影響電力結構的能源技術研判
——基于層次分析與模糊綜合評價法

駱躍軍，漆小玲，汪 鵬，趙黛青

（1.中國科學院廣州能源研究所/中國科學院可再生能源重點實驗室/廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東廣州 510640；2.中國科學院大學，北京 100049）

1 研究背景

電力行業作為最重要的基礎能源行業,與國民經濟的發展息息相關，隨著經濟規模增長和生活水平的提高，人們對電力行業的發展提出了更高的需求。在“四個革命、一個合作”的能源安全新戰略指引下，我國能源科技創新高度活躍，能源新技術層出不窮，能源新技術在技術、經濟、政策和環境保護等方面的可行性不斷提高，傳統電力能源正面臨著變革，特別是以風電、光伏發電為主的可再生能源產業已經步入較為成熟和穩定的時期，搶占傳統火電、核電的市場份額，新的能源技術和服務正在推動改變現有電力行業的格局。因此，有必要對目前或潛在的能源技術進行評價，分析其對電力行業的影響程度。

技術評價是通過事先對技術的開發、試驗、應用等一系列過程可能產生的影響進行預測,引導技術朝著對人類、自然、社會和技術發展有利的方向發展,為技術選擇提供決策依據［1］。評價目標決定了技術評價的內容：從不同的利益相關方出發，以經濟效益為目標的技術評價主要強調投資回報率和成本最小化［2］；以技術本質屬性發展為目標的技術評價主要強調運行效率或技術協同效益等［3］；以環境友好為目標的技術評價主要關注技術的可持續性或減緩全球變暖的潛力等［4-5］；還有以國家科技戰略發展為目標的能源技術評價，也即能源技術預見，世界發達國家、國際型組織以及我國科學院與工程院等都定期組織了這方面的技術預見研究工作，且在國家科技戰略中得到了充分應用［6］。

隨著能源和環境危機的出現，技術評價從單純的技術預測分析發展為全社會多方位評價，每個被評價對象往往都涉及多個屬性或指標。在能源技術評價中,不僅要考慮技術本身的參數，還要綜合權衡經濟、環境、社會影響等多方面的因素和指標，而這些衡量指標間通常是相互沖突和不可公度的。多屬性決策方法（MCDM）是解決能源技術評價中多屬性衡量沖突問題的有效方案。常用的多屬性決策方法有專家評分法、德爾菲法、簡單加權平均法（SAW）、消去與選擇轉化法(ELECTRE)、優劣解距離法(TOPSIS)、數據包絡分析(DEA)、模糊綜合評價法、人工神經網絡和灰色綜合評價法等［7］。正如任何事物都有它的兩面性一樣，每種評價方法有它的產生背景，存在一定的局限性和不足，若通過一定的方式將幾種方法綜合在一起，在吸收各種方法優點的同時又克服其各自的缺陷，就可以作出更為全面的評價，提高評價結果的可靠性。這種綜合幾種理論與方法形成的組合評價法，是多屬性評價研究的一個重要方面。

層次分析（AHP）法與模糊綜合評價法的結合，既能克服AHP 指標不易量化的主觀性，又能避免模糊綜合評價方法對指標權重的忽視，是綜合性方法的一個重要應用。閆世剛［8］基于層次分析-模糊綜合評價法對北京市新能源汽車、太陽能、風能、地熱能和生物質能產業進行評價研究；蔣光昱等［9］通過層次分析法和模糊綜合評價法確定評價指標的權重及等級閾值，并對3 種典型節水灌溉技術的綜合性能進行了評價；向欣等［10］通過AHP 法獲得沼氣工程技術篩選不同指標的權重，然后采用模糊綜合評價方法對13 類沼氣工程技術進行排序，所得結果與武漢地區的實際運行效果一致；Seddiki 等［11］采用綜合層次分析法和模糊理論對應用于住宅建筑的可再生能源技術進行評判優選。這些研究表明，綜合運用AHP 與模糊綜合評價法來解決技術評價中多屬性/指標的評價與決策問題是有效和可行的。

