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国际能源署与欧洲专利局联合发布氢能专利分析报告

作者:中国储能网新闻中心 来源:先进能源科技战略情报研究中心 发布时间:2023-01-14 浏览:

中国储能网讯:1月10日,国际能源署(IEA)与欧洲专利局(EPO)联合发布《实现清洁能源未来的氢能专利分析》报告指出,应扩大氢能这一清洁能源载体的规模来实现能源转型,这需要在氢能价值链进行广泛的技术改进和创新,并创造新的市场。报告基于2001-2020年的国际专利族数据,系统分析了全球氢能供应、存储、分配、转化和终端应用全链条技术的发展趋势,关键要点如下:

一、全球氢能专利活动由欧洲和日本主导,美国专利申请正在下降,韩国和中国的氢能创新刚开始走向国际市场

2011-2020年约一半的氢能国际专利与制氢相关,其余分布在氢的存储、分配、输运和终端应用等环节。约28%的氢能国际专利由欧洲国家申请,其在三大主要环节(氢能生产、储运及分配、终端应用)的相对技术优势(RTA)指数也领先于其他主要氢能创新国家(图1)。日本也具有较强的氢能创新实力,贡献了约24%的国际专利,且其增速快于欧洲,两者的年均复合增长率分别为6.2%和4.5%。美国贡献了20%的氢能国际专利,是主要氢能创新国家中唯一申请量下降的国家。韩国(7%)和中国(4%)国际专利申请数量有限但稳步增长,年均复合增长率分别达到12.2%和15.2%。

二、欧洲化工行业主导成熟氢能技术创新,但新兴氢能技术专利申请的领先企业来自汽车和化学行业,专注于电解制氢和燃料电池技术

氢能价值链相关技术可以分为两类,一是对化学和炼油等行业成熟工艺的改进,二是缓解气候变化的新兴氢能技术。其中,新兴氢能技术在2011-2020年间产生的国际专利是成熟技术的两倍,前者尤为关注终端应用和制氢,后者仍然以氢的存储、分配和转化为主导。成熟技术的领先申请机构主要是在化石燃料制氢和加工方面具有广泛背景的化工公司,这些公司也在向新兴技术(如碳捕集、利用和封存)拓展,以实现低排放制氢。新兴氢能技术的领先机构主要为日本和韩国公司,大部分来自汽车行业,专利主要集中于电解制氢和燃料电池应用领域。大学和公共研究机构申请了约13%的氢能国际专利,仅前十大机构就占所有氢能国际专利的3%。这些机构以韩国和欧洲机构为主,并对电解制氢等绿色制氢方法表现出强烈的关注。

三、尽管当前氢气生产几乎全部来源于化石燃料,但专利已经显示出向低排放替代技术的重大转变,预示着电解槽技术的蓬勃发展,欧洲在制造能力方面已经取得优势

对过去20年制氢技术专利趋势的对比分析表明,技术创新从传统碳密集型技术转向具有脱碳潜力的新技术。2020年,新兴技术产生了近80%的制氢国际专利,其增长主要由电解制氢技术创新推动。2011-2020年,日本在先进碱性电解制氢和更前沿的质子交换膜电解制氢专利活动领先于全球。然而,对这些技术的制造能力投资尚未开始。欧盟国家积极参与专利创新和发展制造能力,尤其是固体氧化物电解制氢,同时在质子交换膜和碱性电解制氢方面也做出了重大贡献。美国在发展质子交换膜电解槽制造能力方面非常积极,但专利活动有所不足。中国仅贡献了一小部分电解制氢国际专利,但在制造能力方面投入了大量资金,几乎全部投资更便宜的碱性电解槽技术,该技术较为成熟,但未来改进潜力较小。2007年以来,化石燃料制氢国际专利一直在减少,迄今为止低碳化石燃料制氢仅取得有限的专利。其他新兴制氢技术创新同样缺乏动力。2007-2011年,生物质或废物(通过气化或热解)制氢专利活动大幅增加,但此后大幅下降。2010年以来,非电解途径分解水制氢的国际专利数量也略有减少。详见图2。

