基于专利数据的世界农林废弃物循环利用能源技术分析

李向辉, 金福兰*, 刘 玲

(1. 江苏省科学技术情报研究所， 江苏 南京 210042； 2. 江苏省科技发展战略研究院， 江苏 南京 210042)

·研究报告——生物质能源·

基于专利数据的世界农林废弃物循环利用能源技术分析

李向辉1,2, 金福兰1,2*, 刘 玲1,2

(1. 江苏省科学技术情报研究所， 江苏 南京 210042； 2. 江苏省科技发展战略研究院， 江苏 南京 210042)

以德温特世界专利索引中检索到的农林废弃物循环能源技术相关专利数据为基础，使用Thomson Innovation专利分析工具，通过计量统计、引证分析、可视化文本聚类等方法，揭示农林废弃物循环能源技术3大领域——气化技术、液化技术和燃烧技术的发展现状和趋势，以期为我国相关企业研发策略及宏观产业战略的制定提供参考。

农林废弃物；循环能源；气化技术；液化技术；燃烧技术；专利分析

生物质能源是我国最重要的可再生能源之一，其年均产出量能够占到能源总消耗的10%左右[1]。我国是农林业大国，农林废弃物是当前主要的生物质能源。据统计，我国年均各类农林废弃物产出约15亿吨，其中林业及木材加工废物的资源量相当于3亿吨标准煤，农作物秸秆的资源量相当于1.5亿吨标准煤。预计到2020年，我国农林废弃物产出将相当于11.65亿吨标准煤，可开发量约相当于8.3亿吨标准煤[2-3]。因此，循环利用农林废弃物资源，对于我国的环境保护、能源结构调整乃至经济发展转型都具有非常重要的意义。国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006～2020年)已将农林生物质综合利用技术列入优先发展的研究领域之一。农林废弃物循环再利用技术主要有3大应用方向：能源循环利用、农业栽培和工业再加工，其中能源循环利用是世界范围内的热点，也是我国政府政策扶持的重点。农林废弃物能源循环利用主要包括气化技术、液化技术和燃烧技术3大类。目前，我国在该领域已基本形成了完整的政策框架和激励机制，相关技术也取得了长足的进步。但和美国等发达国家相比还是存在着较大的差距，突出表现在产业化程度较低，企业创新能力较弱，最直观的表现就是核心专利数量不足[1,3]。因此，从专利信息的角度分析农林废弃物循环能源技术的特点和趋势，对于我国相关科技和产业领域的发展具有重要的指导意义。目前，尚无从专利分析这一角度来探索农林废弃物循环能源技术及市场发展特点的研究成果。相关研究中，有针对广义的生物质能概念，如：陈冠钦等[4]对生物质液体燃料技术国内外专利的总体申请趋势进行了分析；覃炳达等[5]对中国国内生物质固体成型燃料技术的专利申请趋势进行了分析。另有针对具体技术领域，如：段黎萍[6]基于专利信息分析，对比了世界范围和中国国内纤维素乙醇技术在主要竞争者、市场转化路径等方面的不同；马文君等[7]对纤维素乙醇技术进行了专利分析，解读了该技术在世界范围内的总体发展态势。和上述研究成果相比，本研究针对农林废弃物循环能源技术，以专利信息分析和专利地图为基础，对气化技术、液化技术、燃烧技术等3大领域内的专利从总体趋势、生命周期、主要竞争者、技术热点等角度开展分析，探索农林废弃物循环能源产业的技术创新特征和未来发展趋势，并且着重对比了中国和美国在这3大领域内专利布局的差异，以期为我国相关产业发展战略以及企业研发策略的制定提供参考。

1 数据源和分析方法

1.1 数据源

各国的专利数据来源于德温特世界专利索引(DWPI)数据库[8]。专利检索限定的公开时间范围为1980.01.01～2015.01.01。由于专利从申请至公开一般需要长达18～36个月的时间，因此2013～2015年的数据不能准确反映当年专利申请情况，仅作参考。

1.2 分析方法

专利分析工具采用Thomson Innovation(TI)在线分析工具[8]。运用计量统计、引证分析、可视化聚类等方法，分别对农林废弃物循环能源气化技术、液化技术和燃烧技术这3大领域在近35年间的专利申请趋势、区域实力、竞争机构以及核心专利进行统计和分析。专利法律状态查询主要采用美国专利商标局(USPTO)专利电子商务中心法律状态查询网站,以及欧洲专利局专利检索查询网站[9-10]。

