基于专利数据的天然气综合能源利用技术分析.pdf

中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-36-专利分析天然气综合能源利用技术是指在一定区域内，利用先进的物理信息技术和创新管理模式，以天然气为主，整合区域内其他多种可再生能源，实现多种能源之间的协调规划、优化运行和互补互济；在满足用能需求的前提下，有效地提升能源利用效率，优化能源结构，促进能源可持续发展，实现碳达峰、碳中和的双碳目标。概述天然气作为低碳清洁能源，已成为实现“双碳”目标的重要抓手。2020 年 9 月，我国向世界承诺，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。为了实现“双碳”目标，需要持续控制能源消费中的碳排放。为了控制碳排放，一种方式是节能，提高能源的利用效率，比如提高天然气的利用效率，常见的方式有冷热电联产和回收天然气运输中的压力能；另一种方式，提高清洁能源的占比，比如促进天然气与清洁能源融合发展以及天然气制取氢气等，这些都属于天然气综合能源的利用方式。基于前述分析，本文以专利为视角，检索并分析了全球范围内有关天然气综合能源利用相关技术的专利情况，明确了我国在该技术领域的现状，以期为我国节能减排和能源结构调整提供参考。技术分支与检索目前天然气综合能源利用主要包括天然气冷热电联产、可再生能源耦合、压力能回收以及天然气制氢。其中天然气冷热电联产、压力能回收技术发展较为成熟，涉及的技术分支较少，相关专利申请占比也较少，占比为 38%；而可再生能源耦合、天然气制氢一直处于研究的热点，涉及的技术分支多，相关专利申请占比较大，占比为 62%，因为可再生能源、氢能都属于清洁能源，储量大、分布广且对环境无污染，加之近些年各国双碳政策的加持，未来将会有更多的技术突破，也是人类战略能源的发展方向。各分支具体定义如下。天然气冷热电联产定义：天然气为主要燃料带动燃气轮机等发电设备运行发电，余热回收装置回收系统发电后排出的余热用于供冷和供热的相关技术，实现能源梯级利用，还可以提供并网电力行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度基于专利数据的天然气综合能源利用技术分析曹 勇 唐文俊曹 勇1 唐文俊2（等同第一作者）1.重庆金山医疗机器人有限公司2.国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心曹勇（1989），硕士研究生，主要研究方向：车辆领域发明专利实质审查、企业专利挖掘与布局等。唐文俊（1986），硕士研究生，主要研究方向：大数据、人工智能领域，从事大数据、人工智能发明专利申请实质审查工作。-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期专利分析作为能源互补。可再生能源耦合定义：将天然气与其他可再生能源进行耦合供能，实现多种能源之间的协调规划、优化运行和互补互济的相关技术。压力能回收定义：根据天然气的压力波动大的特点进行压力能的回收再利用的相关技术。天然气制氢定义：以天然气为主要原料，采用相关工艺设备制备氢气。选择 incoPat 为检索数据库，检索截止日期为 2022 年10 月，采用分总的检索方式，通分类号结合关键词进行检索，并对检索结果进行去噪和简单同族合并，即在不同国家同族申请记为一项。具体技术分支及文献占比见图 1。