近年來，技術變革日新月異，各種能源技術不斷涌現，但以對電力行業影響力為目標的能源技術評價研究還相當有限。本文結合專家評判法、層次分析法和模糊綜合評價法研判能源技術對電力行業的影響程度。首先匯集和梳理國內外主要能源技術，確定主要能源技術清單；然后采用層次分析法從技術、經濟、社會和環境方面建立評價指標體系，結合各領域專家對能源技術的定量評價，分層次進行模糊綜合評判，篩選出近、中和遠期對我國電力結構產生重大影響的技術。

2 研究方法

2.1 能源技術的界定

能源技術涵蓋了能源開發和利用中各類前瞻性、規律性、創新性、統籌性問題，涉及多方面應用技術和基礎學科，具有覆蓋面廣和綜合性高的特點。本文在廣泛調研國內外科技政策、能源政策、產業政策、相關能源技術規劃、路線圖、權威能源技術研究報告的基礎上，從燃料開采與轉化技術、發電技術、輸配電、儲能、消費端等電力產業鏈環節對能源技術進行梳理，按照煤炭清潔高效利用、非常規油氣、核能、太陽能、風能、生物質能、海洋能、地熱、氫能、儲能、能源系統、節能與能效提升等通用技術類別進行歸類，初步界定可能對電力結構行業發展產生影響的能源技術。能源技術界定的依據主要包括：（1）技術可比性，即對各個類別的技術進行合并或融合，確保所選的能源技術基本在同一層級。（2）傳統技術與新型技術的結合，即識別出一些性能上已經不大可能再有提高、不再具有發展潛力的技術，直接剔除；如果該技術與最新技術可以結合為新技術，則合并處理。（3）合規性，指在環境與生態保護、政策法規、社會風俗等方面對技術的強制性要求和規定。此外，訪談相關領域權威專家，最終確定46 項能源技術，如表1 所示。

表1 對電力結構可能產生影響的能源技術

表1 （續）

2.2 評價指標體系的構建

指標體系是綜合評價的基礎。評價指標體系是由多個相互聯系、相互作用的評價指標，按照一定的層次結構組成的有機整體。參考國內外的相關研究結果，對能源技術的評價指標主要有技術、經濟、社會和環境4 大類別［2,12］，因此，本研究的指標體系以技術指標、經濟指標、社會指標和環境指標為一級指標，在一級指標下分別設置二級指標共7 個。其中，技術指標下有成熟度、適用性；經濟指標下有成本經濟性、商業新模式；社會指標下有政策環境、潛在電力市場規模；環境指標下有環境友好性。評價指標集分為兩層：第一層的總目標因素集u=(u1,u2,u3,u4)；第二層的子目標因素集u1=(u11,u12)，u2=(u21,u22)，u3=(u31,u32)，u4=(u41)。具體如表2 所示。

表2 能源技術對電力結構影響性評價指標體系

本文采用層次分析法確定指標權重。層次分析法是一種定性與定量分析相結合的多準則決策方法，該方法把人的思維過程層次化、數量化，并用數學為分析、決策、預報或控制提供定量的依據，尤其適合于人的定性判斷起重要作用的、對決策結果難以直接準確計量的場合。本文通過專家打分對每一層次中各因素的相對重要性給出判斷，這些判斷通過引入合適的標度用數值表示出來，寫成判斷矩陣。本文采用1—9 標度方法，如表3 所示。

表3 判斷矩陣標度及其含義

根據專家評判，對各指標構造出判斷矩陣，結果如下：一級指標層判斷矩陣A=，技術指標的二級指標層判斷矩陣A1=，經濟指標的二級指標層判斷矩陣A2=，社會指標的二級指標層判斷矩陣A3=。上述判斷矩陣的隨機一致性比率（CR）都小于0.1，因此認為所有判斷矩陣具有滿意的一致性。利用方根法對判斷矩陣進行計算，得到權重結果如下：W=(0.558,0.249,0.096,0.096)，W1=(0.750,0.250)，W2=(0.833,0.167)，W3=(0.750,0.250)。

