面向雙碳愿景的可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建研究

許傳博 楊建功 李忻穎

(1. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206； 2.新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100028; 4.中國(guó)石油大學(xué)(北京)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102249)

0 引言

氫能是未來(lái)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(zhuǎn)化率等多方面優(yōu)勢(shì)[1]。隨著全球能源低碳化轉(zhuǎn)型需求的日益迫切，從國(guó)際上看，德國(guó)、日本、英國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)國(guó)家都紛紛密集出臺(tái)氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖，將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升至國(guó)家戰(zhàn)略高度[2]。根據(jù)中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)氫能聯(lián)盟)發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)2020》，我國(guó)氫氣的產(chǎn)量和產(chǎn)能穩(wěn)居全球首位，具備搶占?xì)淠馨l(fā)展制高點(diǎn)的先機(jī)。

根據(jù)不同的碳排放量強(qiáng)度，氫能被劃分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。而2020年我國(guó)氫氣來(lái)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(guó)首次提出“3060”雙碳目標(biāo)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(guó)可再生能源制氫發(fā)展進(jìn)程緩慢，主要受制于技術(shù)效率低、制氫成本高、社會(huì)環(huán)境效益不清晰等因素。因此，構(gòu)建可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系是測(cè)度可再生能源制氫項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵步驟。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了較多的可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估方面的研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種新穎的兩階段多準(zhǔn)則決策(MCDM)方法可選擇最可持續(xù)的制氫技術(shù)。在第一階段，通過(guò)使用模糊最優(yōu)最劣方法(FBWM)和理想點(diǎn)法(TOPSIS)來(lái)優(yōu)先考慮制氫技術(shù)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(jù)偏好信息獲得最終的可持續(xù)性排序方案。文獻(xiàn)[5]提出一個(gè)框架整合了新的評(píng)估指標(biāo)體系、粗糙模糊最優(yōu)最劣方法(RF-BWM)和粗糙模糊數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(RF-DEA)方法，用于評(píng)估和選擇可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)技術(shù)。文獻(xiàn)[6]從可持續(xù)性的角度出發(fā)評(píng)估了風(fēng)電氫儲(chǔ)一體化項(xiàng)目的績(jī)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(shù)理想點(diǎn)法(IT2TOPSIS)分別對(duì)準(zhǔn)則進(jìn)行加權(quán)，并對(duì)備選項(xiàng)目方案進(jìn)行排序。文獻(xiàn)[7]考慮了經(jīng)濟(jì)性、能源利用、雙碳目標(biāo)、可靠性這四個(gè)方面的影響因素，提出了風(fēng)-火耦合多能系統(tǒng)的多尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)及其數(shù)學(xué)模型，并基于模糊層次分析-熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重占比。

以上文獻(xiàn)在一定程度上推動(dòng)了可再生能源制氫項(xiàng)目評(píng)估相關(guān)理論與方法的發(fā)展。受此啟發(fā)，本文從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)和社會(huì)4個(gè)維度出發(fā)構(gòu)建面向雙碳愿景的可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系，并采用云模型和模糊綜合評(píng)價(jià)方法確定項(xiàng)目的綜合評(píng)估值。與上述文獻(xiàn)相比，本文的不同之處在于：一是在指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了不同規(guī)模項(xiàng)目間的可比性，使得指標(biāo)體系在去量綱化方面更為科學(xué)；二是現(xiàn)有文獻(xiàn)是從多個(gè)方案比選視角出發(fā)，采取多準(zhǔn)則決策方法基于比選方案間的指標(biāo)屬性差異進(jìn)行擇優(yōu)的，而本文更側(cè)重于單項(xiàng)目的綜合評(píng)估，難以應(yīng)用多準(zhǔn)則決策方法。

1 可再生能源制氫項(xiàng)目評(píng)估邊界

可再生能源制氫項(xiàng)目的原理是基于風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電來(lái)電解水制取氫氣，見(jiàn)圖1。首先，風(fēng)電和光伏等可再生能源發(fā)電后通過(guò)整流器轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)電解槽對(duì)水進(jìn)行電解，生成氫氣和氧氣；其次，氫氣進(jìn)入中壓儲(chǔ)氫罐后進(jìn)行儲(chǔ)存，并再次通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮后存入高壓儲(chǔ)氫罐；最后，氫氣可通過(guò)拖車(chē)、管道等運(yùn)輸方式輸送至負(fù)荷端，也可以通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能后并入公共電網(wǎng)。本文的評(píng)估邊界是圖1中的虛線內(nèi)部分，即可再生能源制氫項(xiàng)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(chǔ)存環(huán)節(jié)，不考慮氫能的運(yùn)輸和電能轉(zhuǎn)化部分。

圖1 可再生能源電解制氫系統(tǒng)架構(gòu)

2 可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建原則

為了使指標(biāo)體系更科學(xué)化、規(guī)范化，在構(gòu)建可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

(1)系統(tǒng)性原則。“系統(tǒng)性”要求可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估時(shí)要綜合反映項(xiàng)目中經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-技術(shù)-環(huán)境多維度相互作用的方式、強(qiáng)度和方向等各方面的內(nèi)容。因此，必須把指標(biāo)體系的構(gòu)建視為一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，并基于多維因素進(jìn)行綜合評(píng)估。

(2)可量化原則。指標(biāo)按性質(zhì)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)兩種。定性指標(biāo)往往受到人為因素?cái)_動(dòng)而過(guò)于主觀，大幅降低了評(píng)價(jià)的可信度。因此，在設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)需要充分考慮是否能夠進(jìn)行量化處理，以便進(jìn)行客觀的數(shù)學(xué)計(jì)算和分析。

