專利視角下中國CCUS技術(shù)研究進展與展望

◆王 宏 魏山森 王苛宇 王賀誼 吳 鵬

國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會上提出中國要在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和目標，CCUS技術(shù)作為碳中和關(guān)鍵減排技術(shù)手段之一，被認為是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵手段。因此，針對CCUS技術(shù)國內(nèi)外學者開始關(guān)注這一領(lǐng)域發(fā)展。目前，我國學者對于該技術(shù)的研究主要集中在CCUS技術(shù)的發(fā)展進程及方向、CCUS技術(shù)全球發(fā)展對中國的啟示等幾個方面。米劍鋒、馬曉芳指出我國CCUS技術(shù)的發(fā)展趨勢和目標，并詳細論證了其在我國發(fā)展面對的各種挑戰(zhàn)[1]；姜睿梳理了國內(nèi)外CCUS項目現(xiàn)狀和有關(guān)政策，并對我國發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)給出了建議[2]；吳何來等人總結(jié)梳理近年來國外主要發(fā)達經(jīng)濟體CCUS相關(guān)政策的發(fā)展情況，進而從國家、地方政府層面入手，系統(tǒng)整理我國CCUS的相關(guān)政策或規(guī)劃，結(jié)合試點示范項目的建設情況，分析發(fā)展中存在的不足并提出了建議[3]。

關(guān)于CCUS技術(shù)的文獻計量分析和專利技術(shù)分析，已經(jīng)有不少學者做了統(tǒng)計。申碩利用文獻計量方法對2000～2020年來自Web of Science數(shù)據(jù)庫中全球范圍內(nèi)的CCUS相關(guān)科學文獻進行了系統(tǒng)梳理與分析[4]；肖涵彬等人利用CiteSpace軟件對德溫特專利數(shù)據(jù)庫中全球范圍內(nèi)的CCUS技術(shù)專利進行計量分析[5]；但是目前卻沒有學者基于Web of Science對我國CCUS領(lǐng)域的技術(shù)專利進行計量分析。

基于此，本文通過整理并清洗德溫特全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫的CCUS技術(shù)專利，利用CiteSpace和VOSviewer對國內(nèi)近20余年在CCUS領(lǐng)域內(nèi)的專利技術(shù)進行量化分析，梳理該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及其發(fā)展規(guī)律，可以為后續(xù)學者研究提供相對客觀和有價值的參考。

一、研究方法與數(shù)據(jù)來源

（一）數(shù)據(jù)來源

本文以Web of Science（以下簡稱WOS）的德溫特專利數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovations Index，以下簡稱DII）作為數(shù)據(jù)來源。DII是由Thomson Derwent與Thomson ISI公司共同推出的專利信息數(shù)據(jù)庫，相較于其他國內(nèi)的專利數(shù)據(jù)庫，DII數(shù)據(jù)庫獨有的分類系統(tǒng)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后可以導入其他軟件進行深入的可視化共現(xiàn)分析，因此，本研究選擇DII作為數(shù)據(jù)來源。

為了保證其收集數(shù)據(jù)的完整性，本文在DII中分別以“碳捕集”，“碳利用”以及“碳封存”的技術(shù)領(lǐng)域作為檢索主題，分別進行三次檢索。檢索式分別為：TS=(“carbon capture*”or“carbon dioxide capture*”or“CO2capture*”or“capture*carbon”or“capture*carbon dioxide”or“capture*CO2”)；TS=(“carbon utiliz*”or“carbon dioxide utiliz*”or“CO2utiliz*”or“utiliz*carbon”or“utiliz*carbon dioxide”or“utiliz*CO2”)；TS=(“carbon storag*”or“carbon dioxide storag*”or“CO2storag*”or“storag*carbon”or“storag*carbon dioxide”or“storag*CO2”or“carbon sequestra*”or“carbon dioxide sequestra*”or“CO2sequestra*”or“sequestra*carbon”or“sequestra*carbon dioxide”or“sequestra*CO2”)。檢索時間范圍無限制，檢索時間為2022年5月23日。對專利權(quán)屬在中國的專利進行整理與分析，最終可得有關(guān)碳捕集技術(shù)專利438篇，碳利用專利285篇，碳儲存的專利570篇，總計1293篇。

（二）研究方法

將上文得到的1293條記錄導出，格式設置為純文本，記錄內(nèi)容選擇“全記錄”。通過Citespace對導出的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)清洗，最終得到996篇有效文獻，之后利用CiteSpace對其996篇有效文獻進行可視化分析，并根據(jù)文獻計量學知識體系進行分析和研究。其轉(zhuǎn)換后主要字段格式前后對照見表1。