2 分析与讨论

经数据检索和整理，共获得已公开的农林废弃物循环能源气化技术领域的专利(族)681件，液化技术领域的专利(族)761件，燃烧技术领域的专利(族)359件。

2.1 各国专利的对比分析

2.1.1 专利申请的年度变化 农林废弃物循环能源气化技术、液化技术和燃烧技术3大领域内专利申请的年度变化趋势见图1。由于专利有公开延迟的特点，图示中近3年(2012～2014)的申请量显著低于实际申请量，年度变化主要分析2012之前的数据。在

图1 农林废弃物循环能源3大领域的年度专利申请趋势

气化技术领域，技术发展在1980～1998年间处于萌芽期，专利申请量较低且波动不大；1999年之后，气化技术迎来一波持续的高速增长期，从年均申请量少于10件迅速增长到年均70件左右，年平均增长率达到43%。在液化技术领域，1980～2000年间为技术萌芽期，虽然在2001～2004年间专利申请量经历了较大波动，但总体呈现出快速增长的趋势，自2005年之后技术的发展非常迅猛，从年均申请10件左右增长至100件左右，年平均增长高达75%。同上述两大领域不同，燃烧技术领域的技术成熟度不高，专利申请量总体较低，技术发展的萌芽期也较为漫长(1980～2006年)，但自2007年起，技术发展明显提速，从年均申请量10件增长到30件左右，平均增长率达到40%，平均增长率和气化技术(43%)相当。考虑到燃烧技术起步较晚，因而预测今后该领域将有较大的发展潜力。

由上述分析可知，农林废弃物循环能源技术3大领域发展趋势共同点在于：均处于技术成长期；不同点在于：气化技术和液化技术的起步相对较早，也更早的进入快速发展期，技术发展相对成熟，而燃烧技术的起步较晚。相对于气化技术，液化技术近年来的发展更为迅速，已经成为农林废弃物循环能源技术的核心领域。燃烧技术虽然起步晚，但近年来平均增长率和气化技术相当，未来的成长趋势不容小视。

2.1.2 专利的区域分布 农林废弃物循环能源技术3大领域的专利申请遍布全球近30个国家和地区，要准确衡量各国/地区的技术实力，还需要借助专利最早优先权数量这一指标，该指标能够表征技术起源。表1所示为3大领域内专利最早优先权量排名前10位的国家或地区，以及各自的专利申请数量。

表1 农林废弃物循环能源3大领域专利最早优先权量排名前10位的国家/地区

首先，从专利最早优先权区域分布情况来看，美国在农林废弃物循环能源领域具备明显的技术优势，其最早优先权数量在气化和液化技术领域排名第一，在燃烧技术领域排名第二。在气化技术领域，美国的专利优先权量为214件，占到总量的31.4%，是中国(137件)和日本(77件)的总和。在液化技术领域，美国的优势更为明显，专利优先权量(346件)占到总量的45.5%，超过第二名中国(156件)的2倍，并且超过其他排名前10位国家的总和。仅在燃烧技术领域，美国的专利最早优先权量(65件)略少于中国(84件)，但仍占到接近总量的20%。在其他国家中，中国、日本属于第二梯队，尤其是中国，在全部3大技术领域内，专利优先权量和美国都较为接近甚至超过美国。另外德国、俄罗斯、法国也具备较强的实力。其次，结合专利申请情况来看，美国的专利申请量要远远低于其最早优先权量，表明美国专利权人更倾向于海外专利申请，暗示美国在农林废弃物能源循环领域的技术输出和境外布局较为活跃。反观中、日、德、俄、法的专利申请量和最早优先权量差距均不大，表明虽然这些国家的技术研发实力较强，但更关注于本国技术市场，倾向于本土专利布局的战略。

2.1.3 专利技术的主要竞争机构 在农林废弃物循环能源3大技术领域内，如以专利申请量作为竞争机构实力的评判标准，则3大领域内主要竞争机构之间的实力差距不大，说明当前农林废弃物能源循环领域还没有形成技术市场垄断的格局，竞争相对开放和自由。

