Развитие кризиса
Стремительные события вывели из равновесия жизнь целого штата за пару дней, и могли привести к полному коллапсу энергосистемы за пару минут
Зимний сезон 2020–2021 годов стал аномальным. На США и Канаду обрушилось шесть серьёзных зимних штормов. В целом для Америки тот сезон обернулся рекордным ущербом.
- 10 февраля 2021 года мощная снежная буря, сформировавшаяся над долинами рек Огайо и средней Миссиссиппи, обрушилась на несколько южных штатов, включая Техас.
- 13 февраля второй шторм, «Зимний шторм Ури», сформировался в северной части западного побережья США и начал двигаться в сторону Техаса, усиливаясь на своём пути.
- Третий шторм, получивший неофициальное название «Зимний шторм Виола», сформировался у Западного побережья США 15 февраля и 16–17 февраля также обрушился на южные штаты.
Одновременно со шквалом зимних штормов произошёл исторический и продолжительный по времени прорыв арктических воздушных масс в центральную и южную часть Соединенных Штатов, из-за чего температура в Техасе упала более чем на 10 ℃ ниже климатической нормы. В некоторых районах штата температура 14 февраля достигла отметки в –18 ℃, а в последующие дни в некоторых городах штата были зафиксированы рекорды минимальной температуры. В некоторых районах Аляски в те дни было теплее, чем в Техасе.
Эта волна холода привела к сильному повышению нагрузки на электроэнергетическую систему штата. Напомним, Техас — тёплый южный штат, в котором инфраструктура не очень приспособлена к экстремально низким температура, да и люди не слишком привыкли к таким холодам.
Подавляющая часть домов в Техасе, которые редко оказываются под натиском сильных холодов, недостаточно утеплены и отапливаются с помощью не очень эффективных электрических нагревателей. По выражению Рассела Голда, автора журнала Texas Monthly, эти нагреватели являются технологическим аналогом тостера.
В период аномальных холодов техасцы грелись всеми доступными методами. Кроме электрических нагревателей в ход шли открытые электрические духовки и даже фены для укладки волос.
Это вызвало экстремальный рост нагрузки на электроэнергетические сети. 14 февраля 2021 года потребляемая мощность в Техасе значительно превысила генерируемую.
Но и сама энергетическая инфраструктура штата, как было сказано выше, не была готова к такой зиме. Проблемы стали заметны, когда погода начала влиять на работу газовых электростанций. Там начало замерзать оборудование (замерзание конденсата, обмерзание вентилей и прочее), что привело к отказам, ограничениям подачи газового топлива и, в конечном счёте, к прекращению подачи тепла и электроэнергии потребителям от газовых электростанций. Прекращение генерации приводило, в том числе, к отключению насосов, подающих по трубам газ, что, в свою очередь, приводило к остановке и других генерирующих мощностей.
Совет по надёжности электроснабжения Техаса 13 февраля уже понимал, что возможны блэкауты, так как из-за холодов начались проблемы с газораспределяющей инфраструктурой. Чтобы не допустить перегрузки, от сети могло потребоваться отключение более 10% потребителей, что позволило бы обеспечить сброс потребляемой мощности примерно на 7500 мегаватт. Это вдвое больше, чем отключения в 2011 году, которые тогда длились восемь часов. К вечеру 14 февраля потребление превысило предел в 67,2 тысячи мегаватт, рассчитанный для экстремальных зимних условий. ERCOT потребовал от предприятий (в первую очередь — коммунальных) снизить нагрузку на несколько тысяч мегаватт. Но было уже поздно — частота в электрической сети от превышения нагрузки над возможностями генерации начала падать.
Вся электроэнергетическая система в считанные минуты оказалась на грани полного отключения.
Чтобы не допустить этого, 15 февраля ERCOT начал веерные отключения электроэнергии. Эти отключения позволили не допустить перегрузки в сети и выхода её из строя.
Как удалось не допустить полного коллапса энергосистемы Техаса
Частота в сети переменного тока — это своего рода индикатор сбалансированности потребления и генерации электрической энергии. Если частота начинает падать, электростанции автоматически начинают повышать выдаваемую мощность, восстанавливая равновесие. Но это происходит, если есть ресурсы для повышения этой выдаваемой мощности. В Техасе в тот момент их не было.
Более того, мощность в сети продолжала падать из-за остановки генерирующих объектов, которые переставали работать один за другим. В ночь с 14 на 15 февраля ERCOT объявил чрезвычайную ситуацию первого уровня, менее чем через час уровень был увеличен до второго и, ещё через несколько минут — до третьего. Начались отключения:
- в 1:23 ночи 15 февраля системный оператор отключил первую тысячу мегаватт потребителей;
- в 1:47 было отключено ещё тысяча мегаватт,
- в 1:51 — уже 3 тысячи мегаватт.
