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研究生:鄧謦瀚
研究生(外文):Ching-HanDeng
論文名稱:純氧燃煤暨碳捕捉發電技術預測與研發策略研究
論文名稱(外文):Technology Forecasting and R&D Strategies for the Oxy-coal Combustion and Carbon Capture in Power Plants
指導教授:陳家榮陳家榮引用關係
指導教授(外文):Chia-Yon Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:純氧燃煤技術成長曲線技術地圖研發策略
外文關鍵詞:oxy-coal combustiontechnology growth curvetechnology roadmapR&D strategy
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本研究的目的是預測純氧燃煤暨碳捕捉發電系統中的關鍵裝置技術,包含氧氣分離裝置、燃燒裝置、煙道氣處理裝置、CO2捕捉裝置,而後提出研發策略建議。首先本研究使用現有專利資料,透過Loglet Lab軟體模擬技術成長曲線(Logistic Curve),再以專利策略矩陣提出策略建議。此外,由於技術地圖具有時間軸的概念,提供研發者目前的技術發展方向,同時以專利資料代表技術的方式,可顯現出專利的空缺,提供研發與專利佈局的參考。本研究以技術地圖協助分析研發策略。最後整合分析成長曲線與技術地圖,提升技術預測與研發策略的實用價值。研究的結果可作為政府研發策略研擬及製造相關裝置廠商的技術研發參考。
技術預測結果顯示,氧氣分離裝置技術、煙道氣處理裝置技術、與CO2捕捉裝置技術目前皆屬於技術成長期,燃燒裝置技術則是屬於成熟期的技術。策略建議方面,由於氧氣分離裝置即將進入技術成熟期,目前可以提出各種新的研發構想,但當技術進入成熟期時,則要謹慎選擇技術研發方向,同時需要避開其他人的專利,專利佈局操作的自由度變低。燃燒裝置技術領先者,具有技術基礎優勢,但必須避免純氧燃煤燃燒裝置技術興起,使整個燃燒裝置技術產生變化而失去技術領先優勢;而技術後進者則應先切入基本燃燒裝置技術,再透過研發純氧燃煤相關技術取得優勢。在除汙方面的煙道氣處理裝置,可使用的策略包括授權與迴避其他專利等方式,後進者在專利佈局的自由程度比較低;煙道氣回流設計方面技術專利鬆散,可廣泛研發改良式技術或應用技術並申請專利。CO2捕捉裝置技術領先者應採取廣泛研發各種技術的概念,如各種新的CO2捕捉方式,並申請專利,維持本身的優勢;技術後進者應該要在公開專利中,尋找改良創新的機會,提升競爭優勢。
技術地圖分析結果顯示,日本與美國是燃燒裝置主要的研發國家,在這方面技術具有明顯優勢,且原先具有一般燃燒裝置技術優勢的國家,會比較容易在純氧燃煤方面創新與申請專利。中國則是在流場或燃燒相關技術有比較大的突破,也會在此技術領域布局專利,其具一定技術基礎後,才會研發純氧燃煤燃燒裝置相關的技術。這種情形可供燃燒技術後進者選擇研發時的參考。
最後整合分析,針對燃燒裝置技術領先者,應在燃燒裝置持續研發與創新,保持自身技術優勢,在該裝置佈局專利的領域,以噴嘴設計與流場相關兩種為主。技術領先者目前也已切入純氧燃煤燃燒裝置的開發,維持技術領先優勢。技術落後者則應該以流場相關與燃燒相關技術切入,佈局專利,加強燃燒技術的基礎,再進行純氧燃煤裝置技術開發與專利佈局,避免在噴嘴設計與技術領先者競爭,同時可參考技術地圖,避開現有專利。

