文件编号：A271/0288
刊发时间：2021年5月12日
2月中旬的极寒天气对美国德州电力系统的冲击有多大？
2月中旬的极寒天气，使德州电力短缺达3万兆瓦，约77个小时里电价涨至政策允许最高水平，其背后是电力生产对天然气的高度依赖。
王能全
立夏过后，天气正在步入初夏。不过，刚刚过去不久的这个冬季里，无论是我们身处的远东地区还是大洋彼岸的美国，极寒天气都给世界能源行业留下了令人无法忘怀的教训，尤其是2月中旬百年一遇的寒潮，使得作为世界第一天然气生产大国的美国，在天然气价格暴涨出历史记录的同时，也使作为美国第一能源生产大州德克萨斯州的电价涨至政策允许的最高水平。依据美国能源信息署的统计数据和有关资料，本文将通过具体的数字，介绍2月中旬的这场极寒天气，对德州电价和电费造成的影响，并分析出现这一结果背后的电力消费和生产等结构性原因。作为追踪和收集这场罕见的极端天气对能源行业影响的又一篇文字，本文力图说明并提醒的是，当下无论是从全球范围还是从具体的国家来看，能源行业面对极端天气这样的自然灾害，都是十分的脆弱，应高度重视并积极采取措施加以切实的防范。
一、德州电价在约77个小时里涨至政策允许的最高水平
2021年2月中旬，一场百年一遇的寒潮横扫了美国中南部地区，其中德克萨斯州受到的冲击最为严重，能源供应系统短时间内瘫痪，电力不能正常供应，部分用户电价和电费大涨。
根据美国能源信息署最新一期的电力月刊初步数据，与2020年同期相比，德州所有分类用户2月份的平均电价都出现了较大的增长。工业和商业部门用户的平均电价上涨最为显著，与上一个2月份相比，这两个行业的电价都翻了一番以上，其中工业部门的电价，从2020年2月的5.40美分/千瓦时上涨至2021年2月的12.15美分/千瓦时，商业部门的电价从7.89美分/千瓦时上涨至16.29美分/千瓦时。尽管2021年2月的民用电价仅比2020年2月高出7%，但这是自2008年7月以来最高的民用电力价格。
与零售电价相比，这一期间涨价最大的是批发电价。德克萨斯电力可靠性委员会是德州主要电网运营商，2020年平均批发电价为每兆瓦时22美元。然而，在电力需求旺盛期间或无法获得发电资源时，电力价格中心的批发电价就会上涨，有时会大幅度上涨。2021年2月，从2月15日午夜到2月19日上午，批发电价保持或接近德克萨斯电力可靠性委员会价格的上限9000美元/兆瓦时，时间约为77个小时。
2月份较高的批发电价，在多大程度上影响到零售用电客户的支付金额，取决于电费的支付方式。德州大多数民用客户都采用固定费率方式，通过电力供应商支付固定价格的电价，从而避免了批发价格的上涨。因此，2月份德州的民用平均电价，仅比去年2月高7%。
相比之下，商业和工业部门用户的平均电价上涨了一倍以上，因为这些部门的用户，有很大比例参与了电价的动态支付方式。在各种类型的动态定价方式中，客户的电价是波动的，取决于电力需求（高需求时电价较高）和电力批发价格等多种因素。
德州的商业和工业部门用户，平均电费增幅最大。2021年2月，商业用户的平均电费账单几乎是2020年2月的两倍（1050美元），工业用户的平均电费账单从2020年的1976美元上升到2021年的3385美元，增长了71.31%。民用电费账单增长相对温和，为17.52%，2021年2月平均为134美元，而2020年2月为115美元。
不过，与去年同期相比，2021年2月工业用户的平均电力销售下降了24%，商业用户电力销售额下降了6%，民用电力销售增长了9%。因此，虽然工业和商业用户的电费都大幅度上涨，但由于工业用户平均电力销售额的大幅度下降，2021年2月份工业用户平均电费账单增长的百分比，低于商业部门用户。
二、对天然气发电的高度依赖是德州电力危机的主要原因
德克萨斯州州内共有四个电网，但德克萨斯电力可靠性委员会是德州的主要电网运营商。德克萨斯电力可靠性委员会是一家非盈利性机构，负责管理德州2600万用户的电力供应和分配，覆盖该州75%的地区和90%的电力负荷，拥有超过46,500英里的输电线路和约700台发电机组。
与美国其他电网不同，德克萨斯电力可靠性委员会的电网与外部系统的连接有限，主要依靠自己的资源来满足电力需求。
天然气是德克萨斯电力可靠性委员会最大的发电来源，在高峰时期提供超过4万兆瓦的电力供应。美国能源信息署的每小时电网监测数据显示，天然气发电量大幅下降后，2021年2月15日午夜开始，德克萨斯电力可靠性委员会的电网实施轮流停电，期间燃煤、风能和核能的发电量也开始下降。
根据美国能源信息署的每小时电网监测数据，2021年2月15日午夜后不久，电网发电量低于德克萨斯电力可靠性委员会前一天的电力需求预测，而且这种缺口一直持续到2月18日。当日电力需求与前一日需求预测的不匹配，2021年2月15日迅速增长至至少3万兆瓦，2月17日缩小至略低于2万兆瓦。
