氫儲能技術在雙碳模式下的社會經濟及環境效益評估

李江濤

（中電建新能源集團股份有限公司西南分公司，四川 成都 610000）

氫儲能作為一種清潔的能源儲存技術，備受研究者關注。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能園區綜合能源系統架構[1]。李爭等（2022）構建了風電、光伏-氫儲能混合系統，提出了基于碳中和目標下的成本-效益模型[2]。郭琛良等（2022）建立了供暖需求下的綜合儲能系統的供熱模型[3]。王杭婧等（2022）研究了安徽六安兆瓦級氫能源儲能電站的市場推廣[4]。許傳博等（2022）針對發電側新能源風光場站的氫儲能容量優化配置問題[5]。戴逢哲等（2022）提出了面向微網的氫/熱混合儲能容量優化模型[6]。高嘯天等（2021）研究了氫儲能用于核電調峰的經濟性[7]。熊宇峰等（2021）提出了一種以氫儲能作為轉換樞紐的園區能源系統架構[8]。李咸善和楊宇翔（2020）基于雙向電價補償的含氫儲能風電和梯級水電聯合優化調度[9]。基于現有研究，該文將采取定量評估與定性分析相結合的方法，對氫儲能在雙碳模式下的經濟、社會、環境效益進行分析。

1 雙碳模式下氫儲能技術的概念與應用

1.1 兩種氫儲能的壓縮技術

隨著全球能源需求快速增長以及環境問題的日益突出，新能源技術已成為國際能源領域的研究熱點。氫儲能技術是新能源技術中的一種，其使用水電等可再生能源來產生氫，通過氫儲能技術將氫儲存起來，以便于需要時將其氧化發電。其中，氫儲能技術有2種類型，即壓縮氫技術和液氫技術。壓縮氫技術是將氫氣在高壓下儲存，使其體積變小，從而提高密度和能源密度，方便存儲和使用。壓縮氫技術的優點在于具有較高的儲能容量，但是需要花費較多的能量來壓縮氫氣。液氫技術則是將氫氣液化，使其體積更小，從而提高密度和能源密度，進一步方便存儲和使用，同時液氫技術也需要更少的能量來儲存氫氣。但是，液氫技術需要更加復雜的儲存和輸送設備，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壓力容器。

1.2 五種氫儲能的常見應用方向

與其他能源儲存技術相比，氫儲能技術具有能量密度高、安全可靠、環境污染小等優勢，已經被廣泛地應用在不同領域中，舉例如下。

新能源發電儲能：在風光儲一體化電站中，氫儲能技術可以將電能轉化成氫能保存，以解決電網對新能源變化的不確定性和季節性儲存需求。

微網／孤網系統儲能：氫儲能技術可以為微網／孤網系統提供可靠的能源儲備，避免系統故障和停機對生產和生活造成的影響。

設備備用電源：氫儲能技術可以作為大型設備或系統的備用電源，提供應急電力服務。

熱水供暖：用太陽能、風力發電、水力發電等新能源冬季供暖，氫氣儲能可以作為穩定的熱源補充。

交通運輸領域：氫燃料電池車利用氫氣進行能量貯存，實現清潔能源驅動，提高能源效率和減少環境污染。

1.3 氫儲能技術效益分析價值

雙碳背景下，清潔能源的有關技術發展得到了更多重視，使能源技術發展不僅依賴于其經濟價值，而同樣基于生態價值與社會價值等因素獲得產業界關注。因為氫儲能技術可以存儲可再生能源并平衡電網，所以被廣泛應用，。因此，對現有技術應用方向進行社會經濟及環境效益評估是為氫儲能技術發展方向選擇提供參考依據的重要因素。為實現經濟發展和環境保護的雙贏局面，氫儲能技術的應用與發展需要在該框架內進行評估。因此，基于雙碳模式下的社會經濟及環境效益評估選擇氫儲能技術，可以使其滿足實際的經濟、環保和社會需求，促進氫能技術的發展。考慮氫儲能技術不同應用方向中的社會、經濟與生態價值，有助于制定更為科學和可持續的技術發展戰略。

1.4 雙碳模式下氫儲能技術的效益概述

1.4.1 社會效益

氫儲能技術有望實現碳達峰和碳中和目標，減少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，從而改善空氣質量，減少環境污染。與此同時，氫儲能技術還可以創造就業機會，促進經濟發展，并在一定程度上增加能源安全和供應保障。