As average temperature of the atmosphere gradually increases, the greenhouse effect has become a critical concern recently. Since coal burning emits lots of CO2, how to reduce the amount of CO2 emits from coal-fired power plant becomes an important issue. One of the CO2 emission reduction measures is carbon capture and sequestration (CCS). In fuel combustion technologies, oxy-coal combustion can increase the concentration of CO2 in the flue gas, making the back-end carbon capture process easier. Oxy-coal combustion becomes the focus of current R&D.
The main purpose of this research is to forecast and propose R&D strategies for the technologies of the key components in oxy coal-fired power generation combined with carbon capture process, including oxygen separation device, burner, flue gas treatment device, and CO2 capture device. It used to provide technology forecasting and strategy development from management perspective. That raises the problem that some thinking of technology staffs is ignored. In response, this research is to integrate the knowledge of management and technology to enhance the practical value of technology forecasting. First, we predict the relative pace of development and stability of the four component technologies by the technology growth curve method. Then, we build the technology roadmap to show the vacancy of patent of burner technologies which contents more patents published. Finally, we integrate the concept of time (growth curve) and spatial (technology roadmap) to forecast the oxy coal-fired power generation technologies.

The method of technology forecasting is life cycle analysis. The forecasting is based on the patent analysis, using Loglet Lab software to simulate growth curve (Logistics curve). The technology roadmap built in this study refers to the typical roadmap constructed by Sematech. It was modified to meet the analysis of equipment technologies in oxy coal-fired power generation process. The timeline concept of technology roadmaps provides the R&D path of each technology and shows different paths between them. The technology roadmap also visualizes the patent vacancies and provides R&D references.
The result of the forecasting shows that the technologies of oxygen separation device, flue gas treatment device, and CO2 capture device are in the growth stage of life cycle. The technologies of burner are in the mature stage. From the integrated analysis of growth curve and technology roadmap, we provide some strategies for the R&D of burner technologies. The technology leaders should continue their R&D activities and apply for patents of burner technologies. They also do some research for oxy-coal burners now. On the other hand, the technology followers should first strengthen the basis of burner technologies. With better knowledge of burner technologies, the technology followers then develop and create oxy-coal burners. Besides, they can refer to technology roadmap in this study to avoid existing patents.

目錄
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章 緒論 1
第一節 研究背景與動機 1
第二節 研究目的與範圍 4
第三節 文獻回顧與探討 6
第四節 研究流程與架構 10
第五節 研究限制 12
第二章 淨煤發電技術 13
第一節 淨煤技術 13
第二節 先進式淨煤發電技術 14
壹、效率提升與能源轉換 15
貳、碳捕捉與封存 17
第三節 純氧燃煤暨碳捕捉發電技術 21
壹、氧氣分離裝置 22
貳、燃燒裝置 24
参、煙道氣處理裝置 25
肆、CO2捕捉裝置 25
第三章 純氧燃煤暨碳捕捉發電系統之技術預測 28
第一節 技術預測方法 28
第二節 技術成長曲線與技術生命週期 35
壹、技術成長曲線 36
貳、專利與技術生命週期 40
第三節 資料蒐集與篩選 43
第四節 技術預測結果與分析 48
壹、氧氣分離裝置 49
貳、 燃燒裝置 53
参、 煙道氣處理裝置 55
肆、 CO2捕捉裝置 58
伍、 技術預測小結 61
第五節 因應策略 64
壹、 專利策略矩陣(Patent Strategy Matrix) 64
貳、 技術預測結果之因應策略 65
一、氧氣分離裝置 65
二、燃燒裝置 66
三、煙道氣處理裝置 67
四、CO2捕捉裝置 68
第四章 純氧燃煤燃燒裝置之技術地圖建構 70
第一節 技術地圖 70
第二節 創新技術地圖 80
第三節 燃燒裝置之技術地圖 82
第四節 技術地圖分析與討論 84
第五節 技術預測與技術地圖整合分析 88
第五章 結論與建議 93
參考文獻 97
附錄 102

