氫儲(chǔ)能技術(shù)在雙碳模式下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益評(píng)估

李江濤

（中電建新能源集團(tuán)股份有限公司西南分公司，四川 成都 610000）

氫儲(chǔ)能作為一種清潔的能源儲(chǔ)存技術(shù)，備受研究者關(guān)注。吳佩隆等（2022）提出了一種以天然氣制氫模式代替電解槽制氫的氫儲(chǔ)能園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)[1]。李爭等（2022）構(gòu)建了風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能混合系統(tǒng)，提出了基于碳中和目標(biāo)下的成本-效益模型[2]。郭琛良等（2022）建立了供暖需求下的綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)的供熱模型[3]。王杭婧等（2022）研究了安徽六安兆瓦級(jí)氫能源儲(chǔ)能電站的市場推廣[4]。許傳博等（2022）針對(duì)發(fā)電側(cè)新能源風(fēng)光場站的氫儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置問題[5]。戴逢哲等（2022）提出了面向微網(wǎng)的氫/熱混合儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型[6]。高嘯天等（2021）研究了氫儲(chǔ)能用于核電調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性[7]。熊宇峰等（2021）提出了一種以氫儲(chǔ)能作為轉(zhuǎn)換樞紐的園區(qū)能源系統(tǒng)架構(gòu)[8]。李咸善和楊宇翔（2020）基于雙向電價(jià)補(bǔ)償?shù)暮瑲鋬?chǔ)能風(fēng)電和梯級(jí)水電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[9]?；诂F(xiàn)有研究，該文將采取定量評(píng)估與定性分析相結(jié)合的方法，對(duì)氫儲(chǔ)能在雙碳模式下的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益進(jìn)行分析。

1 雙碳模式下氫儲(chǔ)能技術(shù)的概念與應(yīng)用

1.1 兩種氫儲(chǔ)能的壓縮技術(shù)

隨著全球能源需求快速增長以及環(huán)境問題的日益突出，新能源技術(shù)已成為國際能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。氫儲(chǔ)能技術(shù)是新能源技術(shù)中的一種，其使用水電等可再生能源來產(chǎn)生氫，通過氫儲(chǔ)能技術(shù)將氫儲(chǔ)存起來，以便于需要時(shí)將其氧化發(fā)電。其中，氫儲(chǔ)能技術(shù)有2種類型，即壓縮氫技術(shù)和液氫技術(shù)。壓縮氫技術(shù)是將氫氣在高壓下儲(chǔ)存，使其體積變小，從而提高密度和能源密度，方便存儲(chǔ)和使用。壓縮氫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的儲(chǔ)能容量，但是需要花費(fèi)較多的能量來壓縮氫氣。液氫技術(shù)則是將氫氣液化，使其體積更小，從而提高密度和能源密度，進(jìn)一步方便存儲(chǔ)和使用，同時(shí)液氫技術(shù)也需要更少的能量來儲(chǔ)存氫氣。但是，液氫技術(shù)需要更加復(fù)雜的儲(chǔ)存和輸送設(shè)備，并且氫氣的液化需要非常低的溫度和顯著較高壓力與相應(yīng)壓力容器。

1.2 五種氫儲(chǔ)能的常見應(yīng)用方向

與其他能源儲(chǔ)存技術(shù)相比，氫儲(chǔ)能技術(shù)具有能量密度高、安全可靠、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在不同領(lǐng)域中，舉例如下。

新能源發(fā)電儲(chǔ)能：在風(fēng)光儲(chǔ)一體化電站中，氫儲(chǔ)能技術(shù)可以將電能轉(zhuǎn)化成氫能保存，以解決電網(wǎng)對(duì)新能源變化的不確定性和季節(jié)性儲(chǔ)存需求。

微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能：氫儲(chǔ)能技術(shù)可以為微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)提供可靠的能源儲(chǔ)備，避免系統(tǒng)故障和停機(jī)對(duì)生產(chǎn)和生活造成的影響。

