一、前言

2019年全球投入能源研發的預算成長了4％(約300億美元)，投入比例最高的國家分別為北美、歐洲和中國。投入領域則主要在數位整合技術、電力和儲能、氫能、燃料電池和CCUS、核能、再生能源、能源效率和化石燃料等方面(圖一)。而根據Frost & Sullivan統計2020年全球能源技術相關專利發現，儲能技術、氫能及燃料電池成為2020年全球能源領域發展之重點(圖二)。

此外，美國、歐盟、中國持續加速低碳能源研發，如美國拜登當選後，重新加入巴黎氣候協議，並在氣候計畫(Clean Energy Revolution and Environmental Justice)中預計未來10年將投入4,000億美元於潔淨能源技術，以及成立新興低碳技術的研發機構(ARPA-C)。在歐洲方面，歐盟2019年在綠色政綱(European Green Deal)及Horizon 2020計畫中增加7%能源研發資金，並投入35億美元建立全球電池研發中心。其次在亞洲地區的中國、日本、印度、韓國等，能源相關總投入研發經費已占全球研發預算30%以上，其中又以日本及中國的能源相關研發經費占GDP比重最高，研發方向則以低碳技術領域為主。

而全球公共研發機構一直是能源領域研發和技術的發展先驅，因此已發展和發展中國家皆認為加速發展全球能源產業深度脫碳的新興與破壞式創新技術，以利實現淨零碳的短中長期目標是至關重要的措施。本文摘錄全球能源領域的關鍵技術的發展頂尖公共能源研發機構的概況，以及COVID-19對能源部門的影響等，以供臺灣參考與借鏡。

二、能源研發趨勢

(一)重點領域

1.氫能(Hydrogen)

由於氫能不僅可用於發電、供暖及能源儲存外，亦可做為零碳或低碳燃料的來源，使氫經濟成為近年來能源轉型的重要關鍵之一。目前有兩項主要的研發重點，其一為降低電解槽成本以提供更具成本效益的綠氫，其二則是以儲氫的方式降低在運輸及轉換過程中的複雜性。

2.再生能源與固定式儲能電池(Renewable Energy & Stationary Energy Storage)

隨著鈣鈦礦(perovskite Solar Cell)太陽能電池及有機太陽能電池(Organic Solar Cell)等第三代太陽能電池技術的進步，提高面板效率成為太陽光電研發的關鍵要點。而為提升再生能源發電後併入電網的穩定性，結合人工智慧(Artificial Intelligence, AI)、資通訊技術(Information and Communication Technology, ICT)與電池儲能或儲熱技術等，以實現智慧電網的布局。

3.電動車電池(Batteries for Electric Vehicles)

鋰離子電池為電動車關鍵零組件之一，然而其有機電解液存在爆炸的隱憂使其在充放電安全性受到考驗，進而促使鋰金屬陽極與固態電解質等新型電池材料的研發。透過此類型電池技術的發展，預計將可有效提升能量密度及安全性，並降低充電時間。

4.碳捕獲、利用及封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)

目前能源領域的發展，除著重於提高能源效率外，亦聚焦於可從工業排放或大氣中捕獲二氧化碳的技術，以加速實現低碳轉型。而美國更透過第45Q條稅收抵免的方式提供財政獎勵措施，加速企業利用捕獲的CO2研發並製造更多低碳/碳中和產品(如化學品、燃料、建築材料等)。

(二)主要研究機構

1.美國

(1)阿貢國家實驗室 (Argonne National Laboratory, ANL)

由美國能源部(Depqrtment of Energy, DOE)與芝加哥大學(University of Chicago)共同創立，致力開發清潔能源以實現環境保護的目標。

研究重點：

(a)開發重載型核動力電動車之核反應堆(Nuclear Reactor)模組。

(b)美國DOE成立儲能研究中心(the Joint Center for Energy Storage Research, JCESR)，並由ANL主導，以促進電池技術發展。

(c)開發鈷與鈦元素組成的新型催化劑以提升太陽能電解水產氫的效率。

(2)能源與環境研究中心(Energy & Environmental Research Center, EERC)

主要負責碳捕獲、利用及儲存相關之技術開發，同時著重材料處理與回收技術的創新。

研究重點：

(a)美國DOE授予EERC 1,700萬美元，用於開發Milton R. Young電廠(Minnkota Power)的碳捕獲、利用和封存（CCUS）項目，另提供150萬美元用於乙醇製造業的CCUS研發。

(b)開發老化風力發電之渦輪葉片回收再利用的方案。

(c)開發高爾夫球大小的傳感器(sensors)設備，並將此設備傳送至管道內，藉以檢測管道是否有缺陷或洩漏的問題。

(d)開發省水之乾式冷卻技術。

(3)天然氣技術研究所(Gas Technology Institute, GTI)

著重在天然氣行業的技術開發，包含氣化、轉化或加工，並透過基礎管道設施的發展，以提升能源效率並降低碳排放。

研究重點：

(a)研究人員透過費托合成(Fischer–Tropsch process)工藝的天然氣製合成油(Gas-to-Liquid, GTL)技術，將天然氣與CO2結合以生產燃料。

(b)開發一種可用於捕獲發電廠之CO2的膜。

(c)研發甲烷洩漏檢測技術。

(4)勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)

