生物质能是重要的可再生能源,具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点。生物质能-碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage,BECCS）是结合生物质能和碳捕集与封存（carbon capture and storage,CCS）技术以实现CO₂负排放的技术。2020年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的新版《全球升温1.5℃特别报告》^[1]中指出,BECCS为主的CO₂脱除技术（Carbon Dioxide Removal,CDR）是未来有望将全球碳排放稳定在低水平的关键技术。相关研究^[2]预测世界主要区域的BECCS将从2030年到2050年开始快速发展,到本世纪末,在生物质能利用中的比重超过50%,在实现全球升温2℃和1.5℃以及各区域实现净零排放路径中具有重要作用。我国生物质资源丰富,生物质能发展潜力巨大,BECCS技术将步入快速发展时期,帮助我国应对资源可持续利用、气候变化、能源安全等方面的挑战,促进“碳达峰、碳中和”目标的实现。

近年来,全球主要农业大国和工业化发达国家都在积极发展生物质能和BECCS技术。本研究从文献计量学角度,对BECCS相关的科学研究和技术开发的发展态势进行了分析总结。

为揭示BECCS相关科学研究发展态势,本节以Web of Science平台中的核心合集数据库为数据源,构建BECCS领域的主题词检索式,检索式为：TS=((Bio-based OR biobased OR biobase or bioenergy OR biofuel* OR biogas OR bioethanol OR "Ethanol Fuel" OR "fuel ethanol" OR "fuel alcohol" OR "Cellulosic Ethanol" OR biodiesel) AND ("carbon capture" OR "carbon storage" OR "carbon sequestration" OR "carbon usage" OR "carbon fixation" OR "zero carbon" OR zero-carbon OR "Negative carbon" OR "Carbon cycle" OR ((CO₂ OR carbon)NEAR/1(capture OR storage OR sequestrate* OR reduc* OR fix* OR assimilat* OR Conversion OR Convert*)))) OR TS=(BECCS),文献类型为Article和Review,检索日期为2021年9月6日,共检索到6 426篇文献。此外,本文利用DDA、VOSviewer、CiteSpace等工具对数据进行了清洗与可视化分析,挖掘BECCS研究发展态势。

1992年至今,全球共发表与BECCS领域相关的研究论文6 426篇,各年度发文量变化情况如图1所示（2021年论文数据尚不完整）。1992年至2006年期间,全球学者在此方面的研究较少,年度发文量在25篇以下。自2007年起,全球BECCS领域发文量整体呈增长趋势,2020年达到784篇,相当于2007年发文量的14.5倍。这表明,随着全球气候变暖问题的日益凸显,BECCS领域内的相关研究也逐渐受到广泛关注,研究成果数量稳步增长。

各个国家的发文量能够反映其研究实力与产出水平。由图2可知,BECCS领域发文量排名前10位的国家依次为美国、中国、印度、英国、德国、巴西、瑞典、意大利、西班牙和加拿大,TOP10国家发文量合计4 106篇,约占全球发文总量的63.90%。其中,美国和中国分别以18.71%和11.42%的发文量占比处于相对领先地位,在BECCS领域具有较高的科研实力,其他国家的发文量占比则均在10%以下。从年度发文量看,TOP10国家的年度发文量变化趋势与全球总发文量的年度变化趋势基本一致（图3）。其中,美国在2017年之前一直处于全球领先地位,发文量远超其他国家,同一时期中国的年发文量均位于第2位。2017年中国在BECCS领域的发文量超过美国,此后年发文量一直位列全球第一。

图4展示了BECCS领域TOP10国家发文量和篇均被引频次的相对位置分布情况,反映了各国在该领域的产出水平与产出影响力。可以看出,美国的发文量和篇均被引频次均高于平均值,位于第一象限,被引频次高达53.41;中国和印度位于发文量高于平均值、篇均被引频次低于平均值的第二象限,其产出影响力有待进一步提升;英国、德国、瑞典处于发文量低于平均值、篇均被引频次高于平均值的第四象限,其产出具有一定影响力,但产出数量不占优势;意大利、加拿大、西班牙、巴西的发文量和篇均被引频次均低于平均值,位于第三象限,与其他几个国家具有一定差距。

BECCS领域发文量排名前25位的国家合作网络如图5所示。可以发现,美国、中国、英国、德国、荷兰、澳大利亚具有较强的国际合作关系,分别与其他24个国家均有合作。其中,美国在开展国际合作方面最为积极,总连接强度为875;中国的主要合作国家为美国、英国、澳大利亚、日本和马来西亚,总连接强度为574;土耳其、墨西哥、波兰开展的国际合作相对较少。

从研究机构发文量来看（图6）,BECCS领域发文量排名前20位的研究机构主要由研究所、国家实验室和大学组成,其中来自美国和中国的研究机构数量最多,其次是英国、瑞典、巴西、荷兰、印度、丹麦和德国。中国科学院以185篇的发文量排名第1位,美国农业部农业研究局、伊利诺伊大学分别位列第2和第3位。其他优势研究机构还包括瑞典农业科学大学、丹麦技术大学、瑞典查尔姆斯理工大学、荷兰乌得勒支大学、印度理工学院以及美国加州大学伯克利分校和密歇根州立大学等,我国的清华大学也是该领域较为领先的研究机构。