圖1 展示了一級指標和二級指標占整體的比重，可以反映出能源技術對電力結構影響評價指標體系中各部分的相對重要性。一級指標中，技術指標的權重最大，達到55.8%；經濟指標次之，為24.9%。二級指標中，技術成熟度最為重要，權重達41.8%；其次是成本經濟性，權重約為20.8%。其他二級指標權重從大到小依次為區域適應性、環境友好、政策環境、商業新模式和潛在電力市場規模。綜合指標權重結果分析表明，本研究提出的指標權重排序符合能源技術應用實際規律。

圖1 能源技術對電力結構影響評價指標權重

2.3 綜合評價模型

在對影響電力結構的能源技術進行研判的過程中，由于時間跨度大、涉及領域廣，且很多技術還沒有達到商業化水平，因此各個評價指標很難準確量化，具有一定的客觀模糊性。本文所用的評價數據是通過專家調查法獲得的，由于各個專家的偏好不同、認識能力有所差異、擁有的信息量也不一樣，因此在評價者認識方面也具有一定的主觀模糊性。模糊性是事物本身的一種不確定性狀態，是事物的各種差異之間存在著中間過渡段的結果。模糊數學可以處理模糊性現象，將模糊數學理論應用到綜合評價中便產生了模糊綜合評價法。模糊綜合評價采用模糊語言確定各個指標的隸屬層級，各層次的模糊評判矩陣由下一層次的模糊向量合成，將一些邊界不清、不易定量的指標等級化。本文采用二級模糊綜合評價模型，對問卷結果進行綜合評價，確定各技術的影響等級。

2.3.1 評價集的確定評價集是對各層次評價指標的一種語言描述，它是評審人對各評價指標所給出的評語的集合。本模型的評語分5 個等級，為n=(n1,n2,n3,n4,n5)，不同指標的具體評價語略有不同，具體如下：

（1）技術成熟度，評價候選技術的技術創新在技術生命周期中目前所處階段及特征，描述為（商業應用；市場推廣；產業示范；技術突破；技術萌芽）。

（2）區域適應性，評價候選技術適應地理特征的情況，描述為（很適應；較適應；中等；不適應；很不適應）。

（3）成本經濟性，評價候選技術在市場的成本競爭能力，描述為（很好；好；一般；較差；差）。

（4）商業新模式，評價候選技術產生新商業模式的可能性，描述為（很高；較高；中等；較低；很低）。

（5）政策環境，評價候選技術從科技、產業、技術預見等角度獲得政策環境支持的力度，描述為（很好；好；一般；較差；差）。

（6）潛在電力市場規模，評價候選技術全面產業化產生的能源占能源消費總量的比例，描述為（很大；較大；中等；較小；很小）。

（7）環境友好性，評價候選技術對應用區域生態環境的影響，描述為（很好；好；一般；較差；差）。

2.3.2 模糊判斷矩陣的確定

在缺乏足夠統計數據和原始資料的情況下，專家評判法可以用于定量估計和反映能源技術的最新進展。邀請高校、研究機構及企業中從事相關領域的專家對評價指標體系中的二級指標層進行單因素評價，得到單因素模糊評判矩陣：Ri=。其中：i為一級指標(i=1,2,3,4)；m為每個一級指標下的二級指標個數（m=1,2）；n為評價語等級（n=1,2,3,4,5）。

本研究中專家問卷基于如下基本假設：“很熟悉”的技術專家對技術重要程度的判斷比“熟悉”的技術專家的判斷更優，“不熟悉”的技術專家的判斷可以忽略不計。該假設是基于技術的專有屬性決定的。技術的專有屬性決定了對技術程度的判斷在很大程度上依賴于專家的專門知識水平，長期從事某項技術研究開發的高水平專家對該能源技術在技術、經濟、社會和環境等方面的判斷顯然比其他較熟悉該技術的專家的判斷要可靠。因此，在處理專家問卷中，根據專家對每項技術的熟悉程度，對每項技術評級集的統計進行權重處理：很熟悉、熟悉、一般、不大熟悉、不熟悉分別為1、0.8、0.4、0.2、0.0，從而統計出42 項技術7 個一級指標的評級集Ri，其元素rmn的計算式如下：

