Вниманието на света с право остава фокусирано върху целта за иновации по пътя към въглеродна неутралност – обещанията на неотдавнашната среща на върха COP26 са само най-новите от десетилетия на реформи. Съответно през последните 20 години се наблюдават драматични промени в патентния пейзаж на чистите технологии.
От 2017 г. има среден годишен ръст от 3,3% в патентите за нисковъглеродна енергия, нарастващи по-бързо от всички други технологични области. Въпреки това в доклад на IEA от 2020 г. се заключава, че енергийният сектор ще достигне нулеви нетни емисии само ако има значителен и съгласуван глобален тласък за ускоряване на иновациите. От гледна точка на науките за живота и химията, някои тенденции, на които трябва да следите през 2022 г., са: напредък в технологията на батериите; устойчив напредък в развитието на водорода; слънчеви фотоволтаични (PV) клетки; и напредък в технологията за рециклиране.
Бум на батерията
Компактното, но достъпно съхранение на химическа енергия на изкопаемите горива е свойство, което е в основата на тяхното господство в енергийния пейзаж през миналия век. Въпреки това, с глобалното преминаване към възобновяеми енергийни източници, осигуряването на ефективни начини за съхранение на електрическа енергия става все по-важно. Като такава технологията за батерии е една от водещите в растежа на патентната дейност през последните две десетилетия. Между 2000-2018 г. годишният брой международни патентни фамилии (IPF) във всички технологии се е увеличил с 213%, в сравнение със 704% увеличение на IPF, свързани със съхранение на електроенергия. От тях 9/10 патента са свързани с батерийни технологии.
Дори при този забележителен растеж в сектора, през последните години имаше допълнителни усилия за насърчаване на по-нататъшното развитие, чиито резултати очакваме да започнем да забелязваме през следващите година или две. По-специално, партньорството BATT4EU (между Европейската комисия и BEPA) беше обявено през юни 2021 г., целящо да насърчи европейските изследвания и иновации в областта на батериите с бюджет от 925 милиона евро. Обединеното кралство също продължава да отделя ресурси за тази област – през март 2021 г. подкрепяната от правителството институция Фарадей се ангажира с програма на стойност £22,6 милиона, която има за цел да развие безопасността на батериите, включително нейната надеждност и устойчивост, в редица области.
Литиево-йонните батерии се очертаха като доминиращата система, около която до голяма степен са фокусирани иновациите, като представляват 45% от патентната дейност, свързана с батерийни клетки през 2018 г. Въпреки това, с напредването на тяхното развитие (с нарастващ дял от IPF, свързани с производство или инженеринг), се създава пространство за нововъзникващи технологии. Например дейността по патентоване на твърдотелни батерии, където се използват твърди електролити, се увеличава средно с 25% годишно от 2010 г. насам и очакваме тази тенденция да продължи през 2022 г. Изследването на нови електродни материали също е област на стабилен растеж, с голям потенциал за открития, които да изместят съществуващите състави – литиев кобалтов оксид беше преобладаващият катоден материал през 2005 г., който след това беше изпреварен от литиев никел кобалтов манганов оксид до 2011 г., като литиево никел кобалтовият алуминий сега показва голямо обещание. Ясно е, че все още има място за значителен напредък в технологията на батериите.
Устойчив напредък във водорода
След най-значителния скок в глобалната активност в технологиите, свързани с водорода, в началото на 2000-те години, когато броят на IPFs нарасна от 517 през 2000 г. до над 2000 до 2008 г., патентната активност поддържа възходяща тенденция, макар и да показва по-бавен растеж от , например технология за батерии.
Значителна пречка пред по-широкото използване на водорода е по-бавният растеж на крайния пазар за неговите приложения в сравнение с други източници на чиста енергия като слънчева или вятърна. Въпреки това става все по-ясно, че е необходимо по-широко стимулиране и приемане на водорода, като много държави наскоро обявиха национални водородни стратегии – например водородната стратегия на Обединеното кралство от август 2021 г. (включително £240 милиона „Нетен нулев водороден фонд“), H2 на Германия Глобална програма (юни 2021 г.) и по-широката рамка на водородната стратегия на ЕС (юли 2020 г.).
