Maailman huomio on edelleen oikeutetusti keskittynyt tavoitteeseen innovoida tiensä hiilineutraaliuteen – äskettäisen COP26-huippukokouksen lupaukset ovat vain viimeisimpiä vuosikymmeniä kestäneisiin uudistuksiin. Vastaavasti viimeisen 20 vuoden aikana puhtaan teknologian patenttimaailmassa on tapahtunut dramaattisia muutoksia.
Vuodesta 2017 lähtien vähähiilisen energian patenttien vuosikasvu on ollut keskimäärin 3,3 %, mikä on nopeampaa kuin kaikilla muilla teknologia-alueilla. Tästä huolimatta vuoden 2020 IEA:n raportissa todettiin, että energiasektori saavuttaa nettonollapäästöt vain, jos on olemassa merkittävää ja yhteistä maailmanlaajuista painostusta innovaation vauhdittamiseksi. Biotieteiden ja kemian näkökulmasta katsottuna joitain trendejä, joita kannattaa pitää silmällä vuonna 2022, ovat: akkuteknologian kehitys; jatkuva edistyminen vedyn kehityksessä; aurinkokennoja (PV); ja kierrätysteknologian edistystä.
Akkupuomi
Fossiilisten polttoaineiden kompakti mutta helposti saavutettavissa oleva kemiallinen energiavarasto on ominaisuus, joka on tukenut niiden määräävää asemaa energiamaailmassa viimeisen vuosisadan aikana. Globaalin siirtymisen myötä uusiutuviin energialähteisiin on kuitenkin entistä tärkeämpää tarjota tehokkaita tapoja sähköenergian varastointiin. Sellaisenaan akkuteknologia on ollut yksi patenttiaktiviteetin kasvun edelläkävijistä viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Vuosina 2000–2018 kansainvälisten patenttiperheiden (IPF) vuosimäärä kaikissa teknologioissa kasvoi 213 % verrattuna sähkön varastointiin liittyvien IPF:ien 704 % nousuun. Tästä 9/10 akkuteknologiaan liittyviä patentteja.
Tästäkin alan merkittävästä kasvusta huolimatta viime vuosina on lisätty ponnisteluja jatkokehityksen kannustamiseksi, jonka tuloksia odotamme alkavan havaita seuraavan vuoden tai kahden kuluessa. Erityisesti BATT4EU-kumppanuus (Euroopan komission ja BEPA:n välillä) julkistettiin kesäkuussa 2021, ja sen tavoitteena on edistää eurooppalaista akkututkimusta ja -innovaatiota 925 miljoonan euron budjetilla. Iso-Britannia jatkaa myös resurssien omistamista tälle alueelle – maaliskuussa 2021 hallituksen tukema Faraday Institution sitoutui 22,6 miljoonan punnan ohjelmaan, jonka tavoitteena on kehittää akun turvallisuutta, mukaan lukien sen luotettavuus ja kestävyys, useilla aloilla.
Li-ion-akut ovat nousseet hallitsevaksi järjestelmäksi, jonka ympärille innovaatiot ovat suurelta osin keskittyneet, ja niiden osuus akkukennojen patentoinnista vuonna 2018 oli 45 prosenttia. Niiden kehityksen edetessä (ja yhä suurempi osa IPF-akuista liittyy valmistus tai suunnittelu), tilaa luodaan uusille teknologioille. Esimerkiksi solid-state-akkujen, joissa käytetään kiinteitä elektrolyyttejä, patentointitoiminta on lisääntynyt keskimäärin 25 % vuosittain vuodesta 2010 lähtien, ja odotamme tämän suuntauksen jatkuvan vuonna 2022. Uusien elektrodimateriaalien etsintä on myös yksi ala tasaista kasvua, jossa on runsaasti potentiaalia olemassa olevien koostumusten korvaamiseen – litiumkobolttioksidi oli vallitseva katodimateriaali vuonna 2005, jonka sitten ohitti litiumnikkeli-kobolttimangaanioksidi vuoteen 2011 mennessä, ja litiumnikkelikobolttialumiini on nyt lupaava. On selvää, että akkuteknologiassa on vielä paljon parantamisen varaa.
Jatkuva kehitys vedyn alalla
Vetyyn liittyvien teknologioiden maailmanlaajuisen aktiviteetin merkittävimmän nousun jälkeen 2000-luvun alussa, jolloin IPF:n määrä kasvoi vuoden 2000 517:stä yli 2 000:een vuoteen 2008 mennessä, patentointitoiminta on jatkanut nousuaan, vaikka kasvu on hitaampaa kuin esimerkiksi akkutekniikka.
Mertävä este vedyn laajemmalle hyödyntämiselle on sen sovellusten loppumarkkinoiden hitaampi kasvu verrattuna muihin puhtaisiin energialähteisiin, kuten aurinko- tai tuulivoimaan. On kuitenkin käymässä yhä selvemmäksi, että vedyn käyttöön tarvitaan laajempaa kannustamista ja käyttöönottoa, sillä monet maat ovat äskettäin julkistaneet kansalliset vetystrategiat – esimerkiksi Yhdistyneen kuningaskunnan vetystrategian elokuussa 2021 (mukaan lukien 240 miljoonan punnan nettollavetyrahasto), Saksan H2 Maailmanlaajuinen ohjelma (kesäkuu 2021) ja EU:n vetystrategian laajempi viitekehys (heinäkuu 2020).