式（1）中：k為專家對某項技術熟悉程度的層級，k=1 表示很熟悉，k=2 表示熟悉，k=3 表示一般，k=4 表示不大熟悉，k=5 表示不熟悉；Qkn為專家對某項技術熟悉程度層級的權重，設Q1n=1，Q2n=0.8，Q3n=0.4，Q4n=0.2，Q5n=0；Zkn為某項技術指標下對該技術的熟悉程度k選擇了評價語等級n的專家數量。

根據二級指標的權重Wi，算出每項技術中一級指標的評價向量Ei=Wi×Ri。根據一級指標間的權重W，得出每項技術的評價向量E=W×Ei=(e1,e2,e3,e4,e5)。

2.3.3 評價結果向量的單值化

為了實現各項能源技術影響度的高低排序，對評價向量E進行單值化處理，給各個評語的等級賦值，令n1=9、n2=7、n3=5、n4=3、n5=1，可得等級賦值向量CT=(9,7,5,3,1)，由此可得到各項能源技術對電力行業的影響度E'=E×C。

3 結果與討論

3.1 研究結果描述性統計分析

本研究的調查問卷以當面填寫、郵件和郵寄的方式向能源技術專家發放，向各領域專家共發放了398 份，回收有效調查問卷為154 份。參與專家所屬單位分布為：研究機構占27%，高校占32%，企業占41%；職稱分布為：副高級占17%，正高級占83%；出生年份分布：在1959 年之前占9%，1960—1969 年占51%，1970—1979 年占34%，1980年之后占6%。

從統計結果可知，來自企業、高校和科研機構的參與專家比例大致相當，企業的比例稍微高一點，其次為高校，最后是科研機構；參與專家的職稱基本上為正高級，占83%；在年齡結構中，主要以1960—1979 年出生的專家為主，1960 年和1979 年的分別占51%和34%，說明參與本次問卷的專家都是工作在各類能源技術一線且經驗豐富的專家。

對回卷專家的技術領域背景進行分類，發現各技術領域都有一定比例的專家參與，其中煤和油氣等傳統化石能源領域專家占比9%，核能領域專家占比12%，太陽能、風能、生物質能等可再生能源領域的專家占比25%，海洋地熱和氫能等新能源領域的專家占比14%，儲能、能源系統領域和節能與能效技術的專家占比21%，綜合性專家占比19%。

3.2 技術研判結果分析

對先進能源技術設置2020、2025 和2030 年3個時間節點來評估其在短、中和遠期可能對我國電力結構的影響程度，具體如圖2 所示。由圖2 可知，從2020 到2030 年，所有能源技術的綜合得分都是隨著時間的推進而遞增，這表明所有技術都在向更理想的技術、經濟、社會和環境指標靠攏，這也符合能源技術的基本發展規律；但不同的能源技術對電力結構的影響程度呈現較大的波動，在2020 年、2025 年，對我國電力結構影響度最高的技術主要是集中式發電技術，到2030 年，影響度高的技術轉向分布式能源技術。在2020 年，影響度高的能源技術包括可再生能源集中式發電和傳統化石能源發電技術，如技術比較成熟的晶體硅太陽能（S3）、陸上大型風電(W1)、高效燃煤發電(C4)和高效燃機(R1)等；到2025 年，雖然晶體硅太陽能、陸上大型風電等可再生能源集中式能源技術仍是影響度最高的能源技術，但天然氣 (E3)和太陽能(S5)等分布式能源技術的關注度已經明顯提高；到2030 年，影響度最高的能源技術從單純發電技術轉變為先進電動汽車(R5)、能源互聯網技術(E6)等電力需求和電力綜合供應技術。