表1 文獻轉(zhuǎn)換格式前后對照表

二、我國CCUS技術(shù)專利的數(shù)量與分布

（一）時間分布

本文通過CiteSpace對專利年發(fā)表量進行統(tǒng)計分析，得到其時間分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 專利年發(fā)表量統(tǒng)計

由圖1可知，中國CCUS專利技術(shù)的時間分布呈現(xiàn)整體上升趨勢。在2003年我國出現(xiàn)了首個CCUS技術(shù)專利，在2003～2006年期間，CCUS技術(shù)專利數(shù)量未出現(xiàn)明顯增長。直到2006年開始，該技術(shù)專利數(shù)量開始逐年遞增。特別在2016年，其專利數(shù)量增長率達到最高，約為74%。這一增長得益于我國開始大力推行新政策，例如在2016年，國務院發(fā)布《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》?？傮w而言，我國CCUS專利技術(shù)的數(shù)量呈上升趨勢，隨著雙碳目標的提出，未來我國在該領(lǐng)域的專利數(shù)量會不斷增加。

（二）空間分布

本文利用VOSviewer對其CCUS技術(shù)專利權(quán)人進行統(tǒng)計，整理出其擁有專利技術(shù)數(shù)量前十的專利權(quán)人，分別是東南大學、天津大學、華北電力大學、浙江大學、清華大學、大連理工大學、西安交通大學、華南理工大學、西南石油大學、北京科技大學（見表2）。根據(jù)表2可知，CCUS技術(shù)專利權(quán)人所在單位前十名均是我國知名高校，其中專利擁有量最多的是東南大學，其擁有的專利量為100項。本研究表明，以上分析與肖涵彬所得出的結(jié)論：CCUS技術(shù)專利在中國更多的是分布在高等教育機構(gòu)中完全吻合。

表2 我國專利擁有量前十的專利權(quán)人統(tǒng)計表

三、CCUS技術(shù)專利熱點分析

出現(xiàn)頻次越高的詞則代表著研究熱點，本文分別以德溫特分類代碼（DC）和德溫特手工代碼（MC）為中心節(jié)點繪制其共現(xiàn)圖譜，如圖2所示。

從圖2a可以看出，我國CCUS專利技術(shù)的德溫特分類代碼主要集中在兩塊，分別是E36（非金屬元素半金屬（Seu Teu Bu Si）及其化合物），J01（分離-包括蒸發(fā)、結(jié)晶、溶劑萃取、色譜、透析、滲透，包括干燥氣體和/或蒸汽，以及固體與氣體、液體和其他固體的分離。同位素分離過濾材料）。其德溫特代碼為E36的節(jié)點最大主要是因為進行碳捕集，碳利用和碳封存都離不開相關(guān)化學物質(zhì)，例如：將有機胺溶解在水中制備二氧化碳吸附劑進行碳捕集；基于碳捕獲能量回收和脫氮的污水處理系統(tǒng)等等。其德溫特代碼為J01的專利也主要為二氧化碳分離并捕集的技術(shù)，只不過其不僅包括利用化學元素捕集，還包括其它的一些捕集二氧化碳的方法。例如：將配體2-甲基咪唑和離子液體分散在甲醇溶液中，滴入六水合硝酸鋅中，引入離子液體，制備離子液體改性金屬有機骨架材料，用于捕獲二氧化碳；利用三室電滲析技術(shù)提純CO2等。表3為出現(xiàn)頻次前十的德溫特分類代碼，其包括利用計算機進行模擬的技術(shù)（T01）以及利用除化學元素以外的方式進行碳捕集，利用和儲存的方法（D16）。

從圖2b可以看出，除去E31-N05C（二氧化碳）之外，其他的節(jié)點出現(xiàn)頻次比較均勻。表4展示了其出現(xiàn)頻次前十的德溫特手工代碼。分析表3發(fā)現(xiàn)除了研究對象CO2的德溫特手工代碼之外，出現(xiàn)頻次最高的為J01-E02B（固體吸附劑處理廢氣的相關(guān)專利技術(shù)），出現(xiàn)頻次為62次。其次是E11-Q02C（其他類型的污水處理工藝或設備），出現(xiàn)頻次為53次。從其出現(xiàn)年份來看，我國對CCUS技術(shù)的關(guān)注及其專利技術(shù)的發(fā)明在2015年之前主要集中在對廢水污水的處理，在2015年之后才開始逐漸轉(zhuǎn)向?qū)U氣的處理，且其整體進度比世界上其他國家晚了幾年。

圖2 中國CCUS專利技術(shù)分類代碼（a）和手工代碼（b）共現(xiàn)圖

表3 分類代碼出現(xiàn)頻次前十統(tǒng)計表

表4 手工代碼出現(xiàn)頻次前十統(tǒng)計表

四、我國CCUS技術(shù)專利的前沿技術(shù)分析

（一）爆發(fā)詞分析

爆發(fā)詞是指在一定時間段頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞，通過對關(guān)鍵詞的分析，可以了解研究熱點隨時間的演變，進而分析近幾年研究趨勢。分別對我國CCUS專利技術(shù)的德溫特手工代碼進行突顯性可視化分析（見圖3）。

