創新能源技術—離岸風電、綠氫技術專利分析


近年來，氣候變遷已為國際高度重視之議題，各國陸續提出「2050淨零排放」的宣示與行動。為兼顧減碳效益、經濟發展及環境永續，全球各國莫不積極推動能源轉型，在此潮流下，太陽能、風能、水能及地熱能等再生能源在全球加速普及利用，創新能源技術持續朝向多元化發展，其中「離岸風電」因海上高風能資源的潛力，在全球越來越受到關注；「綠氫」則是利用再生能源產生氫氣，因此具備潔淨能源與脫碳之效益，也成為現今最受關注的能源選項之一。此外，離岸風電與綠氫亦為我國實現2050淨零碳排的規劃中，作為未來無碳能源供應的選項。

「離岸風電」與「綠氫」這兩項新興能源議題，近年也漸漸進行運用上的結合，根據清潔能源國家聯盟(Clean Energy States Alliance, CESA)報告 指出，目前歐洲地區正積極研究如何將綠氫融入能源系統中，以產生零碳排的潔淨能源。在過去，氫氣多是由天然氣中的甲烷轉化所生產，在產出氫氣的過程，會釋放出少量一氧化碳和二氧化碳，因此稱為「灰氫」；然而，「綠氫」係透過再生能源將電解槽中的水分解為氫和氧，它可以在現有工業、海運和航空等高度依賴灰氫的產業中，以綠氫來替代灰氫，發揮脫碳效果。此外，在CESA報告中也指出，離岸風電與其他可再生能源相比，因發電時間較長，所以電量輸出能力相對高，可在整體能源系統電力需求不高時，提供穩定的電力讓生產綠氫的電解槽運行更長時間，因此便有離岸風電設置場域，將電解槽設置於離岸風場中，直接在海上電解氫氣，再將綠氫輸回岸上使用，又或者是將海上產出的電力透過電纜輸回陸地之電解槽中產生綠氫，在這樣的運作機制下，氫氣通常會被視為能源的載體，用於儲存海上的風能，直到需要能源時，再將之轉換為電力做使用。

為掌握這些創新的能源技術的發展現況，國際再生能源總署(International Renewable Energy Agency， IRENA)在《再生能源技術創新指標：綜觀成本、專利和技術標準之發展》報告中(以下簡稱：IRENA報告)；在該報告的第二部分，特別針對離岸風電與綠氫技術解析其專利發展趨勢、重要技術發展國家、技術跨國合作等分析。故，本次時事報導專文將就IRENA報告中揭露的專利情報資訊進行報導，以使國人掌握各國家在離岸風電與綠氫技術上之專利發展現況，並於全球能源轉型的時代中，投入新能源技術之發展，為能源安全、綠色經濟及環境永續貢獻心力。

一、離岸風電技術專利分析

隨著技術的演進，風機渦輪機尺寸不斷增長、輪毂高度升高和掃掠葉片面積的增加，發電量持續增加；此外，離岸風場之布局和海底輸電電纜技術的改進，也讓設置場址轉移到離海岸更遠、更深的水域，在發電量增加與設置成本降低的雙重誘因驅動下，離岸風電成為創新能源投資的重要項目。

為探討離岸風電技術之專利表現，IRENA報告利用合作專利分類(CPC)代碼Y02E10/727進行專利檢索，鎖定「離岸風力渦輪機」技術進行專利布局概況之解析。以下為此技術之專利布局情形說明。

          1. 1.專利家族布局及各國專利布局表現分析

                   在衡量特定技術於全球市場各國技術發展者之投資意願時，「專利家族件數」、「國際專利家族」與「高價值專利」是相當值得觀察重要指標。其中，「專利家族件數」係指同一發明在同一或不同國家申請專利進行技術保護的數量，因此「專利家族」可謂是一發明於全球專利布局的表現；專利申請人在他國/地區專利的申請情形，可用以檢視專利技術在全球的技術移轉趨勢；同一發明若是申請人願意在很多國家申請專利，表示該申請人對於該項發明願意投予更多資源、提升其專利價值。

                   在IRENA報告中，主要就上述指標進行離岸風電技術整體專利發展概況之分析，以下分別說明之。

                1. (1)離岸風電技術之專利家族表現

                         就圖 1離岸風電渦輪機技術之專利家族進行觀察，IRENA報告中指出2007～2019年間全球共提交了927多件相關發明，在2012年、2018年分別經歷了兩次發明產出的高峰，產出數量分別為114件與128件。

                         此外，若以2015年作為技術分野年，可發現2015~2019年這四個年度的發明數量，與2007~2014年(共8年)期間提交的發明數量是相當的，表示該技術在2012年經歷第一波專利申請高峰產出後，雖然後續2013～2016年間發明產出數量均不到100件，但2015年之後的4年，整體發明數量變化不大，顯示此技術在市場上受到投資者高度關注，投入之研發量能與市場應用都有擴大的趨勢，技術仍持續熱絡發展中。

                2.  

