东海风电场耦合制氢方案的可行性综合评价

邵志芳，杜成刚，俞国勤，朴红艳，张存满

（1.上海财经大学信息管理与工程学院，上海 200433；2.上海市电力公司技术与发展中心，上海 200025；3.上海融升电力科技有限公司，上海 200025；4.同济大学新能源汽车工程中心，上海 200092）

东海风电场是我国首个近海大型风电场，也是上海现有最大的风电场，与其他风电场一样，东海风电场的运行同样遇到风电的间歇性和波动性导致风电的电能质质量不高的难题，采用风电耦合制氢技术，可以弥补这样的缺陷［1－3］。本文将建立一套可再生能源发电项目的评价指标体系，对东海风电场的耦合制氢方案进行评价，论证该项目的可行性，为该项目的决策提供参考。

1 指标体系设计

综合利用评价指标体系根据确定的指标选取原则，构建综合性评价指标；再通过相关性分析对指标进行筛选，选取典型指标，简化评价指标体系；最后再应用层次分析法确定指标权重。

1.1 指标体系

为了评价工作的可操作性，指标体系的指标不宜过多，只能将对项目评估结果影响大的指标作为评价指标集。指标分为三级，其中一级指标4个，分别为资源类、环境类、经济类和社会类指标。

1）资源类指标 资源类指标包括资源消耗、资源综合利用和能源转化与利用3个二级指标。二级指标中的资源消耗包括能源资源消耗和水资源消耗，分别用三级指标万元产值能耗和万元产值取水量描述。二级指标中的资源综合利用反映的是项目运行所产生的废弃物回收利用情况。考虑到固体废物综合利用，用固体废物综合利用率作为三级指标。二级指标中的能源转化与利用，包括可再生能源占总能源的比重以及能源转化率2个三级指标。

2）经济类指标 经济类指标包括财务经济、对区域经济的贡献和对电力市场的影响3个二级指标。二级指标中的财务经济用来评估该项目的经济收益，采用能源产出率、效益费用比、内部收益率、全员劳动生产率4个三级指标组成。二级指标中的对区域经济的贡献，指项目的建成对项目所在地区的生产结构的影响；对电力市场的影响指项目建设对原电网、电力需求及供应等电力市场各方面的影响。

3）环境类指标 环境类指标中生态影响指标以海洋生物数量变化率和生态敏感区占有率来表示。在海上建造风电厂及电解制氢厂会对近海的海洋生物造成一定影响，海洋生物数量变化率通过对海洋生物数量变化进行统计，反映该系统对海洋生物造成的影响。若变化率长时间内明显小于1，则说明该系统对海洋生物有不利影响；若接近1，说明对海洋生物无显著影响；若明显大于1，说明有利于海洋生物的生长。生态敏感区分为极度敏感区，重度敏感区，中度敏感区，轻度敏感区和非敏感区。生态敏感区占有率表示该系统投入后对这些敏感区的占用情况，反映其对当地生态造成的影响。该指标值越小，表明系统对当地生态影响越小。

4）社会类指标 社会类指标主要刻画项目的建成对当地生活的影响，评价角度包括与地方发展的相适应性，对当地人文资源、人力资源、居民生活质量和科技水平的贡献。

1.2 指标权重

采用专家打分法，在专家结合实践经验打分的基础上，运用层次分析法（AHP）来确定权重。其中4个一级指标等权，都取0.25，二级指标和三级指标权重如表1至表4所示。

表1 资源类指标

表2 经济类指标

表3 环境类指标

表4 社会类指标

2 对项目中方案的评分

方案中耦合氢能系统采用电解水制氢，每制氢1m3耗电5.15kWh（电解电耗为4.95kWh，氢气压缩电耗为0.20kWh），耗水0.80kg。东海风电场总装机容量为102MW，年发电利用小时数为2 624h，总发电量为26 700万kWh，风电上网电量按80%计算为21 360万kWh，电价按0.3元／kWh计算，电费收入为6 408万元。如果另外20%用于制氢，那么5 340万kWh可以生产氢气1 037万m3，氢气的销售价格按3元／m3计算，年收益为3 111万元。