BECCS领域发文量排名前35位的机构合作网络如图7所示。可以看出,美国的伊利诺伊大学、美国农业部农业研究局、加利福尼亚大学伯克利分校、马里兰大学、爱荷华州立大学以及中国的清华大学、中国科学院具有较强的合作能力。其中,中国科学院、清华大学等国内机构彼此之间具有一定的合作关系,并与国外许多机构也开展了广泛合作,分别与21家、20家机构具有合作关系。

对BECCS领域论文中的高频关键词进行共现与聚类分析,可详细观察该领域的研究热点与整体特征。本文利用VOSviewer对词频不低于20的524个关键词进行了可视化分析（图8）,从图中可以看出,生物质、生物能源、生物燃料、微藻、生物柴油、固碳、沼气、二氧化碳捕集、排放、生命周期评价等关键词出现频次较高,说明生物质的开发与应用、二氧化碳的捕集与封存、全球气候变化等相关主题受到了学者们的重点关注,且微藻利用、生物柴油和沼气利用等是BECCS领域中较为集中的研发热点。

此外,本文利用CiteSpace对1992年至今BECCS领域的发展情况进行了可视化分析,反映了该领域研究热点的演变过程与发展趋势,如图9所示。可以发现,森林、气候变化、碳封存、动力学、土地利用等关键词是1992—2011年之前的主要研究热点,而随着各国对BECCS领域的深入研究,沼气利用、技术经济分析、可再生能源、污水污泥、光生物反应器以及相关技术的性能优化等成为2012—2021年文献中的突现词,体现了BECCS领域从概念研究发展到技术开发的过程。从关键词聚类结果来看,高效沼气、车用燃料、公路运输、有机碳存储等是BECCS领域一直以来备受关注的方向,而微藻利用、水热碳化、管式光生物反应器则是近年来的新兴研究方向,反映出二氧化碳的运输与封存、生物质的热化学转化和生物化学转化是当前BECCS领域的研究重点。

为了观察BECCS领域技术开发的发展态势,本文以incoPat专利数据库为数据源分析了BECCS相关技术的发明专利,检索式为：TIAB=((Bio-based OR biobased OR biobase OR bioenergy OR biofuel* OR biogass OR bioethanol OR "Ethanol Fuel" OR "fuel ethanol" OR "fuel alcohol" OR "Cellulosic Ethanol" OR biodiesel OR 生物基 OR 生物质 OR 生物能源 OR 生物乙醇 OR 生物燃料 OR 生物气 OR 燃料乙醇 OR 纤维素乙醇) AND ("carbon capture" OR "carbon storage" OR "carbon sequestration" OR "carbon usage" OR "carbon fixation" OR "zero carbon" OR zero-carbon OR "Negative carbon" OR "Carbon cycle" OR 碳捕获 OR 碳捕集 OR 碳封存 OR 碳利用 OR 固碳 OR 碳固定 OR 零碳 OR 碳中和 OR 碳负性 OR 碳减排 OR 负碳 OR 碳循环 OR ((CO₂ OR carbon)(1N)(capture OR storage OR sequestrate* OR reduc* OR fix* OR assimilat* OR Conversion OR Convert*)))) OR TIAB=(BECCS)。检索日期为2021年9月6日,通过简单同族合并后共获得相关专利1 374项,并开展BECCS领域技术发展态势分析。

从全球BECCS领域专利申请量年度变化趋势来看,全球对BECCS领域的相关研究最早可以追溯到1974年,1974至2021年期间,全球共申请相关专利1 374项,且整体数量呈增长趋势（图10）。由图可知,1974—2004年,BECCS领域的相关专利申请量较少,年申请量均未超过10项;2005—2010年,随着人们对全球气候变暖问题的重视,温室气体减排技术与生物质开发利用技术发展迅速,相关专利申请呈快速增长趋势;2011年至今,BECCS相关技术的发展较为稳定,年度专利申请量均维持在100项左右。由于专利数据具有迟滞期,截至检索日,2020年与2021年的专利数据尚不完整。

图11展示了BECCS领域专利来源和专利受理国家/地区的分布情况。从图11-A可以看出,中国、美国、日本、韩国、德国等是BECCS领域专利申请量位居前列的国家。其中,中国的专利申请量为671项,占比达到49%,远远超过其他国家并占据该领域近一半的专利来源市场,具有强大的研发实力;美国拥有274项相关专利,占比为18%;日本专利数量为112项,占比为8%;其他国家/地区的专利申请量均不超过100项。专利受理国家/地区分布情况可以反映全球专利市场布局与专利保护情况,由图11-B可知,中国、美国、日本、韩国同样也是BECCS技术领域的主要专利受理市场,且中国的专利受理量占比为50%,TOP10国家/地区专利受理量占全球总量90%。