在液化技术领域，排名前10位的竞争者分别为：美国Mascoma公司(29件)、美国希乐克(Xyleco)公司(16件)、美国英威达(Invista)公司(13件)、丹麦诺维信(Novozymes)公司(10件)、美国UOP公司(9件)、加拿大Iogen公司(8件)、中科院大连化学物理研究所(8件)、印度科学与工业研究理事会(8件)、美国农业部(7件)和美国Midwest研究公司(7件)。这10位竞争者共申请专利115件，占该领域专利总量的15.1%。该领域内竞争实力最强的机构是美国Mascoma公司，该公司以酶学工程技术见长。可以看出，领域排名前10位的竞争机构中，跨国公司占据了7席，且大多数为美国公司，一方面反映出该领域内企业已经成为创新的主体，技术成熟程度和市场化程度较高；另一方面则凸显出美国在该领域内的显著技术优势。

在气化技术领域，排名前10位的竞争者分别为：美国通用电气(GE)公司(17件)、洛阳骏腾能源科技公司(9件)、美国希乐克(Xyleco)公司(6件)、瑞士英力士(Ineos)公司(5件)、西班牙阿文戈亚生物能源(Abengoa Bioenergia)技术公司(5件)、英国石油(BP)公司(5件)、荏原(Ebara)株式会社(5件)、大阪瓦斯(Osaka Gas)株式会社(5件)、华中科技大学(5件)、华东科技大学(5件)。这10位竞争者共申请专利67件，占该领域总量的9.84%。同液化技术领域类似，气化技术排名前10位的竞争机构也以跨国企业为主，表明该领域也具备比较高的技术成熟度和市场化程度；但前10位中仅有两家美国企业，表明美国在该领域的竞争优势并没有在液化技术领域那样明显。值得注意的是，美国希乐克公司在液化技术和气化技术两个领域均位列前10，显示出强大的技术创新实力。此外，中国虽有3家机构位列气化技术领域前10，但仅有1家企业，说明中国在气化技术领域虽然具备一定的创新实力，但市场化程度仍有待提高。

在燃烧技术领域，排名前10位的竞争者分别为：Oike Tekkosho株式会社(5件)、苏州迪森生物能源(4件)、Elite Fuels公司(3件)、美国哈里伯顿(Halliburton)能源服务公司(3件)、陕西理工学院(3件)、中国农业部规划设计研究院(3件)、Bouldin公司(2件)、法国石油研究院(Inst Francais Du Petrole,2件)、先进等离子电源(Advanced Plasma Power)公司(2件)、DMS公司(2件)。这10位竞争者的专利基数均偏低，不足10件，且彼此间的差距不大，暗示该领域的总体技术成熟度不高。其中最为知名的是美国哈里伯顿公司，作为世界三大工业技术服务公司之一，哈里伯顿在该技术领域内的专利布局暗示该领域的未来前景值得看好。此外，在排名前10位的竞争机构中，中国机构数量最多，达到3家，这从侧面反映出中国在该领域内的领先优势；但和气化技术类似的是，这3家机构中仅有1家企业，说明中国在该领域内的市场化程度依然落后于技术进步的幅度。

2.1.4 核心专利分布 专利被引频次和引用频次是衡量专利价值的重要指标。表2列出了农林废弃物循环能源技术3大领域内被引频次排名前5的专利。可以看出，这些高被引专利的初始专利权人大多数为中小企业甚至个人而少有大型公司，更少见到上文中所列出的排名前10的竞争机构，这从另一个角度暗示：农林废弃物循环能源技术领域目前还未出现具有技术统治力的垄断企业，技术市场仍然处于自由竞争阶段。

气化技术领域，被引频次排名前两位的专利的引用频次也较高，前后引比例分别为1.23和2.47，表明这两项专利均为领域内的承接技术，其中US20080193989A1最初由美国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，目前这2项专利权均已转移至金融机构。后3项专利虽然被引频次略低，但大幅超过其引用频次，表明这3项专利属于领域内的先导技术。

液化技术领域，排名前5专利的被引频次都远远高于引用频次，均为领域内的先导技术。其中，US5821111A最早属于Bioengineering Resource公司，现专利权已被瑞士英力士(Ineos)公司收购；WO1995008648A1由美国Midwest研究公司申请，后专利权转移至美国能源部。

