盡管預計未來替代能源將增長，但全球對化石燃料的依賴將持續多年。因此，要實現凈零排放目標，就需要在未來幾十年內對化石燃料使用產生的CO
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排放進行管理，而碳捕集可能會在實現這一目標方面發揮重要作用。
因此，我們預計未來碳捕集技術的創新水平會提高，在本文中，我們簡要回顧了目前可用的碳捕集技術，并討論了最近相關專利申請活動的明顯停滯。
圖1顯示了國際能源署（IEA）最近在《2023年能源技術展望》中發布的凈零排放（NZE）情景下的全球一次能源供應總量，單位為EB焦耳（EJ）。
圖1: 凈零排放情景下的全球一次能源供應總量
（
國際能源署IEA 2023年；能源技術展望2023；
https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2023
）
在凈零排放（NZE）經濟情景中，預計化石燃料的份額將從2021年的約80%下降到2050年的不足20%。CO
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排放的主要來源是發電廠燃燒化石燃料（煤炭、石油和天然氣）作為能源，以及鋼鐵、化工和水泥制造等工業過程。碳捕集與封存將在管理CO
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排放方面發揮越來越重要的作用，從2022年的約4500萬噸減排量增長到2030年的1.2億噸和2050年的6.2億噸。這表明，與2021的約30倍和155倍水平相比，增長顯著。
碳捕集和封存（CCS）是指一系列可以通過減少CO
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排放來對抗大氣中CO
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水平的技術。這些技術在燃燒化石燃料產生的CO
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釋放到大氣中之前將其捕集。然后將捕集的CO
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壓縮并運輸到封存地點，例如地質構造、空出的石油或天然氣儲層。
CCS也可稱為CCUS（碳捕集、利用和封存），其中捕集的CO
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用于某些下游目的，如提高石油采收率（EOR）或用于生產化學品。
根據國際能源暑的數據，2022年全球CO
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排放量減少了4500萬噸，主要是碳捕集、利用和封存。根據項目開發商的公告，預計到2030年，這一數字將上升至2.2億噸CO
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。然而，即使所有計劃項目都得到了實施，這也遠遠達不到2030年凈零情景下的要求。圖2用黃色條顯示了這一重大的預測缺口。
圖2：大規模CO2捕集與封存項目的能力，當前和計劃的與凈排放量的對比?2020-2030年零情景（國際能源署IEA 2022年；碳捕集、利用和封存；https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage）
目前有兩種主要的碳捕集技術，它們是胺捕集和膜分離。
使用胺捕集CO
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已經知道很多年了，這是目前唯一在工業規模上使用的技術。它包括使含CO
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的氣體鼓泡通過液體胺，該液體胺從氣體中吸收CO
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。用蒸汽處理吸收的CO
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釋放CO
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并再生胺以進一步用作吸收劑。目前基于胺的碳捕集工藝可能具有缺點，例如CO
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的低吸收和解吸速率、胺隨時間的部分分解以及不能在低能耗下實現高CO
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捕集能力。此外，所使用的胺可能對裝置和設備具有腐蝕性，從而縮短其使用壽命。
膜的作用是使CO2比氣體混合物的其他成分更快地通過膜。結果，相對于進入膜的氣體，從膜的另一側流出的氣體富含CO2。
這種膜面臨的一個重大挑戰是滲透性和選擇性之間的平衡。當膜的滲透性高時，氣體迅速通過膜。然而，高膜滲透性通常與低選擇性有關，這意味著氮氣或氣體的其他成分也會通過膜，從而降低混合物中CO2與其他氣體的比例。因此，最終捕集的CO2更少。
膜可以包括聚合物，例如乙酸纖維素、聚乙炔、聚苯胺、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯、聚（環氧乙烷）和聚砜，并且無機膜包括沸石、鈣鈦礦和金屬有機框架。相對于聚合物膜，無機膜通常具有改進的穩定性，特別是在苛刻的操作條件下。
鑒于需要增加碳捕集技術的創新，以實現凈零排放（NZE）的目標，對過去20年全球專利申請趨勢的審查應該表明這一領域的勢頭。
圖3顯示了2000年至2021期間B01D 53/62國際專利分類（CO2氣體或蒸汽的分離）中提交的國際專利申請數量。這一分類中的國際專利申請被用作CCS中重要全球發明的公平衡量標準。數據顯示，自2000年以來，國際專利申請量明顯增加，2005年至2013年間迅速增加。巧合的是，這一增長與2005年《京都議定書》的生效和2012年結束的《議定書》第一個承諾期相一致。然而，在過去10年中，國際專利申請似乎呈下降趨勢，并從2015年左右開始停滯不前。需要注意的是，與2019年相比，最近國際專利申請似乎有所增加，但還需要進一步的數據來驗證這是否是一種新趨勢。
圖3:2000年至2021期間，B01D 53/62 IPC分類中每年的國際專利申請數量。
就專門針對胺捕集和膜技術的國際專利申請而言，包括“胺”或“膜”作為搜索字符串中的附加關鍵字在內的搜索顯示出與整個國際申請類似的趨勢。
鑒于這一令人驚訝的全球數據，對在這一領域的兩個主要專利申請管轄區（即美國和中國）提交的申請進行了進一步分析。這一數據（如圖4所示）表明，CCS專利申請的國際專利申請趨勢大致反映在美國的申請中，盡管在2013年的峰值之后出現了更持續的下降。有趣的是，中國專利申請與這一趨勢背道而馳，2013至2021期間持續增長，這似乎在很大程度上是由中國原創申請驅動的，在將申請限制為具有中國優先權申請的申請時也觀察到了同樣的趨勢。通過比較具有中國優先權的中國申請與所有中國申請之間的差異（以顯示非中國申請人的中國申請數量），進一步證實了這一點。在中國的非中國原產申請數量與美國申請和國際申請的趨勢相同。由于大量中國申請僅在中國提交，這種中國專利申請數據的傾斜在許多其他技術領域都可以觀察到。
圖4：2000年至2021，在B01D 53/62 IPC分類中，美國、中國和中國具有CN優先權的專利申請數量，以及CN申請總數和CN優先申請（CN-CN優先權）之間的差異。
盡管CCS技術的實施將需要滿足當前的NZE目標，但最近全球專利申請的趨勢表明，這一領域的創新并沒有達到應有的水平，而且可能已經停滯。中國CCS專利申請的持續增長似乎主要歸功于中國申請人，但這一增長尚未轉化為國際申請的增加，這表明這些中國發明中有很大一部分只在國內受到保護。鑒于CCS技術商業化的迫切需要，隨著全球專利申請數量的恢復，未來該領域的創新可能會復蘇。
FPA專利事務所擁有與CCS行業各個方面相關的各種技術技能和經驗，從學術研究到工業過程化學，能夠很好地協助識別和保護新的發展，并就CCS專利前景提供建議。
原文作者：Grant Jacobsen；Dafydd Jones
原文鏈接：
https://www.fpapatents.com/news-insights/insights/is-innovation-lagging-in-carbon-capture-technologies/
文章來源：CCUS國家地方聯合工程研究中心
