基于專利數據的世界農林廢棄物循環利用能源技術分析

李向輝, 金福蘭*, 劉 玲

(1. 江蘇省科學技術情報研究所， 江蘇 南京 210042； 2. 江蘇省科技發展戰略研究院， 江蘇 南京 210042)

·研究報告——生物質能源·

基于專利數據的世界農林廢棄物循環利用能源技術分析

李向輝1,2, 金福蘭1,2*, 劉 玲1,2

(1. 江蘇省科學技術情報研究所， 江蘇 南京 210042； 2. 江蘇省科技發展戰略研究院， 江蘇 南京 210042)

以德溫特世界專利索引中檢索到的農林廢棄物循環能源技術相關專利數據為基礎，使用Thomson Innovation專利分析工具，通過計量統計、引證分析、可視化文本聚類等方法，揭示農林廢棄物循環能源技術3大領域——氣化技術、液化技術和燃燒技術的發展現狀和趨勢，以期為我國相關企業研發策略及宏觀產業戰略的制定提供參考。

農林廢棄物；循環能源；氣化技術；液化技術；燃燒技術；專利分析

生物質能源是我國最重要的可再生能源之一，其年均產出量能夠占到能源總消耗的10%左右[1]。我國是農林業大國，農林廢棄物是當前主要的生物質能源。據統計，我國年均各類農林廢棄物產出約15億噸，其中林業及木材加工廢物的資源量相當于3億噸標準煤，農作物秸稈的資源量相當于1.5億噸標準煤。預計到2020年，我國農林廢棄物產出將相當于11.65億噸標準煤，可開發量約相當于8.3億噸標準煤[2-3]。因此，循環利用農林廢棄物資源，對于我國的環境保護、能源結構調整乃至經濟發展轉型都具有非常重要的意義。國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006～2020年)已將農林生物質綜合利用技術列入優先發展的研究領域之一。農林廢棄物循環再利用技術主要有3大應用方向：能源循環利用、農業栽培和工業再加工，其中能源循環利用是世界范圍內的熱點，也是我國政府政策扶持的重點。農林廢棄物能源循環利用主要包括氣化技術、液化技術和燃燒技術3大類。目前，我國在該領域已基本形成了完整的政策框架和激勵機制，相關技術也取得了長足的進步。但和美國等發達國家相比還是存在著較大的差距，突出表現在產業化程度較低，企業創新能力較弱，最直觀的表現就是核心專利數量不足[1,3]。因此，從專利信息的角度分析農林廢棄物循環能源技術的特點和趨勢，對于我國相關科技和產業領域的發展具有重要的指導意義。目前，尚無從專利分析這一角度來探索農林廢棄物循環能源技術及市場發展特點的研究成果。相關研究中，有針對廣義的生物質能概念，如：陳冠欽等[4]對生物質液體燃料技術國內外專利的總體申請趨勢進行了分析；覃炳達等[5]對中國國內生物質固體成型燃料技術的專利申請趨勢進行了分析。另有針對具體技術領域，如：段黎萍[6]基于專利信息分析，對比了世界范圍和中國國內纖維素乙醇技術在主要競爭者、市場轉化路徑等方面的不同；馬文君等[7]對纖維素乙醇技術進行了專利分析，解讀了該技術在世界范圍內的總體發展態勢。和上述研究成果相比，本研究針對農林廢棄物循環能源技術，以專利信息分析和專利地圖為基礎，對氣化技術、液化技術、燃燒技術等3大領域內的專利從總體趨勢、生命周期、主要競爭者、技術熱點等角度開展分析，探索農林廢棄物循環能源產業的技術創新特征和未來發展趨勢，并且著重對比了中國和美國在這3大領域內專利布局的差異，以期為我國相關產業發展戰略以及企業研發策略的制定提供參考。

1 數據源和分析方法

1.1 數據源

各國的專利數據來源于德溫特世界專利索引(DWPI)數據庫[8]。專利檢索限定的公開時間范圍為1980.01.01～2015.01.01。由于專利從申請至公開一般需要長達18～36個月的時間，因此2013～2015年的數據不能準確反映當年專利申請情況，僅作參考。

