面向雙碳愿景的可再生能源制氫項目綜合評估指標體系構建研究

許傳博 楊建功 李忻穎

(1. 華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206； 2.新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室，北京 102206； 3.中國航空工業(yè)集團有限公司，北京 100028; 4.中國石油大學(北京)經濟管理學院，北京 102249)

0 引言

氫能是未來最有希望替代傳統(tǒng)化石能源的二次能源之一，具有清潔低碳、高熱值、高轉化率等多方面優(yōu)勢[1]。隨著全球能源低碳化轉型需求的日益迫切，從國際上看，德國、日本、英國、澳大利亞等發(fā)達經濟國家都紛紛密集出臺氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖，將發(fā)展氫能產業(yè)提升至國家戰(zhàn)略高度[2]。根據中國氫能源及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟(簡稱中國氫能聯盟)發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書2020》，我國氫氣的產量和產能穩(wěn)居全球首位，具備搶占氫能發(fā)展制高點的先機。

根據不同的碳排放量強度，氫能被劃分為灰氫、藍氫和綠氫。而2020年我國氫氣來源中，62%為煤制氫，19%為天然氣制氫，僅有1%的可再生能源制氫[3]。在我國首次提出“3060”雙碳目標的背景下，大力發(fā)展可再生能源制氫意義重大。然而，目前我國可再生能源制氫發(fā)展進程緩慢，主要受制于技術效率低、制氫成本高、社會環(huán)境效益不清晰等因素。因此，構建可再生能源制氫項目綜合評估指標體系是測度可再生能源制氫項目可持續(xù)發(fā)展的關鍵步驟。

當前，國內外學者相繼開展了較多的可再生能源制氫項目綜合評估方面的研究。文獻[4]提出了一種新穎的兩階段多準則決策(MCDM)方法可選擇最可持續(xù)的制氫技術。在第一階段，通過使用模糊最優(yōu)最劣方法(FBWM)和理想點法(TOPSIS)來優(yōu)先考慮制氫技術的可持續(xù)性；在第二階段，采用一種新穎的偏好排序線性規(guī)劃方法(PRLPM)，根據偏好信息獲得最終的可持續(xù)性排序方案。文獻[5]提出一個框架整合了新的評估指標體系、粗糙模糊最優(yōu)最劣方法(RF-BWM)和粗糙模糊數據包絡分析(RF-DEA)方法，用于評估和選擇可持續(xù)的氫氣生產技術。文獻[6]從可持續(xù)性的角度出發(fā)評估了風電氫儲一體化項目的績效。采用了區(qū)間二型模糊層次分析法(IT2AHP)和區(qū)間二型模糊技術理想點法(IT2TOPSIS)分別對準則進行加權，并對備選項目方案進行排序。文獻[7]考慮了經濟性、能源利用、雙碳目標、可靠性這四個方面的影響因素，提出了風-火耦合多能系統(tǒng)的多尺度評價指標及其數學模型，并基于模糊層次分析-熵權法確定各指標的權重占比。

以上文獻在一定程度上推動了可再生能源制氫項目評估相關理論與方法的發(fā)展。受此啟發(fā)，本文從經濟、環(huán)境、技術和社會4個維度出發(fā)構建面向雙碳愿景的可再生能源制氫項目綜合評估指標體系，并采用云模型和模糊綜合評價方法確定項目的綜合評估值。與上述文獻相比，本文的不同之處在于：一是在指標設計時充分考慮了不同規(guī)模項目間的可比性，使得指標體系在去量綱化方面更為科學；二是現有文獻是從多個方案比選視角出發(fā)，采取多準則決策方法基于比選方案間的指標屬性差異進行擇優(yōu)的，而本文更側重于單項目的綜合評估，難以應用多準則決策方法。

1 可再生能源制氫項目評估邊界

可再生能源制氫項目的原理是基于風、光等可再生能源發(fā)電來電解水制取氫氣，見圖1。首先，風電和光伏等可再生能源發(fā)電后通過整流器轉化為直流電，通過電解槽對水進行電解，生成氫氣和氧氣；其次，氫氣進入中壓儲氫罐后進行儲存，并再次通過壓縮機進一步壓縮后存入高壓儲氫罐；最后，氫氣可通過拖車、管道等運輸方式輸送至負荷端，也可以通過燃料電池轉化為電能后并入公共電網。本文的評估邊界是圖1中的虛線內部分，即可再生能源制氫項目考慮可再生能源發(fā)電環(huán)節(jié)、綠氫的制取環(huán)節(jié)以及儲存環(huán)節(jié)，不考慮氫能的運輸和電能轉化部分。

圖1 可再生能源電解制氫系統(tǒng)架構

2 可再生能源制氫項目綜合評估指標體系構建

2.1 評估指標體系構建原則

為了使指標體系更科學化、規(guī)范化，在構建可再生能源制氫項目綜合評估指標體系時應遵循以下原則：

(1)系統(tǒng)性原則?！跋到y(tǒng)性”要求可再生能源制氫項目綜合評估時要綜合反映項目中經濟-社會-技術-環(huán)境多維度相互作用的方式、強度和方向等各方面的內容。因此，必須把指標體系的構建視為一個系統(tǒng)問題，并基于多維因素進行綜合評估。

(2)可量化原則。指標按性質分為定量指標和定性指標兩種。定性指標往往受到人為因素擾動而過于主觀，大幅降低了評價的可信度。因此，在設計指標時需要充分考慮是否能夠進行量化處理，以便進行客觀的數學計算和分析。