圖2 2020、2025 和2030 年各項能源技術對我國電力結構的影響度

3.3 高影響度能源技術分析

根據模糊綜合評價結果，選取2020、2025 和2030 年影響度排名前15 位的能源技術，共有16 種能源技術。考慮技術之間的相關性，對這16 種高影響度能源技術合并為8 個類別，具體如表4 所示；根據高影響度能源技術從2020 年到2030 年影響度的增長率和2030 年的影響度，可得到高影響度能源技術的發展趨勢和分布，如圖3 所示。

表4 對我國電力結構具有高影響度的能源技術

表4 （續）

圖3 影響我國電力結構發展的主要能源技術

（1）在電力系統發電端，對電力結構影響度高的發電技術主要是晶體硅電池、風電、高效燃煤發電和天然氣發電，而太陽能發電、核能發電、生物質發電、波浪能發電、潮流能發電和深層地熱發電技術的影響度較小。高效超低排放燃煤發電技術關系到化石能源發電的高效率和環境保護，關系到燃煤發電份額減低的速度，在近幾年前仍有較高的影響度，但在2025 年已退出高影響度范圍。我國未來能源發展將走綠色低碳道路，國家政策是要調整能源結構，減少煤炭消費、增加清潔能源使用，減少煤炭使用比例的戰略態勢已經很明確。燃氣發電能否對電力結構產生重大影響，技術上主要取決于國產燃氣輪機技術突破和天然氣分布式利用技術的推廣；資源上取決于天然氣的大規模安全供應和價格。在技術方面，天然氣分布式利用技術是產業園區、商業綜合體、大型商務區建設中優先選擇的能源供應方式，在3 個時間節點上的問卷結果中都被選擇為對電力結構影響高的技術。在資源方面，我國天然氣消費需求旺盛，常規天然氣產量穩步增長，非常規天然氣儲量大、開采量也在上升；我國的頁巖油氣、天然氣水合物和深層油氣等天然氣資源開采技術的影響度較低，但國家在資源開發和勘探的關鍵技術突破方面部署了一系列重大科技專項且不斷取得進展；另外，國家部署的多渠道、多方式共享海外資源的戰略也會促進天然氣進口擴大。因此，天然氣發電將對我國電力結構產生較大的影響。

（2）可再生能源在能源供應中的占比將不斷增大，光伏和風電在近、中期是可再生能源中新增電力供應的主力，晶體硅電池和大型風電在3 個時間節點上都被評估為高影響度技術，分布式光伏相關技術（R4、S5、S2 和E4）的影響度和增速也位列前茅，反映出對我國可再生能源發展前景樂觀的判斷。目前我國光伏發電和風電發展迅速，根據全國能源工作會議報告，到2019 年，我國光伏發電和風電裝機已經分別達到1.9 億kW 和2 億kW，其中光伏發電已經比《可再生能源發展“十三五”規劃》中2020年的目標值（1.1 億kW）提高了73%，風電裝機也接近于規劃中2020 年的目標值（2.1 億kW），海上風電也將迎來快速發展期，如廣東省規劃了6 685萬kW 的海上風電項目，以應對未來的能源轉型［13］。因此，晶體硅電池和大型風電發電技術將對電力結構產生重大的影響。

（3）在電力系統輸配端，與能源系統相關的能源技術，如復雜大電網安全穩定技術、直流輸電技術和能源互聯網等技術排序都較高。電網技術的突破將使我國長距離調運電力的能力提升，從而助推遠距離用電負荷區的可再生能源電力得以消納，提高可再生能源的發電比例。能源互聯網從2020 年到2030 年的增速最高，影響度排名也上升到第2 位，反映出這是最有發展潛力的一項技術。能源互聯網與分布式能源系統融合，通過“源-網-儲-核”的優化調控，可以快速智能地匹配發電側和需求側的用電需求，充分發揮出分布式能源系統高能源利效率特點。同時，互聯網技術和區域能源基礎設施及用戶端的集成將促進更多的微網系統形成，減少對大電網的依賴。“互聯網+能源”代表了信息網絡技術和能源系統（技術、系統、基礎設施）的深度融合，不僅會帶動技術的進步和創新，還將帶來電力供應和消費領域的新業態。

