尽管预计未来替代能源将增长，但全球对化石燃料的依赖将持续多年。因此，要实现净零排放目标，就需要在未来几十年内对化石燃料使用产生的CO
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排放进行管理，而碳捕集可能会在实现这一目标方面发挥重要作用。
因此，我们预计未来碳捕集技术的创新水平会提高，在本文中，我们简要回顾了目前可用的碳捕集技术，并讨论了最近相关专利申请活动的明显停滞。
图1显示了国际能源署（IEA）最近在《2023年能源技术展望》中发布的净零排放（NZE）情景下的全球一次能源供应总量，单位为EB焦耳（EJ）。
图1: 净零排放情景下的全球一次能源供应总量
（
国际能源署IEA 2023年；能源技术展望2023；
https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2023
）
在净零排放（NZE）经济情景中，预计化石燃料的份额将从2021年的约80%下降到2050年的不足20%。CO
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排放的主要来源是发电厂燃烧化石燃料（煤炭、石油和天然气）作为能源，以及钢铁、化工和水泥制造等工业过程。碳捕集与封存将在管理CO
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排放方面发挥越来越重要的作用，从2022年的约4500万吨减排量增长到2030年的1.2亿吨和2050年的6.2亿吨。这表明，与2021的约30倍和155倍水平相比，增长显著。
碳捕集和封存（CCS）是指一系列可以通过减少CO
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排放来对抗大气中CO
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水平的技术。这些技术在燃烧化石燃料产生的CO
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释放到大气中之前将其捕集。然后将捕集的CO
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压缩并运输到封存地点，例如地质构造、空出的石油或天然气储层。
CCS也可称为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）或用于生产化学品。
根据国际能源暑的数据，2022年全球CO
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排放量减少了4500万吨，主要是碳捕集、利用和封存。根据项目开发商的公告，预计到2030年，这一数字将上升至2.2亿吨CO
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。然而，即使所有计划项目都得到了实施，这也远远达不到2030年净零情景下的要求。图2用黄色条显示了这一重大的预测缺口。
图2：大规模CO2捕集与封存项目的能力，当前和计划的与净排放量的对比 2020-2030年零情景（国际能源署IEA 2022年；碳捕集、利用和封存；https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage）
目前有两种主要的碳捕集技术，它们是胺捕集和膜分离。
使用胺捕集CO
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已经知道很多年了，这是目前唯一在工业规模上使用的技术。它包括使含CO
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的气体鼓泡通过液体胺，该液体胺从气体中吸收CO
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。用蒸汽处理吸收的CO
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释放CO
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并再生胺以进一步用作吸收剂。目前基于胺的碳捕集工艺可能具有缺点，例如CO
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的低吸收和解吸速率、胺随时间的部分分解以及不能在低能耗下实现高CO
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捕集能力。此外，所使用的胺可能对装置和设备具有腐蚀性，从而缩短其使用寿命。
膜的作用是使CO2比气体混合物的其他成分更快地通过膜。结果，相对于进入膜的气体，从膜的另一侧流出的气体富含CO2。
这种膜面临的一个重大挑战是渗透性和选择性之间的平衡。当膜的渗透性高时，气体迅速通过膜。然而，高膜渗透性通常与低选择性有关，这意味着氮气或气体的其他成分也会通过膜，从而降低混合物中CO2与其他气体的比例。因此，最终捕集的CO2更少。
膜可以包括聚合物，例如乙酸纤维素、聚乙炔、聚苯胺、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚（环氧乙烷）和聚砜，并且无机膜包括沸石、钙钛矿和金属有机框架。相对于聚合物膜，无机膜通常具有改进的稳定性，特别是在苛刻的操作条件下。
鉴于需要增加碳捕集技术的创新，以实现净零排放（NZE）的目标，对过去20年全球专利申请趋势的审查应该表明这一领域的势头。
图3显示了2000年至2021期间B01D 53/62国际专利分类（CO2气体或蒸汽的分离）中提交的国际专利申请数量。这一分类中的国际专利申请被用作CCS中重要全球发明的公平衡量标准。数据显示，自2000年以来，国际专利申请量明显增加，2005年至2013年间迅速增加。巧合的是，这一增长与2005年《京都议定书》的生效和2012年结束的《议定书》第一个承诺期相一致。然而，在过去10年中，国际专利申请似乎呈下降趋势，并从2015年左右开始停滞不前。需要注意的是，与2019年相比，最近国际专利申请似乎有所增加，但还需要进一步的数据来验证这是否是一种新趋势。
图3:2000年至2021期间，B01D 53/62 IPC分类中每年的国际专利申请数量。
就专门针对胺捕集和膜技术的国际专利申请而言，包括“胺”或“膜”作为搜索字符串中的附加关键字在内的搜索显示出与整个国际申请类似的趋势。
鉴于这一令人惊讶的全球数据，对在这一领域的两个主要专利申请管辖区（即美国和中国）提交的申请进行了进一步分析。这一数据（如图4所示）表明，CCS专利申请的国际专利申请趋势大致反映在美国的申请中，尽管在2013年的峰值之后出现了更持续的下降。有趣的是，中国专利申请与这一趋势背道而驰，2013至2021期间持续增长，这似乎在很大程度上是由中国原创申请驱动的，在将申请限制为具有中国优先权申请的申请时也观察到了同样的趋势。通过比较具有中国优先权的中国申请与所有中国申请之间的差异（以显示非中国申请人的中国申请数量），进一步证实了这一点。在中国的非中国原产申请数量与美国申请和国际申请的趋势相同。由于大量中国申请仅在中国提交，这种中国专利申请数据的倾斜在许多其他技术领域都可以观察到。
图4：2000年至2021，在B01D 53/62 IPC分类中，美国、中国和中国具有CN优先权的专利申请数量，以及CN申请总数和CN优先申请（CN-CN优先权）之间的差异。
尽管CCS技术的实施将需要满足当前的NZE目标，但最近全球专利申请的趋势表明，这一领域的创新并没有达到应有的水平，而且可能已经停滞。中国CCS专利申请的持续增长似乎主要归功于中国申请人，但这一增长尚未转化为国际申请的增加，这表明这些中国发明中有很大一部分只在国内受到保护。鉴于CCS技术商业化的迫切需要，随着全球专利申请数量的恢复，未来该领域的创新可能会复苏。
FPA专利事务所拥有与CCS行业各个方面相关的各种技术技能和经验，从学术研究到工业过程化学，能够很好地协助识别和保护新的发展，并就CCS专利前景提供建议。
原文作者：Grant Jacobsen；Dafydd Jones
原文链接：
https://www.fpapatents.com/news-insights/insights/is-innovation-lagging-in-carbon-capture-technologies/
文章来源：CCUS国家地方联合工程研究中心
