全球氫燃料運輸的基礎設施布局

內容摘錄:檢視全球氫能五大關鍵技術之一的運輸供給技術的專利佈局與產業趨勢,從全球專利申請國別來看,近十年以法國及中國的專利申請成長幅度最大,其他還有韓國(111%)及印度(75%)專利申請量也有明顯成長的趨勢

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博大國際視野:台灣 2050 淨零轉型十二項關鍵戰略 / 氫能 / 打造零碳能源系統

氫輸送燃料過程中涉及管道、液化廠、卡車、儲存設施、壓縮機和加油機。目前氫氣輸送(高壓氫氣鋼瓶)的基礎設施技術已經商業化可用,但儲存量小、成本高。對應未來氫需求的快速成長,氫要如何更有效率地從產地配送到終端市場,氫氣的產地輸送方式成本有很大影響,氫氣輸送的主要挑戰包括降低成本提高能源效率保持氫氣純度最大限度地減少氫氣洩漏。目前氫氣主要三種配送方式(1)管道(2)高壓管拖車(3)液化氫罐車。

壹、  全球過去二十年「氫配送技術」發展整體趨勢,從下圖可見氫配送技術從2022年開始快速發展。另從最早優先權國家來看技術來源,顯示專利權人主要來至中國(69%)申請人、美國(7%)、日本(5%)、韓國(3%)及法國(2%)五個主要國家佔全球約八成技術來源;雖然中國在技術研發上成長快速,但 9成的專利仍在布局在國內。

全球過去二十年「氫配送技術」發展整體趨勢,從下圖可見氫配送技術從2022年開始快速發展。另從最早優先權國家來看技術來源,顯示專利權人主要來至中國(69%)申請人、美國(7%)、日本(5%)、韓國(3%)及法國(2%),五個主要國家佔全球約八成技術來源;雖然中國在技術研發上成長快速,但 9成的專利仍在布局在國內。


貳、   近十年20132022年申請專利數前10名的國家,以中國 670件最多、其次為美國61件、日本30件、韓國28件及歐盟25件。值得一提的是,近十年法國(267%)及中國(259%)專利成長幅度最大,其他還有韓國(111%)及印度(75%)專利申請量也有明顯成長的趨勢。

近十年2013至2022年申請專利數前10名的國家,以中國 670件最多、其次為美國61件、日本30件、韓國28件及歐盟25件。值得一提的是,近十年法國(267%)及中國(259%)專利成長幅度最大,其他還有韓國(111%)及印度(75%)專利申請量也有明顯成長的趨勢。

補充上述幾個發展熱區介紹:

歐洲地區l近年由於烏俄戰爭導致歐洲天然氣能源價格飆升,民眾對昂貴的氫能接受度已大幅提高,政府亦提出環境與替代能源支持方案發展氫能,加速歐洲地區氫能產業的發展並建立具有競爭力的綠色氫經濟,尤其在法國、德國、荷蘭、比利時和盧森堡。

中國地區l值得關注的是,中國的市場已有多家氫配送的公司,如上海氫楓能源、國富氫能、舜華新能源等,產業鏈整體達到300家業者,集中分佈於長三角、港澳大彎區和京津冀等區域。中國是最大的製氫與需求國(年產量為3300萬噸),每年工業氫氣生產1200萬噸,根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》估算,2030年中國氫氣的年需求將從3,342增加至3,715萬噸;截至2022年統計,中國已建置255座加氫站及1萬輛氫能(燃料電池)商用車,預計到2025年將達到300座加氫站及5萬輛氫能車。



參、 各地區的競爭者發展布局,從下圖各國專利申請人排名來看,中國石化、歐洲液空集團 (Air Liquide) 分別為各自所屬地區的能源領導廠商,美國Mueller Water Products為北美管路基礎設施產品製造商,及日本在氫能技術發展領導廠商。除日本Toyota外,其餘多為石油天然氣公司,如中國石化、美國Mueller、法國Air Liquide、日本Tokyo Gas

補充上圖中選幾個氫配送專利申請人介紹:

HYFUN氫楓能:成立於2016年,專門從事加氫站投資、建設和運營。截至202111月已有67座加氫站,其中10座已開始營運。應用鎂基固態儲氫技術(延伸報導)發展設備及運輸車,並發展氫能運輸的安全與管理標準(THyM)實現加氫站可靠、安全、高效、低成本的運營。包括加氫管理、設備管理、安全管理、應急管理、質量管理、溝通報告、人員培訓、HOC。氫楓憑藉THyM品牌與上海嘉定區地方政府共同編制加氫站運營管理地方標準。

液化空氣集團Air Liquide成立於1902年,供應75個國家的客戶。已累積50年氫氣發展經驗,具備整個氫能價值鏈:生產、運輸、儲存和分銷,特別是在極端低溫的技術方面,可以液態或氣態形式運輸並大規模儲存。目前氫氣銷售量為每年120萬噸,營業額為20億歐元。為擴大氫能的佈局Air Liquide預計在2035年前投入80億歐元在整個氫能供應鏈中,在2030年目標達到3GW電解氫產能。近期重要投資包括:

l  液空集團與TotalEnergies 合作發展加氫站網絡,今年將建置100HDV加氫站在法國、德國、荷蘭、比利時和盧森堡的主要道路上(報導來源)

l  液空集團獲得法國政府支持擴大氫氣生產投資,液空集團收購H2V Normandy (更名為Air Liquide Normand'Hy) 啟動大規模氫的生產計劃,第一階段使用Siemens電解槽發展200兆瓦規模,將成為該規模中世界首批投入運營的電解槽(報導來源)。未來持續與Siemens Energy合作,目標2025年達3GW電解氫氣產生(報導來源)

