一、前言

2000-2019年間，低碳能源（Low-carbon Energy, LCE）技術的國際專利家族（International Patent Families, IPFs），成長速度超越化石燃料技術。促使LCE技術之 IPFs成長的主要動力為跨領域的技術創新，例如：電池、氫能、智慧電網等。全球能源市場中，歐洲、日本和美國在LCE 技術之IPFs創新具主導地位，共占2000-2019年所有IPFs的四分之三以上。LCE技術的IPFs主要分為3個領域，分別為：能源供應、終端應用（End-use）、驅動技術（Enabling Technology）。文章摘述報告中3個主要領域的市場發展與技術趨勢，並列出具有發展潛力的新興技術。最後，再述及國際合作的重要性與現況。

 二、低碳能源（LCE）技術的國際專利家族（IPFs）趨勢 

(一)能源供應技術趨勢

支持能源轉型的LCE供應技術包括再生能源技術（例如：風能、太陽能、海洋能、水力和地熱能）、替代燃料（例如：生質燃料和廢棄物燃料），以及具減少溫室氣體排放潛力的核能和高效燃燒技術（Efficient Combustion Technologies）。其中，太陽能相關技術（尤其是太陽能）的IPFs數量最多（2000-2019年間共有46,933 IPFs）；其次是風能相關技術（共有17, 211 IPFs）和替代燃料（共有10,472 IPFs）。其他再生能源、核能和高效燃燒技術的IPFs申請數量則分別為6,466、5,313和6,621 IPFs（圖一）。

2010-2020年間，太陽能市場快速擴張，全球太陽能的年安裝量大幅成長了6倍，從每年17GW增加到100GW以上。為了滿足市場需求，太陽能產業以大規模方式進行生產，組裝模塊化的太陽能電池模組，並允許以標準化格式在全球範圍內進行運輸。其中，降低太陽能「系統平衡」（Balance-of-system, BOS）的成本為技術發展關鍵，包括變流器、電源轉換系統、安裝系統和智慧追蹤等技術創新。目前全球BOS的技術發展概況為（表一）：歐洲和美國在安裝系統和智慧追蹤技術具主導地位，其技術創新重點在於提升技術應用的靈活性；而日本和中國則具備電源轉換系統的相關專業技術。

太陽能電池是該產業中技術密集度最高的部分，在2010-2019年期間占太陽能IPFs的48%。因市場新進者很難在成熟的矽晶太陽能電池技術中獲利，導致晶體和薄膜電池的發明數量下降，有機太陽能電池（Organic Solar Cells, OSCs）遂成為太陽能市場的新競爭領域。根據2019年太陽能電池IPFs的統計，OSCs為1,040；其他類型的太陽能電池則為299。有機太陽能電池技術原理是利用可導電的有機聚合物或有機小分子，進行光能的吸收和電荷轉移，具有更輕、靈活性更高的優點，主要缺點則是能量轉換效率較低。

 (二)終端應用技術趨勢

2000-2019年間，超過40%的IPFs為終端應用相關技術。終端應用領域中的燃料轉換以及能源效率技術亦為LCE IPSs技術發展的重要驅動力。全球終端應用技術的IPFs主要可分為以下類型：交通運輸相關（包括電動汽車；其他道路運輸車輛；航空、鐵路、海運等其他運輸）、化工與石油、金屬與礦物加工、工業生產、建築（包含高效照明、供暖、空調和家用電器）、資訊及通訊科技（Information and Communication Technologies, ICT）。其中，與交通運輸相關的IPFs數量最多。市場中IPFs數量成長較快速的領域為電動汽車（包括燃料電池和充電等技術），從2000-2004期間3,166 IPFs，到2015-2019期間大幅成長至20,502 IPFs。

此外，降低工業生產過程中的碳排放是終端應用技術重要的創新領域，占2000-2019年間所有終端應用技術IPFs的30%，在此期間，明顯成長的技術創新為金屬與礦物加工的節能技術，其年均成長率近12%。另一個重要的創新領域為建築節能，在2000-2019年間，占所有終端應用技術IPFs的17.7 %。同期間，ICT清潔能源的IPFs則以年均10%的速度成長，反映出ICT應用於節能的市場需求，以及數位傳輸與大數據技術的快速成長（圖二）。

(三)驅動技術趨勢

電池、氫能與燃料電池、智慧電網、碳捕獲、再利用及封存（Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS）等跨領域技術，可在能源轉型中發揮關鍵作用，包括在供應端部署清潔能源，同時促進清潔能源（特別是再生能源電力）在終端應用端的整合。因此，驅動技術是能源供應和終端應用技術創新的重要驅動力。在LCE技術的IPFs中，電池技術尤為重要的創新驅動力，在2010-2019年間，電池技術就占IPFs的57%，其年均成長率為13%，也反映出市場中個人設備和工具對電池的需求正不斷成長。其中，用於電動汽車中的鋰離子電池技術快速發展和產業化。自2010年以來，由於電池陰極材料的調整，以及規模經濟效益，使得電動汽車的鋰離子電池價格已下降近90%。另外，應用於電網管理的固定式應用電池價格也已下降了三分之二（圖三）。

上述電池等驅動技術可整合LCE能源供應和終端應用技術，進而達到減低碳排的能源目標。根據市場發展趨勢，電池的技術創新與電動汽車存有顯著的協同作用；電動汽車技術創新的同時，也會帶動其他驅動技術，例如：智慧電網、氫能以及儲能等技術的進步。

驅動技術中另一個重要的領域為氫能與燃料電池，低碳氫氣的生產和儲能技術在過去10年中快速發展。氫能的發展優勢包括可適用於多種應用類型的高度靈活性，例如：可應用在鋼鐵與化學肥料的生產過程中、作為飛機和輪船中的合成燃料、建築供暖等。除此之外，氫能結合儲能技術可儲存數週-數月的電力，並依需求進行發電，則有助於平衡電力系統。在歐洲和中國，由於增加投資低碳氫氣生產，促使低碳氫氣的產能提升，例如：電解槽製氫的產能即從2010年的2 MW，增加到2019 年的25 MW。全球能源市場中生產氫氣的規模也正在擴大，例如：2021年法國規模20MW，使用高分子電解質膜（Polymer Electrolyte Membrane, PEM）技術的製氫設施已開始投入生產，並規劃在2030年前加速建置GW規模的氫能電廠。

三、小結：低碳能源（LCE）技術的國際專利家族（IPFs）之國際合作 

氣候變化是全球必須共同面對的挑戰，因此不同國家之間共同研發合作，能更有效得推動能源轉型。實際上，美國和歐洲LCE 技術之IPFs的國際合作相當密切，在2015-2019年間，美國、德國和法國的IPFs中約有13%來自國際合作，在英國甚至超過22%。

而美國的參與在LCE技術領域發展上相當關鍵，包括生質燃料、石油煉油、ICT、金屬與礦物加工、農業等領域，美國都是國際雙邊合作中的主要合作夥伴。相較之下，亞洲地區的日本和韓國在國際研發合作的參與度明顯低許多，其2015-2019年IPFs國際合作的比例分別為2%和3%。最後，隨著物聯網、5G通訊網路、雲端計算、人工智慧等技術發展，預計智慧電網將成為未來國際LCE之IPFs與能源轉型的重要技術。