氢储能技术在双碳模式下的社会经济及环境效益评估

李江涛

（中电建新能源集团股份有限公司西南分公司，四川 成都 610000）

氢储能作为一种清洁的能源储存技术，备受研究者关注。吴佩隆等（2022）提出了一种以天然气制氢模式代替电解槽制氢的氢储能园区综合能源系统架构[1]。李争等（2022）构建了风电、光伏-氢储能混合系统，提出了基于碳中和目标下的成本-效益模型[2]。郭琛良等（2022）建立了供暖需求下的综合储能系统的供热模型[3]。王杭婧等（2022）研究了安徽六安兆瓦级氢能源储能电站的市场推广[4]。许传博等（2022）针对发电侧新能源风光场站的氢储能容量优化配置问题[5]。戴逢哲等（2022）提出了面向微网的氢/热混合储能容量优化模型[6]。高啸天等（2021）研究了氢储能用于核电调峰的经济性[7]。熊宇峰等（2021）提出了一种以氢储能作为转换枢纽的园区能源系统架构[8]。李咸善和杨宇翔（2020）基于双向电价补偿的含氢储能风电和梯级水电联合优化调度[9]。基于现有研究，该文将采取定量评估与定性分析相结合的方法，对氢储能在双碳模式下的经济、社会、环境效益进行分析。

1 双碳模式下氢储能技术的概念与应用

1.1 两种氢储能的压缩技术

随着全球能源需求快速增长以及环境问题的日益突出，新能源技术已成为国际能源领域的研究热点。氢储能技术是新能源技术中的一种，其使用水电等可再生能源来产生氢，通过氢储能技术将氢储存起来，以便于需要时将其氧化发电。其中，氢储能技术有2种类型，即压缩氢技术和液氢技术。压缩氢技术是将氢气在高压下储存，使其体积变小，从而提高密度和能源密度，方便存储和使用。压缩氢技术的优点在于具有较高的储能容量，但是需要花费较多的能量来压缩氢气。液氢技术则是将氢气液化，使其体积更小，从而提高密度和能源密度，进一步方便存储和使用，同时液氢技术也需要更少的能量来储存氢气。但是，液氢技术需要更加复杂的储存和输送设备，并且氢气的液化需要非常低的温度和显著较高压力与相应压力容器。

1.2 五种氢储能的常见应用方向

与其他能源储存技术相比，氢储能技术具有能量密度高、安全可靠、环境污染小等优势，已经被广泛地应用在不同领域中，举例如下。

新能源发电储能：在风光储一体化电站中，氢储能技术可以将电能转化成氢能保存，以解决电网对新能源变化的不确定性和季节性储存需求。

微网／孤网系统储能：氢储能技术可以为微网／孤网系统提供可靠的能源储备，避免系统故障和停机对生产和生活造成的影响。

设备备用电源：氢储能技术可以作为大型设备或系统的备用电源，提供应急电力服务。

热水供暖：用太阳能、风力发电、水力发电等新能源冬季供暖，氢气储能可以作为稳定的热源补充。

交通运输领域：氢燃料电池车利用氢气进行能量贮存，实现清洁能源驱动，提高能源效率和减少环境污染。

1.3 氢储能技术效益分析价值

双碳背景下，清洁能源的有关技术发展得到了更多重视，使能源技术发展不仅依赖于其经济价值，而同样基于生态价值与社会价值等因素获得产业界关注。因为氢储能技术可以存储可再生能源并平衡电网，所以被广泛应用，。因此，对现有技术应用方向进行社会经济及环境效益评估是为氢储能技术发展方向选择提供参考依据的重要因素。为实现经济发展和环境保护的双赢局面，氢储能技术的应用与发展需要在该框架内进行评估。因此，基于双碳模式下的社会经济及环境效益评估选择氢储能技术，可以使其满足实际的经济、环保和社会需求，促进氢能技术的发展。考虑氢储能技术不同应用方向中的社会、经济与生态价值，有助于制定更为科学和可持续的技术发展战略。

1.4 双碳模式下氢储能技术的效益概述

1.4.1 社会效益

氢储能技术有望实现碳达峰和碳中和目标，减少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，从而改善空气质量，减少环境污染。与此同时，氢储能技术还可以创造就业机会，促进经济发展，并在一定程度上增加能源安全和供应保障。