                3. 圖 1、離岸風電技術之發明數量(專利家族)
                4.  

                5.        在專利家族件數的累積上，從圖 2可知，主要技術產出地區為韓國與中國大陸在離岸風電之發明產出表現上勢均力敵，發明產出件數分別有244件、243件；此外，離岸風電發明產出件數高於50件以上者，尚有日本與德國，發明產出件數分別為96件、61件。

                         若就技術產出國進行分析，從圖 2中的圓餅圖中可知，離岸風電發明之產出主要以Mission Innovation [1]參與國(以下簡稱MI參與國)為主，包括：澳洲、巴西、加拿大、智利、中國大陸、丹麥、法國、德國、印度、印尼、義大利、日本、韓國、墨西哥、荷蘭、挪威、沙烏地阿拉伯、阿拉伯聯合大公國、英國、美國共20國之發明產出數量共計909件，占整體離岸風電發明產出件數的98%；非MI參與國之發明產出件數為18件，僅占整體離岸風電發明產出件數的2%。

                6.  

                7. 圖 2、離岸風電技術之專利家族累積數量
                8.  
                9. (2)離岸風電技術之國際專利家族數量

                         在離岸風電專利家族進行跨國專利申請的表現上，約有14%的離岸風電發明進行跨國專利申請，在圖 3中可看出，國際專利家族之產出趨勢與專利家族相似，在2012年、2017年出現兩次申請高峰。

                10.  

                11. 圖 3、離岸風電技術之國際專利家族數量
                12.  

                13.        就離岸風電技術之國際專利家族布局進行觀察，從圖 4中可知，前10大發明申請國均為MI參與國。就專利申請件數上來看，專利申請數量最多者為日本，該國在五大專利局與其他國家專利布局件數均有一定數量，顯示日本之離岸風電技術產出者相當重視國際市場的發展，積極進行全球布局；另，IRENA報告中也指出，就圖 4的歐美地區國家(共七國)，國際專利家族布局件數占整體國際專利家族布局件數的66%，顯示歐美國家對於全球布局之重視。

                         若就離岸風電專利家族申請數量第二高的中國大陸進行觀察，可發現該國專利家族申請數量雖名列前茅，但在國際專利家族之表現上力道不足，顯示中國大陸之投資者以當地市場為主要布局區域。

                         另一方面，透過圖 4也可觀察到離岸風電之技術投資者，在全球市場的選擇上，以美國市場為主要投資區域，其次為中國大陸、歐洲、韓國與日本分居第三、第四及第五。

                14.  

                15. 圖 4、離岸風電技術之前10大專利申請國在重要專利局之專利申請表現(2007~2019)
                16.  
                17. (3)離岸風電技術之高價值專利表現情形

                         就高價值專利部分，從圖 5可知投資人就重要技術投入資金進行全球布局之意願，2007~2019年度高價值專利申請件數均在40件以下。

                         根據IRENA報告統計，全球之離岸風電專利產出中，約有64%之專利均為高價值專利；從圖 6查看高價值專利布局的前十大專利申請國，可發現該等國家均為MI參與國，其中又以德國的表現最為傑出，高價值專利之產出量將近40件，為各國之冠；法國、丹麥也分別有近30件的高價值專利申請量，IRENA報告中更指出，歐洲國家在高價值專利的產出上，約占全球高價值專利申請件數的59%。

                18.  

                19. 圖 5、離岸風電技術之高價值專利數量
                20.  