1.2 分析方法

專利分析工具采用Thomson Innovation(TI)在線分析工具[8]。運用計量統計、引證分析、可視化聚類等方法，分別對農林廢棄物循環能源氣化技術、液化技術和燃燒技術這3大領域在近35年間的專利申請趨勢、區域實力、競爭機構以及核心專利進行統計和分析。專利法律狀態查詢主要采用美國專利商標局(USPTO)專利電子商務中心法律狀態查詢網站,以及歐洲專利局專利檢索查詢網站[9-10]。

2 分析與討論

經數據檢索和整理，共獲得已公開的農林廢棄物循環能源氣化技術領域的專利(族)681件，液化技術領域的專利(族)761件，燃燒技術領域的專利(族)359件。

2.1 各國專利的對比分析

2.1.1 專利申請的年度變化 農林廢棄物循環能源氣化技術、液化技術和燃燒技術3大領域內專利申請的年度變化趨勢見圖1。由于專利有公開延遲的特點，圖示中近3年(2012～2014)的申請量顯著低于實際申請量，年度變化主要分析2012之前的數據。在

圖1 農林廢棄物循環能源3大領域的年度專利申請趨勢

氣化技術領域，技術發展在1980～1998年間處于萌芽期，專利申請量較低且波動不大；1999年之后，氣化技術迎來一波持續的高速增長期，從年均申請量少于10件迅速增長到年均70件左右，年平均增長率達到43%。在液化技術領域，1980～2000年間為技術萌芽期，雖然在2001～2004年間專利申請量經歷了較大波動，但總體呈現出快速增長的趨勢，自2005年之后技術的發展非常迅猛，從年均申請10件左右增長至100件左右，年平均增長高達75%。同上述兩大領域不同，燃燒技術領域的技術成熟度不高，專利申請量總體較低，技術發展的萌芽期也較為漫長(1980～2006年)，但自2007年起，技術發展明顯提速，從年均申請量10件增長到30件左右，平均增長率達到40%，平均增長率和氣化技術(43%)相當?？紤]到燃燒技術起步較晚，因而預測今后該領域將有較大的發展潛力。

由上述分析可知，農林廢棄物循環能源技術3大領域發展趨勢共同點在于：均處于技術成長期；不同點在于：氣化技術和液化技術的起步相對較早，也更早的進入快速發展期，技術發展相對成熟，而燃燒技術的起步較晚。相對于氣化技術，液化技術近年來的發展更為迅速，已經成為農林廢棄物循環能源技術的核心領域。燃燒技術雖然起步晚，但近年來平均增長率和氣化技術相當，未來的成長趨勢不容小視。

2.1.2 專利的區域分布 農林廢棄物循環能源技術3大領域的專利申請遍布全球近30個國家和地區，要準確衡量各國/地區的技術實力，還需要借助專利最早優先權數量這一指標，該指標能夠表征技術起源。表1所示為3大領域內專利最早優先權量排名前10位的國家或地區，以及各自的專利申請數量。

表1 農林廢棄物循環能源3大領域專利最早優先權量排名前10位的國家/地區

首先，從專利最早優先權區域分布情況來看，美國在農林廢棄物循環能源領域具備明顯的技術優勢，其最早優先權數量在氣化和液化技術領域排名第一，在燃燒技術領域排名第二。在氣化技術領域，美國的專利優先權量為214件，占到總量的31.4%，是中國(137件)和日本(77件)的總和。在液化技術領域，美國的優勢更為明顯，專利優先權量(346件)占到總量的45.5%，超過第二名中國(156件)的2倍，并且超過其他排名前10位國家的總和。僅在燃燒技術領域，美國的專利最早優先權量(65件)略少于中國(84件)，但仍占到接近總量的20%。在其他國家中，中國、日本屬于第二梯隊，尤其是中國，在全部3大技術領域內，專利優先權量和美國都較為接近甚至超過美國。另外德國、俄羅斯、法國也具備較強的實力。其次，結合專利申請情況來看，美國的專利申請量要遠遠低于其最早優先權量，表明美國專利權人更傾向于海外專利申請，暗示美國在農林廢棄物能源循環領域的技術輸出和境外布局較為活躍。反觀中、日、德、俄、法的專利申請量和最早優先權量差距均不大，表明雖然這些國家的技術研發實力較強，但更關注于本國技術市場，傾向于本土專利布局的戰略。

