EPO與IEA:氫價值鏈創新之全球趨勢分析報告

 

歐洲專利局(EPO)和國際能源總署(IEA)於2023年1月發布一份氫專利的共同研究報告,氫作為清潔能源的載體,是未來發展清潔能源技術的關鍵。本報告針對氫技術於2011年至2020年間的主要發展趨勢進行分析,並透過國際專利家族(IPFs)進行衡量。

 

氫技術依氫價值鏈區分為三大類:(1)產氫(2)氫的儲存、分配與轉換(3)氫的終端應用。而在這三大類中,又可將專利劃分為兩組:一為目前已應用於產業的現有氫技術(established technologies),亦即針對化學及煉油產業之既定程序進行漸進改良;另一則為協助減緩氣候變遷的新興技術,藉由讓氫成為更多產業中的一項清潔能源產品,達成淨零化石燃料排放目標。

 

本報告重要發現如下:

一、2011年至2020年間,全球氫專利由日本和歐洲取得領先,美國則大幅下滑;而來自韓國與中國大陸的氫相關技術創新,才正要起步

 

2011年至2020年間,氫技術方面的國際專利家族有將近一半與產氫技術有關;餘下的國際專利家族,則落在氫的終端應用,以及氫的儲存、分配與轉換。

 

針對全球前五大創新地區之氫相關國際專利家族進行趨勢分析,可以發現2001年至2020年間,歐盟和日本的氫專利穩定成長。其中,歐洲在這段期間國際專利家族數量穩定成長,日本則是在2006年至2015年間歷經停滯後,近幾年之申請量大幅成長。

圖1 2001~2020年全球主要地區(國際專利家族)專利申請趨勢

 

2011年至2020年間,歐盟的氫相關國際專利家族占全球28%(其中11%來自德國;6%來自法國;3%來自荷蘭),在氫價值鏈的三種技術分類中,歐盟國家的相對技術優勢(Revealed technological advantage,簡稱RTA)指數均名列前茅,顯示出歐盟國家在氫專利申請方面,為全球的領頭羊。日本在氫技術方面的創新也不遑多讓,日本已公開氫專利國際專利家族占全球24%,在三個氫技術分類的RTA也很高,尤其是氫的終端應用。過去十年,日本氫專利數量的成長幅度甚至遠超過歐洲;日本、歐洲在2011年至2020年間的平均成長率分別為6.2%、4.5%。

 

圖2 2011~2020年全球主要地區在不同氫價值鏈之國際專利家族(IPFs)比例及相對技術優勢指數(RTA)

 

2011年至2020年間,美國為全球貢獻了20%的氫相關專利,同時也是過去十年間,在全球主要創新地區中,唯一一個氫相關國際專利家族數量下滑的國家。相較之下,來自韓國和中國大陸的氫技術國際專利申請雖較少,但在2011年至2020年間維持穩定成長,平均年成長率分別為12.2%、15.2%,韓國尤其側重於新興的氫技術終端應用。

 

以創新集群來看,全球氫專利主要集中於歐洲地區,其中又以德國的慕尼黑與魯爾地區、法國的巴黎為最。慕尼黑和巴黎的氫技術創新集群,由在氫工業耕耘已久,來自德國的跨國化學公司林德集團(Linde)和法國液空集團(Air Liquide)等老牌企業領銜,且巴黎的氫專利有很多是來自大學及公共研究組織(public research  organisations,簡稱PROs);魯爾地區以鋼鐵製造公司Thyssenkrupp的氫專利申請最多。

 

相較於美國及歐洲國家,亞洲的氫創新集中於日本、韓國及中國大陸,且創新集群數量不多但規模都很大。在全球前十大創新集群中,日本的東京和大阪便囊括兩名,且近年來氫專利呈現高成長趨勢,並聚焦於氫技術的終端應用。韓國則以首爾為中心,同樣著重氫技術的終端應用。以美國而言,紐約和休士頓躋身全球前十大創新集群,且以現有產氫技術見長;不過,相較歐洲及亞洲地區近十年氫專利的顯著成長,美國集群的成長幅度不高。

