廢物利用已不稀奇 CO₂廢氣再利用技術研發正夯
攝影：北美智權／唐銘偉
李淑蓮╱北美智權報 編輯部
在21世紀20年代的今天，廢物利用已經不稀奇。在環保風潮勢不可當，節能減碳政策雷厲風行的情況下，垃圾分類、資源回收已成爲人們的日常。然而，鮮有人知道廢氣也可被捕集、封存、再利用。其實，如果仔細觀察我國的能源結構，即會發現在2023年的發電量中，再生能源佔9.47%；在9.47%再生能源中，廢棄物佔1.20%、生質能0.08%。廢棄物和生質能即是廢氣再利用的其中一種，明顯可見佔整體能源結構比例非常低，也顯示發展潛力非常大；其中又以碳捕集與封存再利用（Carbon Capture and Storage，CCUS）技術最受關注。
據維基百科資料顯示，就2020年數據而言，在不同溫室氣體排放組成中，二氧化碳（CO₂）佔72%，絕大部分來自化石燃料使用時（發電、供熱），以及交通運輸時的排放。其中，具高經濟價值的水泥工業產品（如水泥、混凝土）在生產過程需要消耗石灰石原料、煤炭和電力等資源並排放大量的CO₂，每生產1噸水泥即會釋放900公斤的碳排量[1]，因此水泥工業屬CO₂排放量較大的產業。面對全球的淨零碳排政策已是刻不容緩的課題，也因此水泥工業的CO₂捕集封存與再利用技術的發展至關重要。
CCUS是指CO₂從工業排放源中捕集並分離後，通過載運輸送至深部鹽水層 (礦物高的承壓地下水層) 等適合封存的地點，或投入新的再利用生產技術中，從而實現CO₂減排作業過程。
CO₂礦化封存技術對建材業的重要性
財團法人專利檢索中心日前發佈了《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》[2] (下稱《報告》)，《報告》指出，CO₂ 再利用預估至 2030 年可達約70億噸，包括建築材料 (混凝土)、燃料、碳酸化水泥 (骨材)、化學品前驅或中間物質 (甲醇或其他有價產品)、聚合物 (溶劑) 等。其中又以建築材料及燃料爲大宗，對CO₂ 減量貢獻良多[3]。此外，在許多產業製程中會產生許多含氧化鈣及氧化鎂等廢棄物，這些廢棄物能再利用做爲水泥廠排放 CO₂之吸收劑，進行碳捕捉再製成混凝土用負碳再生顆粒，避免捕獲之CO₂需要儲存的問題，並能使用負碳再生顆粒成爲負碳混凝土[4]。因此《報告》選定混凝土材料礦化封存技術爲目標羣體進行討論。
《報告》指出我國在混凝土材料CO₂礦化封存技術的專利申請量不多，且主要專利權人爲企業；然而，混凝土是建築的基材，不僅各類重大的建設需要依靠它，一般生活日常更是與它息息相關，舉凡房屋、橋樑、公路、堤防、水塔等都有其存在。然而，混凝土材料在生產過程中需要消耗石灰石原料、煤炭和電力等資源並排放大量的CO₂，屬CO₂排放量較大的產業。
通過CCUS技術將CO₂再利用封存於混凝土，使其與早期水化成型的混凝土中之膠凝成分，和其他鹼性鈣、鎂成分之間形成礦化反應，於混凝土內部孔隙和介面結構處形成碳酸鹽產物，從而將CO₂固化於混凝土中，同時提高混凝土的強度和耐久性等性質。
專利檢索條件
《報告》之趨勢分析主要針對混凝土材料CO₂礦化封存技術進行專利檢索、分析；檢索區域鎖定包含中國大陸（CN）、日本（JP）、臺灣 (TW)、美國（US）、歐洲專利局（EPO）、世界智慧財產權組織（WIPO）、韓國 (KPO) ；檢索時間以專利公開 (告) 日2013年1月1日起到2024年3月31日止，使用資料庫爲Derwent Innovation；所採用之相關關鍵字、分類號及檢索策略等如表1所示。
表1. 混凝土材料的CO₂礦化封存技術檢索策略；資料來源：113年專利技術趨勢報導 《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
檢索結果判讀分析
經專利判讀篩選及整理分析，發現混凝土材料的CO₂礦化封存技術相關專利共420件，其中DWPI專利家族爲404案。《報告》將專利資訊轉換成有用的專利情報，並藉由製作相關專利統計分析圖表，如專利歷年申請趨勢、申請國家分析、主要專利權人分析等來做爲技術發展的指標，以瞭解產業與研發動向；並解析出技術的脈絡與變遷，找出專利權人的競爭優勢與具潛力之技術，研發獨特的技術產品，以瞭解競爭者的專利保護範圍，避免誤觸他人專利地雷。
