苏敬勤,刁 磊
(大连理工大学管理学院,辽宁 大连 116024)
基于专利地图的生物质能技术发展趋势及对策研究
苏敬勤,刁 磊
(大连理工大学管理学院,辽宁 大连 116024)
专利是衡量技术创新的重要指标。本文通过对生物质能领域专利数据的检索分析,绘制了国内外生物质能专利地图,对比得到国内外生物质能技术研发广度与深度上的差距,从中总结出生物质能技术研发过程中存在的主要问题,最后提出促进我国生物质能技术创新的建议及对策。
专利地图;生物质能技术;技术创新
近年来,我国的能源形势越来越严峻,石油对外依存度不断攀升。与此同时,以煤为主的能源结构也给中国带来了日益严重的环境问题。在中国的能源消费结构中,煤炭消费量占一次能源消费总量的近70%。要真正实现节能、降耗、减污,必须尽快改变中国的燃料结构。因此,要积极发展各种可再生新能源。生物质能就是一种很有发展潜力的新型能源。生物质能又称“绿色能源”,是指太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油、天然气而居于世界能源总量第四位的能源。发展生物质能,既有利于实现能源多元化,缓解能源紧张,又有利于保护生态环境,减少温室气体排放。但作为清洁能源,其目前的利用率不到3%。因此,生物质能的发展在未来能源结构中具有举足轻重的地位。
正确把握全球生物质能热点技术,并立足我国的现状做出有效的对策,对于发展生物质能具有非常重要的战略意义。专利作为技术信息最有效的载体,包含了国际上最新、最全面的技术情报。与其他信息资源相比,专利信息具有公布快捷、内容新颖、范围广泛、述说详尽等优点。专利信息相比一般的技术刊物所提供的信息早5-6年。据世界知识产权组织(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。如果能够有效地利用专利信息,可以使企业研发工作平均缩短技术研发周期60%,节约科研经费 40%[1]。
目前关于生物质能的研究主要通过文献综述和在现状总结的基础上提出发展的策略,Wang jiuchen对中国生物质资源、产业发展以及政策环境分析的基础上提出了生物质能源的发展趋势[2]。Dai Lin通过对各种生物质资源和技术的现状概括分析的基础上,提出生物质能发展策略[3]。也有少量文章从定量或模型的角度来分析,侯茜以维普“中文科技期刊数据库”为数据源,检索2001—2007年期间被收录的有关生物质能研究方面的论文,通过对生物质发电、生物质成型燃料、生物质热解、生物质气化、燃料乙醇和生物柴油6个方面论文的发表年代、期刊、研究机构、研究主题的分布定量分析,从一个侧面反映了我国在高效转化利用生物质能方面的研究现状与发展趋势[4]。于平福运用SWOT-PEST相融合的分析法,总结出生物质能产业面临的形势和所处的地位,提出了相应的发展策略[5]。专利地图通过对专利情报收集、整理并以可视化的方式分析专利信息,有助于我们把握技术的研发方向和投入重点。本文将专利信息作为技术分析的主要载体,通过运用专利地图揭示国内外生物质能研究异同,为我国生物质产业的技术发展和生物质企业的研发方向的确定提供了一定的参考。
在专利情报的收集和整理方面,专利地图作为一种可视化的分析工具已经得到较为广泛的应用。所谓专利地图,是对专利文献中所包含的科技信息、法律信息进行加工剖析,将提炼出的数据以地图的形式绘制于图表中,反映蕴含在专利数据内丰富多样和错综复杂的情报[6]。专利地图将检索到的专利信息,经过搜集、筛选、加工、统计,以可视化的形式归入图表中,有助于更好的对专利信息进行分析,再加上定量和定性分析相结合,可以使得结果更具科学性,通过对专利地图的研究,得到可利用的技术水平、动态、发展趋势等情报,为产业的发展明确了技术创新的方向。
专利数据库是专利地图工具的一个重要组成部分,数据库选择是否合适将直接影响到专利地图制作的精度以及分析结果的可靠性。ISI Web of Knowledge系统的德温特创新专利索引(DII)包含了德温特世界专利索引数据库(DWPI)和德温特专利引文数据库(DPCI),是一款收录专利较为全面的数据库。Aureka信息平台提供专利检索服务,其数据范围包括美国专利(全文)、欧洲专利(全文)、PCT国际专利申请的著录项目、英国专利、德国专利、法国专利、日本专利(英文摘要)等,专利数据定期进行自动更新。同时软件对检索结果的同族专利自动去重,大大减少用户后期数据整理的时间。