进一步对比分析BECCS领域专利受理和来源国家/地区矩阵（表1）,可以发现,中国、美国、日本、韩国主要在本国进行了相关专利的申请,并在其他各个国家/地区进行了相关专利的布局。同时,在这四个国家受理的专利中,除本土专利申请人之外,还有德国等其他国家/地区的专利申请人进行专利布局,是BECCS领域较为重视的四个市场。此外,世界知识产权组织（World Intellectual Property Organization,WIPO）和欧洲专利局（European Patent Office,EPO）也是各个国家/地区专利布局的重要选择,在其受理的专利中,来自美国和德国的专利数量最多。

由2002–2021年BECCS领域TOP10专利来源国家/地区的年度申请情况（图12）可知,中国的专利申请量整体呈增长趋势,且于2011年超过美国,同时明显领先于其他国家/地区,其在2019年专利申请量最多,为86项;近年来,美国、日本、韩国等其他国家/地区的专利申请量则呈波动态势,且近五年年度专利申请量均未超过20项,在BECCS领域的技术研发市场优势降低。

从技术分布情况看,各国家/地区在BECCS领域的研发重点和技术优势具有一定差异。由图13可以看出,中国在各个方向均进行了不同程度的技术布局,且在生物质气化、生物固碳等方面布局较多,例如C10J3（由固态含碳燃料通过包含氧气或水蒸气的部分氧化工艺制造含一氧化碳和氢气的气体,例如合成气或煤气）、C12R1（微生物）等,在C12N9（酶,如连接酶;酶原;其组合物;制备、活化、抑制、分离或纯化酶的方法）、B09B3（固体废物的破坏或将固体废物转变为有用或无害的东西）、C12P5（烃的制备）等方面布局较少,体现出在沼气、固体废物等生物质处理利用等方面的薄弱。美国的布局方向主要为生物质的生物化学转换,例如C12N1（微生物本身,如原生动物;及其组合物;繁殖、维持或保藏微生物或其组合物的方法;制备或分离含有一种微生物的组合物的方法;及其培养基)、C12P7（含氧有机化合物的制备）等。此外,日本、韩国的相关专利分别集中于B09B3、C12N1,但在C10B57（其他的炭化或炼焦工艺过程;一般的干馏工艺的特性）、C05G3（一种或多种肥料与无特殊肥效的添加剂组分的混合物）等方向的布局相对较少。

分析BECCS领域TOP10机构年度专利申请情况（图14）以及专利申请量与主要技术方向（表2）发现,TOP10机构的专利申请量仅占全球专利总量的10%,反映出该领域技术分布较为分散。TOP10机构主要由大学、企业和研究所组成,有7家来自中国,美国、日本、韩国各1家,且TOP5机构均来自中国。其中,中国石油化工股份有限公司专利数量为31项,排名第一,专利申请主要集中在2007–2018年,2014年和2016年出现了两次申请高峰,主要技术方向为藻类生物质的培养与应用、生物质热解气化;东南大学专利数量为16项,排名第二,专利申请主要集中在2014–2021年,近五年呈活跃状态,主要技术方向为生物质热解气化、碳捕集与固定;浙江大学专利数量为14项,排名第三,专利申请主要集中在2010–2020年,近五年同样呈活跃状态,主要技术方向为光生物反应器、生物固碳。

利用incoPat平台对BECCS领域的专利进行主题聚类（图15）,从图中可以看出,BECCS领域内的技术主题主要聚焦在生物质利用、二氧化碳的捕集与运输两个部分。其中,生物质利用的研究热点主要包括生物质燃料、生物质气化和液化、生物降解、生物质发电等。初步统计发现,2013年前后,BECCS领域的专利申请量大致相当,故对比BECCS领域2013年前后的专利技术热点,可以看出,1992–2012年之间的技术热点主要集中在碳排放、燃料运输、光生物反应器等方面,2013年至今的技术热点主要聚焦于生物炭、生物降解、生物质燃料等方面,与生物质转化利用、碳捕集等相关的技术研究开始兴起。

BECCS技术集成了可再生资源利用、清洁能源生产、二氧化碳减排等多项应用的技术要点和优势,在创造和增加负碳排放方面有着巨大潜力,近年来发展迅速,特别是在生物质高效转化利用、高值能源化学品开发、二氧化碳生物转化等前沿研究方向方面不断取得新的突破。本研究通过文献计量学研究可以发现,近年来,全球BECCS领域技术的科学研究和技术开发成果整体呈增长趋势,中国、美国是该领域领先优势较为明显的国家。在研究方面,生物燃料的生产与利用是当前的研究热点,具体包括微藻利用、生物柴油制备等;在技术开发方面,生物质转化利用、二氧化碳的捕集与运输是近年来技术开发的重点领域。未来,我国BECCS领域将迎来新的发展机遇,应进一步聚焦提升核心研究竞争力,创新开拓国际科技合作,加强先进负碳技术的开发与转化应用,助力推动我国科技强国建设战略实施和“碳中和、碳达峰”目标的达成。