引言：Power-to-X（PtX）是一個能源轉換技術的概念，旨在將電能（Power）轉換成其他形式的能源或產品（X）。這個技術主要是為了將可再生能源，如風能或太陽能，轉化成更易於儲存和使用的形式，以支持能源轉型和減少溫室氣體排放；X包含氫氣、甲烷、熱能、合成柴油、化肥及塑膠等型態，這些涵蓋整條淨零產業鏈的轉型方案。為實踐淨零碳排，若僅專注於電力領域的能源轉型，光是提升風能和太陽能的裝機量是無法有效應對減碳的。本報導透過專利及產業資訊觀察西門子在發展淨零碳排技術上，有哪些重要專利及應用。
博大國際視野：2050 淨零轉型
/ 氫能 / 打造零碳能源系統
本報導採用的高影響力專利，係以 Derwent Innovation 的影響力指標計算。
Power-to-X 作為產業耦合的關鍵技術，運用再生能源產生的電，透過電解產生氫氣後，再轉化成其衍生物，以便長期儲存和使用 (如上圖)。在西門子 Power-to-X 應用案例中，綠氫可用於生產各種類型的合成燃料，如 eKörrosene、eMethanol、eAmnia 和 eGasoline，這些燃料支持航空、航運、化肥和運輸業的脫碳。在鋼鐵生產等能源密集型產業中，它可以直接透過綠色氫氣生產來取代灰氫和其他物質。(相關報導：SIEMENS energy)。為實現全球2050年淨零排放目標，西門子能源正積極與政府、學術界和工業界的合作夥伴密切合作，協助達成能源轉型目標，以創造長期可持續的氫經濟。
壹、
西門子PEM電解槽產氫
產業報導：
歐盟委員會 2020年5月1日啟動 HYFLEXPOWER 計畫，全球首個 Power-to-X 示範，由 Engie Solutions、西門子油氣與電力公司、Centrax、Arttic、德國航空航天中心(DLR)等組成聯合專案團隊啟動實施 HYFLEXPOWER 專案 (2020/6/8中國能源網)，旨在驗證氫氣從可再生能源中生產、儲存，並在需要時重新轉化為電力的全過程。於 2023年10月計畫成功使一台燃氣渦輪機在100%可再生氫氣的情況下運行，這是全球首例 (2023/10/13 Siemens)。該計畫證明了氫氣可以用作靈活的能源儲存介質，可以與現有的燃氣基礎設施兼容，並可逐步替代化石燃料。現在的目標是擴大該聯盟以包含更多成員，將氫氣擴展到工業供熱和其他營運模式。
技術情報：
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專利號 |
專利摘要 |
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Bipolar
plate for an electrolyzer, electrolyzer and method for producing a bipolar
plate |
技術背景 該專利針對質子交換膜（PEM）電解槽的雙極板（bipolar plate），主要面臨以下挑戰：腐蝕問題：雙極板需耐受氫氣側的還原環境和氧氣側的氧化環境，對材料的耐腐蝕性要求高。生產成本：現在使用的雙極板通常由鈦或不銹鋼製成，這些材料成本高且生產過程複雜，導致電解槽整體成本上升。尺寸精度：多單元組成的電解槽對雙極板的尺寸精度要求高，需確保良好的密封性和運行效率。 技術手段 一種改進的雙極板設計，包括：金屬與塑料結合：雙極板中央由金屬板製成，周邊區域由塑料框架構成，以最適合的材料應對不同區域。注塑成型：使用高溫熱塑性塑料（如PEEK或PPS）進行注塑成型，降低生產成本並提高生產靈活性。簡化結構：該專利涉及一種用於電解槽的雙極板（bipolar plate），特別是質子交換膜（PEM）電解槽。 |
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Hydrogen
generator |
技術背景 使用陰離子交換膜的電解水產氫系統，面臨的主要挑戰：材料耐久性問題：膜及其他組件（如密封墊）易因活性氧劣化，影響系統穩定性和壽命。成本問題： 傳統氫氣發生器需用貴金屬（如鉑）作電極催化劑，增加設備成本。 技術手段： 活性氧還原材料：在陽極室設置還原材料，減少生成的活性氧，抑制膜的氧化降解。自催化劑使用：促進活性氧自分解，進一步減少活性氧濃度，保護陰離子交換膜和其他組件。壓力調整機制：調整陰極室內部壓力高於陽極室，防止含有活性氧的水流向陰極室，減少膜的氧化損壞。 |