2.1.3 專利技術的主要競爭機構 在農林廢棄物循環能源3大技術領域內，如以專利申請量作為競爭機構實力的評判標準，則3大領域內主要競爭機構之間的實力差距不大，說明當前農林廢棄物能源循環領域還沒有形成技術市場壟斷的格局，競爭相對開放和自由。

在液化技術領域，排名前10位的競爭者分別為：美國Mascoma公司(29件)、美國希樂克(Xyleco)公司(16件)、美國英威達(Invista)公司(13件)、丹麥諾維信(Novozymes)公司(10件)、美國UOP公司(9件)、加拿大Iogen公司(8件)、中科院大連化學物理研究所(8件)、印度科學與工業研究理事會(8件)、美國農業部(7件)和美國Midwest研究公司(7件)。這10位競爭者共申請專利115件，占該領域專利總量的15.1%。該領域內競爭實力最強的機構是美國Mascoma公司，該公司以酶學工程技術見長?？梢钥闯?，領域排名前10位的競爭機構中，跨國公司占據了7席，且大多數為美國公司，一方面反映出該領域內企業已經成為創新的主體，技術成熟程度和市場化程度較高；另一方面則凸顯出美國在該領域內的顯著技術優勢。

在氣化技術領域，排名前10位的競爭者分別為：美國通用電氣(GE)公司(17件)、洛陽駿騰能源科技公司(9件)、美國希樂克(Xyleco)公司(6件)、瑞士英力士(Ineos)公司(5件)、西班牙阿文戈亞生物能源(Abengoa Bioenergia)技術公司(5件)、英國石油(BP)公司(5件)、荏原(Ebara)株式會社(5件)、大阪瓦斯(Osaka Gas)株式會社(5件)、華中科技大學(5件)、華東科技大學(5件)。這10位競爭者共申請專利67件，占該領域總量的9.84%。同液化技術領域類似，氣化技術排名前10位的競爭機構也以跨國企業為主，表明該領域也具備比較高的技術成熟度和市場化程度；但前10位中僅有兩家美國企業，表明美國在該領域的競爭優勢并沒有在液化技術領域那樣明顯。值得注意的是，美國希樂克公司在液化技術和氣化技術兩個領域均位列前10，顯示出強大的技術創新實力。此外，中國雖有3家機構位列氣化技術領域前10，但僅有1家企業，說明中國在氣化技術領域雖然具備一定的創新實力，但市場化程度仍有待提高。

在燃燒技術領域，排名前10位的競爭者分別為：Oike Tekkosho株式會社(5件)、蘇州迪森生物能源(4件)、Elite Fuels公司(3件)、美國哈里伯頓(Halliburton)能源服務公司(3件)、陜西理工學院(3件)、中國農業部規劃設計研究院(3件)、Bouldin公司(2件)、法國石油研究院(Inst Francais Du Petrole,2件)、先進等離子電源(Advanced Plasma Power)公司(2件)、DMS公司(2件)。這10位競爭者的專利基數均偏低，不足10件，且彼此間的差距不大，暗示該領域的總體技術成熟度不高。其中最為知名的是美國哈里伯頓公司，作為世界三大工業技術服務公司之一，哈里伯頓在該技術領域內的專利布局暗示該領域的未來前景值得看好。此外，在排名前10位的競爭機構中，中國機構數量最多，達到3家，這從側面反映出中國在該領域內的領先優勢；但和氣化技術類似的是，這3家機構中僅有1家企業，說明中國在該領域內的市場化程度依然落后于技術進步的幅度。

