海上风能：专利洞察报告（英）

海上风能 专利洞察报告 2023年11月 Contents 1. 1.1 1.2 2. 2.1使用专利信息09 2.2专利检索09 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 4. 执行摘要 海上风能是一种清洁和可再生能源。它通过减少温室气体排放，空气污染和对化石燃料的依赖来生产电力，从而有助于应对气候变化（联合国可持续发展目标13），从而有助于实现更可持续的能源组合。 海上风能在支持联合国可持续发展目标7（SDG7）方面发挥着重要作用，该目标旨在确保到2030年所有人都能获得负担得起，可靠和可持续的能源。 在欧洲专利局（EPO）和国际可再生能源署（IRENA）的共同努力下，本专利洞察报告研究了2002年至2022年之间在海上风能领域发布的专利申请的全球演变。 专利申请统计数据为衡量和检查国际市场的创新，商业化和知识转移趋势提供了有见地的指标。他们还提供了有意义的信息关于技术趋势的变化，并使其更容易识别新的参与者或整合努力。总而言之，本报告旨在阐明如何通过创新解决关键的技术挑战。 使用经过验证的EPO数据分析方法，本报告的结果大致考虑了来自 17,000项专利（来自EPO的专利数据库）。这些专利涵盖了与海上风能相关的发明，包括关键技术概念分组，例如：固定和浮动基础，塔架，机械动力传输，叶片和转子，混合动力系统，储能以及电网和海底电缆。 政策见解 专利数据显示，从2006年到2012年，全球专利申请量激增 ，随后停滞，直到2017年专利活动出现复苏。 浮动基础、运输和机械传动占海上风电领域专利数量最多的部分。专利数据中的一些关键政策见解总结如下： 1.在欧罗巴，亚洲和美国成为未来市场的主导地位，海上风电的发明不断增加。在提交的国际专利家族（IPF）的前十个国家的排名中，有七个国家是欧洲国家，德国和丹麦处于领先地位。美国排名第三，中国和日本分别排名第四和第五 （大韩民国排名第11）。至于主要针对国内市场的非IPF专利（i。Procedres.不受国际保护），中国领先，这反映了其对大型海上风电本地市场的依赖。 2.浮基、物流和绿氢吸引发明活动。海上风电的大多数发明都集中在三个领域：浮动基础，运输设备以及涡轮机的安装和架设。值得注意的是，第四个领域正在迅速扩大创新活动 ，即海上风电和电解槽的结合，表明人们对大型绿色氢经济作为价值创造机会的巨大期望。 3.浮动基础构成了扩大海上风电市场的作用。市场趋势表明 ，鉴于其在具有丰富风能潜力的更深水域中选址涡轮机的潜力，人们对开发浮动基础的兴趣日益浓厚。专利数据证实了这一点，这表明行业参与者正在该技术领域进行创新 。 4.塔和叶片的设计，以减少钢铁需求和提高可持续性。海上风电行业的参与者也在寻找塔的替代设计（即混凝土和格子结构），这可能会减少对钢铁的需求。他们是 还探索模块化刀片装配选项，以及可持续和可回收的刀片，以 促进循环，应对制造和运输挑战。 5.稀土材料在传动系统中的使用增加。这里的趋势表明,由于直接驱动系统的有效成本-重量-功率密度比,对直接驱动系统的持续兴趣;然而,该趋势将意味着永磁同步发电机的利用率的增加,永磁体的使用的增加反过来将导致对制造它们所需的稀土材料的更高需求。 6.现场储能和制氢，以平衡电力系统并创造额外价值。人们越来越关注灵活的能源系统，以应对可再生技术的可变性 。海上风能技术的专利数据也表明，人们对储能方案的兴趣日益浓厚，特别是在海上风电场和氢气生产的结合方面 ，这提供了帮助脱碳活动的额外好处。 7.潜艇电气基础设施的建设。 对传输基础设施的需求也在推动创新活动，专利数据显示 ，海底电缆有许多相应的创新，以经济有效地连接供需 。 8.对海上风电与其他能源发电混合的适度兴趣。扩大海上风电解决方案的潜力 正在加大力度将海上能源发电与光伏或海洋能等其他技术相结合。来自专利的见解显示，自2013年以来，创新活动保持稳定。这可能归因于海上风电成本的下降，考虑到海上风电与其他海洋技术在运营和维护方面的混合相关的复杂性，这种成本会起到抑制作用。 专利数据趋势总结 归档统计信息: —从2002年到2022年，发布了约17,000个与海上风能相关的专利家族，平均每年增长18％。在2014年至2017年之间，申请数量停滞不前，但随后急剧增加。 —最大的申请人国家是中国（占专利家族总数的52％ ），其次是共和国 韩国（6%）、德国（5%）、日本（5%）、美国（4%）和丹麦（4%）。 —所有海上风能专利家族中有27％是国际专利家族（IPF）即不包括单一国内申请。更具体地说，欧洲国家开发的总专利家族中有79%是IPFs，美国为64%。中国4%的专利家族是国际专利。 —67%的海上风能IPF包括至少一项授权专利申请。 —对于所有获得批准的EP申请，至少有1个成员国仍有68％有效（比平均水平多10％）。 主要演员： —维斯塔斯，西门子，通用电气，三菱重工和日立是IPF 的顶级申请人。 在过去的5年中，RWERenewables和Itrec取代了三菱重工和日立，进入了前五名。 —法国拥有最多的国际合作专利家族。美利坚合众国拥有最多样化的合作格局，与24个国家共拥有81个专利家族。德国与15个国家共合作79个专利家族。 —从2017年起，中国申请被引用的次数越来越多，大多数被引用的申请来自其他中国申请（和申请人），也有来自德国、丹麦和美国的申请，这表明专利质量的进步。 —直到2012年，作为自然人的专利申请人曾经提交了所有专利申请的50％，与公司相当。从那时起，这一份额已连续下降到目前的6％。 —从2013年起，可以看到专利申请人之间的合并，合并和收购导致申请人减少，自然少得多 申请人，但专利申请总数相似，授予率相同，这表明申请质量没有降低。 主要技术： —浮动基础在IPF中领先（49％），其次是运输，安装和安装（26％）。 —海上风力涡轮机和电解槽的结合是一个新兴趋势：IPF的数量在2020年至2021年之间翻了一番，这一趋势的迹象在2022年仍在继续。 1.Introduction 1.1海上风能在能源转型中的作用 气候变化已经影响到世界上最大的经济体以及新兴经济体，并敦促决策者和利益相关者紧急采取纠正措施以应对全球气候紧急情况。IRENA的世界能源转型展望 2023年版再次表明，基于可再生能源的能源转型是应对气候变化的解决方案，目前转型的步伐已经偏离轨道1. 将全球变暖限制在1.5°C将需要将二氧化碳（CO2）排放量从2022年的水平减少约37千兆吨（Gt），以在2050年之前实现能源部门的净零情景。这将需要能源系统的深刻变革，包括大规模部署可再生能源发电能力。在2022年，IRENA的统计数据显示可再生能源占 每年新增发电量的83％，额外增加295千兆瓦（GW），占全球总装机容量的40％2在IRENA的1.5°C情景下，到2050年 ，可再生发电能力将需要达到33000吉瓦以上。3 到2050年，风力（陆上和海上）将从目前的900吉瓦大幅增加到超过 10000吉瓦，占可再生能源总装机容量的近三分之一。就海上风电而言，到2050年，全球装机容量将达到近2500吉瓦。这需要比目前的水平（到2022年63吉瓦）增加40倍，并使海上风电成为在未来三十年内实现全球气候目标的领先技术之一。 然而，海上风电的部署也面临着自己的挑战。尽管该技术本身已经经历了急剧的成本降低——电力平级成本(LCOE)下降了59%。4在2010年至2022年之间，当前的大宗商品价格上涨和更高的利率证明是一个充满挑战的环境。此外，诸如通过新的互连，供应链瓶颈和物流挑战，对关键材料和回收的需求或对更大的涡轮机和更坚固的基础的需求等方面将该技术集成到能源系统中，如果我们要加速部门向能源过渡，则需要进一步的努力。今天，海上风电市场仍然小于陆上风电市场，到2022年总装机容量达到63吉瓦。考虑到各国根据IRENA的计划能源方案（PES）设定的当前计划和目标，全球累积海上风电容量为 。 预计到2030年将达到275GW，到2050年分别接近1200GW。在IRENA的1.5°C情景中，到2030年和2050年，这仍然落后于494GW和2465GW的目标。5 1IRENA（2023年），2023年世界能源转型展望：1.5°C 路径，第1卷，国际可再生能源 能源署，阿布扎比。https://www.irena.org/Publications/2023/Jun/World-Energy-Transitions-Outlook-2023 2https://www.irena.org/Publications/2023/Jul/Renewable-energy-statistics-2023 3IRENA（2023年），2023年世界能源转型展望：1.5°C 路径，第一卷，国际可再生能源 机构，阿布扎比。https://www.irena.org/Publications/2023/Jun /World-Energy-Transitions-Outlook-2023 4IRENA(2023)，2022年可再生能源发电成本，国际可再生能源署，阿布扎比。https://www.irena。org/Publications/2023/Aug/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2022 5IRENA（2023），世界能源转型展望：1.5°C途径，国际可再生能源机构，阿布扎比。https://www.irena。org/Publications/2023/Jun/World-能源-转型-展望-2023 方框1：海上风电的成本竞争力 由于其离岸位置，每平方米的高能量输出以及能够在千兆瓦规模上快速建立的能力，海上风电是以具有成本效益的方式向人口稠密的沿海地区提供电力的宝贵选择。6鉴于其潜力，离岸 预计风能将在2050年的能源转型中发挥关键作用。 2010年至2022年期间见证了海上风电装机容量的大规模部署，从 2010年为3.1GW，2022年为63.2GW-增长了二十倍。在同一时期，全球加权平均总安装成本下降了34％，从5217美元/千瓦（kW）下降到3461美元/千瓦。在2011年的峰值时期，全球加权平均总安装成本为5975美元/千瓦-比2022年值高1.7倍 。7. 此外，与叶片更长的大型涡轮机相关的技术改进，更高的轮毂高度以及远离海岸线的新位置，风力资源增加，导致更高的海估上计风寿电命机容组量发因展子趋（势对于新委托项目）从2010年的38％增加到2017年的45％，然后在2022年下降到42％。 Thesetrendsunderscorethepotentialforsignificantadvancementsthroughtheprocessoflearningviaresearchanddevelopment,leadingtotechnologicalenhances.Initially,morewindfarmsweresosposedclosertoshoreandatsallowdeep(see8下面）。但是，由于风力资源更强大，更一致，研究，开发和示范（RD＆D ）计划促使风电场向更远的海岸和更深的水域转移。 可以在深度超过50米的水域中实现的技术潜力，主要是通过利用浮动海上平台，为日本，中国，美国和欧洲等具有大量海床下降的国家和地区提供了一个机会，使风电场远离海岸线。然而，海上风电项目的地理分布保持一致，以欧洲（包括英国，丹麦和德国）和亚洲（以中国和日本为代表）为首。 均衡的电力成本 水深(m) 160 >40 40 140 30 20 120 ≤10 100 涡轮机尺寸(MW) 80 9