍生的其他災情
因為極端低溫造成供水管道凍結和破裂,導致德州有202郡的1,200個公共自來水系統受到影響,直至2月18日仍有1,400 萬德州人面臨供水中斷的情形,在休士頓、聖安東尼奧、奧斯丁及沃斯堡等地區皆收到「煮沸自來水通知」(Boil Water Notice),因低水壓可能導致細菌趁隙滲入管線,州政府要求在飲用、烹飪或清潔前要將水先燒開。2月19日,雖電力僅剩19萬戶停電,但有數百萬人仍面臨無乾淨自來水可用的問題。2月23日,尚有340萬人沒有自來水供應。由國民兵與美軍向民眾發送瓶裝水,或在市政府等多處設置取水站提供民眾臨時用水,但仍無法滿足需求,超市的飲用水也被搶購一空。
另外,由於惡劣的天氣條件和大面積停電,全州大多數商店都無法滿足對食品和其他雜貨的需求增長。許多雜貨店因停電而被迫關閉,而在那些仍然營業的雜貨店中,麵包、牛奶和雞蛋等許多基本商品已完全售罄。
並且,寒冷低溫再加上缺乏天然氣來供應電暖設備的運作,人們試著採取危險的方式為他們的房屋取暖,像是室內生火、開煤氣爐或車內取暖,增加一氧化碳中毒與火災的風險。
而正值全球Covid-19大流行期間,疫苗部分也因寒冷天氣而受阻,導致當地疫苗接種中心暫時性關閉。2月16日,當地州衛生官員反應,因冬季風暴延後了原定數十萬劑的疫苗交付,數百家醫療機構的一百萬劑疫苗注射計劃也因此告吹。
[註1]ERCOT能源緊急警報(Energy Emergency Alert)
為了有效管理與保護電網穩定運作,ERCOT可因應不同電力狀況對民眾與企業發出五種能源緊急警報,包括:正常(Normal)、保護警報(Conservation)、EEA1、EEA2及EEA3,以下針對各等級說明:
表1、ERCOT能源緊急警報分級說明(資料來源:ERCOT, PEC)
德州州長Greg Abbott於2月12日發布了災難宣告,動員各個部門清理積雪。隨著局勢惡化,2月13日州長要求聯邦緊急聲明,拜登總統於2月14日批准了該聲明並宣布德克薩斯州進入「緊急狀態」 (Emergency Declaration),授權國土安全部和聯邦緊急事務管理局(FEMA)在德州全境提供緊急援,FEMA則向該州運送了60台發電機、水及毛毯等物資。而為了緩解能源短缺,州長也命令天然氣生產商暫停將天然氣出口到州外,而是在德州境內銷售。2月16日,州長宣布ERCOT改革是州議會的緊急優先事項,將對停電進行調查以確定長期解決方案。2月19日,努埃塞斯郡對ERCOT提起訴訟,認為德州電力基礎設施存在疑慮問題多次未被重視。2月20日總統拜登批准宣布德州進入「重大災難狀態」(Major Disaster Declaration),以便聯邦政府通過更多撥款救災。2021年3月,德州議會提出了一系列法案,將採取措施防止未來在極端溫度下停電。眾議院第11號法案定義了極端天氣條件,為監管機構和行業設計提供指引。眾議院第14號法案將創建德州供應鏈安全和繪圖委員會(Texas Supply Chain Security and Mapping Committee),以優先考慮極端天氣期間的能源需求。同年5月,立法機關批准了參議院法案2和參議院法案3,以徹底改革該州的電網,這些法案包括要求發電廠設備能承受極端天氣、建立緊急警報系統和為電力公司制定貸款計劃。
2021年2月中旬美國受到冬季風暴的影響,在美國中南部地區創下許多極端低溫的紀錄,有超過3,000個測站達到75年來最低溫,而中南部地區甚至低於氣候值約攝氏15度以上。此次低溫原因主要是由於平流層突然增暖造成極地渦漩空氣潰散,加上冷空氣剛好經過中南部平原區一路往南到德州,造成德州達到歷史低溫紀錄。
而德州在受到強烈北極寒流侵襲下導致當地大規模的供電、供水中斷,整場事件造成至少210人死亡,經濟損失高達1,300億美元,也是美國有紀錄以來損失最慘重的冬季風暴。有鑒於此,為避免未來再次面臨極端氣候威脅,州政府須重新考慮該州對能源的監管方法、需求響應及擴大州際互連等潛在解決方案。
1. 世界氣象組織(WMO),Extreme winter weather hits USA, Europe
2. The Weather Channel,Our Recap of a Frenetic Stretch of Record-Breaking Winter Weather
3. NOAA,On the sudden stratospheric warming and polar vortex of early 2021
4. 美國能源信息署(U.S. Energy Information Administration, Eia)
5. 德州電力可靠性委員會(ERCOT)
6. Joshua W. Busby, Kyri Baker, Morgan D. Bazilian, Alex Q. Gilbert, Emily Grubert, Varun Rai, Joshua D. Rhodes, Sarang Shidore, Caitlin A. Smith, Michael E. Webber(2021). Cascading risks: Understanding the 2021 winter blackout in Texas. Journal of Energy Research & Social Science, Volume 77.
7. Pedernales Electric Cooperative, PEC
8. Federal Energy Regulatory Commission, FERC