2.1.4 核心專利分布 專利被引頻次和引用頻次是衡量專利價值的重要指標。表2列出了農林廢棄物循環能源技術3大領域內被引頻次排名前5的專利?？梢钥闯?，這些高被引專利的初始專利權人大多數為中小企業甚至個人而少有大型公司，更少見到上文中所列出的排名前10的競爭機構，這從另一個角度暗示：農林廢棄物循環能源技術領域目前還未出現具有技術統治力的壟斷企業，技術市場仍然處于自由競爭階段。

氣化技術領域，被引頻次排名前兩位的專利的引用頻次也較高，前后引比例分別為1.23和2.47，表明這兩項專利均為領域內的承接技術，其中US20080193989A1最初由美國Zea Chem所有，US20030111410A1由Best Biofuels公司以及著名的史密斯菲德食品公司共有，目前這2項專利權均已轉移至金融機構。后3項專利雖然被引頻次略低，但大幅超過其引用頻次，表明這3項專利屬于領域內的先導技術。

液化技術領域，排名前5專利的被引頻次都遠遠高于引用頻次，均為領域內的先導技術。其中，US5821111A最早屬于Bioengineering Resource公司，現專利權已被瑞士英力士(Ineos)公司收購；WO1995008648A1由美國Midwest研究公司申請，后專利權轉移至美國能源部。

在燃燒技術領域，專利US20060096163A1雖然被引頻次達到62，但引用頻次也高達170，是一項典型的集成創新專利，該專利由美國Enertech Environmental公司申請，現屬于SGC Advisors公司。DE3226798A1、US4531464A和EP249131A2均申請于20世紀80年代。US20070006526A1由美國New Energy公司于2005年申請，該專利被引頻次23，引用頻次為0，是一項典型的前沿先鋒技術。

由表2對比看出，3大領域內絕大部分的核心專利由美國機構或個人持有，少量屬于歐洲機構或個人，未見屬于中國乃至亞洲競爭者的核心專利。這表明農林廢棄物循環能源技術的核心創新能力集中于美國。從平均被引頻次來看，液化技術高于氣化技術，燃燒技術最低，這也印證了前文對于3大領域產業技術成熟度的分析結果，即液化技術的成熟度最高，而燃燒技術的發展最不成熟。

表2 農林廢棄物循環能源3大領域中被引頻次排名前5位專利

2.2 中美兩國專利布局對比分析

如果僅以專利申請量或最早優先權量作為衡量指標，可以認為中國農林廢棄物循環能源技術的實力僅次于美國，甚至在燃燒技術領域還處于領先。然而在核心專利擁有量方面，中國同美國的差距巨大。鑒于此，通過專利布局分析，研究中美兩國技術的總體發展模式和技術分布特征，對于宏觀產業戰略將具有重要的指導意義。通過可視化文本聚類的方法繪制專利技術“地形圖(landscape)”(圖2)，比較中美兩國專利在圖中的分布特點。

2.2.1 氣化技術 圖2(a)所示為氣化技術專利地形圖?？梢钥闯?，美國專利的數量較多，分布也比較廣泛，不僅涵蓋了大部分所有的熱點區域(山峰)，還分布在邊緣冷門技術區域(谷底)以及未來具有潛力的技術區域(海洋)。其中美國專利布局的熱點區域主要有5個：甲烷厭氧發酵工藝、甲烷厭氧發酵裝置、甲烷產生菌種制備及改良、合成氣制備技術、合成氣發酵裝置及菌種；此外在合成器產物發電技術、沼氣儲存輸送及監控技術這兩個邊緣技術區域也有一定程度的布局。中國專利數量少于美國，分布更為集中，主要聚焦在原料制備工藝和設備、合成氣催化裝置及催化劑、生物質氣化爐結構和部件這3個熱點區域，其布局和美國專利重疊區域不多。而在熱門技術區域“沼氣發電、供熱設備及工藝”，中美兩國的專利布局力度都不強。在氣化技術領域，美國在沼氣(甲烷)發酵技術的布局力度很大，幾乎完整覆蓋了技術鏈上游的菌種改良、中游的厭氧發酵以及下游的儲存運輸，而在合成氣及其液化技術中，美國更關注上游的合成氣制備、中游的發酵液化以及下游的發電技術；中國在沼氣(甲烷)發酵技術布局力度較低，而是以合成氣技術為重點，布局重點在上游的生物質原料制備、氣化設備以及中游的催化液化技術。