表目錄
表1-1 技術預測相關研究 9
表2-1次臨界、超臨界、超超臨界電場特性 15
表2-2 燃燒後捕捉CO2之方法 19
表2-3 商轉中之燃燒後CO2捕捉電廠 19
表2-4 燃燒前捕捉之CO2、H2分離技術 20
表2-5 燃煤與燃氣電廠應用純氧燃燒之比較 21
表2-6 純氧燃燒的氧氣、氮氣分離技術 23
表2-7 Vattenfall AB委託之實驗室純氧燃燒R&D 26
表2-7 Vattenfall AB委託之實驗室純氧燃燒R&D (續) 27
表2-8 效率提升預期目標 27
表3-1 技術預測方法分類 28
表3-2 技術預測方法 30
表3-3 技術預測方法適用範圍 31
表3-4 技術生命週期參考資料來源 34
表3-5 Meade and Islam成長曲線分類 37
表3-6 Logistic曲線與Gompertz曲線 38
表3-7 技術生命週期研發特性與專利申請狀況 41
表3-8 氧氣分離裝置專利數 43
表3-9 燃燒裝置專利數 44
表3-10 煙道氣處理裝置專利數 45
表3-11 CO2捕捉裝置專利數 46
表3-12 常用的複式信賴區間計算法 49
表3-13 氧氣分離裝置的技術生命週期 50
表3-14 燃燒裝置的技術生命週期 53
表3-15 煙道氣處理裝置的技術生命週期 56
表3-16 煙道氣處理裝置的技術生命週期 59
表3-17 各裝置的技術生命週期 61
表3-18 各參數預測結果與其90%信賴區間值 62
表3-19 各裝置的專利數量比較 63
表4-1 技術識別方法 70
表4-2 技術地圖分類 76
表4-3 專利分類結果 83
表4-4 技術地圖中專利資料庫的代表顏色 83
表4-5 燃燒裝置技術競爭情形 87
表4-6 整合分析結果 92

圖目錄
圖1-1 基本情境與減碳藍圖情境下的全球CO2排放量 2
圖1-2 情境模擬下,國際電力生產燃料比例 2
圖1-3 純氧燃煤發電流程圖 5
圖1-4 研究架構圖 11
圖2-1 淨煤技術發展路徑 14
圖2-2 淨煤技術發展路徑 18
圖2-3 Cryogenic ASU能源消耗量 23
圖2-4 燃燒裝置示意圖 24
圖3-1 技術成長曲線 36
圖3-2 技術生命週期 41
圖3-3技術生命週期各階段之專利活動 42
圖3-4 氧氣分離裝置技術成長曲線 50
圖3-5 氧氣分離裝置技術成長曲線與推測變動範圍 51
圖3-6 以2005年以前的氧氣分離裝置專利模擬出之技術成長曲線 52
圖3-7 燃燒裝置技術成長曲線 53
圖3-8 燃燒裝置技術成長曲線與推測變動範圍 54
圖3-9 以2005年以前的燃燒裝置專利模擬出之技術成長曲線 55
圖3-10 煙道氣處理裝置技術成長曲線 56
圖3-11 煙道氣處理裝置技術成長曲線與推測變動範圍 57
圖3-12 以2005年以前的煙道氣處理裝置專利模擬出之技術成長曲線 58
圖3-13 CO2捕捉裝置技術成長曲線 59
圖3-14 CO2捕捉裝置技術成長曲線與推測變動範圍 60
圖3-15 專利策略矩陣 64
圖3-16 氧氣分離裝置成長曲線與對應之專利策略矩陣 66
圖3-17 燃燒裝置成長曲線與對應之專利策略矩陣 67
圖3-18 煙道氣處理裝置成長曲線與對應之專利策略矩陣 68
圖3-19 CO2捕捉裝置成長曲線與對應之專利策略矩陣 69
圖4-1 表格式技術地圖 71
圖4-2 分層式技術地圖 71
圖4-3 技術展開圖 71
圖4-4 典型技術地圖 72
圖4-5 燃料電池技術地圖 73
圖4-6 技術地圖客製化架構 74
圖4-7 技術地圖分類 75
圖4-8 產品技術地圖 77
圖4-9 技術前瞻地圖 77
圖4-10 技術趨勢地圖 78
圖4-11 技術應用地圖 78
圖4-12 產業技術地圖 79
圖4-13 創新技術地圖 81
圖4-15 技術預測與技術地圖結合概念圖 89
附錄圖a 燃燒裝置技術地圖(1977年至1986) 102
附錄圖b 燃燒裝置技術地圖(1987年至1994) 103
附錄圖c 燃燒裝置技術地圖(1995年至2000) 104
附錄圖d 燃燒裝置技術地圖(2001年至2005) 105
附錄圖e 燃燒裝置技術地圖(2006年至2008) 106
附錄圖f 燃燒裝置技術地圖(2008年至2010) 107
附錄圖g 燃燒裝置技術地圖(2010年) 108

英文文獻
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