【农科智库原创】基于专利视角的国内外秸秆能源化利用技术发展差异研究

发布时间：2023-06-14 10:28:51

本文发表于《世界科技研究与发展》网络首发时间：2022-09-15作者：贾倩郑怀国赵静娟串丽敏李凌云单位：北京市农林科学院数据

本文发表于《世界科技研究与发展》网络首发时间：2022-09-15

作者：贾倩郑怀国赵静娟串丽敏李凌云

单位：北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所

1 研究背景

气候变化是当前人类面临的严峻挑战，应对气候变化已成为全球共识，发展低碳经济是减少温室气体排放、缓解全球气候变暖的有效途径。秸秆是我国主要的农业废弃物之一，其能源化利用符合低碳绿色理念，碳减排潜力巨大，对于区域能源安全和绿色可持续发展具有重要意义。专利文献是承载技术创新与产业变革等重要信息的载体，本文基于专利数据，从申请趋势、区域分布、技术分布、研发主体等方面开展国内外秸秆能源化利用技术发展差异研究，并从专利组合理论视角分析我国在该领域的国际竞争地位，洞察我国秸秆能源化利用技术发展的优势与不足，以期为该领域技术创新、产业发展和知识产权布局提供数据支撑和实证依据。

2 数据来源与研究方法

专利数据来自智慧芽数据库（PatSnap），通过文献计量法从申请趋势、区域分布、技术分布、研发主体等维度进行分析，通过Derwent Innovation平台的THEMES主题分析工具进行主题聚类分析和可视化呈现，形成领域技术主题全景图；基于专利组合理论从专利活动和专利质量两个维度分析国家竞争地位，采用专利申请量表征专利活动，通过专利授权率、平均被引频次、域外专利申请占比以及INPADOC同族成员数量指标测度专利质量。

3 结果与分析

3.1 申请趋势

国外该领域专利申请较早，申请趋势较为平缓，在20世纪80年代和进入21世纪后经历了两个增长期。由于我国专利制度实施晚于国外，我国秸秆能源化利用技术专利申请晚于国外，但专利申请增速较快，在2009年和2017年出现两次专利申请高峰。

图1 秸秆能源化利用领域全球专利年度申请趋势

3.2 区域分布

秸秆能源化利用专利的主要优先权国有中国、德国、美国、丹麦和日本，来自中国的专利申请最多，专利申请占比达81.7%。我国在秸秆能源化利用技术全球化保护和技术输出方面与美国、德国、丹麦尚有较大差距，近99%的专利申请布局在国内；德国和美国超过半数的专利申请布局在国外，丹麦布局在国外的专利申请占比达到三分之二，三者处于明显的技术输出地位。

表1 秸秆能源化利用专利主要优先权国的专利申请区域分布

3.3 技术分布

从技术主题聚类来看，秸秆能源化利用技术热点包括：1）秸秆炭化制备生物炭的方法、装置、相关产品及其应用；2）秸秆复合生物质颗粒燃料配方及其制备方法，秸秆压块燃料生产工艺、粘合剂及压块装置，用于秸秆压缩成型的压块机、造粒机、挤压成型机等成型设备；3）秸秆热解气化装置及其炉体、腔室、输气管、净化器、气油分离器等结构部件；4）厌氧发酵生产沼气的方法、菌种、工艺与装置，以及沼气发酵与净化、供气、发电等环节的联合应用；5）利用酵母发酵秸秆制备乙醇的方法、工艺、系统及装置；6）提高秸秆燃烧效率的锅炉、燃烧室等燃烧装置及其在采暖和发电等方面的应用。