在燃烧技术领域，专利US20060096163A1虽然被引频次达到62，但引用频次也高达170，是一项典型的集成创新专利，该专利由美国Enertech Environmental公司申请，现属于SGC Advisors公司。DE3226798A1、US4531464A和EP249131A2均申请于20世纪80年代。US20070006526A1由美国New Energy公司于2005年申请，该专利被引频次23，引用频次为0，是一项典型的前沿先锋技术。

由表2对比看出，3大领域内绝大部分的核心专利由美国机构或个人持有，少量属于欧洲机构或个人，未见属于中国乃至亚洲竞争者的核心专利。这表明农林废弃物循环能源技术的核心创新能力集中于美国。从平均被引频次来看，液化技术高于气化技术，燃烧技术最低，这也印证了前文对于3大领域产业技术成熟度的分析结果，即液化技术的成熟度最高，而燃烧技术的发展最不成熟。

表2 农林废弃物循环能源3大领域中被引频次排名前5位专利

2.2 中美两国专利布局对比分析

如果仅以专利申请量或最早优先权量作为衡量指标，可以认为中国农林废弃物循环能源技术的实力仅次于美国，甚至在燃烧技术领域还处于领先。然而在核心专利拥有量方面，中国同美国的差距巨大。鉴于此，通过专利布局分析，研究中美两国技术的总体发展模式和技术分布特征，对于宏观产业战略将具有重要的指导意义。通过可视化文本聚类的方法绘制专利技术“地形图(landscape)”(图2)，比较中美两国专利在图中的分布特点。

2.2.1 气化技术 图2(a)所示为气化技术专利地形图。可以看出，美国专利的数量较多，分布也比较广泛，不仅涵盖了大部分所有的热点区域(山峰)，还分布在边缘冷门技术区域(谷底)以及未来具有潜力的技术区域(海洋)。其中美国专利布局的热点区域主要有5个：甲烷厌氧发酵工艺、甲烷厌氧发酵装置、甲烷产生菌种制备及改良、合成气制备技术、合成气发酵装置及菌种；此外在合成器产物发电技术、沼气储存输送及监控技术这两个边缘技术区域也有一定程度的布局。中国专利数量少于美国，分布更为集中，主要聚焦在原料制备工艺和设备、合成气催化装置及催化剂、生物质气化炉结构和部件这3个热点区域，其布局和美国专利重叠区域不多。而在热门技术区域“沼气发电、供热设备及工艺”，中美两国的专利布局力度都不强。在气化技术领域，美国在沼气(甲烷)发酵技术的布局力度很大，几乎完整覆盖了技术链上游的菌种改良、中游的厌氧发酵以及下游的储存运输，而在合成气及其液化技术中，美国更关注上游的合成气制备、中游的发酵液化以及下游的发电技术；中国在沼气(甲烷)发酵技术布局力度较低，而是以合成气技术为重点，布局重点在上游的生物质原料制备、气化设备以及中游的催化液化技术。

2.2.2 液化技术 图2(b)所示为液化技术专利地形图。同气化技术类似，美国专利在液化技术中的布局范围也较广，其中热点区域有5个：发酵原料碎料技术和设备、纤维素酶的基因工程改造、热解前原料加工工艺及设备、慢速热解技术、闪速热解技术，边缘冷门区域有3个：C7化合物合成、活性成分直接提取、杨氏梭菌酶的基因工程改造及发酵液化。中国专利布局主要集中于热解前原料加工工艺及设备、慢速热解技术、流化床热解技术及设备这3个热点区域，以及热解产物生物油的再加工、杨氏梭菌酶的基因工程改造及发酵液化这2个边缘区域，和美国专利存在2个热点区域和1个边缘区域的布局重叠。综合上述分析可以看出，在液化技术领域，美国在发酵液化技术的布局力度很高，专利完整覆盖了上游的发酵原料处理、活性成分直接提取，中游的纤维素酶改造以及下游的其他化合物(如C7)合成，在热解液化技术中，美国专利主要关注上游的热解原料加工、中游的闪速热解及慢速热解技术；相对地，中国在发酵液化技术的布局较少，而将重点落在热解液化技术，专利比较完整地覆盖了上游的热解原料加工、中游的流化床热解和慢速热解技术以及下游的热解产物生物油的再加工；此外，杨氏梭菌酶的基因工程改造及发酵液化属于间接液化技术，美国专利和中国专利都给予了一定程度的关注。