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Elektrolyseanlage zur
niederdruck-pem-elektrolyse |
技術背景 針對低壓質子交換膜（PEM）電解系統，主要技術問題包括：效率低下：傳統系統在流體供應和排放方面效率低，影響能量轉換效率。系統複雜性：
電解模塊之間需要複雜管道系統，增加設計和維護難度。熱管理挑戰： 需有效管理產生的熱量以保持系統穩定性和效率。 技術手段 共用通道元素：
多個電解模塊通過共用通道元素連接，簡化流體供應和排放，減少接口數量。自然流動設計：利用重力自然流動，減少對泵的依賴，降低能耗。冷卻水再利用：電解過程中使用的水作為電解反應和冷卻劑，提高熱管理效率。 |
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Elektrolysevorrichtung |
技術背景 在電解過程中，陽極和陰極的最佳pH值不同，會導致電解性能下降和能量效率降低：pH差異問題：陽極隨pH值增加性能提高，陰極隨pH值降低性能提高。相同pH值的水會影響電解性能，降低能量效率。能量效率低下： pH不匹配增加能量損失，降低氫氣產量和生產效率。 技術手段 分隔腔室設計：使用離子交換膜將電解槽分隔為陰極腔室和陽極腔室，分別供應不同pH值的電解質。pH調整系統：陰極腔室供應低pH值電解質，陽極腔室供應高pH值電解質，優化電極活化過電壓，促進電解反應。電解質供應單元：設置陰極和陽極的電解質供應和排放單元，確保持續供應和循環使用電解質。 |
l 降低生產成本：通過將電解槽的金屬和塑料構件分開生產，並使用注塑技術，顯著降低了雙極板的生產成本。這種設計不僅提高了耐腐蝕性，還簡化了生產流程，從而提高了生產效率（US9845540B2）。
l 延長設備壽命：透過減少活性氧的生成並促進其自分解，能有效抑制膜和其他組件的劣化，從而延長氫氣發生器的使用壽命。這一技術特別針對使用陰離子交換膜的系統，解決了材料耐久性和成本問題（US10883181B2）。
l 提高效率：西門子的電解系統通過共用通道元素和自然流動設計，顯著提高了電解過程的效率，降低了能耗。這種設計簡化了系統結構，減少了管道和接口的數量，從而降低了維護成本，並提高了產生的氫氣和氧氣的純度（EP3489394B1）。
l 穩定性和持久性：透過優化pH值提高氫氣的產量，並降低能量損失。這一設計使其能在更長的時間內穩定運行，減少維護需求，從而提升整體生產效率（EP4350051A1）。
貳、
西門子將CO2轉化為碳氫化合物的電解槽
產業報導：
西門子近期運用其能源技術，於 2023年由丹麥能源公司 Ørsted 和西門子能源合作進行，推動 FlagshipONE 計劃在瑞典的 Örnsköldsvik 生產碳中和的燃料（e-methanol），預計目標在 2025年生產 50,000 公噸的甲醇，用於最先進的「雙燃料」船用引擎，可以單獨使用或與傳統燃料混合，協助減少國際海上運輸的碳排放 (2023/3/2 Offshore-Energy)。
此外，於2021年由保時捷(Porsche)推動的Haru Oni試驗工廠，預計於 2022年開始運行，Haru Oni 是保時捷 (Porsche) 與西門子能源 (Siemens Energy) 及其他跨國企業合作，在智利建設世界首座碳中和燃料工廠。借助智利南部麥哲倫省 (Magallanes) 的風能氣候條件，使用低成本的綠色風力，搭配 Power-to-X 技術生產綠色燃料（e-fuels），為交通領域提供可持續能源。利用智利的風能進行電解水製氫，並將氫氣與捕獲的二氧化碳合成甲醇，進一步轉化為汽車燃料。預計 2024年生產 55 萬升合成燃料，到 2026年將擴大至 5.5 億升。該燃料可減少90% 的二氧化碳排放，並用於汽車和航空等領域 (2021/9/14財訊)。
技術情報：
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專利號 |
專利摘要 |
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Two-membrane
construction for electrochemically reducing CO2 |
