Understanding the evolution and impact of green technologies: insights from the hydrogen-based technologies

Technology is characterized by continuous changes conceived as a succession of technological paradigms. Technological trajectories are the paths from one paradigm to the subsequent and their shape is sculpted by knowledge flow dynamics that characterize the technical change and, offer a dynamic comprehension of the direction of technical changes. Stated differently, studying technological trajectories allows gaining a deeper comprehension of technical change by focusing on the evolutionary steps behind the establishment of a given paradigm. However, it is worth mentioning that not all technology sectors have similar development paths as well as the related technologies. On the other hand, to explain the development paths of a technology domain, it is worth studying also the technological impact that its technologies could exert since not all technologies influence technological change in the same way. In other words, the role one technology plays in shaping future technological developments can vary greatly compared to another. This raises the question of what determines how much a specific technology contributes to the creation of new technologies, i.e., what affects its technological impact. When studying technical change and technological impact, green technologies have been especially of interest. Notably, these technologies constitute one of the most complex domains, i.e., the green domain, that presents heterogeneous aspects, for which it is relevant to understand the development and generation of knowledge flows of green energy technologies, being highly complex and resource-intensive tasks. In addition, green domain is in constant evolution due to their intrinsic innovativeness, is inherently knowledge-intensive, and based on knowledge owned by several different organizations. Moreover, technologies in the green domain are considered more complex in comparison to non-green ones, being the result of the integration of green and non-green prior technologies and with potential impact outside the green domain. It is therefore important to assess the technological impact not only in general terms (overall technological impact) but also specifically within and beyond organizational boundaries, as well as within and beyond the initial green domain. This thesis follows this rationale. In detail, this thesis focuses on an emerging set of technologies related to the green domain, as the Hydrogen-Based Technologies (HBTs), for which there is an increasing need to understand their trajectories and impact given their emergence as relevant solutions for the green energy transition and their inner complexity. Indeed, hydrogen has being considered as a key energy source attracting significant attention, and HBTs are anticipated to play a crucial role in the global shift toward zero emissions. Understanding the past, present, and future development of HBTs is both timely and critical, considering the socio-economic and technical environments in which they are evolving. However, there is a lack of a wide overview of the HBTs from the perspective of technical change and technological impact. In particular, HBTs have been studied to the invention as level of analysis and have been examined their temporal trends, geographical origins, and technical characteristics, while neglecting their evolutionary dynamics especially considering their entire chain. Therefore, analyzing these technologies from a holistic viewpoint permit to identify whether such technology represents a pivotal solution within the plethora of solutions that constitute a technological trajectory, and whether the associated technological trajectory includes or even originates from non-green energy technologies and their interactions. As a result, extant understanding of the development paths of green energy technologies remains scant both in a holistic overview and in a dynamic approach. Moreover, there is a lack in the analysis of the technological impact that these technologies exert. In particular, no previous studies have considered the different contributes within the technological impact. With this in mind, the present research addresses these gaps in three main phases that led to three distinct chapters. First, given the absence of a comprehensive overview of the hydrogen technology chain, in the first chapter, I have provided a wide overview of HBTs by mapping their development trends. To do so, I have collected patent families (PFs) related to HB production technologies (317.089 PFs from 1930 to 2020) and PFs regarding HB storage technologies (62.496 PFs from 1930 to 2020) granted by multiple patent authorities, hence identifying a more comprehensive set on data than previous studies. These data were analysed using patent analysis techniques. Then, I have compared the patenting activity related to HBTs across countries so as to outline the most active countries in the development of HBTs. In addition, I have built on patent applicant data to analyze the development of HBTs at the organizational level. Relatedly, I have delineated the most active organizations in terms of number of