在进行专利检索前我们应当明确专利地图的制作所需要解决的问题,对某一领域技术的了解才能帮助我们更好地分析专利地图,所以在此绘制专利地图之前,文献的调研是不可或缺的。在此基础上,我们使用Aureka软件对技术发展趋势、重点热点分布、区域分布和竞争对手优势等进行分析。本研究采用的专利数据库为美国专利(全文)、欧洲专利(全文)、PCT国际专利申请的著录项目、英国专利、德国专利、法国专利、日本专利。检索主体为生物质能,检索日期为2001年至今(专利数据于2010年6月采集),共检索出相关专利1543篇。由于专利申请人可能先后在不同国家就同一专利重复申请,所以我们在检索的基础上进行去重,结果得到共884篇专利。
通过绘制专利地图我们可以直观地看出生物质能技术重点和热点,从而揭示国际上在生物质能产业中,研发资金和力量主要投入哪些技术领域;近几年哪些技术领域的研发在持续升温,并成为主流、核心技术、产业技术热点的演变等。
图1是采用Aureka的智能数据挖掘技术绘制的生物质能专利地图,图中每个点代表一篇专利文献,内容相近的文献在图中的距离也相近。等高山脉表示为国际技术研发重点,其重要程度用颜色加以区分,由浅色、灰色到白色,依次增强。可以看到,生物质能领域国际上技术研发的重点是热解液化技术、生物质制氢技术、工程藻类法制生物柴油、纤维素制乙醇、二氧化碳转换为能源等。
在图1的基础上,进一步研究技术方向和热点。我们用黑灰白三种颜色的点分别代表不同的技术发展时期。白色表示发展早期(1992—2000年),灰色表示发展中期(2001—2004年),黑色表示发展近期(2005—2010年)。通过三种不同的颜色,我们在地图上可以发现,技术早期,在很多领域都有专利分布,但是专利申请量很少;技术中期,突然有大量的热解液化、气化炉、生物制氢和厌氧消化相关的专利技术;近期主要集中在工程藻类法制生物柴油、纤维素制乙醇、二氧化碳转换为能源等。
通过ISI Web of Knowledge系统的德温特创新专利索引(DII)检索中国关于生物质能的专利,DII包含了德温特世界专利索引数据库(DWPI)和德温特专利引文数据库(DPCI),是目前最优秀的专利数据库之一,同时也是目前国际上检索费用最昂贵的数据库。从检索出的2001—2010年生物质能的专利中筛选出在中国公布的专利,将这585条专利导入Aureka分析软件,绘制出的专利地图如图2所示。
通过分析地图发现中国研究热点、重点和世界上存在一定的差别。中国专利主要集中在生物质直接燃烧的技术和设备(气化炉)和生物质固体成型技术。从技术成熟性上看,目前我国生物质气化发电技术处于国际先进水平。生物质压块成型技术已走向成熟,将成为开拓生物质固体燃料利用领域必要的手段。其余重点技术包括沼气技术(主要在太阳能沼气罐技术方面)、生物质发酵生产有机物、热解技术、生物质催化制氢技术方面。
通过使用Aureka绘制的全球生物质能专利地图以及DII数据库搜集到的中国生物质能专利所绘制的专利地图进行对比分析,可以看出,我国生物质能技术的发展存在诸多问题,相比国外发达国家主要差距体现在以下几个方面:
(1)生物质能发电技术起步较晚,核心技术发展情况与国际上还存在较大的差距。我国生物质能企业知识产权意识薄弱,国产化程度较低,特别是核心技术的占有率过低,甚至不能与我国生物质能市场的发展态势相适应。
(2)从生物质能专利结构来看,我国生物质能技术专利分布范围较窄,产业技术分工不够精细。国外生物质能专利涉及到生物质各个方面,不仅包括热解液化、生物质气化和生物质固化的技术,而且对某些领域,包括工程藻类法制生物柴油、纤维素制乙醇等研究相当深入;不仅包括生物质发电相关的专利,还有电场建设等衍生领域的专利。而我国的专利申请则局限于直接燃烧的技术和设备(气化炉)和生物质固体成型技术等有限的方面,无论是研究的深入程度还是研究的广度,都不及国外。
(4)专利申请缺乏统一的组织管理,个人申请的专利占据了很大部分,而真正从事生物质能的企业仅为少数,且申请的专利以实用新型较多。这也从另一个层面上说明我国生物质能企业知识产权意识的薄弱,产业分工不够精细,且研发能力较弱。
(5)专利技术整体质量不高,研究成果产业化程度较低。我国生物质能专利类型结构中实用新型占了其中一部分,而技术含量高的是发明专利。我国生物质能企业申请专利,普遍存活期较短,此项说明,我国整体专利质量不高,掌握的核心专利技术有限。同时,由于我国生物质能专利的申请人中高校和科研机构占据了很大部分,企业申请的专利质量与数量都不尽如人意。这一现象造就了我国生物质能专利技术与生产结合程度较低,专利技术整体含金量较差。
