2023年第4期｜我国固碳领域专利申请领先，关键核心技术仍需加强
- 文章来源： 国家知识产权局知识产权发展研究中心
- 2023/8/21 0:00:00
2023年第4期（总第25期）
减少温室气体排放、实现低碳发展已成为全球共同面临的问题。2021年，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，提出“加快绿色低碳科技革命”；国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，提出重点实施“绿色低碳科技创新行动”。在具体实践中，碳排放和碳固定是实现“双碳”目标的两个关键过程，其中，碳固定（固碳）主要通过自然固定和人为固定的方式，实现二氧化碳（CO2）的捕集、利用与封存，是抵消碳排放的重要解决方案，是实现双碳目标的重要技术手段。
为更好把握固碳领域技术发展态势，促进技术成果转化，围绕碳捕集、利用与封存（CCUS，下称“工业固碳”）和生物质能碳捕集与封存（BECCS，下称“生物固碳”）关键技术开展专利数据检索，研究分析发现：在工业固碳领域内，化学吸收技术是成熟度最高、市场占比最大的技术分支，CO2强化石油开采技术（CO2-EOR）在实现碳的地质利用与封存上具有较好的发展前景；在生物固碳领域内，其固碳机理具有较高复杂性和多变性，人工可干预程度较低，产业过程中运行成本较高，技术研发投入不足。
一、固碳领域专利申请基本情况
截至2022年9月，固碳领域内全球专利申请量12万件，其中，工业固碳（CCUS）领域专利申请量11.3万件，占比94.2%；生物固碳（BECCS）领域专利申请量0.7万件，占比5.8%。生物固碳领域技术研发尚处于起步阶段，在该领域内可进一步加大研发投入力度。在技术来源和技术布局方面，中国、美国、日本、德国、法国、韩国、荷兰、瑞士、加拿大和英国是全球排名前十的技术来源国，美国埃克森美孚、荷兰壳牌、法国液化空气、日本三菱重工、德国林德、美国空气化工产品、美国贝克休斯、美国通用电气、德国巴斯夫和中国石化是全球排名前十的专利申请人。
近年来，中国、美国、日本等国家相继出台一系列碳排放政策法规，不仅对该领域发展明确了主要任务和目标，还对技术研发进行了具体部署，促进了相关技术领域专利申请量的增加。例如，2016年，中国国家发展改革委、国家能源局印发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年）》，明确提出“CO2大规模、低能耗捕集”“CO2大规模资源化利用”“CO2的安全可靠的封存、监测及运输”3大战略方向，并重点指出突破低能耗捕集关键材料和工艺等12个对应技术研发方向。相继出台的《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》等也进一步明确了固碳领域低能耗、低成本的研发方向。截至2022年9月，中国固碳领域专利申请量2.9万件，占比24.2%，其中，工业固碳（CCUS）领域专利申请量2.5万件，占比22.1%；生物固碳（BECCS）领域专利申请量0.4万件，占比57.1%。
二、工业固碳（CCUS）领域技术发展情况
工业固碳（CCUS）是将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程，主要由碳捕集、碳输送和碳封存与利用3大技术构成。截至2022年9月，碳捕集技术专利申请量6.39万件，占比55.2%；碳输送技术专利申请量2752件，占比2.4%；碳封存与利用技术专利申请量4.9万件，占比42.4%。碳捕集和碳封存与利用的专利申请趋势整体较为一致，反映了碳捕集上游产业链与碳封存与利用下游产业链的相关性，尤其是下游产业链的发展促使捕集到的CO2产生经济效应，促进上游产业链的发展，形成闭环发展模式。
（一）碳捕集技术