数据处理与分析技术原创国分析天然气冷热电联产技术相关专利申请的技术原创国排名前十的是中国、俄罗斯、美国、日本、韩国、苏联、法国、德国、英国以及乌克兰；排在前三的国家也是全球天然气储量大国和天然气需求大国；中国将天然气作为居民用户的基本能源之一，对于提高天然气利用效率，降低碳排放进行了大量的研究，相图 1 天然气综合能源利用技术各分支申请量占比图 2 各技术原创国在天然气冷热电联产技术领域的累计申请量（19602022 年）图 3 各技术原创国在可再生能源耦合技术领域的累计申请量（19602022 年）图 4 各技术原创国在压力能回收技术领域的累计申请量（19602022 年）图 5 各技术原创国在天然气制氢技术领域的累计申请量（19602022 年）应地中国的申请人在本国进行了大量的相关专利布局。可再生能源耦合技术相关专利申请的技术原创国排名前十的是中国、美国、韩国、俄罗斯、德国、沙特阿拉伯、日本、乌克兰、巴西以及英国；天然气与其他可再生能源进行耦合功能，可以实现不同形式能源之间的互补互济，也可以进一步降低全球的碳排放。中国一直致力于降低碳排放，大力发展太阳能、风能等新能源技术，中国申请人在可再生能源耦合技术的相关专利申请走在世界前列。天然气压力能回收技术相关专利申请的技术原创国排名前十的是中国、俄罗斯、美国、日本、加拿大、韩国、沙特阿拉伯、比利时、瑞士以及德国；天然气压力能主要来源于中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-38-专利分析从开采地到城镇场站这一段的管道运输距离，中国建有完善的天然气管道网络，相关压力能是比较丰富的，也对相关技术进行了大量研究并申请专利布局。天然气制氢技术相关专利申请的技术原创国排名前十的是中国、美国、日本、韩国、德国、俄罗斯、英国、法国、加拿大以及印度；在排名前三的国家中，都有意愿大力发展氢能，尤其是日本，新能源车技术更是押注在氢能源汽车上，那么对于氢能获取，日本投入了大量人力和财力进行研究。中国和美国作为全球前二的经济体，对于清洁的氢能也是势在必得，如何从天然气中通过安全且低成本技术获取氢能也一直进行相关研发，也形成了较多研究成果。全球专利申请趋势分析冷热电联产技术的相关专利申请在 2000 年前的申请量较少，技术处于萌芽阶段，20002018 年之间，专利申请量保持较快增长，在 2018 年达到顶峰；随后，在相关技术成熟后，专利申请量出现较快回落。新能源技术是最近十几年全球重点发展的技术，太阳能、风能作为主要的可再生能源，将可再生能源与低碳的天然气进行耦合供能，在 2009 年之前，全球相关专利申请较少；在 2009 年之后，随着全球共同的碳达峰、碳中和的目标，全球相关专利申请出现了爆发式增长，现在仍然处于增长期。在 2012 年之前，天然气压力能回收技术的相关专利是比较少的，可能出于管网建设不丰富，环境复杂，压力能回收困难所致。在 2012 年，能源利用效率的提升，压力能回收技术的攻克，在压力能回收技术出现了爆发式增长，到图 6 天然气冷热电联产技术的全球专利申请趋势（19602022 年）图 7 可再生能源耦合技术的全球专利申请趋势（19602022 年）图 8 压力能回收技术的全球专利申请趋势（19602022 年）图 10 天然气冷热电联产技术的全球主要申请人排名（19602022 年）图 9 天然气制氢技术的全球专利申请趋势（19602022 年）2016年申请量达到顶峰，2016年后，相关专利申请出现回落。在 1998 之前，天然气制氢技术发展缓慢，相关专利申请量较少。在 1998 年后，全球天然气制氢技术的专利申请量出现较快增长，目前仍是增长期。全球重点申请人分析冷热电联产技术的全球主要专利申请人排前三的是华南理工大学、华电集团和深圳燃气，其中深圳燃气是区域城镇天然气供应的头部企业，可见在天然气冷热电联产技术的相关研发投入是比较大的，并通过专利申请对所取得的研发成-39-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期专利分析图 11 可再生能源耦合技术的全球主要申请人排名（19602022 年）果进行保护；在国外专利申请人中，相关技术走在前列的是埃克森美孚、大阪燃气和沙特阿美。