图2 中美两国在气化技术(a)、液化技术(b)和燃烧技术(c)领域的专利布局示意图

2.2.3 燃烧技术 图2(c)所示为燃烧技术专利地形图。中美两国在该领域内的专利量都较少，布局范围也较为狭窄，相互之间没有重叠。其中，美国专利布局集中在炭化成型技术以及下游的燃烧发电技术设备；中国专利布局则集中在热压成型技术以及下游的燃烧装置和设备。

由3大领域的对比分析可知，在气化技术和液化技术这2个领域内，美国专利在边缘冷门区域的布局力度更高，未来有可能在这些区域培育出新的技术增长热点，从而继续保持其技术引导者的地位，而中国则可能在相当长一段时间内处于技术追随者。从技术竞争的角度来看，中美两国在气化技术和燃烧技术领域的布局重叠不明显，技术发展各有所长，而在液化技术领域内重叠程度相对较高，预测两国机构在热解原料加工、慢速热解技术以及杨氏梭菌酶催化等技术环节会产生较为激烈的竞争，专利纠纷诉讼也会比较频繁，客观上将在一定程度阻碍中国企业的发展。在这种形势下，中国相关产业内企业需要及时制定专利战略，跟踪竞争机构的专利申请和研发动态，合理规避对手的专利陷阱，并且深入研究境外专利法律制度，注重积累专利诉讼经验，从而尽力保障自身的利益；从产业技术链的角度来看，美国专利更注重全局利益的攫取，即专利布局尽可能地涵盖技术链的上、中、下游，而中国专利布局的整体观念和全局意识不强，更多集中在产业技术链的中上游，缺乏纵向的突破延伸，这有可能是受到技术整体实力的掣肘。

3 结 论

本研究分析公开时间从1980年1月1至2015年1月1的农林废弃物循环能源技术专利(族)共计1801件，其中气化技术领域681件，液化技术领域761件，燃烧技术领域359件。

3.1 技术趋势方面，3大领域目前均处于技术成长期，气化技术和液化技术相对起步较早，而燃烧技术的成熟度最低；3大领域在未来一段时间内都将保持较快速增长的趋势，液化技术的上升趋势最为迅速，已成为农林废弃物循环能源技术发展的核心领域。

3.2 区域实力方面，从专利数量上看，在气化技术和液化技术领域，美国的优势明显，中国和日本属于第二集团；在燃烧技术领域，各国实力较为接近。专利质量上看，3大领域内重要核心专利主要掌握在美国竞争机构或个人手中，说明美国集中了该领域内的核心创新能力和资源。

3.3 竞争机构方面，当前农林废弃物循环能源技术领域内实力较强的企业有Mascoma公司、通用电气、希乐克公司等。虽然企业已经成为领域内技术创新的主体，但技术实力的分布较为平均和分散，缺乏具有统治力的垄断龙头企业，行业目前仍处于自由竞争的阶段。

3.4 中美专利布局对比方面，在气化技术和液化技术领域，美国作为技术引领者，其专利布局更为平均，中国作为技术追随者，布局相对集中。在气化技术和燃烧技术领域，中美专利布局重叠区域不多，但在液化技术领域，双方之间可能会存在较为激烈的竞争和专利纠纷。所以，在增强专利法律意识的同时，中国竞争机构还需要加强全局意识，在专利布局中注重产业技术链的纵向延伸，从而增强对市场竞争风险和利润的掌控能力。

[1]郑林用,黄小琴.我国农林废弃物生物质能利用技术研究进展[J].庆祝中国土壤学会成立60周年专刊，2005.

[2]胡兴涛,王文超,田原宇,等.农林废弃物的能源转化技术及研究进展[J].腐植酸,2008，(1):19-32.

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[7]马文君,王忠明,刘改萍.木质纤维素乙醇专利分析研究[J].绿色科技,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

李向辉(1985—)，男，江苏宿迁人，助理研究员，博士，主要从事知识产权战略方向研究工作

*通讯作者：金福兰，研究员，主要从事技术创新咨询和竞争情报方向研究工作;E-mail:jinfl@sti.js.cn。

TQ35

A

1673-5854(2015)02- 0032- 07