化学吸收（2.0万件，占比31.3%）、化学吸附（1.4万件，占比21.9%）、膜分离（1.2万件，占比18.8%）是碳捕集技术的主要技术分支，其中，化学吸收技术是碳捕集技术中的关键核心技术，也是专利布局的热点技术分支，日本（2418件）、美国（1482件）、中国（1241件）是专利申请的主要国家。
在化学吸收技术分支下，日本三菱重工（1242件）是最主要的申请人，其研发的化学吸收剂主要以胺类吸收剂为主，尤其是2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）等低级烷基氨基链烷醇为代表的受阻胺。早期，其专利技术的研发方向主要以受阻胺作为吸收剂的主要成分，通过添加活化剂、缓蚀剂等改善吸收效率、再生性能及减小对设备的腐蚀；中后期，通过结合不同的有机胺，形成了两种或三种胺混合的体系，利用混合胺的优势，以减少胺的降解导致吸收溶液损失，防止性能劣化等。
中国石化（131件）是中国在化学吸收技术分支下专利申请量最多的企业，全球排名第11位，在混合胺、离子液体、碳酸盐类等主要研发方向上均有所布局，其研发的混合胺以常见的单胺，如单乙醇胺为基础，通过添加特定的脒类、聚酰胺—胺类树枝状化合物等活化剂来改善性能。单乙醇胺具有成本低、吸收好的优势，但再生能耗有待改善，可进一步加强活化剂的研发，降低吸收剂的再生能耗。同时，也可以加强新一代更低能耗吸收剂的研发投入，例如，可在两相吸收剂及其配套的设备和工艺研发上给予更多关注。
（二）碳封存和利用技术
化工利用（1.1万件，占比39%）、地质利用与封存（1.8万件，占比61%）是碳封存和利用技术的主要技术分支，其中，地质利用与封存是近年来的热点研发技术，美国（10259件）、中国（5782件）、加拿大（1392件）是专利申请的主要国家。
在地质利用与封存技术分支下，地质封存（8576件，47%）和强化石油开采（5284件，29%）等技术发展较快，两者整体申请量占比最多。特别是，CO2强化石油开采技术（CO2-EOR）属于重点研发技术，截至2021年，全球共有31个正在运行的商业化工业固碳（CCUS）项目，其中25个项目主要依靠CO2-EOR带来收入盈利。根据国家重点基础研究发展计划(973计划)“温室气体提高采收率的资源化利用及地下埋存”项目的分析，我国约有130亿吨原油地质储量适合CO2强化采油，可将采收率提高15%，增加石油可采储量19.2亿吨，同时，可封存47亿—55亿吨CO2。防腐技术是CO2-EOR技术的关键技术，缓蚀剂是防腐技术中的核心技术，其专利申请量为3667件，占防腐技术申请量的96.49%，技术研发主要集中在非常规油田应用场景，其中，耐高温、高压、高矿化度、深井等特定场景下使用及适应环保要求的缓释剂是重点研发方向。
三、生物固碳（BECCS）领域技术发展情况
在生物固碳（BECCS）领域，主要由生态系统固碳和藻类固碳2大技术构成，截至2022年9月，生态系统固碳技术专利申请量1704件，占比25%；藻类固碳技术专利申请量达5953件，占比75%，中国（3556件，占比60%）是专利申请的主要国家。生物固碳领域（BECCS）第一件专利于1916年申请，直到2011年出现大规模的专利申请，特别是，在2015年巴黎气候大会上通过《巴黎协定》后，进一步促进了专利申请量增长。从历年趋势来看，生物固碳（BECCS）领域相关技术研发时间较短，关键核心技术壁垒不高，技术研发还有较大空间，可积极抢占专利布局高地。
（一）生态系统固碳技术
海洋固碳（651件，占比33%）、土壤固碳（637件，占比32%）、湿地固碳（426件，占比22%）、森林固碳（267件，占比13%）是生态系统固碳的主要技术分支。从全球范围来看，中国是该领域最大的技术来源国，申请量占比达50%，国内创新主体以高校、科研院所为主，排名第一的为中国科学院，但相关技术仍处于基础研发阶段，企业参与度不够，产业化程度不高，可积极加大研发投入。