設(shè)備備用電源：氫儲(chǔ)能技術(shù)可以作為大型設(shè)備或系統(tǒng)的備用電源，提供應(yīng)急電力服務(wù)。

熱水供暖：用太陽能、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等新能源冬季供暖，氫氣儲(chǔ)能可以作為穩(wěn)定的熱源補(bǔ)充。

交通運(yùn)輸領(lǐng)域：氫燃料電池車?yán)脷錃膺M(jìn)行能量貯存，實(shí)現(xiàn)清潔能源驅(qū)動(dòng)，提高能源效率和減少環(huán)境污染。

1.3 氫儲(chǔ)能技術(shù)效益分析價(jià)值

雙碳背景下，清潔能源的有關(guān)技術(shù)發(fā)展得到了更多重視，使能源技術(shù)發(fā)展不僅依賴于其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而同樣基于生態(tài)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值等因素獲得產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。因?yàn)闅鋬?chǔ)能技術(shù)可以存儲(chǔ)可再生能源并平衡電網(wǎng)，所以被廣泛應(yīng)用，。因此，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用方向進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益評(píng)估是為氫儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展方向選擇提供參考依據(jù)的重要因素。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙贏局面，氫儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展需要在該框架內(nèi)進(jìn)行評(píng)估。因此，基于雙碳模式下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益評(píng)估選擇氫儲(chǔ)能技術(shù)，可以使其滿足實(shí)際的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)需求，促進(jìn)氫能技術(shù)的發(fā)展。考慮氫儲(chǔ)能技術(shù)不同應(yīng)用方向中的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)價(jià)值，有助于制定更為科學(xué)和可持續(xù)的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1.4 雙碳模式下氫儲(chǔ)能技術(shù)的效益概述

1.4.1 社會(huì)效益

氫儲(chǔ)能技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，減少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，從而改善空氣質(zhì)量，減少環(huán)境污染。與此同時(shí)，氫儲(chǔ)能技術(shù)還可以創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并在一定程度上增加能源安全和供應(yīng)保障。

1.4.2 經(jīng)濟(jì)效益

在相應(yīng)的政策支持下，氫儲(chǔ)能技術(shù)可能會(huì)成為未來的新興產(chǎn)業(yè)，并有望實(shí)現(xiàn)成本下降和規(guī)模擴(kuò)大的經(jīng)濟(jì)效益。

氫儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)用還可以提高能源系統(tǒng)的靈活性和效率，通過儲(chǔ)能手段，當(dāng)電力負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，當(dāng)負(fù)荷高峰時(shí)釋放儲(chǔ)存的電能，從而降低峰谷差價(jià)和能源消耗。

1.4.3 生態(tài)效益

氫儲(chǔ)能技術(shù)在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的同時(shí)，可以減少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，從而降低對(duì)自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響和破壞。

氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用還可以促進(jìn)可持續(xù)能源的利用和發(fā)展，例如，利用風(fēng)能和太陽能等可再生能源，將其轉(zhuǎn)化為氫儲(chǔ)能，提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。

2 基于問卷調(diào)查的研究

2.1 樣本選擇

考慮到氫儲(chǔ)能技術(shù)概念自身的復(fù)雜性，該文面向氫儲(chǔ)能技術(shù)的兩類應(yīng)用模式與五類應(yīng)用方向，共同構(gòu)成9組不同類別氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用可能，僅有液氫應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域受制于溫度控制需求而難以實(shí)用故而剔除。分別為壓縮氫應(yīng)用于新能源發(fā)電儲(chǔ)能、微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能、設(shè)備備用電源、熱水供暖、交通運(yùn)輸，液態(tài)氫應(yīng)用于新能源發(fā)電儲(chǔ)能、微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能、設(shè)備備用電源、熱水供暖?；诖?，將項(xiàng)目編號(hào)為1～9，分別對(duì)其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估。

