◆王 宏 魏山森 王苛宇 王賀誼 吳 鵬
國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),CCUS技術(shù)作為碳中和關(guān)鍵減排技術(shù)手段之一,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵手段。因此,針對(duì)CCUS技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注這一領(lǐng)域發(fā)展。目前,我國(guó)學(xué)者對(duì)于該技術(shù)的研究主要集中在CCUS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程及方向、CCUS技術(shù)全球發(fā)展對(duì)中國(guó)的啟示等幾個(gè)方面。米劍鋒、馬曉芳指出我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和目標(biāo),并詳細(xì)論證了其在我國(guó)發(fā)展面對(duì)的各種挑戰(zhàn)[1];姜睿梳理了國(guó)內(nèi)外CCUS項(xiàng)目現(xiàn)狀和有關(guān)政策,并對(duì)我國(guó)發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)給出了建議[2];吳何來(lái)等人總結(jié)梳理近年來(lái)國(guó)外主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體CCUS相關(guān)政策的發(fā)展情況,進(jìn)而從國(guó)家、地方政府層面入手,系統(tǒng)整理我國(guó)CCUS的相關(guān)政策或規(guī)劃,結(jié)合試點(diǎn)示范項(xiàng)目的建設(shè)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(xiàn)計(jì)量分析和專利技術(shù)分析,已經(jīng)有不少學(xué)者做了統(tǒng)計(jì)。申碩利用文獻(xiàn)計(jì)量方法對(duì)2000~2020年來(lái)自Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中全球范圍內(nèi)的CCUS相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理與分析[4];肖涵彬等人利用CiteSpace軟件對(duì)德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)中全球范圍內(nèi)的CCUS技術(shù)專利進(jìn)行計(jì)量分析[5];但是目前卻沒有學(xué)者基于Web of Science對(duì)我國(guó)CCUS領(lǐng)域的技術(shù)專利進(jìn)行計(jì)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(kù)的CCUS技術(shù)專利,利用CiteSpace和VOSviewer對(duì)國(guó)內(nèi)近20余年在CCUS領(lǐng)域內(nèi)的專利技術(shù)進(jìn)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(xué)者研究提供相對(duì)客觀和有價(jià)值的參考。
本文以Web of Science(以下簡(jiǎn)稱WOS)的德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)(Derwent Innovations Index,以下簡(jiǎn)稱DII)作為數(shù)據(jù)來(lái)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(kù),相較于其他國(guó)內(nèi)的專利數(shù)據(jù)庫(kù),DII數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)有的分類系統(tǒng)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后可以導(dǎo)入其他軟件進(jìn)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(lái)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(jìn)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(shí)間范圍無(wú)限制,檢索時(shí)間為2022年5月23日。對(duì)專利權(quán)屬在中國(guó)的專利進(jìn)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(chǔ)存的專利570篇,總計(jì)1293篇。
將上文得到的1293條記錄導(dǎo)出,格式設(shè)置為純文本,記錄內(nèi)容選擇“全記錄”。通過Citespace對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)清洗,最終得到996篇有效文獻(xiàn),之后利用CiteSpace對(duì)其996篇有效文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析,并根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)知識(shí)體系進(jìn)行分析和研究。其轉(zhuǎn)換后主要字段格式前后對(duì)照見表1。
表1 文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換格式前后對(duì)照表
本文通過CiteSpace對(duì)專利年發(fā)表量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到其時(shí)間分布結(jié)果如圖1所示。
圖1 專利年發(fā)表量統(tǒng)計(jì)
由圖1可知,中國(guó)CCUS專利技術(shù)的時(shí)間分布呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。在2003年我國(guó)出現(xiàn)了首個(gè)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(zhǎng)。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(zhǎng)率達(dá)到最高,約為74%。這一增長(zhǎng)得益于我國(guó)開始大力推行新政策,例如在2016年,國(guó)務(wù)院發(fā)布《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》。總體而言,我國(guó)CCUS專利技術(shù)的數(shù)量呈上升趨勢(shì),隨著雙碳目標(biāo)的提出,未來(lái)我國(guó)在該領(lǐng)域的專利數(shù)量會(huì)不斷增加。
