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*

贾 倩 郑怀国 赵静娟 串丽敏 李凌云

（北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所，北京 100097）

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。目前全球有超过80个国家提出了“碳中和”目标，我国在2020年第75届联合国大会上也明确提出力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，并将其纳入国家重大战略。据统计，农业产生了全球近1／4的碳排放量，是全球碳排放的重要来源之一，推动农业减排是应对气候变化的重要抓手［1］。秸秆是我国主要的农业废弃物之一，2018年我国农作物秸秆年产量超过10亿吨［2］。作为重要的生物质能载体，秸秆能源化利用对于区域能源安全和绿色可持续发展具有重要意义。我国在“十四五”规划中也明确将新能源和绿色环保产业列为着重发展的战略性新兴产业［3］，发展秸秆能源化利用技术和产业不仅能够有效缓解农业废弃物处理、能源短缺与环境恶化等多重压力，同时也符合我国农业绿色低碳转型升级与实现双碳目标的现实需要。目前在丹麦、德国等欧洲大部分国家，秸秆能源化利用比例已达到20%～50%，而我国秸秆能源化利用占比只有12.7%［4］，仍有较大发展空间，未来在双碳背景下发展潜力巨大。

专利文献是承载技术创新与产业变革等重要信息的载体。据世界知识产权组织（World Intellectual Property Organization，WIPO）研究表明，世界90%～95%的发明成果在专利文献中都有记载，全世界70%～90%的发明成果只出现在专利文献中。国内外基于专利文献对领域技术发展现状和竞争态势的研究日益广泛［5-13］。在秸秆能源化利用领域，已有学者开展了基于专利的生物质能和农林废弃物循环利用能源技术分析［14，15］，亦有涉及纤维素乙醇、生物质固体成型燃料等具体能源化利用技术的专利计量分析［16-19］，但目前还缺乏对秸秆能源化利用技术发展状况的系统性梳理，对国内外技术发展的差异性及竞争格局的认识尚有不足。

因此，本研究拟从专利数据出发，通过研究全球秸秆能源化利用技术发展现状，剖析国内外技术发展差异，明确我国在全球中的竞争地位，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。

1.1 数据来源

专利数据来自智慧芽数据库（PatSnap），专利检索类型包括发明专利和实用新型专利，检索时间为2020年9月30日，通过关键词结合IPC分类号构建检索式开展检索，检索式＝（TA_ALL：（（（秸 秆OR茎 秆OR straw OR stalk）NOT（“drinking straw”OR吸管OR“drinking-straw”or“straw graphene”））and（能源or燃料or甲烷or energy or沼气or methane or biogas or“marsh gas”or fuel or biofuel））not IPC：（A01F17／02 OR A01D61 OR A61D or A47G or A61Jor A47G21／18 OR B29COR A23K or B27N3 or C05FOR C05G））OR（TA_ALL：（（秸秆OR茎秆OR straw OR stalk）NOT（“drinking straw”OR吸 管OR“drinking-straw”））and IPC：（C10L OR C12M1／107 or C02F11／04 or C12F3／08 or C10J OR C02F11／10 OR C07C9／04 or C12P7／10 or C12P7／08 or C12P7／06 or C10B53／02））。经反复试检调整，并进行查全查准检验，确定最终检索式及初始专利数据集11670件；
以IPC分类号结合人工阅读进行数据清洗，得到9481件相关专利文献。

1.2 研究方法

通过文献计量法从申请趋势、区域分布、技术分布、研发主体等维度展开分析，通过Derwent Innovation平台的THEMES主题分析工具对秸秆能源化利用专利进行主题聚类分析和可视化呈现，形成该领域技术主题全景图；
根据文献调研结合专家咨询构建秸秆能源化利用技术分解表，从直燃技术、固化成型技术、热解气化技术、液化技术和发酵制沼技术5个技术分支进行标引统计。

基于专利组合理论进行国家竞争地位分析。专利组合理论是通过建立专利技术指标制作专利组合矩阵图，以此指导研发主体准确确定竞争对手及合作伙伴，为其进行动态竞争监测及科学决策提供数据支持［19］。专利组合理论从专利活动和专利质量两个维度来测度主体研发水平和技术竞争力，是一种全面立体的情报分析方法，可以形成对技术领域的基础判断，辅助管理者制定战略决策，指导技术改进和识别竞争威胁。在专利组合模型图中，横坐标代表专利活动，纵坐标代表专利质量，将相关研发主体划分为技术领导者、潜在竞争者、技术活跃者和技术落后者，以便清晰判别行业领域中的竞争形势和竞争地位（图1）。

图1 专利组合模型图Fig．1 Two Dimensional Matrix of Patent Portfolio Analysis

在参考前人使用的专利指标基础上，本研究采用专利申请量来表征专利活动，通过专利授权率、被引频次、国际范围指标测度专利质量，具体指标、定义及计算方法见表1［20-22］。