2.2 問卷設(shè)計(jì)與發(fā)放

基于上述9種不同組合技術(shù)應(yīng)用可能，構(gòu)建調(diào)查問卷，形成對(duì)27項(xiàng)效益的評(píng)估，評(píng)估結(jié)果使用1～10評(píng)分填寫，填寫結(jié)果可包括小數(shù)。此外，調(diào)查問卷說明本次調(diào)查問卷僅用于學(xué)術(shù)分析用途，不引用被訪者的個(gè)人信息。

基于這次調(diào)查問卷設(shè)計(jì)，調(diào)查利用在線調(diào)研平臺(tái)編輯形成電子問卷。對(duì)于該問卷，利用鏈接形式附錄于電子郵件形成進(jìn)入通道。由此，向氫儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究者發(fā)送調(diào)查問卷，問卷發(fā)放106份，郵件內(nèi)容包括研究目的、調(diào)查流程、對(duì)被訪者隱私信息的有效保障和跟蹤信息等，以保障被調(diào)查者充分理解和認(rèn)同調(diào)查的真實(shí)性和有效性，提高問卷的回復(fù)率。

2.3 問卷回收與整理

基于上述網(wǎng)絡(luò)渠道的問卷發(fā)放，調(diào)查問卷在2023年5月完成發(fā)放與回收。被訪者填寫問卷后，網(wǎng)絡(luò)渠道電子問卷信息通過自動(dòng)匯總完成錄入環(huán)節(jié)，即告問卷自動(dòng)回收。全部被訪者完成調(diào)查問卷后，相應(yīng)從在線調(diào)研平臺(tái)導(dǎo)出樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

本次調(diào)查對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單地清晰與整理，剔除存在空缺值的部分問卷，剩余103份有效問卷，問卷回收有效率為97.17%，相對(duì)較高?；谶@一樣本數(shù)據(jù)，僅保留有關(guān)評(píng)價(jià)情況的部分題項(xiàng)數(shù)據(jù)定量指標(biāo)，進(jìn)行TOPSIS分析。

2.4 TOPSIS數(shù)據(jù)分析

基于上述問卷收集數(shù)據(jù)，使用TOPSIS方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析包括基于熵值法的權(quán)重評(píng)價(jià)與基于理想解距離的具體評(píng)分兩個(gè)部分。

TOPSIS是指基于理想解的排序技術(shù)，首先需要將在m類n項(xiàng)待評(píng)估問題中對(duì)i類j項(xiàng)問題中的數(shù)值記為V（其中i=1，2...m；j=1，2，...n），建立初始矩陣如公式（1）所示。

對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理，得到規(guī)范化矩陣X=（xij）m×n，其中：

構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)決策矩陣如公式（3）所示。

基于此，最優(yōu)解和最劣解如公式（4）和公式（5）所示。

其中，J=（j|j∈{1，2，…，n}）。

計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化向量分別到最優(yōu)解和最劣解得歐式距離Si+和Si-，如公式（6）和公式（7）所示。

計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)與理想解的相對(duì)接近度Ci，如公式（8）所示。

3 氫儲(chǔ)能技術(shù)的效益評(píng)估結(jié)果

3.1 樣本描述

對(duì)總樣本規(guī)模內(nèi)的各項(xiàng)目分三類指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行整理，其結(jié)果如下。如圖1所示，不同技術(shù)與項(xiàng)目應(yīng)用方向表現(xiàn)差異性顯著。壓縮氫技術(shù)在不同的應(yīng)用場景下對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的評(píng)估結(jié)果。其中，作為發(fā)電儲(chǔ)能、備用電源和交通儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，壓縮氫技術(shù)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益得分較為高，而在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用，社會(huì)效益得分較低。液態(tài)氫技術(shù)則在不同應(yīng)用領(lǐng)域的效益評(píng)估結(jié)果有所差異，發(fā)電儲(chǔ)能和供暖方面的社會(huì)效益得分較高，而在備用電源技術(shù)和微網(wǎng)儲(chǔ)能方面的經(jīng)濟(jì)效益得分較高?？傮w來看，壓縮氫技術(shù)在微網(wǎng)儲(chǔ)能和備用電源方面的綜合評(píng)估得分較高，而液態(tài)氫技術(shù)在發(fā)電儲(chǔ)能和供暖領(lǐng)域的綜合評(píng)估得分較高。