                21. 圖 6、離岸風電技術之高價值專利累計數量(2007~2019)
                22.  
          2. 2.各國專利產出之專業化指數分析

                   IRENA報告中，透過「專業化指數」來比較特定國家之專利發展活動與全球專利活動之差異，瞭解各國之技術專利強度。

                   在圖 7中，可發現2007~2014年專業化指數為正的國家，在2015~2019年的專業化指數都有所成長，顯示此等國家在離岸風電之專利產出上非常熱絡。其中，從圖 7可知挪威和荷蘭是離岸風電領域最專業的國家，IRENA報告中提及這兩個國家的技術能力來源，主要來自於對陸域風電(荷蘭)與海上油氣(挪威)的技術成熟，並將已發展之知識轉移到離岸風電(例如：海上風場之基礎建設)；此外，法國的專業化指數也有不錯表現，2007~2019年間法國在離岸風電之專利產出上，占整體專利產出的13%，展現了法國在離岸風電技術上的高度潛力。

                   此外，從圖 7可看到韓國和西班牙的專業化指數在2015~2019年的快速成長，顯示此兩國近年積極投入離岸風電技術的發展；中國大陸、丹麥、德國和美國雖然在離岸風電專利家族申請表現優異，領先各國，但在專業化指數的表現上均為負數。值得注意的還有德國、丹麥的專業化指數在2015~2019年期間均有下降的情形，顯示德國、丹麥在離岸風電技術的創新活動上，專利產出數量為低於全球平均水準。

          3.  

          4. 圖 7、離岸風電技術之專業化指數-高價值專利重要產出國
          5.  
          6. 3.跨國合作研發概況

                   IRENA報告中，另提出了「知識聯盟」的指標，這項指標展現的是跨國之專利合作網路，此合作關係來自於不同國家間兩個以上的申請人所產生的共同發明，此項指標有助於評估知識合作和產業間的跨國合作。

                  從圖 8觀察，2007~2019年間，約有30項與離岸風電相關的發明是跨國合作的成果，在有跨國專利合作的21個國家中，包含了15個是MI參與國；另一方面，從圖中也可看出歐洲是離岸風電技術重要的知識聯盟中心，有多個知識聯盟由此展開合作，此現象突顯了歐洲國家在離岸風電技術上的領先地位，以及歐洲各國充分利用地理優勢，於沿海地區不斷展開技術之研發與落地應用，並帶動技術的持續成長。

                   另就各區域國家間的合作關係觀察可知，在歐洲地區，丹麥、西班牙和瑞士是跨國專利合作數量最多的國家，該些國家分別與其他四個國家合作；在亞洲地區，日本、韓國、中國大陸和中華民國相互結盟，顯示了鄰近的地理位置與知識聯盟、共同發明之發展具有相關性。

          7.  

          8. 圖 8、離岸風電技術之發明專利國際合作網路(2007~2019)
          9.  

二、綠氫技術專利分析

隨著再生能源成本的下降，人們對於利用綠氫作為能源載體和存儲介質的興趣日益濃厚，此外綠氫可作為替代灰氫的重要能源，將高度依賴灰氫的重排碳產業(如鋼鐵業、運輸交通業、重工業製造等)提供碳減排的解方，使該些產業走向脫碳之路。

目前綠氫係透過再生能源產生的電力進行生產，使用「電解槽」利用電流將水分解為氫氣與氧氣，是生產綠氫的重要技術。20世紀初以來，氫電解槽已陸續進行商業化部署，在商業化應用上主要以鹼性電解法(Alkaline electrolysis, AEL)和質子交換膜電解法(Polymer electrolyte membrane electrolysis, PEM)技術為主，這兩個技術領域目前全球持續有研發活動的投入。

在IRENA報告中，綠氫技術之專利檢索上主要鎖定於CPC代碼Y02E60/36技術項目，該項目之技術內容為「從不含碳的來源生產氫氣，例如：通過水電解」。經專利檢索與分析後，綠氫技術之專利布局情形如下說明。

                1. 1.專利家族布局及各國專利布局表現分析
                          1. (1)綠氫技術之專利家族表現

                                   根據IRENA報告統計，2007~2019年全球綠氫技術之專利家族達8,395件發明，從圖 9中可看到，2007年以來，發明數量呈現持續向上成長的趨勢；其中，在2014年以後更是增長快速，2014年之後發明數量年增長率達30%。

                                  此外，在2017~2019年這三年期間提出之發明數量占了整體發明數量的一半以上，2018年發明數量更是達到高峰，當年約有1,600件發明提出，2019年受到「發明專利早期公開制度」[2] 影響，部分發明尚未公開，發明數量雖稍有下滑，但該年度發明數量與2018年相近：故，就此等發展情勢，預估綠氫技術目前仍熱烈發展中，後續發明之產出仍將持續成長。

                          2.  

                          3. 圖 9、綠氫技術之發明數量(專利家族)
                          4.  