1.4.2 經濟效益

在相應的政策支持下，氫儲能技術可能會成為未來的新興產業，并有望實現成本下降和規模擴大的經濟效益。

氫儲能技術的運用還可以提高能源系統的靈活性和效率，通過儲能手段，當電力負荷低谷時儲存電能，當負荷高峰時釋放儲存的電能，從而降低峰谷差價和能源消耗。

1.4.3 生態效益

氫儲能技術在實現碳達峰和碳中和目標的同時，可以減少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，從而降低對自然環境和生態系統的影響和破壞。

氫儲能技術應用還可以促進可持續能源的利用和發展，例如，利用風能和太陽能等可再生能源，將其轉化為氫儲能，提高能源利用效率，減少能源浪費。

2 基于問卷調查的研究

2.1 樣本選擇

考慮到氫儲能技術概念自身的復雜性，該文面向氫儲能技術的兩類應用模式與五類應用方向，共同構成9組不同類別氫儲能技術應用可能，僅有液氫應用于交通運輸領域受制于溫度控制需求而難以實用故而剔除。分別為壓縮氫應用于新能源發電儲能、微網／孤網系統儲能、設備備用電源、熱水供暖、交通運輸，液態氫應用于新能源發電儲能、微網／孤網系統儲能、設備備用電源、熱水供暖。基于此，將項目編號為1～9，分別對其社會、經濟與環境效益進行評估。

2.2 問卷設計與發放

基于上述9種不同組合技術應用可能，構建調查問卷，形成對27項效益的評估，評估結果使用1～10評分填寫，填寫結果可包括小數。此外，調查問卷說明本次調查問卷僅用于學術分析用途，不引用被訪者的個人信息。

基于這次調查問卷設計，調查利用在線調研平臺編輯形成電子問卷。對于該問卷，利用鏈接形式附錄于電子郵件形成進入通道。由此，向氫儲能技術相關領域研究者發送調查問卷，問卷發放106份，郵件內容包括研究目的、調查流程、對被訪者隱私信息的有效保障和跟蹤信息等，以保障被調查者充分理解和認同調查的真實性和有效性，提高問卷的回復率。

2.3 問卷回收與整理

基于上述網絡渠道的問卷發放，調查問卷在2023年5月完成發放與回收。被訪者填寫問卷后，網絡渠道電子問卷信息通過自動匯總完成錄入環節，即告問卷自動回收。全部被訪者完成調查問卷后，相應從在線調研平臺導出樣本數據進行整理與分析。

本次調查對樣本數據進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%，相對較高。基于這一樣本數據，僅保留有關評價情況的部分題項數據定量指標，進行TOPSIS分析。

2.4 TOPSIS數據分析

基于上述問卷收集數據，使用TOPSIS方法進行數據分析，分析包括基于熵值法的權重評價與基于理想解距離的具體評分兩個部分。

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

對其進行無量綱化處理，得到規范化矩陣X=（xij）m×n，其中：

構造標準化的數據決策矩陣如公式（3）所示。

基于此，最優解和最劣解如公式（4）和公式（5）所示。

其中，J=（j|j∈{1，2，…，n}）。

計算各評價對象指標的標準化向量分別到最優解和最劣解得歐式距離Si+和Si-，如公式（6）和公式（7）所示。

計算各評價指標與理想解的相對接近度Ci，如公式（8）所示。

3 氫儲能技術的效益評估結果

3.1 樣本描述

對總樣本規模內的各項目分三類指標評價結果進行整理，其結果如下。如圖1所示，不同技術與項目應用方向表現差異性顯著。壓縮氫技術在不同的應用場景下對社會、經濟和環境效益的評估結果。其中，作為發電儲能、備用電源和交通儲能技術時，壓縮氫技術的社會和經濟效益得分較為高，而在供暖領域的應用，社會效益得分較低。液態氫技術則在不同應用領域的效益評估結果有所差異，發電儲能和供暖方面的社會效益得分較高，而在備用電源技術和微網儲能方面的經濟效益得分較高。總體來看，壓縮氫技術在微網儲能和備用電源方面的綜合評估得分較高，而液態氫技術在發電儲能和供暖領域的綜合評估得分較高。

圖1 社會效益、經濟效益與環境效益

3.2 權重計算

對樣本數據進行TOPSIS分析以獲得指標間權重比較如下。模型驗證環境效益指標的數據波動性更為顯著，信息熵較低而信息效用值較高，形成了顯著較高的權重評價，見表1。氫儲能技術的社會、環境和經濟效益各自評價權重相對接近，總體權重分配較為均衡。其中，社會效益和環境效益分別占31.016%和44.651%，相比之下，經濟效益只占24.333%，相對權重較低，可能為基于現有能源產業格局而對氫儲能技術在社會與生態領域的價值更為重視。因此，在選擇氫儲能技術應用方案時，應該更加注重其社會和環境效益，不能只關注經濟效益，從而符合環保、可持續發展的主要理念和政策引導需要。