 

 


2022 High Technology Impact Patent

US20220307652A1  Hydrogen distribution pipeline for use in e.g. electric utility substation, comprises hydrogen delivery line for carrying pressurized hydrogen, where hydrogen is contained inside larger diameter pipe that provides unit for collecting hydrogen. (H2 CLIPPER INC, 美國)

US20220325853A1  Device for storing and supplying fluid in e.g. boat for storing hydrogen to e.g. fuel cell, has heat exchanger whose inlet receives flow of fluid coming from downstream end of withdrawal pipe located in space of thermal insulation. (AIR LIQUIDE, 法國)

US20210023408A1  Infrastructure monitoring assembly has nozzle cap that defines internal cavity and antenna positioned partially external to internal cavity and covered with non-metallic material and enclosed between non-metallic material and nozzle cap. (MUELLER WATER PRODUCTS, 美國)

CN111379975A  Hydrogen system monitoring method, involves determining material flow direction of pipe section in hydrogen pipeline network, determining type of preset node, and obtaining working condition data of preset pipe section according to rules. (中國石油化工, 中國)

CN112682691A  Hydrogen filling system for use in liquid hydrogen storage and transportation type hydrogenation station, comprises a liquid hydrogen storage tank that is connected with a high-pressure plunger pump through a pipeline. (江蘇國富氫能技術裝備, )

CN112072145A  Hydrogen pressure reducing control system, has controller connected with integrated structure for controlling integrated structure according to requirement of system output power to realize hydrogen supply pressure/flow of fuel cell stack. (北京亦嘉洁驱系统科技, 中國)

CN108916653A  Hydrogen supply and control system, has high pressure hydrogen bottle provided with high pressure hydrogen bottle temperature sensor, and pipeline explosion-proof flame detonation flame arrester and vent hole are connected in turn. (北京交通大学, 中國)

US9915399B1  System for controlling flow of gas in gas pipeline network, has controller that is provided to receive data describing control element setpoints and control some of control elements based on data describing control element setpoints. (AIR PROD & CHEM, 美國)


補充上述高影響力專利清單中,選幾個專利申請人介紹:

註:H2 Clipper, Inc2011年成立,是一家航空和替代能源公司,開發具有獨特能力的氫動力飛艇和運送氫的基礎設施解決方案。是世界上第一個點對點液氫輸送系統,確保清潔、可再生能源在我們最需要的地方隨時可用。氫氣輸送管道(US20220307652A1) 安全管道技術 Pipe-within-a-Pipe (PIP) 通過無縫集成到當前的基礎設施中,無論是現有的石油和天然氣管道、水管、下水道,甚至是雨水渠,透過舊有的管道改建避免建造新的氫氣管道。它是同類中第一個,也是唯一一個清潔能源分配解決方案,能夠將氫氣純度保持在 99.9% 以上;輸送距離600英里 (不加壓)、壽命50 (2,500 psi 以內)。氫氣飛艇 (US20220063790A1) Pipeline-in-the-Sky™ 氫動力飛艇,預計2026年首次試飛。可以將燃料電池級純氫從製造成本低廉的地方運輸到世界各地,其成本、安全性和效率高於任何其他可用運輸方式,相較卡車、鐵路、輪船、飛機或管道具有顯著優勢;載重150,000 公斤、飛行時速241公里、運輸 9,656 公里距離,以每英里 0.32 美元/噸的成本(僅空運 1/3 成本)

補充資料:目前,氫氣三種分配方式。管道:這是輸送大量氫氣最便宜的方式,但容量有限,因為目前美國只有1,600 英里的氫氣輸送管道可用。這些管道位於伊利諾伊州、加利福尼亞州和墨西哥灣沿岸的大型煉油廠和化工廠附近。高壓管拖車:通過卡車、軌道車、輪船或駁船在高壓管拖車中運輸壓縮氫氣非常昂貴,主要用於 200 英里或更短的距離。液化氫罐車:低溫液化是將氫氣冷卻至液態的溫度的過程,儘管液化過程很昂貴,但它可以使氫氣通過卡車、軌道車、輪船或駁船更有效地長距離運輸(與高壓管拖車相比),但液化氫仍難以避免在運送過程中蒸發。(資料來源)

 

其他參考資料:

1.      Hydrogen Production and Distribution ( AFDC 美國能源部, 連結)

2.      中國氫能及燃料電池產業「爆發元年」,布局10年專利超越美韓德、直逼日本 (2022/08/29 關鍵評論)

3.      大型氫氣儲存技術簡介 (2022/12/7經濟部能源局再生能源資訊網)

4.      Hydrogen Delivery (Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office)

5.      Hydrogen Production and Distribution (Alternative Fuels Data Center)

6.      日本氫能實力世界第一,中國猛追 (2022/07/20日經新聞)

7.      中国氢能源及燃料电池产业白皮书 (2019年版)

 

 

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