                          5.        就各國家在綠氫技術上的專利家族數量表現，從圖 10可看出中國大陸是最大的發明產出國，且近年中國大陸在綠氫技術的發明數量上成長極為快速，就IRENA報告統計2015年中國大陸發明數量約占整體綠氫發明的30%，經過四年到了2019年，已高達53.8%，成長速度勝過其他國家。

                                   除中國大陸積極發展綠氫技術之外，日本、韓國與美國在綠氫技術的發明數量上，亦分別有1,326件、657件、550件產出，顯示此等國家對於綠氫技術發展之高度投資意願，其餘國家之發明數量都在500件以下。值得注意的是我國在綠氫技術之發明數量上全球排行第七，有119件發明，顯示我國在此創新能源技術上亦積極投入。

                                   進一步觀察，在前10大專利申請國家中，前三名主要以亞洲國家為主，美國名列第四，歐洲國家僅德國、法國、英國與荷蘭上榜；另，MI參與國也是主要的綠氫專利產出國，該等國家之發明數量有8,052件，占整體綠氫發明的96%；其餘國家僅占4%，發明數量為343件。

                          6.  

                          7. 圖 10、綠氫技術之發明數量(專利家族)
                          8.  
                          9. (2)綠氫技術之國際專利家族數量

                                   在綠氫技術專利家族進行跨國專利申請的表現上，從圖 11 中可看出近年國際專利家族之數量呈現持續成長趨勢，IRENA報告指出2012～2014年在國際上提交的專利家族數量占整體綠氫專利家族數量的15%，而這些創新發明將近有90%是由MI參與國提出申請。

                          10.  

                          11. 圖 11、綠氫技術之國際專利家族數量
                          12.  

                          13.        在圖 12 中，可看到綠氫技術在全球進行國際專利家族布局的國家以日本、美國、韓國及我國為主，上述國家提出之國際專利家族申請件數占整體國際專利家族申請件數的60%；其他德國、法國、荷蘭及英國等歐洲國家則緊接在後，此等國家之國際專利家族布局件數占整體國際專利家族布局件數的17%，這些國際專利家族中更有26%的專利是在歐洲以外的地區提出申請；此外，綠氫技術的最大專利家族發明產出國—中國大陸，其國際專利家族件數僅占專利家族件數的1%，顯示中國大陸之投資者在綠氫技術之發展上以當地市場為目標。

                                   此外就各國主要的布局市場區域觀察，美國是綠氫技術的主要市場，中國大陸居次(國際專利家族布局件數占整體國際專利家族布局件數22%)，歐洲為第三(國際專利家族布局件數占整體國際專利家族布局件數14%)。

                          14.  

                          15. 圖 12、綠氫技術之前10大專利申請國在重要專利局之專利申請表現(2007~2019)
                          16.  
                          17. (3)綠氫技術之高價值專利表現情形

                                   在高價值專利部分，從圖 13中可知，2014年之後隨著專利家族數量的成長，高價值專利也呈現成長的走勢；在2007~2019年間，綠氫相關的專利家族申請件數中有25%為高價值專利。

                          18.  

                          19. 圖 13、綠氫技術之高價值專利數量
                          20.  

                          21.        在圖 14中可以看到各國在高價值專利上的表現，日本與美國之高價值專利產出遙遙領先各國，日本之高價值專利件數超過400件、美國有將近300件，IRENA報告中並指出日本的高價值專利占其專利家族數量的31%、美國為53%，這樣的情形表示日本與美國在綠氫技術之全球布局上展現高度的雄心。

                                   接著，德國、法國、韓國及英國之高價值專利占高價值專利數量的26%；此外，值得高度關注的是中國大陸在綠氫技術之專利產出上，雖然在名列全球專利家族申請之榜首，但僅有2%的專利屬於高價值專利，顯示中國大陸之專利申請人主要著重在當地市場的技術保護，尚未關注他國市場之發展機會。

                                   另，IRENA報告中指出在2007~2019年期間，歐洲國家的高價值專利在專利家族數量之占比是相當高的，其中法國為77%、荷蘭為70%、英國為63%，德國為61%，透過這些高價值專利的布局，可知歐洲之技術投資者高度重視專利之品質與數量，期待透過質量兼具的專利在全球市場引領市場發展。

                          22.  