技術背景 二氧化碳轉化為可用化學品（如碳氫化合物）面臨的主要技術問題：效率低下：傳統光催化過程在工業規模上難以實現，電化學還原被視為更有效的替代方案，但效率仍低，特別是長時間運行時會受到質量傳遞和電極污染影響。鹽結晶問題：鹽結晶在陰極形成，導致電極性能下降和系統故障。 技術手段 雙膜系統：使用陽離子交換膜和陰離子交換膜，並設置鹽橋空間促進離子傳輸。氣體擴散電極：陰極設計為氣體擴散電極，提高氣體和液體反應物的接觸效率。鹽橋空間設計：使用不含酸的電解質，避免酸性環境對電極的損害，減少二氧化碳污染。再循環系統：設計再循環單元，將鹽橋空間中生成的反應物回流至陰極，提高反應效率。 |
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Separatorless
dual GDE cell for electrochemical reactions |
技術背景 無隔膜雙氣體擴散電極（GDE）電解槽，專用於CO₂電解，面臨的主要技術問題包括：電解過程的挑戰：CO₂電解中不同的電解質和基質增加了操作的複雜性。傳統電解槽在高電流密度下性能不佳，且電極結構易被反應氣體絕緣，導致額外的電阻和能量損失。 技術手段 無隔膜設計：陽極和陰極均為氣體擴散電極，無需隔膜，減少系統複雜性和成本。氣體擴散電極應用： 提高氣體和液體反應物的接觸效率。單一電解質流：
無隔膜設計避免電解質成分在進出過程中發生變化，提高系統穩定性。 |
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Method
for fastening an electrode |
技術背景 氣體擴散電極（GDE）的應用面臨挑戰：穩定性和性能：傳統的電極固定方法可能導致接觸不良，影響反應效率。氣體壓力變化：可能導致電極變形或膨脹，影響電解質流動和均勻性，增加局部電流密度並產生副產品。 技術手段 改進的電極固定方法：電化學活性元件的電解質側和氣體側分別與相應空間接觸。圓柱形間隔元件：在電極的氣體側和電解質側分別安裝，並確保軸向對齊。氣體側接觸面積小於電解質側，減少局部電流密度和副產品生成。雙側支撐設計：氣體側和電解質側各設置間隔元件，均勻分佈壓力，防止電極膨脹，保持穩定的電解質流動。 |
l 雙膜結構的電解槽設計（US11932954B2），這種設計使用陽離子和陰離子交換膜，並設置鹽橋空間以促進離子傳輸。這樣的結構能夠提高質量傳遞效率，並在長時間運行中減少鹽結晶問題，從而保持穩定的性能，降低維護成本和操作風險。
l 無隔膜雙氣體擴散電極（GDE）電解槽（US12018393B2）能夠在高電流密度下運行，顯著提高電解反應的效率。這種設計簡化了系統結構，減少了維護和操作的複雜性，並避免了傳統電解槽中因隔膜引起的能量損失。
l 改進的電極固定方法（US20230193484A1），該方法能夠保持均勻的電流密度，減少不必要的副產物生成。通過使用圓柱形間隔元件，這種設計能夠均勻分佈壓力，防止電極變形，從而提升電化學反應的效率。
延伸報導：西門子與丹麥大學共同研究氣體擴散電極反應器對銅CO2電還原碳平衡的影響
(2020/2/14 碩博大聯盟)
更多產業報導
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Power-to-X 概念最早是在 2010年代初期在德國提出的。這一術語的出現是為了將可再生電力轉化為氫氣及其衍生物，促進不同能源部門之間的耦合。這一概念的發展，關鍵是從 Power-to-Gas（PtG）技術的提出，結合了水電解和二氧化碳甲烷化的過程，將可再生電力轉化為合成天然氣。使得再生能源有更廣泛的運用，對於工業、交通領域這些需要高度仰賴化石能源的產業至關重要，也隨著技術的進步，Power-to-X 的範疇也擴展到了 Power-to-Liquid（PtL）、Power-to-Chemicals（PtC）等多種形式的解決方案。
延伸報導：西門子能源以創新技術驅動低碳與綠色發展 (Siemens energy)
延伸報導：歐洲Hydrogen & P2X 2024
研討會，聚來自天然氣、化工及移動產業的專家，討論氫能與P2X技術的最新進展，並探討其在能源轉型中的應用
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