Näin ollen näyttää todennäköiseltä, että kasvavat investoinnit vetyalaan johtavat paitsi olemassa olevien teknologioiden laajentamiseen myös uusien ja nousevien teknologioiden nopeutumiseen; anioninvaihtomembraanijärjestelmät osoittavat suuria lupauksia perinteisten alkalikennojen tehokkuuden parantamisessa ja protoninvaihtojärjestelmien platinavaatimuksen voittamiseksi, kun taas keraamisia elektrolyyttejä sisältävät kiinteäoksidielektrolysointikennot voivat hyödyntää höyryä vaikuttavalla konversiotehokkuudella. Kasvava keskittyminen vetyyn cleantechissä näkyy "Fix Our Climate" Earthshot Prize -palkinnon myöntämisessä Enapterille – johtavalle AEM-elektrolyseriteknologian kehittäjälle – vuoden 2021 lopulla.
Aurinkoenergia
Maailman aurinkoenergian tuotanto kasvoi 156 TWh (23 %) vuonna 2020 821 TWh:iin, mikä edustaa toiseksi suurinta absoluuttista tuotannon kasvua uusiutuvista energialähteistä. Tämä johtuu suurelta osin epäorgaanisen aurinkokennoteknologian suhteellisen varhaisesta markkinoiden konsolidoitumisesta ja siihen liittyvästä hintojen laskusta seuraavina vuosina.
Näistä edistysaskelista huolimatta huomattavaa edistystä on vielä saavutettava, jotta uusiutuvaa energiaa koskevat lukuisat kansalliset ja maailmanlaajuiset tavoitteet saavutettaisiin. Esimerkiksi, jotta saavutettaisiin EU:n tavoite saavuttaa 40 prosenttia uusiutuvista energialähteistä vuoteen 2030 mennessä, aurinkoenergiakapasiteetin on arvioitu kasvavan 137 GW:sta (vuodesta 2020) noin 660 GW:iin. Tämän vaatimuksen täyttäminen voi sisältää tai jopa edellyttää lisäinnovaatioita aurinkokennoteknologiassa.
Tällaista kehitystä on mahdollisesti jo suunnitteilla: vuodesta 2010 lähtien orgaanisten PV-kennojen IPF:t ovat nousseet tasaisesti, ohittaen muiden PV-kennojen patenttien vuonna 2015. Verrattuna vallitseviin piipohjaisiin epäorgaanisiin PV-kennoihin Valoa absorboivia orgaanisia pieniä molekyylejä/polymeerejä käyttävillä tuotteilla on potentiaalia tarjota paljon halvempi, ympäristöystävällisempi ja muokattavissa oleva vaihtoehto, joka voitaisiin tuottaa massiivisessa mittakaavassa. Odotamme näkevämme lisää tätä teknologiaa tulevana vuonna.
Kierrätystekniikka
Jäte on jo pitkään ollut väistämätön seuraus taloudellisista ja valmistusprosesseista, joista on tullut olennainen osa nykyajan elämää. Jätemateriaalien hyödyntämisen etuja on kuitenkin yhä vaikeampi jättää huomiotta. Sen lisäksi, että se vähentää laajojen kaivostoiminnan päästöjä, hidastaa luonnonvarojen ehtymistä ja rajoittaa ekomyrkyllisyyttä, se voi lievittää kalliita vaihteluita keskeisten materiaalien hinnoissa ja/tai tarjonnassa. Esimerkkeinä tästä lähestymistavasta vaihtoehtoiset materiaalit ja kierrätettävät muovit ovat olleet valokeilassa jo jonkin aikaa ja ovat edelleen tärkeä kehityskohde, mutta edistyminen muilla alueilla on usein ollut hitaampaa.
Esimerkiksi Li-ion-akkujen jatkuvasti kasvava kysyntä sähköistyksen edistymisen myötä on ollut jyrkässä ristiriidassa kierrätystoiminnan kanssa, kun ne saavuttavat elinkaaren loppuvaiheen: vuonna 2019 Li-ion-akkujen kierrätysaste ioniakkujen osuus Yhdysvalloissa oli alle 5 %. Kun otetaan huomioon arvio, että pelkästään vuonna 2019 myydyt sähköautot aiheuttaisivat 500 000 tonnia akkujätettä, on selvää, että merkittävää parannusta tarvitaan. Siksi tulevina vuosina on runsaasti tilaa innovaatioille skaalautuvien, tehokkaiden ja puhtaiden akkujen kierrätysprosesseissa.
Kuten aiemmin mainittiin, muovit ovat toinen kierrätystekniikan tärkeä painopiste. Usein tämä tarkoittaa prosessien kehittämistä olemassa olevien muovien tehokkaan erottelun ja uudelleenkäytön mahdollistamiseksi, mutta uusien polymeerien luontaiseen kierrätettävyyteen keskittyvä suunnittelu on kasvava toiminta-alue – IPF:t alalla kaksinkertaistuivat vuosina 2015–2019. Tässä kategoriassa on useita lupaavia mahdollisuuksia. jatkokehitystä varten, mukaan lukien vitrimeerit, jotka koostuvat tietyntyyppisestä dynaamisesta polymeeriverkosta, joka pystyy muuttamaan topologiaansa ilman vaihteluja yleisessä liitettävyydessä.
Yleisemmin kierrätykseen liittyvillä aloilla patenttihakemukset ovat jatkaneet nousuaan viime vuosina. Maaliskuussa 2020 hyväksytyn EU:n kiertotalouden toimintasuunnitelman kaltaisten aloitteiden ansiosta näyttää todennäköiseltä, että kierrätysteknologioiden patentointitoiminta jatkaa vahvaa kasvuaan tulevina vuosina.