                          23. 圖 14、綠氫技術之高價值專利累計數量(2007~2019)
                          24.  
                2. 2.各國專利產出之專業化指數分析

                         就綠氫領域之專利發展來看，若以2014年作為技術分野年，從圖 15中可看出，在2007~2014年期間，以專業化指數最高的是俄羅斯，但該國在2015~2019年卻急遽下降；取而代之的是荷蘭，該國2015~2019年綠氫專業化指數是各國中最高者，雖然與2007~2014年相比，數值有稍稍下降，但整體表現仍是各國中最穩定者。

                         就我國、中國大陸、英國、美國之專業化指數觀察，此等國家之專業化指數在2015~2019年仍為正數，顯示技術發展仍高於全球平均水準；但德國、日本、韓國之專業化指數自2007年以來均為負數，顯示此等國家之技術發展持續低於全球平均水準。

                3.  

                4. 圖 15、綠氫技術之專業化指數-高價值專利重要產出國
                5.  
                6. 3.跨國合作研發概況

                         在2007~2019年間，在綠氫技術中，跨國的研發合作大約產生了113件共同發明；其中，MI參與國共計參與了55個國際聯盟，其中有35件發明是兩個MI參與國之共同發明。

                         從圖 16中可知，全球綠氫技術的網路中心是美國，美國共與其他21個國家有研發上的合作，此等合作共產出了約30件共同發明，是各聯盟中產出最多者；國際聯盟數量第二多的國家是法國，該國與9個國家合作，產出了9件共同發明。此外，英國和日本雖然與他國之研發聯盟數量不多，但卻分別與他國產出了10項共同發明。值得關注的是日本、美國、韓國之聯盟產生了大部分的共同發明(達共同發明數量的73%)，而英國與美國間的共同發明也為數不少，其產生的共有專利占共同發明數量的56%。

                         另一方面，從圖 16中也可發現歐洲和亞洲的各國，多傾向與鄰國進行合作，這個現象也彰顯了地理位置是研發合作的重要影響因素。

                7.  

                8. 圖 16、綠氫技術之發明專利國際合作網路(2007~2019)
                9.  

三、結語

綜上分析，就專利家族發展的狀況來看，離岸風電之發明活動在2012年出現了第一次專利申請高峰，隨後下降，在2018年出現了第二次專利申請高峰，後續2019年雖受到發明專利早期公開制度影響，專利申請件數有停滯的情形，但就整體市場發展情形推估，後續專利申請有持續成長的趨勢；在綠氫技術上，利用水電解產出氫是近期熱絡度相當高的創新技術，基於各國氫能政策的推動，在市場上大受重視，2012年後專利產出快速增長。

若就離岸風電與氫能進行發展潛力比較，IRENA報告中指出，在整個風能產業中占比較小的離岸風電，雖然許多零組可同時適用於陸域風電與離岸風電，但綠氫的發展潛力在市場上是相對強勁的。

另外，若監控離岸風電和綠氫技術的專利家族申請數量時，可發現中國大陸、日本和韓國是發展這些創新技術的領先國家；但進一步解析其專利價值及國際化程度時，情況便會有所不同，此等國家在專利部署上仍以國內為主，因此在國際專利家族與高價值專利的表現上並不亮眼。

就觀察高價值專利分析結果，歐洲國家在離岸風電上處於領先地位，並且踴躍投入國際專利家族的部署，這樣的表現與全球離岸風電市場主要位於歐洲地區有著高度相關性，並顯示歐洲國家對於全球離岸風電市場發展，具有高度之影響性。

對於綠氫技術來說，專利家族之數量透過不同角度進行分析時，也呈現出不同的景象。以日本為例，日本是最早定義出詳細氫路線圖的國家之一，該國在高價值專利和國際專利家族之活動表現上處於領先地位，但日本在綠氫技術之專業化指數並不突出。

最後，從知識聯盟可窺探出在離岸風電與綠氫技術發展的核心國家。就離岸風電而言，技術樞紐位於歐洲，主要原因於投入技術發展的先驅公司結合地理環境，不斷進行技術突破，並將技術發展成果實現於其沿海地區的離岸風電裝置中，帶動技術不斷的成長。然而，美國則是綠氫技術合作網路最緊密的國家，美國與所有積極開發綠氫技術的國家都有研發合作之關係，並以領頭羊的角色，帶動全球綠氫技術的活絡發展。

就IRENA報告分析，歐洲是離岸風電與綠氫技術熱烈發展的區域，加上歐洲各國在氫能政策的驅動下，未來利用離岸風電製氫將成為重要的技術發展領域，這樣的趨勢也將帶動離岸風電與綠氫技術的持續發光發熱。因此讓這些創新能源技術加速實現「2050淨零碳排」的目標。

 

 

資料來源：https://www.irena.org/publications/2022/Mar/Renewable-Technology-Innovation-Indicators

 

註解：

 

優質專利園地