面向双碳愿景的可再生能源制氢项目综合评估指标体系构建研究

许传博 杨建功 李忻颖

(1. 华北电力大学经济与管理学院，北京 102206； 2.新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206； 3.中国航空工业集团有限公司，北京 100028; 4.中国石油大学(北京)经济管理学院，北京 102249)

0 引言

氢能是未来最有希望替代传统化石能源的二次能源之一，具有清洁低碳、高热值、高转化率等多方面优势[1]。随着全球能源低碳化转型需求的日益迫切，从国际上看，德国、日本、英国、澳大利亚等发达经济国家都纷纷密集出台氢能战略和发展路线图，将发展氢能产业提升至国家战略高度[2]。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟(简称中国氢能联盟)发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》，我国氢气的产量和产能稳居全球首位，具备抢占氢能发展制高点的先机。

根据不同的碳排放量强度，氢能被划分为灰氢、蓝氢和绿氢。而2020年我国氢气来源中，62%为煤制氢，19%为天然气制氢，仅有1%的可再生能源制氢[3]。在我国首次提出“3060”双碳目标的背景下，大力发展可再生能源制氢意义重大。然而，目前我国可再生能源制氢发展进程缓慢，主要受制于技术效率低、制氢成本高、社会环境效益不清晰等因素。因此，构建可再生能源制氢项目综合评估指标体系是测度可再生能源制氢项目可持续发展的关键步骤。

当前，国内外学者相继开展了较多的可再生能源制氢项目综合评估方面的研究。文献[4]提出了一种新颖的两阶段多准则决策(MCDM)方法可选择最可持续的制氢技术。在第一阶段，通过使用模糊最优最劣方法(FBWM)和理想点法(TOPSIS)来优先考虑制氢技术的可持续性；在第二阶段，采用一种新颖的偏好排序线性规划方法(PRLPM)，根据偏好信息获得最终的可持续性排序方案。文献[5]提出一个框架整合了新的评估指标体系、粗糙模糊最优最劣方法(RF-BWM)和粗糙模糊数据包络分析(RF-DEA)方法，用于评估和选择可持续的氢气生产技术。文献[6]从可持续性的角度出发评估了风电氢储一体化项目的绩效。采用了区间二型模糊层次分析法(IT2AHP)和区间二型模糊技术理想点法(IT2TOPSIS)分别对准则进行加权，并对备选项目方案进行排序。文献[7]考虑了经济性、能源利用、双碳目标、可靠性这四个方面的影响因素，提出了风-火耦合多能系统的多尺度评价指标及其数学模型，并基于模糊层次分析-熵权法确定各指标的权重占比。

以上文献在一定程度上推动了可再生能源制氢项目评估相关理论与方法的发展。受此启发，本文从经济、环境、技术和社会4个维度出发构建面向双碳愿景的可再生能源制氢项目综合评估指标体系，并采用云模型和模糊综合评价方法确定项目的综合评估值。与上述文献相比，本文的不同之处在于：一是在指标设计时充分考虑了不同规模项目间的可比性，使得指标体系在去量纲化方面更为科学；二是现有文献是从多个方案比选视角出发，采取多准则决策方法基于比选方案间的指标属性差异进行择优的，而本文更侧重于单项目的综合评估，难以应用多准则决策方法。

1 可再生能源制氢项目评估边界

可再生能源制氢项目的原理是基于风、光等可再生能源发电来电解水制取氢气，见图1。首先，风电和光伏等可再生能源发电后通过整流器转化为直流电，通过电解槽对水进行电解，生成氢气和氧气；其次，氢气进入中压储氢罐后进行储存，并再次通过压缩机进一步压缩后存入高压储氢罐；最后，氢气可通过拖车、管道等运输方式输送至负荷端，也可以通过燃料电池转化为电能后并入公共电网。本文的评估边界是图1中的虚线内部分，即可再生能源制氢项目考虑可再生能源发电环节、绿氢的制取环节以及储存环节，不考虑氢能的运输和电能转化部分。

图1 可再生能源电解制氢系统架构

2 可再生能源制氢项目综合评估指标体系构建

2.1 评估指标体系构建原则

为了使指标体系更科学化、规范化，在构建可再生能源制氢项目综合评估指标体系时应遵循以下原则：

(1)系统性原则。“系统性”要求可再生能源制氢项目综合评估时要综合反映项目中经济-社会-技术-环境多维度相互作用的方式、强度和方向等各方面的内容。因此，必须把指标体系的构建视为一个系统问题，并基于多维因素进行综合评估。

(2)可量化原则。指标按性质分为定量指标和定性指标两种。定性指标往往受到人为因素扰动而过于主观，大幅降低了评价的可信度。因此，在设计指标时需要充分考虑是否能够进行量化处理，以便进行客观的数学计算和分析。