四、2001-2020年,现有储氢技术改进及氢基氨/甲醇生产技术专利活动稳步增长,但过去10年氢基燃料创新失去了动力

过去20年,管道、长管拖车、低温液态储氢等成熟储运氢技术吸引了越来越多的创新工作,表明该行业有能力改进氢分配系统的部署和效率(图3)。2001-2020年,氢基氨/甲醇技术的国际专利数量也有所增加,市场开始关注氢基燃料技术,其创新主要由欧洲从事化石燃料制氢和加工的公司推动。其他氢基燃料(如航空合成煤油或合成甲烷)的进步也依赖于提高效率和降低成本,但专利数据表明,这些技术的创新已失去了动力。2011-2020年,美国和欧洲主导的合成燃料开发工作一直停滞不前。过去十年氢能长距离运输技术专利申请迅速增加,液态有机氢载体(LOHC)专利复合年均增长率为12.5%,氨裂解专利增长率为7.8%。但这些技术仅占氢能专利的少数,其中一半来自科研机构。

五、尽管氢冶金技术取得了一定进展,但汽车行业氢能应用专利增速仍远高于其他氢能终端应用。然而,在氢燃料长途运输及其他工业应用领域,创新尚未取得显著进展

交通运输行业氢能国际专利的强劲增长主要由燃料电池汽车技术创新推动,另外还有少量短途航空应用技术(尤其是无人机)。这些领域的专利活动主要由日本和韩国汽车公司主导,与质子交换膜电解制氢创新产生了协同效应。相比之下,使用氢、氨或甲醇作为燃料的内燃机和燃气轮机技术创新尚未受到最近政策推动,尽管这些技术可用于长途运输。氢冶金专利自2014年持续下降后,在2017年开始反弹。2011-2020年间,近40%的氢冶金专利来自少数钢铁生产商和设备供应商。后者由欧洲公司主导,其在将氢直接还原炼铁和熔融还原炼铁等先进技术集成到新一代生产设备方面处于更领先的地位。最近十年,氢能在建筑和发电等应用相关国际专利申请量有所下降,日本以外地区对氢能建筑应用缺乏兴趣,并越来越关注将燃料电池作为固定电力存储的替代解决方案。

六、氢能专利对于初创企业融资极为重要,向氢能初创企业的后期投资80%以上都流向了已经提交专利申请的公司

在391家氢能相关初创企业中,近70%至少申请了一项专利。氢能初创企业通常依赖专利来获得投资。2011-2020年,只有117家初创企业申请了报告研究范围内的国际专利,大多数位于欧盟(34%)和美国(33%),但这些企业吸引了55%的风投资金。而且,后期融资阶段有专利申请的公司融资金额在所有初创企业融资金额占比持续增长。向氢能初创企业的后期投资有80%以上由已申请专利的公司获得。考虑到首次公开募股(IPO)和IPO后阶段获得的资金,这一比例进一步增至95%。氢能初创企业申请的国际专利主要关注新兴技术,如电解制氢和燃料电池,但仍有约1/3的企业关注成熟技术改进,尤其是在制氢领域,表明仍有许多技术开发活动围绕减少天然气等化石燃料制氢排放展开。

七、不同技术和地区氢能专利活动的不均衡趋势表明,有机会采取政策行动,助力实现净零排放的未来

尽管氢能专利申请增长带来了总体积极的信号,但仍有几个值得关注的问题:

1、氢能技术依赖于复杂的技术价值链,意味着低排放氢的广泛使用取决于其中最薄弱的环节。创新者对制氢技术的重视推进其成本降低,但在氢基燃料合成和终端应用等领域也需要改进成本和性能。尽管对未来能源系统的经济预测模型普遍预计这些领域的成本会降低,但专利数据表明其创新活动仍有不足。

2、政府应认真考虑供需技术不匹配的风险。实验室以及商业规模工厂中开发的各种电解槽技术为创新提供了动力,并受到行业和区域竞争的推动。政府应引导创新转向新兴制氢技术,减少关键矿物依赖,或使用盐水或污染水等作为原料。然而,对这些技术的投资取决于是否有意愿购买低排放氢,即取决于是否存在适当的、有竞争力的氢转化和终端应用技术。

3、政府在制定研究议程和激励私营部门投资创新方面发挥着关键作用。传统企业是氢能专利领域的重量级企业,有能力拓展到新的细分市场,如活跃于燃料电池和电解制氢领域的汽车公司和化学公司。应基于监管、市场激励或金融、项目支持等方面出台政策,向钢铁、航空和海运行业发出向清洁燃料转型的信号,刺激现有公司的技术创新,同时也将催生新的初创企业。同样,将氢用于生物燃料和固定式发电的专利活动也需要新的驱动力。

4、未来清洁氢能专利研究需要监测的另一个领域是化石燃料制氢。为了大幅减少排放量,所有基于化石燃料制氢技术都应与气候目标保持一致,以在未来净零能源系统中发挥。

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