本文利用VOSviewer對(duì)其CCUS技術(shù)專利權(quán)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(xué)、天津大學(xué)、華北電力大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、西南石油大學(xué)、北京科技大學(xué)(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(guó)知名高校,其中專利擁有量最多的是東南大學(xué),其擁有的專利量為100項(xiàng)。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(guó)更多的是分布在高等教育機(jī)構(gòu)中完全吻合。
表2 我國(guó)專利擁有量前十的專利權(quán)人統(tǒng)計(jì)表
出現(xiàn)頻次越高的詞則代表著研究熱點(diǎn),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(diǎn)繪制其共現(xiàn)圖譜,如圖2所示。
從圖2a可以看出,我國(guó)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(diǎn)最大主要是因?yàn)檫M(jìn)行碳捕集,碳利用和碳封存都離不開相關(guān)化學(xué)物質(zhì),例如:將有機(jī)胺溶解在水中制備二氧化碳吸附劑進(jìn)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(xué)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(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的技術(shù)(T01)以及利用除化學(xué)元素以外的方式進(jìn)行碳捕集,利用和儲(chǔ)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(diǎn)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(duì)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(shè)備),出現(xiàn)頻次為53次。從其出現(xiàn)年份來(lái)看,我國(guó)對(duì)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(duì)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(jìn)度比世界上其他國(guó)家晚了幾年。
圖2 中國(guó)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(jì)表
表4 手工代碼出現(xiàn)頻次前十統(tǒng)計(jì)表
爆發(fā)詞是指在一定時(shí)間段頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞,通過對(duì)關(guān)鍵詞的分析,可以了解研究熱點(diǎn)隨時(shí)間的演變,進(jìn)而分析近幾年研究趨勢(shì)。分別對(duì)我國(guó)CCUS專利技術(shù)的德溫特手工代碼進(jìn)行突顯性可視化分析(見圖3)。
通過對(duì)圖3的觀察發(fā)現(xiàn),可以將其分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為2010~2013年,在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的爆發(fā)詞有E11-Q01A(化學(xué)凈化法),JO1-E(處理氣體或蒸汽)和E11-Q01B(物理凈化法),此時(shí)的熱點(diǎn)研究方向是碳捕集,專利熱點(diǎn)均為碳捕集技術(shù),包括化學(xué)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(jì)
第二個(gè)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(dǎo)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(shí)的專利主要集中在實(shí)際利用中,例如將第一階段所研究的碳捕集技術(shù)應(yīng)用到汽車相關(guān)技術(shù)上,或者將其專利應(yīng)用到廢氣和燃燒產(chǎn)物的處理之中。
第三個(gè)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(yīng)用))和Q75-T09(制冷、液化),此時(shí)的研究方向比較多樣,除日常生活中的環(huán)保發(fā)明進(jìn)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(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸和存儲(chǔ)。
對(duì)碳捕集技術(shù)的438項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析,繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析,選擇其前8個(gè)聚類進(jìn)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(cuò)的聚類效果。
對(duì)圖4a進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)最大的聚類為“#0 composite absorber(復(fù)合吸附劑)”表明目前我國(guó)的碳捕集技術(shù)領(lǐng)域中利用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)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(jìn)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(duì)碳利用技術(shù)的285項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析,繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析,選擇其前5個(gè)聚類進(jìn)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(guó)碳利用主要有三個(gè)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(xué)反應(yīng)進(jìn)行酸性氣體處理。(#3 acid gas removal device)。
對(duì)碳存儲(chǔ)技術(shù)的570項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析,繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析,選擇其前8個(gè)聚類進(jìn)行顯示,最終可得其聚類圖如圖4c。