1.4.2 经济效益

在相应的政策支持下，氢储能技术可能会成为未来的新兴产业，并有望实现成本下降和规模扩大的经济效益。

氢储能技术的运用还可以提高能源系统的灵活性和效率，通过储能手段，当电力负荷低谷时储存电能，当负荷高峰时释放储存的电能，从而降低峰谷差价和能源消耗。

1.4.3 生态效益

氢储能技术在实现碳达峰和碳中和目标的同时，可以减少化石燃料的使用量和二氧化碳的排放量，从而降低对自然环境和生态系统的影响和破坏。

氢储能技术应用还可以促进可持续能源的利用和发展，例如，利用风能和太阳能等可再生能源，将其转化为氢储能，提高能源利用效率，减少能源浪费。

2 基于问卷调查的研究

2.1 样本选择

考虑到氢储能技术概念自身的复杂性，该文面向氢储能技术的两类应用模式与五类应用方向，共同构成9组不同类别氢储能技术应用可能，仅有液氢应用于交通运输领域受制于温度控制需求而难以实用故而剔除。分别为压缩氢应用于新能源发电储能、微网／孤网系统储能、设备备用电源、热水供暖、交通运输，液态氢应用于新能源发电储能、微网／孤网系统储能、设备备用电源、热水供暖。基于此，将项目编号为1～9，分别对其社会、经济与环境效益进行评估。

2.2 问卷设计与发放

基于上述9种不同组合技术应用可能，构建调查问卷，形成对27项效益的评估，评估结果使用1～10评分填写，填写结果可包括小数。此外，调查问卷说明本次调查问卷仅用于学术分析用途，不引用被访者的个人信息。

基于这次调查问卷设计，调查利用在线调研平台编辑形成电子问卷。对于该问卷，利用链接形式附录于电子邮件形成进入通道。由此，向氢储能技术相关领域研究者发送调查问卷，问卷发放106份，邮件内容包括研究目的、调查流程、对被访者隐私信息的有效保障和跟踪信息等，以保障被调查者充分理解和认同调查的真实性和有效性，提高问卷的回复率。

2.3 问卷回收与整理

基于上述网络渠道的问卷发放，调查问卷在2023年5月完成发放与回收。被访者填写问卷后，网络渠道电子问卷信息通过自动汇总完成录入环节，即告问卷自动回收。全部被访者完成调查问卷后，相应从在线调研平台导出样本数据进行整理与分析。

本次调查对样本数据进行简单地清晰与整理，剔除存在空缺值的部分问卷，剩余103份有效问卷，问卷回收有效率为97.17%，相对较高。基于这一样本数据，仅保留有关评价情况的部分题项数据定量指标，进行TOPSIS分析。

2.4 TOPSIS数据分析

基于上述问卷收集数据，使用TOPSIS方法进行数据分析，分析包括基于熵值法的权重评价与基于理想解距离的具体评分两个部分。

TOPSIS是指基于理想解的排序技术，首先需要将在m类n项待评估问题中对i类j项问题中的数值记为V（其中i=1，2...m；j=1，2，...n），建立初始矩阵如公式（1）所示。

对其进行无量纲化处理，得到规范化矩阵X=（xij）m×n，其中：

构造标准化的数据决策矩阵如公式（3）所示。

基于此，最优解和最劣解如公式（4）和公式（5）所示。

其中，J=（j|j∈{1，2，…，n}）。

计算各评价对象指标的标准化向量分别到最优解和最劣解得欧式距离Si+和Si-，如公式（6）和公式（7）所示。

计算各评价指标与理想解的相对接近度Ci，如公式（8）所示。

3 氢储能技术的效益评估结果

3.1 样本描述

对总样本规模内的各项目分三类指标评价结果进行整理，其结果如下。如图1所示，不同技术与项目应用方向表现差异性显著。压缩氢技术在不同的应用场景下对社会、经济和环境效益的评估结果。其中，作为发电储能、备用电源和交通储能技术时，压缩氢技术的社会和经济效益得分较为高，而在供暖领域的应用，社会效益得分较低。液态氢技术则在不同应用领域的效益评估结果有所差异，发电储能和供暖方面的社会效益得分较高，而在备用电源技术和微网储能方面的经济效益得分较高。总体来看，压缩氢技术在微网储能和备用电源方面的综合评估得分较高，而液态氢技术在发电储能和供暖领域的综合评估得分较高。

图1 社会效益、经济效益与环境效益

3.2 权重计算

对样本数据进行TOPSIS分析以获得指标间权重比较如下。模型验证环境效益指标的数据波动性更为显著，信息熵较低而信息效用值较高，形成了显著较高的权重评价，见表1。氢储能技术的社会、环境和经济效益各自评价权重相对接近，总体权重分配较为均衡。其中，社会效益和环境效益分别占31.016%和44.651%，相比之下，经济效益只占24.333%，相对权重较低，可能为基于现有能源产业格局而对氢储能技术在社会与生态领域的价值更为重视。因此，在选择氢储能技术应用方案时，应该更加注重其社会和环境效益，不能只关注经济效益，从而符合环保、可持续发展的主要理念和政策引导需要。