指标的评分，一部分可以直接用指标值进行比较，另一部分指标需要综合多位专家意见并进一步处理后量化。删除了在本案中无法计算的指标和影响不明显的区域绿色GDP比重，以及数据获取难度太大指标，如工业废水等级，然后对已知数据的权重做归一化处理，调整指标权重后，计算得到各系统评分如表5所示。

3 评分结果的分析

虽然风电耦合制氢方案与原风电系统各三级指标的评分各有高低，但风电制氢方案的综合效益更佳，从表2可以看到综合评分为0.810，高于原风电系统的0.693。

表5 两种系统三级指标的综合评分

1）资源类指标 与原来的风电系统相比，风电耦合制氢方案的资源转化率有了较大提高，这是因为风电场原来有20%的发电量因为种种原因不能上网而遭到了浪费。采用风电耦合制氢方案后，这一部分电力被充分利用于制氢，风能得到了充分利用，能源转化率的评分就比较高，万元产值能耗评分也较高。但是，电解制氢需要用水，因此风电耦合制氢方案的万元产值取水量评分要稍微低一些。

2）经济类指标 风电耦合制氢方案减少了风能资源的浪费，因此能源产出率的评分比较高。由于氢气的经济效益较高，而制氢设备的投资相对较低，因此单位风能所带来的产值也有较大增加，效益费用比指标的评分有很大提高。另外，由于风电提供的电量不足整个电力系统的1%，因此引入制氢系统对区域GDP的贡献和电力供需的影响非常小，可以忽略。

3）环境类指标 引入制氢系统后，电解制氢会产生无机盐等固体废物，同时产生噪声，不过电解制氢的生产场地占地小，防护工作不困难，对环境的影响可以做到很小，所以两种方案的评分差异很小。

4）社会类指标 氢气作为一种新能源，有很大的发展潜力，特别是作为燃料电池汽车的燃料，曾经成为许多发达国家电动汽车研制的重要组成部分，但是氢气的生产运输和分配，是一个有待解决的难题。

利用边远地区的可再生能源生产氢气，替代石油制品用于车辆，目前被认为是未来能源利用的主要替代模式之一，因此东海海上风电场的耦合制氢方案具有前瞻性，在项目的政策相和性，对地方形象的提升和可持续发展理念的传播等指标上评分较高。

4 结语

为了对能源发展过程中出现的新技术、新项目，特别是对新能源发电项目的可行性进行综合评价，作为立项的依据，对能源的新技术发展方向进行判断，为政府的能源战略决策提供参考。利用能源项目的综合评价指标体系，对东海风电场引入风电制氢项目的可行性进行评估，结果发现项目总体评分较高。特别是采用耦合制氢技术后，东海风电场原来不能上网的发电量得到充分的利用，既提高了风电场的风力资源的利用效率，又提高了企业的经济效益。根据国家电监会发布《风电、光伏发电情况监管报告》，受电网安全等因素影响，2010年1月至6月已并网的风电未收购电量为27.76亿kWh，在部分风电资源比较丰富的地区，风电发展规划缺乏大规模风电送出和当地电网消纳风电的方案，使得矛盾日益突出。风电场采用耦合制氢技术为解决风电上网难的问题提供了有效手段，作为一种前瞻性的项目，具有很好的社会效果。

［1］S.A.Sherif，F.Barbir，T.N.Veziroglu，Wind energy and the hydrogen economy—review of the technology［J］.Solar Energy，2005，78：647－660.

［2］Systein Ulleberg，Torgeir Nakken，Arnaud Ete，The wind／hydrogen demonstration system at Utsira in Norway：Evaluation of system performance using operational data and updated hydrogen energy system modeling tools［J］.International journai of hydrogen energy，2010，35：1841－1852.

［3］Murat Go kcek，Hydrogen generation from small－scale wind－powered electrolysis system in different power matching modes［J］.International journai of hydrogen energy，2010，35：50－59.