(3)可比性原則。在指標體系構建過程中，指標的設計需要規(guī)避項目規(guī)模、投資額、投資主體等因素的影響，指標在不同的項目間需要有很強的可比性，這樣才能保證評價的權威性和公正性。

2.2 綜合評估指標體系的構建

本文從經濟維度、環(huán)境維度、技術維度和社會維度出發(fā)，基于指標構建原則和文獻調研法，構建了可再生能源制氫項目綜合評估指標體系，見表1。

表1 可再生能源制氫項目綜合評估指標體系

(1)經濟維度(C1)。

1)單位制氫成本(C11)。該指標是通過項目的全生命周期成本和全生命周期制氫量之比計算所得，反映了每單位氫氣所需要投入的綜合成本。

2)內部收益率(C12)。該指標反映了資金流入現值總額與資金流出現值總額相等、凈現值等于零時的折現率。

3)投資回收期(C13)。該指標表示投資項目投產后獲得的收益總額達到該投資項目投入的投資總額時所需要的時間。

(2)環(huán)境維度(C2)。

1)碳減排率(C21)。碳減排主要體現在通過可再生能源制氫來替代煤制氫所減少的碳排放量。該指標表示全生命周期內，系統(tǒng)單位制氫量所產生的碳減排量。

2)空氣改善(C22)。該指標表示全生命周期內，系統(tǒng)單位制氫量所產生的細顆粒物減排量。

3)耗水率(C23)。由于可再生能源電解水制氫會消耗大量的水，因此該指標用來表示全生命周期內系統(tǒng)單位制氫量所消耗的水量。

(3)環(huán)境維度(C3)。

1)電解效率(C31)?？稍偕茉粗茪湎到y(tǒng)的核心設備是電解槽，目前主流的電解槽種類有堿性電解槽、質子交換膜電解槽以及固體氧化物電解槽。由于技術的不同，這三類系統(tǒng)的電解效率有所差異。

2)制氫純度(C32)。氫氣純度是檢驗制氫裝置運行的關鍵性能指標。制氫純度同樣受到電解槽技術的影響。

3)電解壽命(C33)。電解槽替換成本昂貴，且電解槽達到使用年限后，會很大程度上影響產氫量。因此，電解壽命指標在制氫項目評估中尤為重要。

(4)社會維度(C4)。

1)就業(yè)保障(C41)。根據國際可再生能源署(International Renewable Energy Agency)發(fā)布的報告顯示，預計到2050年，可再生能源產業(yè)就業(yè)人數將達4200萬人，是就業(yè)人數增長最快的行業(yè)。因此，可再生能源制氫項目的建設和運營都會創(chuàng)造大量的工作機會。

2)經濟促進(C42)。發(fā)展可再生能源制氫是開拓新的經濟增長點的新興業(yè)務，發(fā)展可再生能源制氫項目有助于促進地方經濟發(fā)展，拉動GDP增長。

3)產業(yè)鏈促進(C43)。氫能產業(yè)鏈包括“制-儲-輸-用”鏈條，通過發(fā)展上游的可再生能源制氫環(huán)節(jié)，可以促進“儲-輸-用”等氫能下游產業(yè)的發(fā)展。

3 算例研究

河北省張家口市地處華北平原與內蒙古高原的連接區(qū)域，是華北地區(qū)風能和太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，可再生能源制氫的優(yōu)勢凸顯。本文以張家口市某個待建設開發(fā)的可再生能源制氫項目(A項目)為例，對其進行綜合評價。A項目基本情況如下：風電裝機容量100MW，采用質子交換膜(PEM)電解槽系統(tǒng)，電解槽系統(tǒng)容量80MW，總投資成本10.322億元，其中風電場部分成本6億元，電解槽部分成本4.322億元。此外，該地區(qū)的風速資源情況見圖2。

圖2 項目所在地風速資源情況

基于表1的指標測算依據，可得到A項目的各項評估指標值，見表2。根據歷史同類項目的指標值聚類(劃分為四類：優(yōu)、良、中、差)，可以得到指標的等級劃分，見表2。

表2 可再生能源制氫項目A評價指標值

評估方法采用文獻[8]中的基于云模型的模糊綜合評價方法，通過式(1)、式(2)計算項目A的隸屬度，即

μ=exp(-(x-Ex)2/2(En′)2)

(1)

En′～N(En,He2),x～N(Ex,En′2)

(2)

其計算結果見表3。與此同時，通過專家咨詢法確定了各指標權重，見表3。

表3 可再生能源制氫項目(A項目)指標權重及隸屬度

最后，通過加權平均可計算項目在“優(yōu)”“良”“中”“差”上的隸屬度為(0.304，0.798，0.625，0.251)，故項目A最終綜合評估結果為“良”。此外，A項目在制氫純度(C32)、空氣改善(C22)、產業(yè)鏈促進(C43)等指標方面表現很好，但在電解效率(C31)指標方面還需要大幅度提升。

4 結語

可再生能源制氫對于我國的工業(yè)、建筑、電力、交通等多個部門的深度脫碳尤為重要。但由于起步較晚，當前針對可再生能源制氫項目的綜合評價研究較為匱乏。因此，本文針對可再生能源制氫項目綜合評估問題，首先構建了一套包含4個維度和12個指標的綜合評估指標體系;其次，采用云模型和模糊綜合評價方法對項目的綜合得分進行計算;最后，以張家口某可再生能源制氫項目為例，驗證了該指標體系和評估方法的有效性。