焦點報導

首頁> 焦點報導清單> 低碳能源技術的全球專利趨勢

低碳能源技術的全球專利趨勢

謝汎琪、古慧雯/ 發布日期:2021/10/21/ 瀏覽次數:138

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。

延伸閱讀
資料來源