通過對圖3的觀察發(fā)現(xiàn)，可以將其分為三個階段。第一個階段為2010～2013年，在這段時間內(nèi)出現(xiàn)的爆發(fā)詞有E11-Q01A（化學凈化法），JO1-E（處理氣體或蒸汽）和E11-Q01B（物理凈化法），此時的熱點研究方向是碳捕集，專利熱點均為碳捕集技術(shù)，包括化學物質(zhì)碳捕集技術(shù)，物理碳捕集技術(shù)，和微生物碳捕集技術(shù)。

圖3 MC爆發(fā)詞統(tǒng)計

第二個階段為2014～2018年，在這一階段的專利技術(shù)爆發(fā)詞主要有：L03-H05（車輛相關(guān)技術(shù)），L03-A02B（非金屬導體-碳和石墨），J01-E02（廢氣處理），HO9-C（利用固體含碳材料生產(chǎn)爐煤氣、水煤氣和合成氣），D04-A01K2（氧化/曝氣與其他），Q73-T07（燃燒產(chǎn)物的處理和去除技術(shù)），此時的專利主要集中在實際利用中，例如將第一階段所研究的碳捕集技術(shù)應用到汽車相關(guān)技術(shù)上，或者將其專利應用到廢氣和燃燒產(chǎn)物的處理之中。

第三個階段為2018～2022年，在這一階段主要出現(xiàn)的爆發(fā)詞有：J01-E03（氣體分離），E11-W（環(huán)保發(fā)明（成分/應用））和Q75-T09（制冷、液化），此時的研究方向比較多樣，除日常生活中的環(huán)保發(fā)明進而減少碳排放，另外一種比較前沿的技術(shù)就是碳封存技術(shù)，將CO2分離并液化，并對其進行運輸和存儲。

（二）各領(lǐng)域技術(shù)專利的聚類分析

對碳捕集技術(shù)的438項專利進行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進行聚類分析，選擇其前8個聚類進行顯示，最終可得聚類圖如圖4a，其圖譜模塊度值Q=0.7135，有不錯的聚類效果。

對圖4a進行觀察，發(fā)現(xiàn)最大的聚類為“#0 composite absorber（復合吸附劑）”表明目前我國的碳捕集技術(shù)領(lǐng)域中利用化學物質(zhì)進行CO2捕捉的技術(shù)專利數(shù)量較多。此外，還有利用吸附性顆粒進行二氧化碳捕集的專利技術(shù)（#5 newcalclum-based absorbent particle（基于鈣元素的吸附粒子））。有不少專利在此理論基礎(chǔ)上發(fā)明了CO2捕集裝置。（#3 cartbon dioxide desorption device（二氧化碳脫附裝置））。

對碳利用技術(shù)的285項專利進行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進行聚類分析，選擇其前5個聚類進行顯示，最終可得其聚類圖如圖4b。其圖譜模塊度值Q=0.7938，聚類效果良好。

通過其聚類分析圖4b可以看出，在我國碳利用主要有三個方面，分別是制備碳納米材料（#0 carbon nano material），利用CO2作為空氣肥料，培養(yǎng)微生物（#4 culturing many cells),利用CO2發(fā)生一些化學反應進行酸性氣體處理。（#3 acid gas removal device）。

對碳存儲技術(shù)的570項專利進行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進行聚類分析，選擇其前8個聚類進行顯示，最終可得其聚類圖如圖4c。

對圖4c進行分析，我國碳存儲技術(shù)專利主要集中在碳存儲容器（#0 crystallization tank（結(jié)晶罐），#4 cartoon dioxide storage tank），碳運輸管道上（#6connecting pipe）以及對于CO2形態(tài)的轉(zhuǎn)變（#2solid cartoon）。例如最大的聚類crystallization tank（結(jié)晶罐)，其主要用于存儲結(jié)晶液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化碳。

圖4 中國CCUS中碳捕集（a）、碳利用（b）和碳存儲（c）專利技術(shù)聚類圖

圖5、圖6和圖7分別展示碳捕集，碳利用和碳存儲專利技術(shù)各個聚類的時間線。最上方為其專利技術(shù)出現(xiàn)的時間點。這三張圖能夠明顯的展示每個聚類的發(fā)展。

由圖5可知，最早出現(xiàn)的就是利用化學復合物進行二氧化碳吸附和捕集，這一技術(shù)為二氧化碳吸附劑技術(shù)提供了理論支持，并且在該理論支撐下，發(fā)明了很多CO2分離裝置。而在2018年出現(xiàn)的利用元素吸附粒子進行CO2捕捉的技術(shù)是目前比較新穎的專利技術(shù)，雖然其在近幾年不斷發(fā)展，但并沒有被廣泛參考和利用。