主要聚焦於節能技術和實現循環經濟的相關技術：

(a)成立先進能源研究中心（Center for Advanced Energy Studies, CAES），以促進整個儲能領域化學、機械及儲熱的研發。

(b)研發超高能量密度的電容器。

(c)透過基因編輯技術(clustered regularly interspaced short palindromic repeat, CRISPR)和先進計算模型分析，使微生物具有可縮短研發時程及生產具成本效益之生物燃料的潛力。

(d)開發一種化學選擇性高、耐用的新型晶體結構材料ZIOS(zinc imidazole salicylaldoxime)，可吸附廢水中的重金屬，且性能優於傳統的金屬離子捕獲技術。

(5)國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)

主要致力開發低碳技術的解決方案，近期在太陽能、低碳燃料和電網現代化領域有所突破。

(a)開發兩個吸光層(two light-absorbing layers)的二接面(two junction)太陽能電池，透過吸光層將32.9%的太陽光轉換為電能使用，為目前全球轉換效率最佳之電池。

(b)將可再生能源、核能和化石能源等多種能源發電系統與碳捕獲相結合，提供熱能和動能。

(c)為降低鈣鈦礦太陽能電池對環境造成的威脅，其致力開發用於電池生產之新的合成化合物。

2.歐洲

(1)瑞士聯邦材料科研和試驗研究所(Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, EMPA)

著重在材料相關的研究，透過研發奈米級材料以提升建築環境的永續性。近年來，主要著重在生物燃料電池與固態電池等儲能電池的開發以降低製造成本。

研究重點：

(a)與蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)開發創新能源生態系統ReMap (Renewable Management and Real-Time Control Platform)。

(b)開發低製造成本且可適用所有固態電池的電解質之超薄陶瓷層（Li7La3Zr2O12）。

(c)開發一種利用藍藻(Cyanobacteria)為催化劑分解有機物質，將化學能轉換成電能的小型發電廠。

(d)開發可有效回收鋰電池中氟含量的回收方法。

(2)法國石油研究所(IFP Energies Nouvelles, IFPEN)

主要研究集中在潔淨能源發電(包含生質能、太陽能、風能)和儲能技術。

(a)與美國嘉吉公司(Cargill)及法國阿克森斯公司(Axens)共同開發生物能源技術，透過微生物菌株生產生物基丙烯酸(bio-based acrylic acid)以擴大生產規模。

(b)藉由量子計算分析油氣精煉與生產石化產品所用之催化劑「沸石(zeolite)」，預測催化行為以達到更高的生產效率。

(c)與Valeo、DGA、EDF、Hutchinson和Siemens共同研究鋰離子電池老化過程。

(d)開發模型評估離岸風力發電渦輪機的疲勞壽命，以提升其發電可靠性。

(3)芬蘭科技研究院(VTT Technical Research Centre of Finland, VTT)

著重在開發人工智能與低碳技術結合的技術(如智慧交通與智慧建築)。

(a)研發可在極端寒冷氣候下運作的風力發電。

(b)新興太陽光電的微生物電合成(Microbial electrosynthesis, MEV)技術。

(c)為電力的需求管理開發即時服務的市場，以利電網與再生能源的整合。

三、COVID-19對能源部門的影響

2020年於全球肆虐的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)對全球能源部門產生重大的影響，影響面向共可分為以下三點。

(一)研發進度延遲

直至2020年初各國政府仍大力支持再生能源技術的研發，然而隨著COVID-19疫情的擴散與蔓延，全球約有數十億美元的能源轉型項目遭到擱置，加上能源創新屬勞力密集型產業，估計將可能影響75萬名勞動人口，預計需待疫情暫緩才可恢復研發階段。

(二)資金轉移

受到COVID-19疫情的影響，使得非醫療領域之研發中心投入大量的資金，以加速疫苗的開發，例如美國能源部(United States Department of Energy, DOE)透過實驗室合作夥伴服務(Lab Partnering Service, LPS)與冠狀病毒療法加速專案(Coronavirus Treatment Acceleration Program, CTAP)，以提供其對醫療領域研發上的支持。

(三)碳排放量降低

根據全球碳計畫(Global Carbon Project, GCP)報告發布之數據顯示，由於COVID-19影響飛機航班停飛與車輛移動減少，使得2020年全球碳排放量與2019年相比減少了7%(約為24億噸的二氧化碳)，進而改善空氣品質指標(Air Quality index, AQI)。

四、結論

我國政府欲於2025年達成再生能源占比20%的目標，於2019年修訂《再生能源發展條例》，並以推動太陽光電與風力發電技術為再生能源發電之主軸。經前述研究可知，除太陽光電技術持續為各機構致力開發之技術外，氫能與儲能電池等儲能技術近年來更是備受關注，加上碳捕獲、利用及封存技術的發展，可加以利用二氧化碳製成再生燃料及化學製品，以解決太陽光電與風力發電類型之間歇性再生能源長期以來面臨電網穩定性之問題，可供參考與借鏡 。

而隨著COVID-19的延燒，使得2020年能源部門的研發進度及資金受到重大的影響，由於現今全球疫情仍尚未受到有效的控制，預計未來兩年再生能源的發展將持續受到衝擊。而為能有效克服研發資金不足之問題，需透過業者或各方投資者的支持，以加速未來再生能源研發與創新的效率。