由此我们可以看出,我国生物质产业的技术发展困难重重。国外技术发达企业对核心技术构筑了很高的壁垒,其知识产权壁垒的精细程度与深入程度远远超出我们的想象。只有掌握市场发展所需的核心技术、把握市场发展的主流方向,才能在竞争中处于优势。
本文主要研究了基于专利地图的国内外生物质能专利分布现状。通过对比分析,明确了我国生物质专利核心领域的发展方向,为我国生物质产业的技术发展和生物质企业的研发方向的确定提供了一定的参考。虽然我国生物质能发展取得了长足的进步,某些方面甚至走在世界前列。但总的来说,目前我国生物质能转化利用技术水平还很低,欠缺产业化关键技术的研究。生物质能作为一种重要的可再生能源,其发展前景是非常广阔的。对于生物质能这种成本还不具备竞争力的产业,切合实际的刺激因素和有效的制度框架才能实现生物质能的长足发展。
加大技术研发力度是解决生物质能技术落后的根本。我国应根据生物质能的发展进程,选择有代表性的基础技术、应用技术、关键技术和前沿技术进行跟踪和研究,不断进行技术创新和超前技术储备。我国与发达国家在技术上存在巨大差距,需要引进与自主创新并举,提升我国的技术水平。通过比较国内外研究热点,同时结合我国国情,建议关注以下技术的研发力度。
(1)燃料乙醇是目前最受关注的有替代燃料之一。通过高新技术,筛选和改造生物质酵解的微生物种质,使五碳糖、木质素、纤维素等资源得以高效地转化为液体。其中纤维素发酵技术,是生物质能液化为乙醇的制高点,全世界都给予了高度的重视。由于前沿技术研发较为落后,我们可以把重点转移到生产工艺的创新研究上。例如,2007年美国能源部拨付了超过10亿美元用于开发生物质纤维素乙醇的研究[7],使纤维素乙醇的成本降低了60%。
(2)重视生物柴油的生物资源开发,特别是工程藻类法制取生物柴油。很多学者认为单细胞水生植物水藻将成为下一代主要生物质资源[8]。国际上关于这方面的研究正如火如荼地开展。虽然新奥集团将在内蒙古达旗建设微藻生态基地,2014年将正式产业化,但国内关于藻类制取生物柴油的专利还很少。
(3)国外研究机构对生物质热解液化进行了大量的试验研究,包括热解工艺类型、热解影响因素和反应器。目前,我国在生物质热解液化技术方面的研究尚处于起步阶段。需要加强生物质液化反应机理的研究,特别在高效反应器研发、液化产物精制以及工艺参数优化方面应加大研发力度[9]。
(4)各学科的渗透使生物质气化技术发展到新的高度。虽然我国已具备建设兆瓦级气化发电项目的能力,但技术上仍存在很多问题。应加大对焦油裂解技术的研究,彻底解决气化对水二次污染这一难题。并通过高新技术筛选和改造生物质气化过程中多种微生物发酵的协同作用,提高生物质气化的效率和效益。
(5)生物制氢技术研究已经引起科研人员的关注。必须加大新的制氢技术的研发。包括光解水制氢、光发酵制氢、暗发酵制氢以及光发酵和暗发酵耦合制氢。特别在有机物质厌氧发酵制氢或合成气、生物质热分解制氢、生物质超临界转化制氢等技术领域应予以关注。
我国针对生物质能的发展已经出台了一系列相关的法规和政策,但大多是知识框架性的政策法规[10]。因此必须建立健全生物质能的政策体系。在现行能源价格条件下,生物质能源产品缺乏市场竞争能力。生物质能源生产成本比化石燃料高,生物质发电约为煤电的1.5倍。成本上的障碍使得生物质能很难与常规能源在市场上抗衡。由于以粮食为原料的燃料乙醇发展潜力有限,为避免对粮食安全造成负面影响,国家对燃料乙醇的生产和销售采取了严格的管制,现行政策的限制导致很多企业和个人难以进入该行业。对于生物柴油的生产,国家还没有制定相关的政策,特别是还没有生物柴油的国家标准,例如生物柴油内燃机燃料B5标准迟迟没有颁布实施,B5生物柴油的混配、使用等工作尚难开展。而且生物柴油被列入了消费税的征收目录,和化石柴油一样每升生物柴油要交纳0.8元消费税。这使得企业成本增加利润摊薄。关于生物质能技术产品进口也没有低税率的关税优惠政策,在实际中只能参照其他可再生能源技术所享受的政策。此外,生物质资源的其它利用项目,例如燃烧发电、气化发电、大中型沼气工程项目等,初始投资高,需要稳定的投融资渠道给予支持,并通过优惠的投融资政策降低成本。目前缺乏行之有效的投融资机制,在一定程度上制约了生物质资源的开发利用。