PFs related to hydrogen production and storage technologies. Finally, I have performed the aforementioned analyses on highly-cited patent families, by considering the normalized number of forward citations as a proxy for the technological impact of an invention. I have then compared the analysis across the sample of highly-cited PFs and the remaining PFs. Second, to explore the technological trajectories of green technologies from a dynamic perspective, the second chapter examines the technological pathways within the electrolysis domain (as a subset of hydrogen-based technologies). Using Main Path Analysis, I have identified key trajectories of electrolysis technologies and validated the findings by situating them within the broader context of their Technology Life Cycle. Electrolysis technologies represent particularly suitable research setting within the broad range of HBTs and for the purposes of this chapter since examining their evolution also allows delving into the interaction between green and non-green energy technologies as a source of technologies in the green domain. On the one hand, the electrolysis of water is a core process for the production of green hydrogen, that is hydrogen extracted by the electrolysis of water using renewable electricity; on the other hand, these technologies result from the recombination of green and non-green technical solutions from a range of fields (e.g. chemistry, material science, electronics). This setting also allows advancing extant research that has examined electrolysis technologies in terms of technical/functional aspects, neglecting their evolution from the perspective of technical change. From a methodological perspective, I have relied on a sample of 43,832 electrolysis-related Patent Families from 1987 to 2021 and made available by the IRENA and the European Patent Office (EPO) that I have distinguished between green and non-green. I have then collected and used citation data to perform a Main Path Analysis to delineate the major trajectories of development of electrolysis technologies and analyze results of Main Path Analysis by looking at the Technology Life Cycle model to identify milestones in this development. Results pointed out that fundamental contributions to the development path of electrolysis technologies are represented by both green and non-green technologies, albeit green technologies are more prominent. Moreover, three phases of development in electrolysis Technological Life Cycle are identified, namely i) the application phase, where major developments concern membranes and hydrogen separation, as well as electrochemical systems; ii) the paradigm phase, which included inventions about hydrogen production through water electrolysis; iii) the generation phase, where pivotal technologies about the process of electrocatalysis emerge, hence signalling efforts in the direction of cost reduction and performance enhancement. Third, redirecting the attention to technological impact, to provide new insights into the technological impact of electrolysis technologies, the third chapter, explores factors affecting the overall technological impact of electrolysis technologies, the extent to which electrolysis technologies lead to new green technologies (impact within the green domain), and the extent to which the impact in terms of new green technologies remains within the organizational boundaries of the inventing organization or extends beyond those boundaries. To do so, according to previous studies, I have adopted patent data used in the second chapter of this thesis to identify developed technologies and related impact, also in the specific green domain. In particular, patent citations offer indication about the knowledge sources on which the development of the technology may have relied (backward citations), and the impact of the technology on subsequent technological developments (forward citations). Then, as antecedents of technological impact, in its different manifestations, I have considered three factors. The first relates to the extent to which a technology is based on green technologies as the prior art by counting the number of green backward citations (Green Prior Art). The second, instead, refers to the extent to which a technology is based on non-green technologies as the prior art by counting the number of non-green backward citations (Non-Green Prior Art). The third classifies a technology as either green or non-green through a dummy variable taking the value of one if a PF can be classified as green (Green Technology), according to the WIPO Green Inventory, zero otherwise. The two former independent variables assess the knowledge search and recombination process used to develop a technology, while the latter captures the nature as green or non-green of the technology. Results of econometric analysis indicate that the higher the adoption of green technologies as the prior art, the greater the technological impact in all of its forms, hence suggesting that following green technological trajectories pays off. Conversely, a higher adoption of non-green technologies leads to detrimental effects in terms of technological impact, suggesting that green prior art is more relevant than non-green ones. Still, this result cannot imply that non-green prior art should be neglected totally. The green nature of the technology is relevant for developing new green technologies, but its impact on the overall technological impact is not fully supported.