(3)可比性原则。在指标体系构建过程中，指标的设计需要规避项目规模、投资额、投资主体等因素的影响，指标在不同的项目间需要有很强的可比性，这样才能保证评价的权威性和公正性。

2.2 综合评估指标体系的构建

本文从经济维度、环境维度、技术维度和社会维度出发，基于指标构建原则和文献调研法，构建了可再生能源制氢项目综合评估指标体系，见表1。

表1 可再生能源制氢项目综合评估指标体系

(1)经济维度(C1)。

1)单位制氢成本(C11)。该指标是通过项目的全生命周期成本和全生命周期制氢量之比计算所得，反映了每单位氢气所需要投入的综合成本。

2)内部收益率(C12)。该指标反映了资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于零时的折现率。

3)投资回收期(C13)。该指标表示投资项目投产后获得的收益总额达到该投资项目投入的投资总额时所需要的时间。

(2)环境维度(C2)。

1)碳减排率(C21)。碳减排主要体现在通过可再生能源制氢来替代煤制氢所减少的碳排放量。该指标表示全生命周期内，系统单位制氢量所产生的碳减排量。

2)空气改善(C22)。该指标表示全生命周期内，系统单位制氢量所产生的细颗粒物减排量。

3)耗水率(C23)。由于可再生能源电解水制氢会消耗大量的水，因此该指标用来表示全生命周期内系统单位制氢量所消耗的水量。

(3)环境维度(C3)。

1)电解效率(C31)。可再生能源制氢系统的核心设备是电解槽，目前主流的电解槽种类有碱性电解槽、质子交换膜电解槽以及固体氧化物电解槽。由于技术的不同，这三类系统的电解效率有所差异。

2)制氢纯度(C32)。氢气纯度是检验制氢装置运行的关键性能指标。制氢纯度同样受到电解槽技术的影响。

3)电解寿命(C33)。电解槽替换成本昂贵，且电解槽达到使用年限后，会很大程度上影响产氢量。因此，电解寿命指标在制氢项目评估中尤为重要。

(4)社会维度(C4)。

1)就业保障(C41)。根据国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency)发布的报告显示，预计到2050年，可再生能源产业就业人数将达4200万人，是就业人数增长最快的行业。因此，可再生能源制氢项目的建设和运营都会创造大量的工作机会。

2)经济促进(C42)。发展可再生能源制氢是开拓新的经济增长点的新兴业务，发展可再生能源制氢项目有助于促进地方经济发展，拉动GDP增长。

3)产业链促进(C43)。氢能产业链包括“制-储-输-用”链条，通过发展上游的可再生能源制氢环节，可以促进“储-输-用”等氢能下游产业的发展。

3 算例研究

河北省张家口市地处华北平原与内蒙古高原的连接区域，是华北地区风能和太阳能资源最丰富的地区之一，可再生能源制氢的优势凸显。本文以张家口市某个待建设开发的可再生能源制氢项目(A项目)为例，对其进行综合评价。A项目基本情况如下：风电装机容量100MW，采用质子交换膜(PEM)电解槽系统，电解槽系统容量80MW，总投资成本10.322亿元，其中风电场部分成本6亿元，电解槽部分成本4.322亿元。此外，该地区的风速资源情况见图2。

图2 项目所在地风速资源情况

基于表1的指标测算依据，可得到A项目的各项评估指标值，见表2。根据历史同类项目的指标值聚类(划分为四类：优、良、中、差)，可以得到指标的等级划分，见表2。

表2 可再生能源制氢项目A评价指标值

评估方法采用文献[8]中的基于云模型的模糊综合评价方法，通过式(1)、式(2)计算项目A的隶属度，即

μ=exp(-(x-Ex)2/2(En′)2)

(1)

En′～N(En,He2),x～N(Ex,En′2)

(2)

其计算结果见表3。与此同时，通过专家咨询法确定了各指标权重，见表3。

表3 可再生能源制氢项目(A项目)指标权重及隶属度

最后，通过加权平均可计算项目在“优”“良”“中”“差”上的隶属度为(0.304，0.798，0.625，0.251)，故项目A最终综合评估结果为“良”。此外，A项目在制氢纯度(C32)、空气改善(C22)、产业链促进(C43)等指标方面表现很好，但在电解效率(C31)指标方面还需要大幅度提升。

4 结语

可再生能源制氢对于我国的工业、建筑、电力、交通等多个部门的深度脱碳尤为重要。但由于起步较晚，当前针对可再生能源制氢项目的综合评价研究较为匮乏。因此，本文针对可再生能源制氢项目综合评估问题，首先构建了一套包含4个维度和12个指标的综合评估指标体系;其次，采用云模型和模糊综合评价方法对项目的综合得分进行计算;最后，以张家口某可再生能源制氢项目为例，验证了该指标体系和评估方法的有效性。