對(duì)圖4c進(jìn)行分析,我國(guó)碳存儲(chǔ)技術(shù)專利主要集中在碳存儲(chǔ)容器(#0 crystallization tank(結(jié)晶罐),#4 cartoon dioxide storage tank),碳運(yùn)輸管道上(#6connecting pipe)以及對(duì)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(chǔ)結(jié)晶液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化碳。
圖4 中國(guó)CCUS中碳捕集(a)、碳利用(b)和碳存儲(chǔ)(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(chǔ)專利技術(shù)各個(gè)聚類的時(shí)間線。最上方為其專利技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。這三張圖能夠明顯的展示每個(gè)聚類的發(fā)展。
由圖5可知,最早出現(xiàn)的就是利用化學(xué)復(fù)合物進(jìn)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(jìn)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(shí)間線圖
由圖6可知,發(fā)現(xiàn)對(duì)于CO2的利用最早開始2007年,此時(shí)主要通過利用碳化反應(yīng)制備一些化學(xué)物質(zhì),以及酸性氣體脫除。直到2013年左右,CO2才逐漸被應(yīng)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(shí)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(chǔ)液態(tài)CO2以及結(jié)晶CO2存儲(chǔ),并且找到比較好用的方法,直到2016年人們開始研究存儲(chǔ)超臨界CO2的方式,并且取得不錯(cuò)的效果,而對(duì)于CO2運(yùn)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(chǔ)與運(yùn)輸。
圖7 碳存儲(chǔ)專利技術(shù)聚類時(shí)間線圖
本文基于CiteSpace對(duì)DII數(shù)據(jù)庫(kù)中專利權(quán)人所屬在中國(guó)的CCUS技術(shù)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和可視化分析,最終得到以下結(jié)論:
①我國(guó)專利權(quán)人大多分布在高等院校,我國(guó)在CCUS領(lǐng)域?qū)@麛?shù)前十的機(jī)構(gòu)全部為高等院校。②我國(guó)CCUS專利技術(shù)起步相對(duì)較晚,其專利技術(shù)數(shù)量在2010年之后才開始穩(wěn)步增長(zhǎng)。③在碳捕集,碳利用和碳存儲(chǔ)三個(gè)領(lǐng)域中,我國(guó)的碳存儲(chǔ)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(yīng)用。④在碳捕集領(lǐng)域中,利用鈣元素的吸附粒子進(jìn)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(chǔ)領(lǐng)域,目前其主要研究的是超臨界CO2罐存儲(chǔ)技術(shù)以及管道運(yùn)輸技術(shù)。
CCUS技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略選擇?!笆晃濉彪A段以來(lái),國(guó)家,地方發(fā)布了一系列政策,大力推動(dòng)了我國(guó)CCUS技術(shù)的整體布局,促進(jìn)了我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展[6]。然而,與美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展仍有很大差距?;诖耍鶕?jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),提出以下幾點(diǎn)建議:①加快構(gòu)建并完善法律法規(guī)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè);②加快制定并發(fā)布CCUS財(cái)稅激勵(lì)補(bǔ)貼政策:例如美國(guó)發(fā)布的45Q稅收抵免政策;③大力推動(dòng)和鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作與交流,促進(jìn)我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展。
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(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析時(shí)為了保證研究對(duì)象收集的質(zhì)量和完整性,本文僅對(duì)Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中的德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)不夠全面。此外,盡管其數(shù)據(jù)來(lái)源比較客觀,但是由于個(gè)人對(duì)該領(lǐng)域的了解并沒有那么深入,所以對(duì)數(shù)據(jù)的解讀難免會(huì)有一些主觀傾向。
在我國(guó)提出CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)之后,國(guó)家對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和的任務(wù)越來(lái)越重視,而CCUS技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要手段,必將引起越來(lái)越多學(xué)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(huì)短時(shí)間內(nèi)快速增長(zhǎng)。在接下來(lái)的研究中,首先要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整合,并且及時(shí)把新產(chǎn)生的文獻(xiàn)納入研究對(duì)象,使研究對(duì)象數(shù)據(jù)更全面,更準(zhǔn)確。其次,作者本身也應(yīng)該閱讀更多文獻(xiàn),加強(qiáng)與該領(lǐng)域?qū)W者溝通交流,讓自己對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)更加全面深刻,最大可能消除其對(duì)數(shù)據(jù)解讀的主觀性。