圖5 碳捕集專利技術(shù)聚類時間線圖

由圖6可知，發(fā)現(xiàn)對于CO2的利用最早開始2007年，此時主要通過利用碳化反應制備一些化學物質(zhì)，以及酸性氣體脫除。直到2013年左右，CO2才逐漸被應用到碳納米材料制作以及CO2作為空氣肥料培養(yǎng)微生物。從中可以看出，目前并沒有找到可以廣泛的利用CO2的專利技術(shù)。

圖6 碳利用專利技術(shù)聚類時間線圖

由圖7可知，其結(jié)晶罐的發(fā)明比較早，在2010年之前人們就開始研究存儲液態(tài)CO2以及結(jié)晶CO2存儲，并且找到比較好用的方法，直到2016年人們開始研究存儲超臨界CO2的方式，并且取得不錯的效果，而對于CO2運輸管道的研究也是在2016年開始。其分析結(jié)論與前文結(jié)論相符，直到2016年人們才開始重視CO2存儲與運輸。

圖7 碳存儲專利技術(shù)聚類時間線圖

五、結(jié)論與未來展望

（一）結(jié)論

本文基于CiteSpace對DII數(shù)據(jù)庫中專利權(quán)人所屬在中國的CCUS技術(shù)專利進行統(tǒng)計和可視化分析，最終得到以下結(jié)論：

①我國專利權(quán)人大多分布在高等院校，我國在CCUS領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)前十的機構(gòu)全部為高等院校。②我國CCUS專利技術(shù)起步相對較晚，其專利技術(shù)數(shù)量在2010年之后才開始穩(wěn)步增長。③在碳捕集，碳利用和碳存儲三個領(lǐng)域中，我國的碳存儲專利技術(shù)數(shù)量最多也較為成熟，而碳利用領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)數(shù)量最少，而且其技術(shù)研究尚不成熟，未得到廣泛應用。④在碳捕集領(lǐng)域中，利用鈣元素的吸附粒子進行CO2捕捉為新興技術(shù)；在碳利用領(lǐng)域中，制備碳納米材料，用CO2作為空氣肥料培育和利用微生物是近幾年興起的技術(shù)。而在碳存儲領(lǐng)域，目前其主要研究的是超臨界CO2罐存儲技術(shù)以及管道運輸技術(shù)。

（二）建議

CCUS技術(shù)已經(jīng)成為我國積極應對氣候變化，實現(xiàn)“雙碳”目標的重要戰(zhàn)略選擇?！笆晃濉彪A段以來，國家，地方發(fā)布了一系列政策，大力推動了我國CCUS技術(shù)的整體布局，促進了我國CCUS技術(shù)的發(fā)展[6]。然而，與美國等西方發(fā)達國家相比，我國CCUS技術(shù)的發(fā)展仍有很大差距?；诖?，根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗，提出以下幾點建議：①加快構(gòu)建并完善法律法規(guī)與相關(guān)標準體系建設；②加快制定并發(fā)布CCUS財稅激勵補貼政策：例如美國發(fā)布的45Q稅收抵免政策；③大力推動和鼓勵國內(nèi)外研究機構(gòu)進行合作與交流，促進我國CCUS技術(shù)的發(fā)展。

（三）未來展望

由于受到一些客觀因素的影響，本文存在一定的局限性。首先，在進行文獻計量分析時為了保證研究對象收集的質(zhì)量和完整性，本文僅對Web of Science數(shù)據(jù)庫中的德溫特數(shù)據(jù)庫進行檢索，這勢必會導致分析數(shù)據(jù)不夠全面。此外，盡管其數(shù)據(jù)來源比較客觀，但是由于個人對該領(lǐng)域的了解并沒有那么深入，所以對數(shù)據(jù)的解讀難免會有一些主觀傾向。

在我國提出CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和目標之后，國家對于實現(xiàn)碳中和的任務越來越重視，而CCUS技術(shù)作為實現(xiàn)碳中和目標的主要手段，必將引起越來越多學者的關(guān)注，在該領(lǐng)域的發(fā)文量及其專利技術(shù)極有可能會短時間內(nèi)快速增長。在接下來的研究中，首先要對多個數(shù)據(jù)庫進行整合，并且及時把新產(chǎn)生的文獻納入研究對象，使研究對象數(shù)據(jù)更全面，更準確。其次，作者本身也應該閱讀更多文獻，加強與該領(lǐng)域?qū)W者溝通交流，讓自己對該領(lǐng)域的認識更加全面深刻，最大可能消除其對數(shù)據(jù)解讀的主觀性。