2.2.2 液化技術 圖2(b)所示為液化技術專利地形圖。同氣化技術類似，美國專利在液化技術中的布局范圍也較廣，其中熱點區域有5個：發酵原料碎料技術和設備、纖維素酶的基因工程改造、熱解前原料加工工藝及設備、慢速熱解技術、閃速熱解技術，邊緣冷門區域有3個：C7化合物合成、活性成分直接提取、楊氏梭菌酶的基因工程改造及發酵液化。中國專利布局主要集中于熱解前原料加工工藝及設備、慢速熱解技術、流化床熱解技術及設備這3個熱點區域，以及熱解產物生物油的再加工、楊氏梭菌酶的基因工程改造及發酵液化這2個邊緣區域，和美國專利存在2個熱點區域和1個邊緣區域的布局重疊。綜合上述分析可以看出，在液化技術領域，美國在發酵液化技術的布局力度很高，專利完整覆蓋了上游的發酵原料處理、活性成分直接提取，中游的纖維素酶改造以及下游的其他化合物(如C7)合成，在熱解液化技術中，美國專利主要關注上游的熱解原料加工、中游的閃速熱解及慢速熱解技術；相對地，中國在發酵液化技術的布局較少，而將重點落在熱解液化技術，專利比較完整地覆蓋了上游的熱解原料加工、中游的流化床熱解和慢速熱解技術以及下游的熱解產物生物油的再加工；此外，楊氏梭菌酶的基因工程改造及發酵液化屬于間接液化技術，美國專利和中國專利都給予了一定程度的關注。

圖2 中美兩國在氣化技術(a)、液化技術(b)和燃燒技術(c)領域的專利布局示意圖

2.2.3 燃燒技術 圖2(c)所示為燃燒技術專利地形圖。中美兩國在該領域內的專利量都較少，布局范圍也較為狹窄，相互之間沒有重疊。其中，美國專利布局集中在炭化成型技術以及下游的燃燒發電技術設備；中國專利布局則集中在熱壓成型技術以及下游的燃燒裝置和設備。

由3大領域的對比分析可知，在氣化技術和液化技術這2個領域內，美國專利在邊緣冷門區域的布局力度更高，未來有可能在這些區域培育出新的技術增長熱點，從而繼續保持其技術引導者的地位，而中國則可能在相當長一段時間內處于技術追隨者。從技術競爭的角度來看，中美兩國在氣化技術和燃燒技術領域的布局重疊不明顯，技術發展各有所長，而在液化技術領域內重疊程度相對較高，預測兩國機構在熱解原料加工、慢速熱解技術以及楊氏梭菌酶催化等技術環節會產生較為激烈的競爭，專利糾紛訴訟也會比較頻繁，客觀上將在一定程度阻礙中國企業的發展。在這種形勢下，中國相關產業內企業需要及時制定專利戰略，跟蹤競爭機構的專利申請和研發動態，合理規避對手的專利陷阱，并且深入研究境外專利法律制度，注重積累專利訴訟經驗，從而盡力保障自身的利益；從產業技術鏈的角度來看，美國專利更注重全局利益的攫取，即專利布局盡可能地涵蓋技術鏈的上、中、下游，而中國專利布局的整體觀念和全局意識不強，更多集中在產業技術鏈的中上游，缺乏縱向的突破延伸，這有可能是受到技術整體實力的掣肘。

3 結 論

本研究分析公開時間從1980年1月1至2015年1月1的農林廢棄物循環能源技術專利(族)共計1801件，其中氣化技術領域681件，液化技術領域761件，燃燒技術領域359件。