表1 综合竞争地位评价指标体系Tab．1 Evaluation Index System of Comprehensive Competitive Position

2.1 申请趋势

从国内外两个区域分别来看，国内外秸秆能源化利用领域专利年度申请趋势差异显著（图2）。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。受20世纪70年代世界能源危机的影响，固化成型技术和直燃技术的相关专利申请快速增加，国外秸秆能源化利用技术进入第一发展期。进入21世纪后，随着国际石油价格攀升以及《京都议定书》的生效，美国、欧盟等发达国家或地区相继出台了一系列促进生物质能产业发展的相关政策法规［22］，固化成型和液化技术的相关专利申请逐渐增多，国外秸秆能源化技术进入第二发展期。

图2 秸秆能源化利用领域全球专利年度申请趋势Fig．2 Annual Trend of Global Patent Application in the Field of Straw Energy Utilization

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。在2006年之后，随着《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》的出台，热解气化、直燃和固化成型技术的专利申请迅速增加，到2009年相关专利申请量突破500件，我国该领域技术进入第一发展期；
2011年之后，随着《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》《秸秆综合利用技术目录（2014）》《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》等一系列推进秸秆资源化利用政策和规划的出台，固化成型技术、发酵制沼技术和热解气化技术相关专利申请快速增加，我国秸秆能源化利用技术进入第二发展期。

国内外在秸秆能源化利用技术研发热度方面的差异与各自秸秆处理及资源化利用的不同需求密切相关。我国农作物实行一年两熟制，秸秆量大时间紧，需要在有限时间内解决农业产生的秸秆，秸秆处理需求较大；
而国外秸秆产量较低，大多实行一年一熟制和休耕轮作制，秸秆基本用于还田和饲料，结余秸秆废弃物量较少，秸秆处理需求远不及我国。

2.2 区域分布

通常把专利的优先权国视为申请国，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，其在本领域专利申请总量的占比达81.7%（表2）。主要优先权国的专利申请区域分布显示，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。专利申请量最多的中国，其99%的专利申请布局在国内；
德国和美国半数以上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2 秸秆能源化利用专利主要优先权国的专利申请区域分布Tab．2 Regional Distribution of Patent Application in Main Priority Countries for Straw Energy Utilization

我国在域外专利布局和技术全球化保护水平方面的不足，一方面与我国研发主体的全球化战略布局意识和国际专利申请意识不足有关，另一方面也受研发主体的市场分布影响，我国秸秆产量大，是秸秆资源化利用的热点市场，本国申请人会优先考虑在本国开展技术布局；
此外，由于国外专利申请需要高昂的申请费和代理费，面对高额的费用和不可预见的授权前景，研发主体只有针对高质量、高水平的技术才会考虑向国外申请专利，由此也反映出我国该领域的专利质量及技术创新水平仍有较大提升空间。

2.3 技术分布

从技术主题聚类来看，秸秆炭化、固化、气化、液化和直燃是秸秆能源化利用的主要手段，热点研究内容包括：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（图3）。秸秆能源化利用热点技术主要集中在秸秆制备生物乙醇技术、秸秆固化成型技术、秸秆沼气技术、秸秆热解技术和秸秆直燃技术。

图3 秸秆能源化技术专利主题聚类Fig．3 Patent Theme Cluster for Straw Energy Utilization Technology

就技术分支来看，国内外秸秆能源化利用技术分布同中存异。在国外秸秆能源化利用专利申请中，固化成型技术、直燃技术、液化技术和热解气化技术的专利申请占比分别为29.7%、26.6%、21.0%和15.8%。在我国秸秆能源化利用专利申请中，四者的专利申请占比分别为24.4%、19.8%、7.4%和27.9%。可见，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4）。这一布局差异与国内外技术发展所处的社会背景及所实现的目的紧密相关，我国秸秆能源化利用的目的在于缓解秸秆堆积、焚烧造成的农村环境卫生问题以及满足农村、农业能源需求，而国外则是在高度工业化发展以及不确定的能源危机背景下，通过发展秸秆液化技术等高值化利用技术来实现化石能源补充、替代和获取工业原料。

图4 秸秆能源化利用技术分支专利申请量分布Fig．4 Patent Applications Distribution of Straw Energy Utilization Technology Branches

从主要优先权国来看，五国的技术分布各有侧重。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；
美国侧重于秸秆液化技术的研发，其在美国专利申请的占比达56.9%；
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，此外，德国在发酵制沼技术上也有相当数量的申请；
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5）。

从时间演进来看，国内外秸秆能源化利用技术更迭和发展方向差异显著。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6）。

图6 国外秸秆能源化利用技术发展变迁Fig．6 Development and Change of Straw Energy Utilization Technology in Foreign Countries