（4）在電力系統需求端，對電力結構影響度高的能源技術有新型高效電機技術和先進電動車。電機是廣泛應用于各行業的設備，其排名高說明電機等終端電力消費設備的能效仍有較大的提升空間。電動車涉及電力的消費及存儲，其對電力結構的影響程度在近、中、遠期逐步提升，到2030 年成為影響度最高的能源技術。先進電動汽車包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車等。前兩類汽車的技術瓶頸在儲能電池技術、鋰離子電池技術的影響度也一直處于較高水平；燃料電池汽車的發展依賴于氫氣制、儲、運技術和燃料電池技術的突破。氫能是一種清潔、零碳的能源，也是一種良好的能源存儲介質，對于無法就地消納或上網的可再生能源電力，可以通過制氫方式轉化為氫能，用于氫燃料電池汽車、分布式氫能電站等氫能產業下游。

4 結論與建議

在技術進步、能源結構調整、體制改革、環境壓力以及深層次的利益博弈等因素的推動下，在中共中央、國務院《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》精神指導下，我國將進一步深化電力體制改革，解決制約電力行業科學發展的突出矛盾和深層次問題。能源技術的發展將有助于推動我國順應能源大勢的電力生產、輸配和消費的整體轉型，建立一個清潔、低碳、安全、高效的新型電力體系。本文從燃料開采與轉化技術、發電技術、輸配電、儲能、消費端等電力產業鏈環節，從技術、經濟、社會和環境4 個維度對可能對我國電力結構產生影響的能源技術進行戰略性篩選和技術研判，得到的主要結論如下：

（1）現階段對我國電力結構影響度最高的技術主要是集中式發電技術，到2030 年影響度高的技術將轉向基于智慧電網與儲能的分布式能源技術。

（2）化石能源與非化石能源的協同發展是近、中期我國電力供應的主流。一方面，清潔高效的化石能源開發利用技術賦予了化石能源新的競爭力；另一方面，可再生能源不連續且低密度的技術瓶頸暫沒有解決。

（3）可再生能源將成為遠期我國電力結構的主力。首先，可再生能源具有綠色、低碳、無污染、可再生的特性；其次，可再生能源與化石燃料發電的成本差距在不斷縮小；最后，隨著儲能、氫能和電網的技術突破，風能和太陽能將成為穩定且連續的電力來源。

電力企業是電力結構的主體，也是能源技術的主要應用者，為更好地促進我國的電力集團洞察和預見未來技術發展趨勢，抓住機遇、提前布局，本文提出以下幾點建議：

（1）現階段開拓發儲一體化業務，后續發展專業儲能服務業務。電力集團可結合風能、太陽能及其他新能源等業務配置儲能系統，通過可再生能源并網儲能布局發展發儲一體化業務，積累調峰調頻和發儲一體化運營經驗；后續可以規劃投資建設儲能電站，形成專業儲能服務能力，為市場提供專業儲能系統服務。

（2）2030 年左右氫能與燃料電池產業將實現規模化應用，產業鏈的發展配套設施至少需同步甚至優先布局供氫體系。電力集團近期可以通過投資、并購或集團內研發等方式跟蹤氫能利用核心技術，2025 年左右在氫能專業設施和服務上進行布局，包括制氫、加氫站等，打造清潔能源供應商。氫燃料電池汽車將是未來主流新能源汽車之一，氫燃料電池市場潛力巨大，電力集團從現階段就需重點關注燃料電池產業鏈發展動態，跟蹤燃料電池產業發展趨勢。

（3）當前積極部署分布式能源及局域能源互聯網示范項目。以天然氣分布式、分布式光伏為突破口，圍繞區域多能供應，核算綜合能源供應的經濟成本；從國家新能源微網示范、增量配網示范、多能互補、能源互聯網示范介入，積累綜合能源監測管理平臺及服務經驗，逐漸培育用戶和市場；同時通過區域售電、用戶側節能改造投資，增加客戶黏性，緩解初期投資成本高的局面。