3.1 技術趨勢方面，3大領域目前均處于技術成長期，氣化技術和液化技術相對起步較早，而燃燒技術的成熟度最低；3大領域在未來一段時間內都將保持較快速增長的趨勢，液化技術的上升趨勢最為迅速，已成為農林廢棄物循環能源技術發展的核心領域。

3.2 區域實力方面，從專利數量上看，在氣化技術和液化技術領域，美國的優勢明顯，中國和日本屬于第二集團；在燃燒技術領域，各國實力較為接近。專利質量上看，3大領域內重要核心專利主要掌握在美國競爭機構或個人手中，說明美國集中了該領域內的核心創新能力和資源。

3.3 競爭機構方面，當前農林廢棄物循環能源技術領域內實力較強的企業有Mascoma公司、通用電氣、希樂克公司等。雖然企業已經成為領域內技術創新的主體，但技術實力的分布較為平均和分散，缺乏具有統治力的壟斷龍頭企業，行業目前仍處于自由競爭的階段。

3.4 中美專利布局對比方面，在氣化技術和液化技術領域，美國作為技術引領者，其專利布局更為平均，中國作為技術追隨者，布局相對集中。在氣化技術和燃燒技術領域，中美專利布局重疊區域不多，但在液化技術領域，雙方之間可能會存在較為激烈的競爭和專利糾紛。所以，在增強專利法律意識的同時，中國競爭機構還需要加強全局意識，在專利布局中注重產業技術鏈的縱向延伸，從而增強對市場競爭風險和利潤的掌控能力。

[1]鄭林用,黃小琴.我國農林廢棄物生物質能利用技術研究進展[J].慶祝中國土壤學會成立60周年專刊，2005.

[2]胡興濤,王文超,田原宇,等.農林廢棄物的能源轉化技術及研究進展[J].腐植酸,2008，(1):19-32.

[3]李景明,薛梅.中國生物質能利用現狀與發展前景[J].農業科技管理,2010,29(2):1-4.

[4]陳冠欽,翟佳雯,高劼.生物質液體燃料及其專利保護現狀[J].中國發明與專利,2014，(1):59-63.

[5]覃炳達,吳潔霞,鐘雪梅,等.生物質復合成型燃料專利分析[J].農業工程技術(新能源產業),2010，(10):24-27.

[6]段黎萍.纖維素乙醇的專利綜述與分析[J].現代化工,2008,28(5):11-16.

[7]馬文君,王忠明,劉改萍.木質纖維素乙醇專利分析研究[J].綠色科技,2012，(8):198-202.

[8]Thomson Reuters.Thomson Innovation Database [OL].https:∥www.thomsoninnovation.com/login[2015-01-01].

[9]USPTO.Patent Application Information Retrieval [OL].http:∥portal.uspto.gov/pair/PublicPair[2015-01-01].

[10]EPO.Espacenet Patent Search[OL].http:∥worldwide.espacenet.com[2015-01-01].

Technical Development of Agroforestry Residue Recycling Based on Patent Analysis

LI Xiang-hui1,2, JIN Fu-lan1,2, LIU Ling1,2

(1.Jiangsu Institute of Science and Technology Information, Nanjing 210042, China;2.Jiangsu Academy of Science and Technology for Development, Nanjing 210042, China)

Through various analytical methods such as quantitative statistics,citation statistics,and visual text clustering integrated in Thomson Innovation patent information analysis tool,the global patent data of agroforestry residue recycling recorded in Derwent World Patents Index between 1980 to 2015 were analyzed.As the results,the technical development statuses and trends in 3 main fields of agroforestry residue recycling,e.g,gasification,liquefaction and combustion technologies,were investigated in order to supply valuable references for R&D strategy and industrial policy formulation.

agroforestry residue;recycling;gasification;liquefaction;combustion;patent analysis

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.02.007

2015- 02- 10

李向輝(1985—)，男，江蘇宿遷人，助理研究員，博士，主要從事知識產權戰略方向研究工作

*通訊作者：金福蘭，研究員，主要從事技術創新咨詢和競爭情報方向研究工作;E-mail:jinfl@sti.js.cn。

TQ35

A

1673-5854(2015)02- 0032- 07