表1 TOPSIS分析

3.3 理想解分析

TOPSIS數據分析中的理想解計算結果如下。如圖2所示，考慮權重后項目壓縮氫應用于微網／孤網系統儲能、設備備用電源與交通能源領域應用價值評價顯著較高。

圖2 綜合得分結果

4 結論與建議

4.1 研究結論

氫儲能技術已成為國際能源領域的熱點問題，也是長期的對象，具有工業系統效能較高，解決能源轉換和保護環境的優良特性。然而，氫儲能技術的推廣還存在一系列的問題，例如儲存成本、生產成本和安全等方面的問題。實證分析結果顯示出，現階段氫儲能技術受到其技術不成熟等因素的制約顯著，專家庫評價普遍傾向于將氫儲能技術應用于壓縮氫應用于微網／孤網系統儲能、設備備用電源與交通能源領域，均屬于相對獨立、具有長期性傾向的儲能環境，反映出一定應用范圍中的技術約束。這一方向選擇自身提示氫儲能技術應用范圍尚且有限，也展現了氫儲能技術未來發展的可能路徑。

4.2 產業發展建議

4.2.1 強化政策引導

氫儲能技術作為一項尚處于發展階段的先進技術，需要得到有力的政策支持和引導。

我國新能源產業發展受到相關部門積極扶持，但儲能產業作為能源結構中的調控機制，位于這一生產與利用的產業鏈邊緣區域，未能得到政策引導的充分重視。現有實證分析結果提示，氫儲能技術在新能源李永忠有著良好發展空間，此類發展前景需要政策的有效支持。

基于此，氫儲能技術在政策制定層面逐步完善扶持與發展方向，充分發揮政策的引導作用。通過加大財政資金投入以及稅收優惠政策的推出，用于支持技術開發、示范應用和產業規劃，能夠為氫儲能技術劣勢提供優化，改善氫儲能技術顯著較低的環境效益。同時，鼓勵企業引入技術和設備，提升生產效率和產品質量，并通過多種手段培育專業技能人才隊伍，使國內氫儲能技術具備核心競爭力。

4.2.2 發展市場機制

氫儲能行業的技術研發與應用需要大量企業資金的長期穩定投入，因此，如何構建一個健康、穩定和可持續的氫儲能市場是氫能產業全球化發展所必須面對的挑戰之一。

基于此，政府應建立健全相應機制，利用氫儲能技術在碳交易市場等領域的應用價值，將產業發展潛能轉變為現階段發展價值，從而吸引投資者進入市場，促進相關技術與設備的升級迭代，并支持培育具有競爭力的企業品牌。具體來說，可以通過加強行業稅收減免、鼓勵組織部門采購氫能源汽車、基于氫儲能技術應用情況實施差別電價等手段，積極推動氫儲能技術在市場中得到廣泛使用，從而擴大其市場規模而發展相關產業。

4.2.3 改善安全風險

作為一種新型能源儲存方式，氫儲能技術離不開關于安全監管的探討。高壓氫儲罐裝置容易受到外部損傷、撞擊以及高溫環境等因素影響，從而存在一定的安全隱患。因此，在大力推廣和普及技術的同時，必須充分注意使用過程中的安全問題，而相應需要在技術優化的同事推廣氫儲能技術應用規范性要求。針對氫儲能技術有關安全風險，需要利用現有技術成果，尋求專家評估和技術指導，完善事故預案，提升應急反應處理能力，降低氫儲能技術應用的負面影響，從而提升氫儲能技術的應用范圍。基于遠景預見，面向未來的氫儲能產業發展還需要加強國內領域內標準化工作，建立整套監管制度，以確保在氫儲能可持續發展進程中的安全性。

4.2.4 開展國際合作

氫儲能技術是一項涉及全球環境和人類生存的重要科技，產業發展成果應用前景廣泛，現階段應用價值尚有限，因而其國際間合作發展前景良好。基于此，在氫儲能技術研究過程中，需要加強與多國產業、研發與相關學術機構的協同合作，可以通過建立區域氫供應鏈共同體、促進跨區域氫產業對話等方式，加快相關技術的落地和推廣，為現有孵化階段技術研發活動尋求更具多元化的外部投資來源。同時還需要擴大國際資源交流與分享，集聚更多的人力資本積累，促進產業內的技術創新和人才培養，以達到提高現有氫能消納率，拓展氫能產業鏈規模，提升行業競爭力的目標。