在海洋固碳技术分支下，生物泵专利申请量占比最高（473件，占比73%），是各国技术研发的重点。在土壤固碳技术分支下，土壤理化性质调节相关技术的研发起步最早，且专利申请量增长较快，是各国申请人始终重点关注的技术方向，其中，以施加土壤添加剂实现碳封存的相关技术是创新主体近期关注的热点方向。在湿地固碳技术分支下，研发方向主要涉及种植及管理措施、生态环境的构建与改造等方面，关键技术主要在于通过生态环境的构建与改造恢复湿地。在森林固碳技术分支下，种植与营林措施（144件，占比54%）相关技术是研发的主要方向。此外，随着全球碳排放的增加以及碳汇交易的发展，促进了固碳量评估及计算相关技术的发展且技术需求不断增加。
（二）藻类固碳技术
藻类培养（2615件，占比44%）、藻类应用（2441件，占比41%）、藻种（683件，占比11%）和藻类采收（214件，占比4%）是藻类固碳的主要技术分支，其中，藻类培养是藻类固碳技术中的重点研发技术，中国（1344件）、美国（337件）是专利申请的主要国家。我国藻类培养领域的专利申请总量前十的省份中，有6个为沿海省份，广东、江苏、浙江等省内关于养藻育藻的中小微企业以及海洋系院校，具有得天独厚的发展优势。
在藻类培养技术分支下，培养工艺是其关键技术（1033件，占比39.5%），技术研发主要集中在营养方式供给和培养方式优化等方面，致力于缩短藻类生长周期和提高藻类产品附加值。在藻类应用技术分支下，国外创新主体专注于生物燃料利用，在高附加值产品应用方面布局较少；我国创新主体更关注于藻类在污水处理方面的应用，研究方向有向医药等高附加值产品转移的趋势。在藻种技术分支下，技术研发主要集中在对藻种代谢途径和功能的诱导激活上，通过基因改造提高微藻固碳能力。此外，我国申请人以高校为主，产业化并不成熟，研究成果多集中在理论研究和实验室分析阶段。
四、对策建议
固碳领域产业链长、技术分布复杂，我国专利申请在数量上占据一定优势，但部分关键核心技术仍待突破。整体上可建立成本、效益和责任分担机制，在各环节及各企业部门间进行合理分配，强化行业部门协同、突破行业壁垒限制、促进知识产权整合，推动全产业链CCUS项目多产业有效协作及多产业链模式的建立。具体而言：
一是针对化学吸收技术国内尚处于工业示范阶段、国外已有商业应用的情况，建议政府部门探索开展财政资助科研项目的知识产权运营服务，通过专利申请、专利转让、许可利用等全流程服务促进科技成果转移转化。特别是，可进一步加强对混合胺中活化剂的研发，以及加强对新一代更低能耗吸收剂的研发投入，不断降低吸收剂的再生能耗。
二是针对CO2-EOR的商业化盈利现状以及我国相当可观的强化采油和CO2封存预期，可持续加强CO2-EOR技术创新研发投入和知识产权保护，特别是，在CO2-EOR的关键技术防腐技术方面，着重突破特定场景下使用及适应环保要求的缓蚀剂技术，更好适配国内外油田勘探开发的相应阶段。
三是针对生态系统固碳技术，要持续关注和加强对于固碳量评估及计算技术的研究，支撑推动生态系统固碳更好融入碳市场交易平台。建立财政资金支持和激励机制，设立导向型项目，促进产学研合作，扶持生态系统固碳企业参与者进行相关专利的产业化应用，引导企业参与碳汇交易，推动科技成果转化。
四是针对藻类固碳技术，加强对如何提高藻类产品附加值的研究，进一步降低固碳成本，同时，可对藻类在污染治理、抵御全球变暖等有巨大发展前景的领域持续给予关注。特别是，沿海省份要充分运用地理位置优势，为藻类培养企业和科研院所提供积极的政策支持，开辟藻类固碳产业各项审批的“绿色通道”，促进产业发展。
研究成果来源于国家知识产权局2022年绿色技术新一代固碳领域的专利分析和预警课题报告。
承担单位：国家知识产权局知识产权发展研究中心
国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心
执笔人：王瑞阳、李冬、赵利鹏、裴雪菲、张艳稳、杨帆