圖1 社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益

3.2 權(quán)重計(jì)算

對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行TOPSIS分析以獲得指標(biāo)間權(quán)重比較如下。模型驗(yàn)證環(huán)境效益指標(biāo)的數(shù)據(jù)波動(dòng)性更為顯著，信息熵較低而信息效用值較高，形成了顯著較高的權(quán)重評(píng)價(jià)，見表1。氫儲(chǔ)能技術(shù)的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益各自評(píng)價(jià)權(quán)重相對(duì)接近，總體權(quán)重分配較為均衡。其中，社會(huì)效益和環(huán)境效益分別占31.016%和44.651%，相比之下，經(jīng)濟(jì)效益只占24.333%，相對(duì)權(quán)重較低，可能為基于現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè)格局而對(duì)氫儲(chǔ)能技術(shù)在社會(huì)與生態(tài)領(lǐng)域的價(jià)值更為重視。因此，在選擇氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用方案時(shí)，應(yīng)該更加注重其社會(huì)和環(huán)境效益，不能只關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益，從而符合環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的主要理念和政策引導(dǎo)需要。

表1 TOPSIS分析

3.3 理想解分析

TOPSIS數(shù)據(jù)分析中的理想解計(jì)算結(jié)果如下。如圖2所示，考慮權(quán)重后項(xiàng)目壓縮氫應(yīng)用于微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能、設(shè)備備用電源與交通能源領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)顯著較高。

圖2 綜合得分結(jié)果

4 結(jié)論與建議

4.1 研究結(jié)論

氫儲(chǔ)能技術(shù)已成為國際能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，也是長期的對(duì)象，具有工業(yè)系統(tǒng)效能較高，解決能源轉(zhuǎn)換和保護(hù)環(huán)境的優(yōu)良特性。然而，氫儲(chǔ)能技術(shù)的推廣還存在一系列的問題，例如儲(chǔ)存成本、生產(chǎn)成本和安全等方面的問題。實(shí)證分析結(jié)果顯示出，現(xiàn)階段氫儲(chǔ)能技術(shù)受到其技術(shù)不成熟等因素的制約顯著，專家?guī)煸u(píng)價(jià)普遍傾向于將氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于壓縮氫應(yīng)用于微網(wǎng)／孤網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能、設(shè)備備用電源與交通能源領(lǐng)域，均屬于相對(duì)獨(dú)立、具有長期性傾向的儲(chǔ)能環(huán)境，反映出一定應(yīng)用范圍中的技術(shù)約束。這一方向選擇自身提示氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用范圍尚且有限，也展現(xiàn)了氫儲(chǔ)能技術(shù)未來發(fā)展的可能路徑。

4.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

4.2.1 強(qiáng)化政策引導(dǎo)

氫儲(chǔ)能技術(shù)作為一項(xiàng)尚處于發(fā)展階段的先進(jìn)技術(shù)，需要得到有力的政策支持和引導(dǎo)。

我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到相關(guān)部門積極扶持，但儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)作為能源結(jié)構(gòu)中的調(diào)控機(jī)制，位于這一生產(chǎn)與利用的產(chǎn)業(yè)鏈邊緣區(qū)域，未能得到政策引導(dǎo)的充分重視?，F(xiàn)有實(shí)證分析結(jié)果提示，氫儲(chǔ)能技術(shù)在新能源李永忠有著良好發(fā)展空間，此類發(fā)展前景需要政策的有效支持。