根据美国人口普查局的数据，61%的德州家庭使用电力作为主要供暖来源，而全美这一比例为39%。35%的德州家庭热源是天然气，但大多数现代天然气炉需要电力点燃和风扇传导热量。此外，3%的德州家庭使用丙烷作为取暖用燃料，还有0.4%的德州家庭没有供暖设备。
2021年2月中旬的这场极端冬季天气事件，影响了德州的能源供需，寒冷的气温在增加德州电力和取暖需求的同时，打乱了能源生产。根据美国能源信息署的电力数据，2020年2月天然气发电量占德州发电量的52%，因此寒冷天气带来的天然气发电量的下降，极大地影响了德州的电力供应。
德州的天然气发电需求，通常在夏季达到高峰，因为届时居民会增加空调的使用量。在夏季电力需求高峰期间，天然气发电量占德州月度净发电量的61%。天然气在德州冬季发电量中所占的比例较小，因为此时总的电力需求较低，但取暖用的天然气需求量较高。
风、煤和核电站，产生了德州其余大部分的电力。在过去的十年中，风能在德州净发电量中所占的份额大幅度增加，2020年2月占净发电量的22%（包括规模以上和小型风电场）。近年来，煤电的份额有所下降，2020年2月占发电总量的13%；核能发电，一直占德州发电总量的10%左右。
三、极寒天气导致了美国和德州天然气产量创纪录地骤降
在这场影响美国中南部大部分地区的寒潮期间，2021年2月17日，美国天然气干气产量降至697亿立方英尺/天，降幅为21%，比截至2月13日的一周下降了近189亿立方英尺/天。期间，德克萨斯州天然气的产量，从截至2月13日当周的213亿立方英尺/天，降至2月17日（周三）的日低点118亿立方英尺/天，降幅近45%。
在2021年2月14日的这一周里，德州的平均气温比平时低了近30华氏度。天然气产量的下降，主要原因是由于冰冻，即原存在于天然气气流中的水和其他液体，由于低温，在井口或生产活动周围的天然气集输管道中冻结。与美国北部地区适应冬季气候的天然气生产基础设施不同，德州的天然气生产基础设施，如井口、集输管线和处理厂设施等，很容易受到极端寒冷天气的影响。
从2月8日到17日，德州的天然气产量下降了超过100亿立方英尺/天。在2月17日达到日低点后，随着气温开始上升，德州的天然气生产也逐渐恢复。2月24日，德州的天然气日产量估计达到209亿立方英尺/天，比截至2月13日一周的平均水平，仅低约0.3亿立方英尺/天。
按月计算，2021年2月美国天然气产量（以总采出量衡量），平均为1048亿立方英尺/天，比1月份下降81亿立方英尺/天，降幅为7%，创下有记录以来的最大月度降幅。其中，德州的天然气产量下降，是全美天然气产量大降的主要原因，德州天然气产量创纪录地下降了43亿立方英尺/天，下降的幅度为15%，至215亿立方英尺/天。
在产量骤降的同时，极寒天气带来了天然气消费的涨跌互现，其对天然气生产和工业部门消费的影响最大，创下了有记录以来最大的月度降幅，而民用部门的消费则创下了历史新高。
2021年2月份，德州工业部门天然气消费量降至41亿立方英尺/天，比去年同期水平下降23%，创下有记录以来的最大单月降幅，这一下降既与极端寒冷天气的直接影响有关，包括停电和设备故障，也与间接影响有关，例如供应短缺和极端价格。作为全美天然气消费量最大的州，德州的工业部门消耗了大量的天然气。
一般来说，2月份美国民用天然气消费量，通常比1月份有所下降。相反，由于极端寒冷的天气，德州的民用天然气消费量在2月份大幅度增加，当时气温连续几天保持在零度以下。德州2月份的民用天然气消费量达到了18亿立方英尺/天的历史新高，比去年同期水平高出了53%，比五年平均水平高出64%。与此同时，德州商业用户2月份天然气消费量也有所增加，达到9.2亿立方英尺/天，为2018年1月以来的最高水平。
德州电力部门，2021年2月份的天然气消耗量与去年同期基本持平，为45亿立方英尺/天，与2020年2月相比增长了1%。德州超过60%的家庭用电取暖，这意味着2月份的寒流应该会导致用电量的激增，不过德州各地的电力中断限制了消费。
创纪录的寒流带来了天然气和电力价格的大涨。2月17日，作为美国天然气价格基准的亨利中心天然气现货价格，达到23.86美元/百万英热单位。但是，由于监管政策设定了价格上限，多数州的民用和商用天然气价格，当月保持平稳，没有大幅度增长。
由于有数量巨大的天然气库存，一定程度上缓解了天然气产量的大降导致的局势进一步恶化。据美国能源信息署发布的每周天然气库存数据显示，2021年2月中旬天然气的旺盛需求，带来了美国历史上第二大的天然气库存动用。截至2021年2月19日，当周全美天然气库存数量下降了3380亿立方英尺，几乎是往年2月中旬平均库存动用量的三倍，其中当周包括德州在内的中南部地区，天然气的库存动用数量也创下了纪录，高达1560亿立方英尺。