表1 TOPSIS分析

3.3 理想解分析

TOPSIS数据分析中的理想解计算结果如下。如图2所示，考虑权重后项目压缩氢应用于微网／孤网系统储能、设备备用电源与交通能源领域应用价值评价显著较高。

图2 综合得分结果

4 结论与建议

4.1 研究结论

氢储能技术已成为国际能源领域的热点问题，也是长期的对象，具有工业系统效能较高，解决能源转换和保护环境的优良特性。然而，氢储能技术的推广还存在一系列的问题，例如储存成本、生产成本和安全等方面的问题。实证分析结果显示出，现阶段氢储能技术受到其技术不成熟等因素的制约显著，专家库评价普遍倾向于将氢储能技术应用于压缩氢应用于微网／孤网系统储能、设备备用电源与交通能源领域，均属于相对独立、具有长期性倾向的储能环境，反映出一定应用范围中的技术约束。这一方向选择自身提示氢储能技术应用范围尚且有限，也展现了氢储能技术未来发展的可能路径。

4.2 产业发展建议

4.2.1 强化政策引导

氢储能技术作为一项尚处于发展阶段的先进技术，需要得到有力的政策支持和引导。

我国新能源产业发展受到相关部门积极扶持，但储能产业作为能源结构中的调控机制，位于这一生产与利用的产业链边缘区域，未能得到政策引导的充分重视。现有实证分析结果提示，氢储能技术在新能源李永忠有着良好发展空间，此类发展前景需要政策的有效支持。

基于此，氢储能技术在政策制定层面逐步完善扶持与发展方向，充分发挥政策的引导作用。通过加大财政资金投入以及税收优惠政策的推出，用于支持技术开发、示范应用和产业规划，能够为氢储能技术劣势提供优化，改善氢储能技术显著较低的环境效益。同时，鼓励企业引入技术和设备，提升生产效率和产品质量，并通过多种手段培育专业技能人才队伍，使国内氢储能技术具备核心竞争力。

4.2.2 发展市场机制

氢储能行业的技术研发与应用需要大量企业资金的长期稳定投入，因此，如何构建一个健康、稳定和可持续的氢储能市场是氢能产业全球化发展所必须面对的挑战之一。

基于此，政府应建立健全相应机制，利用氢储能技术在碳交易市场等领域的应用价值，将产业发展潜能转变为现阶段发展价值，从而吸引投资者进入市场，促进相关技术与设备的升级迭代，并支持培育具有竞争力的企业品牌。具体来说，可以通过加强行业税收减免、鼓励组织部门采购氢能源汽车、基于氢储能技术应用情况实施差别电价等手段，积极推动氢储能技术在市场中得到广泛使用，从而扩大其市场规模而发展相关产业。

4.2.3 改善安全风险

作为一种新型能源储存方式，氢储能技术离不开关于安全监管的探讨。高压氢储罐装置容易受到外部损伤、撞击以及高温环境等因素影响，从而存在一定的安全隐患。因此，在大力推广和普及技术的同时，必须充分注意使用过程中的安全问题，而相应需要在技术优化的同事推广氢储能技术应用规范性要求。针对氢储能技术有关安全风险，需要利用现有技术成果，寻求专家评估和技术指导，完善事故预案，提升应急反应处理能力，降低氢储能技术应用的负面影响，从而提升氢储能技术的应用范围。基于远景预见，面向未来的氢储能产业发展还需要加强国内领域内标准化工作，建立整套监管制度，以确保在氢储能可持续发展进程中的安全性。

4.2.4 开展国际合作

氢储能技术是一项涉及全球环境和人类生存的重要科技，产业发展成果应用前景广泛，现阶段应用价值尚有限，因而其国际间合作发展前景良好。基于此，在氢储能技术研究过程中，需要加强与多国产业、研发与相关学术机构的协同合作，可以通过建立区域氢供应链共同体、促进跨区域氢产业对话等方式，加快相关技术的落地和推广，为现有孵化阶段技术研发活动寻求更具多元化的外部投资来源。同时还需要扩大国际资源交流与分享，集聚更多的人力资本积累，促进产业内的技术创新和人才培养，以达到提高现有氢能消纳率，拓展氢能产业链规模，提升行业竞争力的目标。