基于此，氫儲(chǔ)能技術(shù)在政策制定層面逐步完善扶持與發(fā)展方向，充分發(fā)揮政策的引導(dǎo)作用。通過加大財(cái)政資金投入以及稅收優(yōu)惠政策的推出，用于支持技術(shù)開發(fā)、示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，能夠?yàn)闅鋬?chǔ)能技術(shù)劣勢提供優(yōu)化，改善氫儲(chǔ)能技術(shù)顯著較低的環(huán)境效益。同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)引入技術(shù)和設(shè)備，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并通過多種手段培育專業(yè)技能人才隊(duì)伍，使國內(nèi)氫儲(chǔ)能技術(shù)具備核心競爭力。

4.2.2 發(fā)展市場機(jī)制

氫儲(chǔ)能行業(yè)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用需要大量企業(yè)資金的長期穩(wěn)定投入，因此，如何構(gòu)建一個(gè)健康、穩(wěn)定和可持續(xù)的氫儲(chǔ)能市場是氫能產(chǎn)業(yè)全球化發(fā)展所必須面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。

基于此，政府應(yīng)建立健全相應(yīng)機(jī)制，利用氫儲(chǔ)能技術(shù)在碳交易市場等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)撃苻D(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)階段發(fā)展價(jià)值，從而吸引投資者進(jìn)入市場，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的升級(jí)迭代，并支持培育具有競爭力的企業(yè)品牌。具體來說，可以通過加強(qiáng)行業(yè)稅收減免、鼓勵(lì)組織部門采購氫能源汽車、基于氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用情況實(shí)施差別電價(jià)等手段，積極推動(dòng)氫儲(chǔ)能技術(shù)在市場中得到廣泛使用，從而擴(kuò)大其市場規(guī)模而發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

4.2.3 改善安全風(fēng)險(xiǎn)

作為一種新型能源儲(chǔ)存方式，氫儲(chǔ)能技術(shù)離不開關(guān)于安全監(jiān)管的探討。高壓氫儲(chǔ)罐裝置容易受到外部損傷、撞擊以及高溫環(huán)境等因素影響，從而存在一定的安全隱患。因此，在大力推廣和普及技術(shù)的同時(shí)，必須充分注意使用過程中的安全問題，而相應(yīng)需要在技術(shù)優(yōu)化的同事推廣氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用規(guī)范性要求。針對(duì)氫儲(chǔ)能技術(shù)有關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，需要利用現(xiàn)有技術(shù)成果，尋求專家評(píng)估和技術(shù)指導(dǎo)，完善事故預(yù)案，提升應(yīng)急反應(yīng)處理能力，降低氫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的負(fù)面影響，從而提升氫儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍?；谶h(yuǎn)景預(yù)見，面向未來的氫儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還需要加強(qiáng)國內(nèi)領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化工作，建立整套監(jiān)管制度，以確保在氫儲(chǔ)能可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中的安全性。

4.2.4 開展國際合作

氫儲(chǔ)能技術(shù)是一項(xiàng)涉及全球環(huán)境和人類生存的重要科技，產(chǎn)業(yè)發(fā)展成果應(yīng)用前景廣泛，現(xiàn)階段應(yīng)用價(jià)值尚有限，因而其國際間合作發(fā)展前景良好。基于此，在氫儲(chǔ)能技術(shù)研究過程中，需要加強(qiáng)與多國產(chǎn)業(yè)、研發(fā)與相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的協(xié)同合作，可以通過建立區(qū)域氫供應(yīng)鏈共同體、促進(jìn)跨區(qū)域氫產(chǎn)業(yè)對(duì)話等方式，加快相關(guān)技術(shù)的落地和推廣，為現(xiàn)有孵化階段技術(shù)研發(fā)活動(dòng)尋求更具多元化的外部投資來源。同時(shí)還需要擴(kuò)大國際資源交流與分享，集聚更多的人力資本積累，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)，以達(dá)到提高現(xiàn)有氫能消納率，拓展氫能產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模，提升行業(yè)競爭力的目標(biāo)。