 

二、現有氫技術之創新,由歐洲化學產業獨占鰲頭。但最新氫專利主要來自致力於發展電解和燃料電池技術的汽車及化學業

 

因氣候變遷應運而生的氫技術,在2011年至2020年間,所創造的國際專利家族數量是現有技術的兩倍,且以氫技術的終端應用與產氫方法為主;至於現有技術的氫專利申請,則以氫的儲存、分配與轉換最多。

 

以主要申請人而言,在現有氫技術方面,由法國液空集團(Air Liquide)、德國林德集團(Linde)和美國Air Products等化學企業取得領先,他們在化石燃料生產和處理氫方面具有長足經驗。此外,這幾家企業也跨足新興氫技術,例如碳捕捉、利用與封存(carbon capture, utilisation and storage,簡稱CCUS),藉此供應減碳淨零氫能。

 

在因應氣候變遷而生的新興技術方面,以日本和韓國企業的氫專利申請最多,尤其是汽車業。該等企業之專利布局主要聚焦於利用電解產氫以及以燃料電池為基礎的應用,甚至擴及用於儲存、分配與轉換液態或氣態氫的現有技術,並關注那些預計在近幾年內引進儲存氫的國家。

 

2011年至2020年間,大學與公共研究機構所創造的氫專利,占全球氫相關國際專利家族數量的13%。其中,前十大研究機構便占了將近3%。全球大學與公共研究機構的氫專利申請由韓國及歐洲領銜,著重於氣候催生的產氫方法,例如電解。

圖3 2011~2020年現有氫技術及應氣候變遷而生氫技術之主要申請人

 

三、儘管產氫仍以化石燃料進行製造為主,氫專利申請已逐漸轉變為替代性、低排放能源技術。此一技術轉型可望帶動電解之興起,而歐洲在電解領域已具備生產能力之優勢。

 

針對過去二十年產氫技術的專利申請趨勢進行比較分析,可以發現有關氫的創新正由傳統碳密集方法,轉型為採用有助於產氫過程脫碳的新技術。2020年,因應氣候變遷而生的技術,占整體產氫相關國際專利家族將近八成,其成長主要拜電解之創新大幅增加所賜。

 

部分類型的電解技術正競相爭取更大的潛在市場,到了2030年可從每年十億瓦(1 GW)上升至超過650億瓦(65 GW),藉此達成各國政府當初所宣示的承諾。2011年至2020年間,在最先進之鹼性技術以及更為前沿之高分子電解質膜(PEM)技術方面,日本的專利數量均領先全球;然而,針對這些技術的生產能力(manufacturing capacity)所進行的投資,日本卻沒那麼熱絡。歐盟27個成員國和其他歐洲國家,在電解技術的專利申請及生產能力,均表現活躍,尤其是固態氧化物電解電池(SOEC)領域;而在高分子電解質膜和鹼性技術(alkaline technologies)方面,也有重要影響力。另一方面,美國雖致力於發展高分子電解質膜,但在創新上較不明顯;同樣地,觀諸2011年至2020年間國際專利家族數量,中國大陸在電解技術之專利申請僅占少數,但投資於電解技術生產能力的比重卻很高,且以成本較為低廉的鹼性技術為主。鹼性技術之發展已歷史悠久,因此發展前景相對較低。

 

自2007年起,在已公開的國際專利家族中,利用化石燃料產氫的專利逐漸減少,而針對化石燃料產氫過程進行脫碳的新興技術,迄今為止所創造的專利數量還不是很多。其他因應氣候變遷而生的產氫技術,同樣也未達里程碑。利用生質或廢料(透過氣化或熱解作用)產氫的專利申請於2007年至2011年間快速成長,卻也在2011年以後大幅減少。自2010年開始,經由非電解途徑進行水分解的國際專利家族數量,也微幅遞減;而在2020年,該技術占了整體電解技術國際專利家族數量的12%。

 圖4 與電解和生產能力有關發明之來源

 