В 1:51 частота в сети, которая в норме в электросетях США составляет 60 Герц, упала до 59,4 Герц. Такое кажущееся небольшим падение представляет серьёзную угрозу электроэнергетической сети Техаса. Это тот порог, при котором начинается 9-минутный отсчёт, по окончании которого должно происходить автоматическое отключение потребителей, если частота не начнёт восстанавливаться.
Бóльшее снижение частоты в сети могло привести к её бесконтрольному падению и отключению сети целиком, что в энергетике называется лавиной частоты. По логике инженеров, в такие моменты операторы, столкнувшиеся с экстраординарной ситуацией, могут утрачивать способность быстро принимать адекватные решения, и поэтому контроль над системой переходит в автоматический режим.
- В 1:55, когда частота в сети достигла 59,3 Герц, операторы по требованию ERCOT отключили от сети ещё 3,5 тысячи мегаватт потребителей. К окончанию 9-минутного отсчёта частота в сети вернулась к норме. Но на весь оставшийся день вся сеть была дестабилизирована, а полностью к нормальному режиму работы сеть вернулась только 19 февраля.
То есть в течение нескольких минут вся электроэнергетическая система штата была на пороге коллапса. Если бы это случилось, восстановление электроснабжения заняло бы недели.
Стоимость электричества и газа взлетела до небывалых высот. А оплачивали эту сверхдорогую энергию обычные граждане.
Оптовая цена электроэнергии во время кризиса выросла в 360 раз, взлетев с $25 до $9000 за мегаватт-час. Причём стоимость не выросла ещё сильнее только потому, что цена в $9000 была пределом, установленным системным оператором ERCOT. На предельном уровне стоимость электроэнергии держалась более четырёх дней, в результате чего некоторые потребители только за пять дней получили квитанции на $5000. Примечательно, что в течение двух из этих четырёх дней цена в $9000 за мегаватт-час электроэнергии удерживалась системным оператором (ERCOT) искусственно даже тогда, когда нужды в этом уже не было.
Для чего регулирующие органы могут искусственно повышать цены на электроэнергию?
Хотя стоимость электроэнергии и определяется в Техасе в основном рыночным путём, прямое влияние на неё оказывают системный оператор ERCOT и Комиссия по коммунальным предприятиям. Их задача, кроме всего прочего, обеспечивать здоровый конкурентный рынок электроэнергии и следить за обеспечением баланса спроса и цены и обеспечивать работоспособность сети с помощью, в том числе, воздействий на цены.
Когда спрос на электроэнергию высок, регулирующие органы могут повышать цену на электроэнергию. Этим они стимулируют потребителей ограничивать потребление, а поставщиков — увеличивать выдаваемую мощность в сеть. Такая система логична, но имеет существенный недостаток: при определённых условиях генерирующим компаниям становится выгодно сокращать выработку электроэнергии, так как это приводит к повышению её стоимости. То есть в некоторых ситуациях они могут зарабатывать больше, затрачивая меньше усилий.
В случае кризиса февраля 2021 года, когда системному оператору стало очевидно катастрофическое положение электроэнергетической сети, предельная цена на электроэнергию была установлена на максимально возможный уровень.
Только за один день 16 февраля 2021 года техасцы потратили на электроэнергию примерно $10,3 млрд, а весь февраль им обошелся в $50 млрд. Для сравнения, за весь 2020 год они потратили на электричество $9,8 млрд.
Из-за отрицательных температур в штате возникли масштабные перебои с водоснабжением — трубы замерзали, водопроводная инфраструктура оказывалась повреждена или выведена из строя. Без воды на несколько дней остались более 12 млн человек. Власти выпустили рекомендацию в обязательном порядке кипятить воду для готовки и питья. Жители Сан-Антонио набирали воду для питья и приготовления пищи из реки, протекающей по городу. Когда морозы закончились, а работа водопроводов возобновилась, вода разливалась из поврежденных морозами труб, порождая новые проблемы и нанося дополнительный ущерб экономике штата.
Из-за ажиотажного спроса и нарушенной снегопадами логистики полки продуктовых магазинов быстро опустели. Некоторые магазины были вынуждены прекратить работу также из-за отсутствия электроснабжения. В штате были утрачены урожаи грейпфрута (на 60%) и апельсинов (на 100%).
Губернатор штата Грег Эбботт объявил стихийное бедствие 12 февраля, а 14 февраля президент США Джо Байден объявил в Техасе чрезвычайную ситуацию. Эти действия мобилизовали государственные и муниципальные службы, армию и министерство национальной безопасности. Началась масштабная операция по помощи жителям, восстановлению работы критически важной инфраструктуры.
По оценкам экономистов из Федерального резерва Далласа, кризис обошёлся экономике штата в астрономическую сумму в диапазоне от $80 до $130 миллиардов, что делает его потенциально самой дорогой катастрофой в истории штата. Та же группа экономистов в 2011 году оценивала затраты на подготовку к зиме газовой инфраструктуры в 85–200 миллионов долларов в год. Это на порядки меньше полученного ущерба и соответствует примерно стандартному двухдневному доходу газовых компаний Техаса.