美国制定的降低新能源及相关服务的成本和价格的经济激励政策值得我们借鉴,主要通过新能源配额制、系统效益收费、电网强制收购政策等措施着重培育和扩大新能源的市场需求。生物质能源的发展离不开政府在投融资、税收、补贴、市场开拓等一系列政策上的优惠。我国应制定相关的经济激励措施,包括有利于生物质能源发展的投资政策、税收政策、融资政策、配额制度、价格政策等,广泛吸收社会企业参与,以产业化促进规模化,提高生物质能在能源结构中的比重。
我国生物质能发展缺乏专业及复合型人才,生物质产业服务体系尚未形成。目前还没有建立起专业的生物质技术研发机构,生物质技术研发和管理人才严重不足。生物质产业既不是传统意义上的能源工业,又不是传统意义上的农业和农产品加工业,它是跨学科、跨部门、跨行业的一个新兴产业,许多技术尚处于初期发展阶段。必须要加强生物质能领域人才培养,高等院校应根据实际需求,在拓宽专业口径的基础上,扩大可再生能源专业人才培养规模。积极推进产学研合作教育,鼓励高校与企业开展合作办学,联合建设生物质能学科和专业。还可以通过技术交流,派技术人员和生物质能源利用企业去学习先进的生物质能技术,逐步建立生物质能源的人才培养和产业服务体系。
在加大热点技术研发力度的同时,有必要通过构建生物质能产业专利战略以促进我国生物质能产业的顺利发展。应该提高企业的专利意识,充分利用好专利文献和数据库,把专利和标准相结合。重视国外专利的申请,构建适合企业自身发展的专利战略。
一方面要建立完善的国内外专利数据库,及时全面地获取最新的国内外专利数据,通过专利把握技术发展趋势。由专利数据库的建设扩展到专利预警的发展,及时跟踪国内外技术热点动向,对重点技术的典型专利数据进行有目的、有计划地跟踪分析,实现热点预警。帮助企业行之有效地确定技术研发方向,了解技术发展趋势,避免由研究滞后与专利侵权事件带来的损失。国家应加大对具有竞争力的发明专利的开发、保护力度,提高发明专利产出量。形成以生物质能企业为主导,科研机构、高校及各类相关协会共同参与的整体专利申请机制,有效提高我国企业、科研机构等的专利申请量。另一方面要有效消化、引进国际先进技术,并加大自身技术研发力度,加深技术研究的精度与深度,拓宽技术视野范围,尽快研发出拥有自主知识产权的核心技术,并实现技术成果与生产的高效结合,形成完整的产业链。
综上所述,生物质能的健康发展离不开自有技术的发展,而技术的发展离不开知识产权的有效保护。我们只有在重视产业发展、技术进步的同时,做好我国的知识产权工作,才能看到我国生物质能产业的明天,并有效捍卫国家的能源安全。
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(责任编辑 胡琼静)
Development Trend and Countermeasures of Biomass Energy Technology based on Patent Map
Su Jingqin,Diao Lei
(School of Management,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)
Patent is an important indicator for technical innovation.By retrieving and analyzing patent data of biomass energy industry,this paper draws biomass energy patent maps,recognizes the gap between domestic and international technical research and development,generalizes main issues in the process of biomass energy technical research and development,and puts forward some advises and scientific countermeasures to promote technical innovation of biomass energy field in China.
patent map;biomass energy technology;technology innovation
TK6
A
国家软科学计划“大连建设国家清洁能源关键技术孵化和产业化示范城市研究”(2009GXS1D025)。
2010-07-10
苏敬勤(1961-),男,湖北武汉人,大连理工大学管理学院院长,教授,博士;研究方向:管理创新和技术管理。