四、2001年至2020年間,針對用於儲氫、生產氨和甲醇等現有技術進行改良的專利活動,呈現穩定成長趨勢。然而,氫燃料開發之創新,則在過去十年逐漸失去看頭。

 

純氫目前運送的方式,不是透過管線以氣態形式輸送,就是利用低溫桶以液態形式為之。從2001年起的專利申請趨勢觀察,可以發現過去二十年間,現有技術已吸引諸多創新的投入。這也意味著產業不僅已有能力,也有興趣對用於車輛補給之儲氫配送系統進行改良,藉此有效應用該系統並提高運轉效率。

 

許多氫產業中立足已久的行動者,在所有關於氫的儲存、分配與轉換之技術類別中均表現活躍,而汽車業是部分技術類別中的主要專利申請人,因為車用儲氫對於氫能車之商業化至關重要。

 

2001年至2020年間,利用氫製造氨和甲醇的已公開國際專利家族數量,也有所成長,顯示出其生產過程已能大幅降低對氣候之影響,也讓這些分子作為能源與運輸產業氫燃料之議題,於近期開始引發關注。與純氫儲存技術一樣,這類領域的創新,主要來自利用化石燃料生產和處理氫方面之技術已相當純熟的企業,且大多為歐洲企業。

 

其他氫燃料的進展—例如用於航空的合成煤油或合成甲烷,也有賴進一步的改良,以增進效率和減少成本;然而,專利資料顯示這類領域的創新在過去十年間逐漸減少。自2011年起,美國與歐洲所帶頭的合成燃料開發,已呈停滯狀態。2011年至2020年間,氫能長程運輸的專利申請數量大幅增加:液態有機氫載體的平均成長率為12.5%,氨裂解為7.8%。然而,他們僅代表少數的專利家族,有半數仍來自以科學為導向的研究機構。

圖5 2001~2020年氣態氫儲存、利用氫製氨、製造甲醇、以及替代性氫燃料之國際專利申請趨勢

 

五、在氫的終端應用方面,氫應用於汽車業的專利申請持續成長,且其成長率遠高於其他氫的終端應用領域;氫用於製鋼的專利申請則是近期有所提升;而應用於其他產業的創新,包含利用氫燃料的長程運輸,尚未蓬勃發展。

 

針對氫的終端應用,氫技術在運輸方面的國際專利家族數量大幅成長,主要歸功於汽車業燃料推進技術的創新,其次為短程飛航(尤其是無人機)。這些領域的專利申請,多數來自日本與韓國汽車業,且看起來能與高分子電解質膜(PEM)技術一起發揮綜效。相對而言,利用氫、氨或甲醇作為燃料的內燃機(innovation in internal combustion engines,簡稱ICE)和渦輪,仍未受近期政策推動影響而提高申請量;即便這些技術對於長程運輸,特別是海運或中程飛行,可能很有必要。

 

自2014年以後連續幾年,利用氫製鐵和鋼的國際專利申請,均下滑,直到2017年再度回升。2011年至2020年間,將近40%的專利活動都集中在少數製鋼業者和設備供應商。在設備供應商中,又以歐洲企業居多。他們在將最先進的氫技術(例如直接還原鐵、熔煉還原),整合成新一代生產設備方面,位列最前端。

 

2010年至2019年間,用於建築和發電的其他氫終端應用之專利申請,呈現下滑趨勢,顯示出除了日本以外的其他地區,對氫的建築應用興趣缺缺,而對於以電池作為替代方案,用於穩定儲電的技術,則逐漸受到重視。

圖6 2011~2020年氫推進技術之國際專利申請趨勢

 

六、隨著新創企業開展氫技術的商機,專利申請確保其能取得資金。針對發展氫技術新創企業所進行的大型投資,有超過八成是由已有專利申請的企業取得,也顯示出對在這項領域耕耘的新創企業而言,專利申請至關重要。

 