固化成型技术是国外秸秆能源化利用技术中发展延续性较好的技术。自1980年以来，不断围绕秸秆压块成型方法、装置及工艺等技术进行研发与改进，美国、日本等国研制出螺旋式压缩成型、谷物收割和固化一体机等成型设备，结合技术革新逐渐形成从原料储运、预处理到固化成型的产业化体系；
直燃技术是21世纪之前国外主要的秸秆能源化利用技术，德国、丹麦等国围绕生物质锅炉等秸秆燃烧装置不断拓展其在发电和供暖方面的应用，目前基本实现了产业化应用；
进入21世纪之后，生物质能发展得到世界各国的广泛关注，美欧等发达国家／地区相继出台了一系列促进生物质能研发及产业发展的政策法规，以纤维素乙醇为代表的液化技术日益得到关注。目前纤维素乙醇已在美国、巴西、德国等国开始推行，纤维素乙醇已进入商业化示范阶段。

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7）。我国秸秆能源化利用技术研发是进入21世纪后才步入正轨，热解气化技术最先得到关注，围绕秸秆气化炉及相关配套设备、气化发电工艺及设备、气化供暖设备、气化净化装置、油气分离装置、供气系统、自动控制装置等部署了一系列技术开发，但在工程应用中，我国核心设备仍存在一定不足，在设备研发和产品提质上还有较大改进空间。随着相关政策的相继出台，我国秸秆能源化利用技术发展日益丰富。“十二五”期间，我国秸秆发酵制沼技术、秸秆固化成型技术逐步发展，“十三五”期间积极推广秸秆热解气化、固化成型、直燃发电等技术，推动生物天然气规模化发展、积极发展生物质成型燃料供热和发电、加强纤维素等原料生产生物液体燃料技术研发，重点提升木质纤维素制备燃料、秸秆燃料乙醇、秸秆制备沼气以及生物柴油等绿色能源制造能力。我国秸秆沼气产业已初步形成以供应链整合为基础、全产业链经营的商业模式，但还处在起步发展阶段；
我国固化成型设备能耗普遍较高，成型燃料热值较低，燃烧产烟量较大，成型燃料应用模式尚未成熟；
此外，由于我国在秸秆原材料处理方面存在不足，距离秸秆燃烧发电标准尚有差距，主要应用集中在家庭和暖房取暖；
我国液化技术大多还停留在理论和试点运作层面，尚未进行全面推广。

图7 中国秸秆能源化利用技术发展变迁Fig．7 Development and Change of Straw Energy Utilization Technology in China

2.4 研发主体

不同申请人类型的专利申请量分布与产业化程度有一定的相关性，一般来说，企业类申请人的专利申请占比较高，反映出其技术产业化程度较高。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。另一方面，我国院校／研究所类申请人的专利申请占比在五国中最高，体现出高校和科研机构在我国秸秆能源化技术研发中占据着重要地位，我国该领域技术尚处于研发阶段（图8）。

图8 秸秆能源化利用专利主要优先权国研发主体分布Fig．8 The Research and Development Bodies Distribution in Main Priority Countries of Straw Energy Utilization patent

秸秆能源化利用授权发明专利量排名TOP10机构，包括3家外国机构和7家中国机构（图9），3家外国机构分别为丹麦INBICON公司、丹麦技术大学和美国XYLECO公司，7家中国机构包括4所高校（河南农业大学、清华大学、北京化工大学、东南大学）和2所科研机构（中国科学院、农业农村部沼气科学研究所）和1家企业（北京三聚环保新材料股份有限公司）。可见，我国秸秆能源化利用技术储备主要来自于高校和科研院所，仅有一家企业入围该领域TOP10专利权人，初步形成了少数创新型龙头企业，产业化程度还有待提升。

图9 秸秆能源化利用授权发明专利TOP10专利权人Fig．9 Top 10 Patentees of Authorized Invention Patents for Straw Energy Utilization

国内外在秸秆能源化利用技术研发主体方面的差异反映出各自所处的技术发展阶段不同。欧美发达国家目前已经形成了与秸秆综合利用产业相衔接、与农业技术发展相适宜、与农业产业经营相结合、与农业装备相配套的秸秆收储运技术装备体系，实现了秸秆能源化利用产业化；
而我国在秸秆收储运、标准化处理等产业链前端的技术、装备研发方面仍有不足，导致后续技术研发及产业化应用成本过高，严重制约了其产业化发展。

2.5 综合竞争地位

基于专利组合理论，统计秸秆能源化利用专利申请TOP5优先权国的专利申请量、授权率、INPADOC同族成员数量、域外专利申请占比、平均被引频次等指标（表3），通过对数据进行归一化处理计算得到五国的专利活动与专利质量，来分析各国的综合竞争地位。