从技术分支来看，固化成型技术和直燃技术是国内外秸秆能源化利用的热点技术，但国外对液化技术的研发热度较高。

图2 秸秆能源化技术专利主题聚类

图3 秸秆能源化利用专利技术分支分布

从主要优先权国来看，五国技术分布各有侧重。中国在热解气化、固化成型、发酵制沼和直燃4个技术分支的专利申请相对均衡，液化技术专利申请相对较少；美国则侧重于秸秆液化技术的研发；同属欧盟地区的德国和丹麦在固化成型、直燃和热解气化技术上均有较多专利申请；日本以固化成型的专利申请最多，液化、直燃和热解气化三个技术分支的专利申请相对均衡。

图4 秸秆能源化利用专利主要优先权国技术分支分布

3.4 技术演进

在1980年至今的30余年间，国外秸秆能源化利用技术经过了以固化成型技术和直燃技术为主转向以固化成型技术和液化技术为主的发展历程。21世纪之后，液化技术逐渐替代直燃技术成为继固化成型技术之后的主要秸秆能源化利用技术，以纤维素乙醇为代表的液化技术逐渐成为国外秸秆能源化利用技术的重点研发方向。

图5 外国秸秆能源化利用技术发展变迁

我国秸秆能源化利用技术经过了以热解气化技术为主转向以固化成型技术和发酵制沼技术为主，热解气化技术、直燃技术和液化技术并行发展的历程，呈现五项技术并行发展，液化技术发展相对缓慢的趋势。

图6 中国秸秆能源化利用技术发展变迁

3.5 研发主体

从企业类申请人的专利申请占比来看，我国不及美国等国，产业化程度还有待提升。美国和日本企业类申请人的专利申请占比均超过60%，丹麦超过50%，我国不到50%，美国和日本在秸秆能源化利用领域的产业化程度较高。

图7 秸秆能源化利用专利主要优先权国研发主体分布

秸秆能源化利用授权发明专利量排名TOP10机构，包括3家外国机构（丹麦INBICON公司、丹麦技术大学和美国XYLECO公司）和7家中国机构（河南农业大学、清华大学、北京化工大学、东南大学等4所高校，中国科学院及农业农村部沼气科学研究所2所科研机构和北京三聚环保新材料股份有限公司1家企业）。

图8 秸秆能源化利用授权发明专利TOP10专利权人

3.6 综合竞争地位

基于专利组合理论，从专利活动和专利质量综合分析五国的综合竞争地位，目前秸秆能源化利用技术领域尚未出现技术领导者，美国属于潜在技术竞争者，其专利申请量虽然不多，但专利质量普遍较高。中国属于技术活跃者，尽管在专利数量上占据优势，但在国际范围为代表的全球化保护以及以被引频次为代表的影响力上尚有不足，专利质量与美国相比尚有较大差距，国际竞争地位有待提升。

图9 秸秆能源化利用技术国别竞争地位

4 结论与建议

4.1 结论

在全球秸秆能源化利用领域，围绕炭化、固化、气化、液化和直燃等主要能源化利用手段，形成了秸秆生物炭、复合生物质颗粒燃料及压块燃料制备，秸秆热解气化装置及相关结构部件研发，秸秆沼气发酵工程及气电联产应用，秸秆纤维素制备乙醇，秸秆燃烧装置及发电供热系统工程开发等热点主题，国内外秸秆能源化利用技术呈现差异化发展：

1）我国技术研发热度持续保持高位，倾向在本国布局，全球化保护不足；国外呈低位平稳发展态势，注重全球化布局与保护。

2）在各技术分支并行发展的基本格局下，我国液化技术发展缓慢，国外液化技术发展呈现主流化趋势。

3）我国尚处于技术研发阶段，技术数量优势明显，技术质量有待提升；欧美等国已基本实现技术产业化，技术质量较优。

4）我国企业的创新主体地位已初步确立，但创新能力仍显不足，重要研发主体仍以科研机构和高校为主。

4.2 建议

1）在保障农用化利用的前提下，注重高值化能源化利用技术研发和专利布局

2）提高专利质量和全球化战略布局意识，提升国际竞争地位

3）积极培育企业创新能力，加强产业链协同创新与融合发展