圖1爲2012至2024年期間於混凝土材料的CO₂礦化封存技術之專利申請概況，顯示2012至2016年成長幅度緩慢、2017至2018年趨於穩定成長，2019年年底至2021年受COVID-19疫情影響，研發能量大幅衰退；然於2021至2022年，受中國大陸大力推動與扶持碳中和政策及CCUS技術影響，帶動整體技術申請成長，其數量分別爲37及66案，成長比例從0.06%增至0.78%。須注意的是，因自專利申請日後要經過18個月纔會公開，因此2023年至2024年的申請數量會被低估。
圖1. 歷年專利申請趨勢圖；資料來源：113年專利技術趨勢報導《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
申請國家分佈在一定程度上反映了市場狀況。從圖2可見，混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利申請主要集中在中國大陸(33%)和美國(22%)，其次是日本(15%)、歐洲(10%)。顯示了中國大陸和美國在此技術領域的市場同樣具有主導地位，也顯示出其他國家在此領域的活躍參與；臺灣的佔比爲4%。
圖2. 申請國家分析圖；資料來源：113年專利技術趨勢報導《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
圖3爲前15大主要專利權人，其中美國、日本、加拿大的專利權人以企業爲主，且在此領域佔據顯著地位，其中包括美國Solidia Technologies（24案，佔比21%）、日本DENKI KAGAKU KOGYO(11案，佔比10%)及日本KAJIMA CORP.(11案，佔比10%) 等知名企業。韓國及中國大陸則以學研單位爲主，包括KOREA INSTITUTE OF GEOSCIENCE AND MINERAL RESOURCES(10案，佔比9%）、中國武漢理工大學(7案，佔比6%) 、中國湖北工業大學(5案，佔比4%)、浙江大學及湖南大學(同爲4案，佔比4%) 、中國北京工業大學(3案，佔比3%)。
圖3. 前15大主要專利權人分析圖；資料來源：113年專利技術趨勢報導《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
結論
《報告》指出，近6年的混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利顯著增加，唯於2019受COVID-19影響以致技術能量衰退。然而，在中國大陸政府於碳中和政策扶持下，大幅帶動整體專利案件提升，且因應氣候變遷的淨零排碳議題；另一方面，各國政府與企業也將持續推動CCUS技術，未來CO₂礦化封存技術仍會成長，不容小覷。
反觀我國混擬土材料之礦化封存技術專利申請量不多，主要專利權人爲企業。專利檢索中心建議在進行專利佈局時應審慎檢視競爭者的專利權利範圍，以避免落入其地雷區；並進一步建議可由企業需求帶動學研單位技術能量。同時也可以依循沙烏地阿拉伯Saudi Arabian Oil Company與韓國科學技術研究院（KAIST）的模式，合作成立專門的研發中心，提升我國技術能量，以完善專利佈局策略。
參考資料：113年專利技術趨勢報導《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
備註：
基於水泥基材料的CO₂ 礦化封存利用技術綜述2022，Vo1˙36，No˙19 www.mater-rep.com
113年專利技術趨勢報導《混凝土材料的CO₂礦化封存技術專利技術趨勢報導》，簡銘萱，財團法人專利檢索中心
《化工》 66 卷 4 期 (2019/08) Pp. 97-104
營建知訊 476 期/2022/09 每月專題／水泥產業邁向淨零減碳
半導體科技雜誌(SST-Taiwan)總編輯
CompuTrade International總編輯
日本電波新聞 (Dempa Shinbun) 駐海外記者
日經亞洲電子雜誌 (臺灣版) 編輯
※如欲轉載本文，請與北美智權報聯絡
延伸閱讀&電子報訂閱連結：
【詳細內容請見《北美智權報》364期；歡迎訂閱《北美智權報》電子報】