  La tecnologia è caratterizzata da cambiamenti continui, concepiti come una successione di paradigmi tecnologici. Le traiettorie tecnologiche rappresentano i percorsi da un paradigma al successivo e la loro forma è scolpita dalle dinamiche di flusso di conoscenza che caratterizzano il cambiamento tecnico, offrendo una comprensione dinamica della loro direzione. In altre parole, studiare le traiettorie tecnologiche consente di ottenere una comprensione più profonda del cambiamento tecnico concentrandosi sui passi evolutivi alla base dell'istituzione di un dato paradigma. Tuttavia, è importante sottolineare che non tutti i settori tecnologici seguono percorsi di sviluppo simili, così come le tecnologie correlate. D'altra parte, per spiegare i percorsi di sviluppo di un dominio tecnologico, è fondamentale studiare anche l'impatto tecnologico che le sue tecnologie possono esercitare, poiché non tutte le tecnologie influenzano il cambiamento tecnologico allo stesso modo. In altre parole, il ruolo che una tecnologia svolge nel plasmare gli sviluppi tecnologici futuri può variare notevolmente rispetto a un'altra. Nello studio del cambiamento tecnico e dell'impatto tecnologico, le tecnologie verdi hanno suscitato particolare interesse. Queste tecnologie costituiscono uno dei domini più complessi, caratterizzato da aspetti eterogenei, per cui è rilevante comprenderne lo sviluppo. Inoltre, il dominio verde è in continua evoluzione a causa della sua intrinseca innovatività e si basa su conoscenze eterogenee verdi e non verdi precedenti e possono avere un impatto al di fuori del dominio verde. Pertanto, è importante valutare l'impatto tecnologico non solo in termini generali (impatto tecnologico complessivo), ma anche specificamente all'interno e oltre i confini organizzativi, così come all'interno e al di fuori del dominio verde iniziale. Questa tesi segue questa logica. Nello specifico, si concentra su un insieme di tecnologie emergenti relative al dominio verde, le Tecnologie Basate sull'Idrogeno (HBTs), per cui vi è una crescente necessità di comprendere le loro traiettorie e il loro impatto, data la loro rilevanza come soluzioni per la transizione energetica verde e la loro complessità intrinseca. Infatti, l'idrogeno è considerato una fonte energetica chiave che sta attirando un'attenzione significativa, e le HBTs sono destinate a svolgere un ruolo cruciale nella transizione globale verso emissioni zero. Comprendere lo sviluppo passato, presente e futuro delle HBTs è critico, considerando il contesto socio-economico e tecnico in cui si stanno evolvendo. Tuttavia, manca una visione complessiva delle HBTs dal punto di vista del cambiamento tecnico e dell'impatto tecnologico. Analizzare queste tecnologie da una prospettiva olistica permette di identificare se tali tecnologie rappresentano una soluzione fondamentale all’interno della moltitudine di soluzioni che costituiscono una traiettoria tecnologica e se la loro traiettoria tecnologica include, o persino origina da, tecnologie energetiche non verdi o dalle loro interazioni. Tuttavia, la comprensione attuale dei percorsi di sviluppo delle tecnologie per l’energia verde risulta limitata sia in termini di una panoramica olistica sia in un approccio dinamico. Inoltre, manca un’analisi dell’impatto tecnologico che queste tecnologie esercitano, in particolare considerando i diversi contributi che lo costituiscono. Tenendo presente questi aspetti, la presente ricerca affronta tali lacune in tre fasi principali, che hanno portato a tre capitoli distinti. Nel primo capitolo, dato l'assenza di una visione completa della catena tecnologica dell'idrogeno, ho fornito una panoramica generale delle HBTs mappando le tendenze di sviluppo. A tale scopo, ho raccolto famiglie di brevetti (PFs) relative alle tecnologie di produzione di idrogeno (317.089 PFs dal 1930 al 2020) e tecnologie di stoccaggio di idrogeno (62.496 PFs dal 1930 al 2020) concesse da diverse autorità brevettuali, identificando così un set di dati più completo rispetto agli studi precedenti. Questi dati sono stati analizzati utilizzando tecniche di analisi brevettuale. Ho confrontato l’attività brevettuale relativa alle HBTs tra i vari Paesi per identificare quelli più attivi nello sviluppo di tali tecnologie. Inoltre, ho analizzato lo sviluppo delle HBTs a livello organizzativo basandomi sui dati dei richiedenti dei brevetti, delineando le organizzazioni più attive in termini di numero di PFs relative alle tecnologie di produzione e stoccaggio dell’idrogeno. Infine, ho condotto le analisi sopra menzionate sulle famiglie di brevetti altamente citate, considerando il numero normalizzato di citazioni in avanti come proxy dell’impatto tecnologico di un’invenzione. I risultati sono stati confrontati tra il campione di PFs altamente citate e il campione generale. Successivamente, per esplorare le traiettorie tecnologiche delle tecnologie verdi da una prospettiva dinamica, il secondo capitolo