在391家曾投入氫技術相關活動的新創企業裡,有將近七成擁有至少一件氫專利申請。大多數投入氫產業的新創企業,是從實驗室起家,且不是仰賴現有技術的重組,就是利用新興技術去處理基本技術問題。這類型的風險,在研究發展及工程階段需要大量資金挹注,同時也仰賴專利以確保投資降低風險。

 

2011年至2020年間,在391家新創企業中,只有117家有申請國際專利家族,且大多來自歐洲(34%)及美國(33%)。提供給早期、後期、首次公開募股(IPO)及募股後之創投資金,有55%是由這些企業取得。進一步對已取得和未有氫專利的新創企業之創投交易量進行分析,可以發現擁有氫專利的企業,其取得融資金額的比例,隨著進展到較後期的融資階段而持續成長。針對氫相關新創企業所進行的後期投資,有超過八成是由已取得氫專利的企業所取得;若將首次公開募股(IPO)及募股後的階段也納入計算,則該項比例擴增為95%。

圖7 2000~2020年新創企業累績資金的比例(依募資階段)

 

氫相關新創企業主要投入的領域是因應氣候變遷而生的技術,例如電解和燃料電池。然而,仍有約莫三分之一的新創企業,擁有現有技術的專利申請,且多半會與氣候變遷相關技術相互結合。這樣的情形在產氫領域尤為顯著,也代表了新創企業試圖在利用氣體和其他化石燃料製氫的過程中減碳。

 

七、氫相關專利申請在不同技術領域及地區,存在布局不均衡的發展趨勢,為採取政策行動提供良好時機,藉此實現淨零排放。

 

氫技術專利申請的成長,雖提供整體性的正向訊息,然而,全球氫技術的發展,仍存在部分隱憂。氫技術仰賴一套複雜的氫技術價值鏈,氫能是否能廣泛使用並發展迅速,取決於價值鏈中最薄弱的一環。如何使成本降低也至關重要。在其他領域例如氫燃料合成和終端應用,需要就成本和績效,加以改善。雖然以經濟模型就未來能源系統進行分析的結果指出,這些領域的成本在未來有望降低,但從專利資料觀察,發明人尚未有強大的誘因去實現它。

 

政府必須認真看待供給和需求技術不相稱的風險。已開發出多種電解方法的實驗室,以及近期不斷拓展的具商業規模工廠,為受惠於企業間和地區間經濟競爭的創新創造聲勢。政府鼓勵創新朝向新穎製造技術、降低對部分關鍵礦物的依賴或使用期待輸入物質例如鹽水或汙水等案例,已所在多有,且其整體發展方向非常鼓舞人心。然而,以這些技術之應用為標的的投資,取決於市場上對低排放氫的購買意願,而購買意願又取決於是否有合適且具競爭力的轉換和終端技術存在。除非常被稱作「即用(drop-in)」的氫燃料可於市場中取得,或是改變化石燃料產氫的做法已被全球消費者和企業廣為接受,否則投資將很有限。

 

政府在設定研究議程,以及採用能引發私部門投資於創新發明的政策上扮演重要角色。專利資料清楚顯示已投身於氫領域許久的行動者,是全球氫專利申請的要角,且他們有能力擴展至新的市場區塊。汽車及化學業在燃料電池和電解方面表現活躍的情形,便是一個再明顯不過的例子。向鋼鐵業、航空業及海運業傳達朝向清潔燃料轉型的必要性,將促使現有技術持有者加以精進改良,也催生出新創企業。這類訊息可透過法規、市場誘因或資金移轉,並搭配對創新專案的支持,來引導企業達成。同樣地,有關利用氫來升級生質燃料,以及氫用於穩定發電之專利申請趨勢,需要一股全新的推動力。

 

針對用於清潔能源的氫專利,未來可進一步研究的領域為:利用化石燃料產氫。為了大幅減少碳排,此一現有技術產業,無法持續透過漸進式創新來提升效能。所有以化石燃料為基礎的技術,若是想在淨零排放能源系統中扮演重要角色,必須結合氣候動機。

 

附件及相關連結

EPO與IEA:氫價值鏈創新之全球趨勢分析報告

https://www.epo.org/news-events/news/2023/20230110.html