2021 美國德州寒害

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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。

一、前言

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°C17°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。

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)

二、氣象分析

20212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212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218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。

2、2021216日北美地區地面溫度圖,紅色為華氏0度線,216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(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。

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))

三、災害衝擊

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,214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215日凌晨,德州電網的頻率一度下降到59.4Hz以下長達423(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,ERCOT20112月以來首次宣布「能源緊急警報EEA 3級」[註1],並於215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2011131日至23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。

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)

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)

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)

7左圖為事件前(25),右圖為事件後(216)於德州休斯頓的衛星影像(資料來源:NASA)

82021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218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。219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。223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)

四、政府作為

德州州長Greg Abbott212日發布了災難宣告,動員各個部門清理積雪。隨著局勢惡化,213日州長要求聯邦緊急聲明,拜登總統於214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。216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。219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。220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。20213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。

五、結論

20212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。

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