esamina i percorsi tecnologici all’interno del dominio dell’elettrolisi (come sottogruppo delle tecnologie basate sull’idrogeno). Utilizzando la Main Path Analysis, ho identificato le principali traiettorie delle tecnologie di elettrolisi e validato i risultati situandoli nel contesto più ampio del loro ciclo di vita tecnologico. Le tecnologie di elettrolisi rappresentano un contesto di ricerca particolarmente adatto all’interno dell’ampio spettro delle HBTs, poiché esaminarne l’evoluzione consente anche di approfondire l’interazione tra tecnologie energetiche verdi e non verdi. Da un lato, l’elettrolisi dell’acqua è un processo fondamentale per la produzione di idrogeno verde, estratto tramite elettrolisi dell’acqua utilizzando energia rinnovabile; dall’altro, queste tecnologie derivano dalla ricombinazione di soluzioni tecniche verdi e non verdi da vari campi (ad esempio, chimica, scienza dei materiali, elettronica). Da un punto di vista metodologico, ho utilizzato un campione di 43.832 famiglie di brevetti correlate all’elettrolisi, datate tra il 1987 e il 2021, rese disponibili da IRENA e dall’Ufficio Europeo dei Brevetti (EPO), distinguendole tra verdi e non verdi. Successivamente, ho raccolto e utilizzato i dati delle citazioni per eseguire l’Analisi del Percorso Principale e analizzato i risultati in base al modello del Ciclo di Vita Tecnologico, identificando tappe fondamentali nello sviluppo. I risultati hanno evidenziato che i contributi fondamentali al main path delle tecnologie di elettrolisi provengono sia da tecnologie verdi sia non verdi, sebbene le tecnologie verdi siano più prominenti. Inoltre, sono state identificate tre fasi di sviluppo nel Ciclo di Vita Tecnologico delle tecnologie di elettrolisi: • Fase di applicazione: principali sviluppi riguardano membrane, separazione dell’idrogeno e sistemi elettrochimici; • Fase di paradigma: invenzioni sulla produzione di idrogeno attraverso elettrolisi dell’acqua; • Fase di generazione: tecnologie chiave relative al processo di elettrocatalisi emergono, indicando sforzi verso la riduzione dei costi e il miglioramento delle prestazioni. Infine, il terzo capitolo esplora i fattori che influenzano l’impatto tecnologico complessivo delle tecnologie di elettrolisi, se queste portano a nuove tecnologie verdi (impatto nel dominio verde) e la misura in cui l’impatto rimane all’interno dei confini organizzativi o si estende oltre. Per fare ciò, ho adottato i dati brevettuali utilizzati nel secondo capitolo, identificando le tecnologie sviluppate e il relativo impatto, anche specificamente nel dominio verde. In particolare, le citazioni brevettuali indicano le fonti di conoscenza su cui si è basato lo sviluppo della tecnologia (backward citation) e l’impatto della tecnologia sugli sviluppi tecnologici successivi (forward citation). Successivamente, ho generato un set di variabili, sia dipendenti che indipendenti. Come variabili indipendenti rispetto all'impatto tecnologico nelle sue diverse manifestazioni, ho considerato tre fattori: 1. Green Prior Art: il grado in cui una tecnologia si basa su tecnologie verdi come conoscenza preesistente, calcolando il numero di citazioni a ritroso relative a tecnologie verdi. 2. Non-Green Prior Art: il grado in cui una tecnologia si basa su tecnologie non verdi come conoscenza preesistente, calcolando il numero di citazioni a ritroso relative a tecnologie non verdi. 3. Green Technology: una variabile binaria che classifica una tecnologia come verde o non verde. Questa variabile assume il valore di uno se una famiglia di brevetti può essere classificata come verde (secondo l’Inventario Verde di WIPO), e zero altrimenti. Le prime due variabili indipendenti valutano il processo di ricerca e ricombinazione della conoscenza utilizzato per sviluppare una tecnologia, mentre la terza cattura la natura verde o non verde della tecnologia stessa. I risultati dell'analisi econometrica indicano che un maggiore utilizzo di tecnologie verdi come conoscenza preesistente è associato a un maggiore impatto tecnologico in tutte le sue forme, suggerendo che seguire traiettorie tecnologiche verdi paga. Al contrario, un maggiore utilizzo di tecnologie non verdi ha effetti negativi sull'impatto tecnologico, il che suggerisce che la conoscenza preesistente verde è più rilevante di quella non verde. Tuttavia, questo risultato non implica che la conoscenza preesistente non verde debba essere completamente trascurata. La natura verde di una tecnologia è rilevante per lo sviluppo di nuove tecnologie verdi, ma il suo impatto sull'impatto tecnologico complessivo non è pienamente supportato. Questo risultato sottolinea la complessità intrinseca delle interazioni tra tecnologie verdi e non verdi e il loro ruolo nello sviluppo tecnologico futuro. In sintesi, questa tesi contribuisce alla comprensione delle traiettorie tecnologiche e dell’impatto tecnologico delle tecnologie basate sull’idrogeno, fornendo una visione olistica e dinamica del loro sviluppo e delle loro implicazioni. I risultati ottenuti evidenziano l'importanza delle tecnologie verdi e delle loro interazioni con tecnologie non verdi, fornendo nuove intuizioni per guidare lo sviluppo di tecnologie innovative nel dominio verde e oltre.