Следователно изглежда вероятно нарастващите инвестиции във водородния сектор да доведат не само до разширяване на съществуващите технологии, но и до ускорено развитие на нови и възникващи такива; системите с анионобменна мембрана показват голямо обещание за подобряване на ефективността на традиционните алкални клетки и преодоляване на изискванията за платина на системите за протонен обмен, докато клетките с електролизер от твърд оксид с керамични електролити могат да използват пара при впечатляваща ефективност на преобразуване. Нарастващият фокус върху водорода в чистите технологии е отразен в присъждането на наградата Earthshot „Fix Our Climate“ на Enapter – водещи разработчици на технология за електролизери AEM – в края на 2021 г.
Слънчева
Глобалното слънчево фотоволтаично производство се е увеличило със 156 TWh (23%) през 2020 г., за да достигне 821 TWh, което представлява вторият най-голям абсолютен ръст на производството от всички възобновяеми източници. Това се дължи в голяма степен на сравнително ранната пазарна консолидация на технологията за неорганични фотоволтаични клетки и свързания с това спад на цените през следващите години.
Въпреки този напредък все още трябва да бъде постигнат значителен напредък, за да се постигнат многобройните национални и глобални цели за възобновяема енергия. Например, за да се постигне целта на ЕС за постигане на 40% възобновяеми източници на енергия до 2030 г., се изчислява, че слънчевият капацитет ще трябва да се увеличи от 137 GW (към 2020 г.) до около 660 GW. Изпълнението на това изискване може да включва или дори да наложи допълнителни иновации в технологията на фотоволтаичните клетки.
Такива разработки потенциално вече са в процес на подготовка: от 2010 г. насам има стабилен ръст на IPF по отношение на органичните фотоволтаични клетки, изпреварвайки броя на други патенти на фотоволтаични клетки през 2015 г. В сравнение с преобладаващите базирани на силиций неорганични фотоволтаични клетки, тези които използват абсорбиращи светлината органични малки молекули/полимери имат потенциала да осигурят много по-евтина, по-екологична и адаптивна алтернатива, която може да бъде произведена в огромен мащаб. Очакваме да видим повече от тази технология, появяваща се през следващата година.
Технология за рециклиране
Отпадъците отдавна са неизбежна последица от икономическите и производствени процеси, които са се превърнали в фундаментални за повечето елементи на съвременния живот. Ползите от оползотворяването на отпадъчни материали обаче стават все по-трудни за пренебрегване; в допълнение към намаляването на емисиите от екстензивни минни операции, забавянето на изчерпването на природните ресурси и ограничаването на екотоксичността, то може да облекчи скъпоструващите колебания в цените и/или доставките на ключови материали. Като примери за този подход алтернативните материали и рециклируемите пластмаси са в светлината на прожекторите от известно време и все още са важен фокус за развитие, но напредъкът в други области често е по-бавен.
Например непрекъснато нарастващото търсене на литиево-йонни батерии, с напредъка на електрификацията, е в рязък контраст с дейността по рециклиране, след като достигнат етапите на края на жизнения им цикъл: през 2019 г. процентът на рециклиране на Li- йонни батерии в САЩ е по-малко от 5%. Като се има предвид оценката, че електрическите автомобили, продадени само през 2019 г., ще доведат до 500 000 тона отпадъци от батерии, ясно е, че е необходимо значително подобрение. Следователно има много място за иновации през следващите години за мащабируеми, ефективни и чисти процеси за рециклиране на батерии.
Както споменахме по-рано, пластмасите са друг основен фокус на технологията за рециклиране. Доста често това означава разработване на процеси, които да позволят ефективно разделяне и повторна употреба на съществуващи пластмаси, но проектирането на нови полимери, фокусирани върху присъщата рециклируемост, е област на нарастваща активност – IPFs в областта се удвоиха между 2015 и 2019 г. В тази категория има няколко обещаващи направления за по-нататъшно развитие, включително витримери, които се състоят от специфичен тип динамична полимерна мрежа, способна да променя своята топология без колебания в цялостната свързаност.
В по-общ план в областите, свързани с рециклирането, дейността по подаване на патенти запазва възходящата си тенденция през последните години. С инициативи като Плана за действие на ЕС за кръгова икономика, приет през март 2020 г., изглежда вероятно патентната дейност в технологиите за рециклиране да продължи да расте стабилно през идните години.