(3)可比性原則。在指標(biāo)體系構(gòu)建過(guò)程中，指標(biāo)的設(shè)計(jì)需要規(guī)避項(xiàng)目規(guī)模、投資額、投資主體等因素的影響，指標(biāo)在不同的項(xiàng)目間需要有很強(qiáng)的可比性，這樣才能保證評(píng)價(jià)的權(quán)威性和公正性。

2.2 綜合評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文從經(jīng)濟(jì)維度、環(huán)境維度、技術(shù)維度和社會(huì)維度出發(fā)，基于指標(biāo)構(gòu)建原則和文獻(xiàn)調(diào)研法，構(gòu)建了可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估指標(biāo)體系

(1)經(jīng)濟(jì)維度(C1)。

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

2)內(nèi)部收益率(C12)。該指標(biāo)反映了資金流入現(xiàn)值總額與資金流出現(xiàn)值總額相等、凈現(xiàn)值等于零時(shí)的折現(xiàn)率。

3)投資回收期(C13)。該指標(biāo)表示投資項(xiàng)目投產(chǎn)后獲得的收益總額達(dá)到該投資項(xiàng)目投入的投資總額時(shí)所需要的時(shí)間。

(2)環(huán)境維度(C2)。

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

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

3)耗水率(C23)。由于可再生能源電解水制氫會(huì)消耗大量的水，因此該指標(biāo)用來(lái)表示全生命周期內(nèi)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)。可再生能源制氫系統(tǒng)的核心設(shè)備是電解槽，目前主流的電解槽種類(lèi)有堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽以及固體氧化物電解槽。由于技術(shù)的不同，這三類(lèi)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(yàn)制氫裝置運(yùn)行的關(guān)鍵性能指標(biāo)。制氫純度同樣受到電解槽技術(shù)的影響。

3)電解壽命(C33)。電解槽替換成本昂貴，且電解槽達(dá)到使用年限后，會(huì)很大程度上影響產(chǎn)氫量。因此，電解壽命指標(biāo)在制氫項(xiàng)目評(píng)估中尤為重要。

(4)社會(huì)維度(C4)。

1)就業(yè)保障(C41)。根據(jù)國(guó)際可再生能源署(International Renewable Energy Agency)發(fā)布的報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2050年，可再生能源產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)將達(dá)4200萬(wàn)人，是就業(yè)人數(shù)增長(zhǎng)最快的行業(yè)。因此，可再生能源制氫項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)都會(huì)創(chuàng)造大量的工作機(jī)會(huì)。

2)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)(C42)。發(fā)展可再生能源制氫是開(kāi)拓新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的新興業(yè)務(wù)，發(fā)展可再生能源制氫項(xiàng)目有助于促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，拉動(dòng)GDP增長(zhǎng)。

3)產(chǎn)業(yè)鏈促進(jìn)(C43)。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括“制-儲(chǔ)-輸-用”鏈條，通過(guò)發(fā)展上游的可再生能源制氫環(huán)節(jié)，可以促進(jìn)“儲(chǔ)-輸-用”等氫能下游產(chǎn)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(nèi)蒙古高原的連接區(qū)域，是華北地區(qū)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一，可再生能源制氫的優(yōu)勢(shì)凸顯。本文以張家口市某個(gè)待建設(shè)開(kāi)發(fā)的可再生能源制氫項(xiàng)目(A項(xiàng)目)為例，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。A項(xiàng)目基本情況如下：風(fēng)電裝機(jī)容量100MW，采用質(zhì)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(fēng)電場(chǎng)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(fēng)速資源情況見(jiàn)圖2。

圖2 項(xiàng)目所在地風(fēng)速資源情況

基于表1的指標(biāo)測(cè)算依據(jù)，可得到A項(xiàng)目的各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)值，見(jiàn)表2。根據(jù)歷史同類(lèi)項(xiàng)目的指標(biāo)值聚類(lèi)(劃分為四類(lèi)：優(yōu)、良、中、差)，可以得到指標(biāo)的等級(jí)劃分，見(jiàn)表2。

表2 可再生能源制氫項(xiàng)目A評(píng)價(jià)指標(biāo)值

評(píng)估方法采用文獻(xiàn)[8]中的基于云模型的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，通過(guò)式(1)、式(2)計(jì)算項(xiàng)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。與此同時(shí)，通過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)法確定了各指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表3。

表3 可再生能源制氫項(xiàng)目(A項(xiàng)目)指標(biāo)權(quán)重及隸屬度

最后，通過(guò)加權(quán)平均可計(jì)算項(xiàng)目在“優(yōu)”“良”“中”“差”上的隸屬度為(0.304，0.798，0.625，0.251)，故項(xiàng)目A最終綜合評(píng)估結(jié)果為“良”。此外，A項(xiàng)目在制氫純度(C32)、空氣改善(C22)、產(chǎn)業(yè)鏈促進(jìn)(C43)等指標(biāo)方面表現(xiàn)很好，但在電解效率(C31)指標(biāo)方面還需要大幅度提升。

4 結(jié)語(yǔ)

可再生能源制氫對(duì)于我國(guó)的工業(yè)、建筑、電力、交通等多個(gè)部門(mén)的深度脫碳尤為重要。但由于起步較晚，當(dāng)前針對(duì)可再生能源制氫項(xiàng)目的綜合評(píng)價(jià)研究較為匱乏。因此，本文針對(duì)可再生能源制氫項(xiàng)目綜合評(píng)估問(wèn)題，首先構(gòu)建了一套包含4個(gè)維度和12個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)估指標(biāo)體系;其次，采用云模型和模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)項(xiàng)目的綜合得分進(jìn)行計(jì)算;最后，以張家口某可再生能源制氫項(xiàng)目為例，驗(yàn)證了該指標(biāo)體系和評(píng)估方法的有效性。