表3 秸秆能源化利用专利TOP5优先权国专利活动及专利质量指标Tab．3 Patent Activity and Patent Quality Indexes of TOP5 Priority Countries for Straw Energy Utilization Patents

从专利活动来看，中国在五国中位列第一，具有显著优势；
从专利质量来看，美国最高，中国位列末位，处于劣势地位。从专利质量的各项指标分别来看，在授权率方面，中国最高；
就专利家族规模来看，美国位居榜首，平均每件专利的INPADOC同族数量达到42件，而中国平均每件专利的INPADOC同族数量仅为1件；
就域外申请占比来看，丹麦最高，约67.4%的国外专利申请布局，美国和德国在国外申请的专利也超过半数，而中国的域外申请占比仅有0.6%，专利家族数量和域外申请可以间接反映专利技术的国际布局，可见中国该领域专利的国际范围广度较小；
从平均被引频次来看，美国最高，平均每件专利的被引频次超过7次，而中国每件专利的被引频次不足2次，反映出其专利影响力较低。

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10）。

图10 秸秆能源化利用技术国别竞争地位Fig．10 Country Competition Position of Straw Energy Utilization Technology

3.1 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，本文通过上述分析揭示出国内外秸秆能源化利用技术的发展差异。

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。我国秸秆能源化利用技术研发晚于国外，但技术发展增势远超国外，专利申请量在全球的占比已达81.7%，成为该领域最主要的技术来源国，但99%的专利申请布局在国内；
国外秸秆能源化利用技术研发虽早，但整体研发热度较为平稳，美国、德国、丹麦等国超半数的专利申请布局在国外。

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。我国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，液化技术发展相对缓慢；
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，以纤维素乙醇为代表的液化技术逐渐成为其未来发展方向。

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。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，产业化程度不及美国、日本和丹麦，专利影响力和专利质量与美国相比仍有较大提升空间。美国、丹麦已进入以企业研发为主导的产业化阶段，并形成了创新型龙头企业，其中美国专利质量及影响力优势明显。

3.2 建议

基于专利活动和专利质量的竞争地位分析显示，目前全球秸秆能源化利用技术领域尚未出现技术领导者，我国属于技术活跃者，针对我国秸秆能源化利用技术发展现状及存在的不足，结合当前国家发展需求，提出如下建议：

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

我国与欧美等发达国家在专利技术布局上的差异，在一定程度上反映了各自所处社会发展阶段和技术发展需求的不同。基于农业发展和技术需求的差异性，我国应当从自身特点和需求出发，形成符合我国农业农村发展需要，契合农业现代化、可持续发展导向的秸秆能源化利用技术布局规划，在保障农村农业就近能源化利用的基础上，注重在生物炼制以及生产纤维素乙醇、丁醇生物基燃料为代表的液化技术等高值化能源化利用技术的研发，以技术革新带动产业升级突破从实验室迈向商业化、产业化生产的瓶颈。

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

我国与美国、德国等欧美发达国家在域外申请布局方面的不同，体现了在专利质量和全球化保护方面存在的差距。应引导科技产出逐步实现由“重数量、重申请”向“重质量、重保护”转变，注重培养兼具技术与知识产权素养的综合型人才，鼓励和发展高质量知识产权服务，提高专利撰写水平和专利质量，为高价值专利培育提供人才和服务支撑。此外，在“走出去”战略和“一带一路”倡议的大背景下，鼓励和支持我国创新主体进行海外专利申请，提供相关专业性技术服务和专项资金支持，为其开展前瞻性技术部署和海外战略布局提供助力。

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

在秸秆能源化利用技术研发领域，我国已经出现个别龙头企业，但与同领域高校和科研机构相比，其技术储备和研发规模仍有差距。应当进一步推动产学研合作，促进技术成果的转移转化及产业化应用。鼓励企业与领域优势科研机构及高校加强技术合作研发，拓展专利许可、转让等多种形式的技术引进，在充分利用已有创新资源的基础上，结合企业在技术转化与集成、产品推广与应用和市场资源方面的优势，根据市场供给需求、有针对性、分阶段地实现农业科技成果精准转化。此外，建议制定覆盖秸秆收储运、质量控制与标准化、能源化利用技术及相应配套设备等产业链全环节的系统性优惠补贴政策，通过公益性补贴等政策手段提高企业对产业链前端技术及设备研发的积极性，强化全链条各环节技术协同发展，推动实现技术产业化。

致谢本研究得到了中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所姚宗路研究员在秸秆能源化利用领域技术分解、国内外技术发展差异分析及发展现状等方面的专业指导，在此表示感谢。

数据可用性声明

支撑本研究的科学数据已在中国科学院科学数据银行（Science Data Bank）ScienceDB平台公开发布，访问地址为https：／／www.doi.org／10.57760／sciencedb.j00053.00023或http：／／resolve.pid21.cn／31253.11.sciencedb.j00053.00023。

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