可再生能源耦合技术的全球主要专利申请人排名前三的中国华能集团、国家电网和华北电大，国外在相关技术走在前列的是法赫德国王石油与矿业大学。全球主要专利申请人主要为高校科研院所，也说明可再生能源耦合技术处于一个科研阶段，相关技术转化应用还比较少，也是全球的研究重点和难点。压力能回收技术全球专利申请人排名前三的是大连理工大学、新地能源工程技术有限公司、新奥燃气，且全球主要图 12 压力能回收技术的全球主要申请人排名（19602022 年）图 13 天然气制氢技术的全球主要申请人排名（19602022 年）申请人的类别集中在天然气开采、运输和供应相关公司，相应公司都有管网建设能力，更能够在天然气运输中发现天然气压力变化大的特点，进行压力能回收技术的研发，从而申请专利进行保护。天然气制氢技术的全球主要申请人集中在能源企业，国外申请人占比大。中国的中海油、中石化排在第二、第三，韩国的三星暂时排在第一，高校科研院所也纷纷加入其中进行研究，竞争异常激烈，并没有哪一家企业处于绝对的领先优势，可见在天然气制氢技术上还有更长的路要走，还需要更多的研究去攻克一个个难题。技术构成分析天然气冷热电联产技术核心在于利用天然气的热能发电、供冷和供热，供冷热是天然气最常规的使用方式，相应图 14 天然气冷热电联产技术构成图 15 天然气与可再生能源耦合技术构成图 16 压力能回收技术构成中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-40-专利分析地在制冷、加热设备或系统、热泵系统方面的专利申请量较大，其次是与发电技术相关的蒸汽机装置、燃气轮机、汽轮机、变容式发动机、供电配电等方面的专利申请。可再生能源耦合技术中专利申请量最大的技术构成是基于行政、商业、金融、管理、监督或预测目的的数据处理系统或方法，上述系统或方法的核心内容是通过行政管理、信息技术、数据预测模型、商业模式等方式实现多种形式能源的最优化利用，提高能源利用效率，满足用户供能需求。天然气压力能主要集中在高压天然气管道中，相应地压力能回收技术构成中有关管道、管路技术的专利申请量最大，其次是与发电相关的蒸汽机装置、非变容式发动机、活塞式发动机技术的专利申请，也符合压力能最常用的回收方式发电，还包括于压力能进行气体净化、液化相关的液化、固化、图 17 天然气制氢技术构成分离、贮气罐技术的专利申请。天然气制氢通过物理或化学的方法制备氢气，相应地在天然气制氢技术构成中有关化学或物理的方法以及非金属元素、化合物的制备的专利申请量最大，制备的氢气可用于转化为电能或者储存起来，因而技术构成中还包括用于直接转变化学能为电能的方法或装置、分离、贮气罐等技术的专利申请。结语根据技术原创国分析，我国在天然气综合能源利用的各技术分支的专利技术储备量遥遥领先其他各国，反映出我国为实现双碳目标的决心和努力。根据申请趋势分析，在提高天然气利用效率相关技术的专利申请量在到达顶峰后均出现回落，而天然气与可再生能源耦合技术、天然气制氢技术的专利申请一直保持增长态势，反映出全球都在致力于清洁能源的研究与应用，也是全球能源结构调整的方向，尤其是氢能，若能够通过低成本的方式制取并存储，有望实现能源结构的重大调整。根据全球重点申请人分析，我国在天然气冷热电联产技术、压力能回收技术、可再生能源耦合技术上都有一定优势，但是天然气制氢技术上韩国的三星集团全球领先。根据技术构成分析，各分支专利申请的技术分布与其定义基本相符，比如天然气制氢技术相关的专利申请主要为通过物理或化学的方法制取氢气。根据前面分析结果，为了实现双碳目标，一是我国应该进一步加强天然气与可再生能源耦合技术、天然气制氢技术相关的研究与应用，尤其是天然气制氢相关的核心技术，缩小与其他能源强国的差距。二是增强国内科研院所、能源开采企业、能源运营企业三者之间的合作，打破垄断壁垒，发挥各自的优势，以进一步提升能源利用效率，调整能源结构。