211service.com
Prisen på biobrændstoffer
Den irrationelle overflod over ethanol, der fejede gennem det amerikanske majsbælte i løbet af de sidste par år, har givet plads til et trist tømmermænd, især blandt dem, der investerede kraftigt i de vidtstrakte produktionsfaciliteter, der nu spreder landskabet i landskabet. Det er Midtvestens version af teknologiboblen, og på nogle måder er den bemærkelsesværdig velkendt: overivrige investorer, der er forelsket i en teknologis tilsyneladende ubegrænsede potentiale, ignorerer, hvad der i det mindste set i bakspejlet er åbenlyse økonomiske realiteter.
Mere end hundrede biobrændstoffabrikker, der hovedsageligt er samlet i de majsdyrkende stater Iowa, Minnesota, Illinois, Indiana, South Dakota og Nebraska, vil producere 6,4 milliarder gallons ethanol i år, og yderligere 74 faciliteter er under opførelse. For bare 18 måneder siden var de pengekøer, der væltede højprisethanol fra lavprismajs, vækkede håb om energiuafhængighed blandt politikere og fangede opmærksomhed – og penge – hos venturekapitalister fra både øst- og vestkysten.
Nu kæmper ethanolproducenterne, og mange taber penge. Prisen på en skæppe majs steg til rekordhøje niveauer i løbet af året og oversteg $4,00 sidste vinter, før den faldt tilbage til omkring $3,50 om sommeren, for derefter at stige dette efterår til næsten $4,00 igen. Samtidig styrtdykkede ethanolpriserne, da markedet for det alternative brændstof, der stadig primært bruges som tilsætningsstof til benzin, blev mættet. I lyset af disse to tendenser forsvandt overskudsgraden.
Ethanolmarkedets stilstand afspejler den forudsigelige boom-og-bust-cyklus for enhver råvare: høje priser driver øget produktion, og snart er markedet overudbudt, hvilket får priserne til at styrte. Men den storstilede brug af majs-afledt ethanol som transportbrændstof har alle sine egne økonomiske problemer. Selvom råolie er tæt på rekordpriser, og virksomheder, der bruger ethanol i deres benzin, modtager en føderal skattefradrag på 51 cents pr. gallon, kæmper ethanol for at konkurrere økonomisk. Og med begrænset infrastruktur på plads til at distribuere og sælge biobrændstoffet, vil efterspørgslen forblive usikker i en overskuelig fremtid.
For mere information læs Teknologigennemgang særberetning om biobrændstoffer .
Mere alarmerende er det, at boomet i ethanolproduktion driver prisen på fødevarer op. Af de rekordstore 93 millioner acres majs plantet i USA i 2007, gik omkring 20 procent til ethanol. Da det meste af resten bruges til at fodre dyr, er priserne på oksekød, mælk, fjerkræ og svinekød alle påvirket af stigninger i prisen på majs. Den internationale Organisation for Økonomisk Samarbejde og Udvikling (OECD) advarede for nylig om, at den hurtige vækst i biobrændstofindustrien kunne medføre grundlæggende ændringer på landbrugsmarkederne verden over og endda kunne forårsage fødevaremangel.
Alt dette kommer på et tidspunkt, hvor behovet for alternativer til petroleumsbaserede transportbrændstoffer bliver presserende. På pressetidspunktet var prisen på råolie tæt på $90 pr. tønde. Og bekymringerne om virkningen af drivhusgasemissioner fra de omkring 142 milliarder gallons benzin, der bruges hvert år i USA, bliver dybere. Udvidet brug af biobrændstoffer er centralt for den føderale regerings langsigtede energistrategi. I sin State of the Union-tale den 23. januar 2007 satte præsident Bush sig målet om at producere 35 milliarder gallons af vedvarende og alternative brændstoffer inden 2017, med henvisning til behovet for uafhængighed fra udenlandsk olie. Det amerikanske energiministerium har sat det tilsvarende mål om at erstatte 30 procent af benzinforbruget med biobrændstofforbrug inden 2030.
Multimedier
Bom eller buste? (PDF: Diagrammer og grafer over biobrændstoffers økonomi)
Se billeder af højproteinkorn og produktion af kulbrinter.
University of Minnesota forskere udforsker fremtiden for biobrændstoffer.
C. Ford Runge forklarer problemerne med majsethanol.
Venturekapitalisten Vinod Khosla beskriver markedspotentialet for alternative energier.
At ramme begge mål vil dog kræve betydelige teknologiske gennembrud. I USA betyder ethanol indtil videre den majs-afledte version. (Brasilianske producenter forventedes at lave 4,97 milliarder gallons ethanol i 2007, hovedsageligt fra sukkerrør; men den semitropiske afgrøde er landbrugsmæssigt levedygtig i kun nogle få dele af USA.) Selv fortalere for majsethanol siger, at dets produktionsniveauer ikke kan gå meget op. højere end omkring 15 milliarder gallons om året, hvilket er langt under Bushs mål.
Mens præsident Bush og andre fortalere for biobrændstoffer ofte har opfordret til, at ethanol fremstilles af alternative råvarer såsom switchgrass – en plante hjemmehørende i de amerikanske præriestater, hvor den vokser bredt – er den nødvendige teknologi ifølge de fleste skøn mindst fire til fem år fra kommerciel levedygtighed. I mellemtiden er avancerede biologiske teknikker til at skabe nye organismer, der producerer andre biobrændstoffer, såsom kulbrinter, stadig i laboratoriet. Indtil videre laver forskere mængder, der ikke engang ville fylde tanken på en stor SUV.
De økonomiske problemer og markedsbegrænsninger for majsethanol er en smertefuld påmindelse om de enorme vanskeligheder, som udviklere af nye biobrændstoffer står over for. Den nederste linje er, at du bliver nødt til at gøre brændstof billigt, siger Frances Arnold, professor i kemiteknik og biokemi ved Caltech. Vi kan alle lave lidt ud af noget. Men du skal lave meget ud af det, og du skal lave det billigt. Problemet er så stort, at din teknologi er nødt til at skalere op og gøre det til en pris, der er konkurrencedygtig. Alle kommer til at konkurrere på prisen alene.
Corn Blight
Der er muligvis ikke noget bedre sted at få en realistisk vurdering af biobrændstoffer end Institut for anvendt økonomi ved University of Minnesota. Det store campus, der huser afdelingen og resten af universitetets landbrugsskole, ligger på en lav bakke i et roligt St. Paul-kvarter. Acres af marker, hvor eksperimenter udføres spredt ud fra kanten af universitetet. I nærheden er grunden til Minnesota State Fair, en 12-dages begivenhed, der trækker mere end halvanden million besøgende i slutningen af sommeren.
Staten er den fjerdestørste producent af majs i USA, og meget af dens økonomi, selv dens kultur, er tæt knyttet til afgrøden. Prisstigningen på majs har været en velsignelse for Minnesotas landbrugssamfund på landet. Og guvernøren og andre statspolitikere har kraftigt presset på brugen af ethanol som transportbrændstof. Alligevel finder du ikke meget cheerleading for majsethanol i den almindelige murstensbygning, der huser afdelingen.
På sit velordnede kontor med dens pæne stakke af tekniske papirer og landbrugsrapporter kombinerer Vernon Eidman, en emeritusprofessor i landbrugsøkonomi, en lærds autoritet med strengheden fra en bankmand fra Midtvesten. Det kunne vi se komme, siger han og beskriver ethanolproducenternes aktuelle markedssituation. Det er ikke sådan, at [producenterne] ikke vidste, at det ville komme. De burde i hvert fald have vidst det. I 2006 opnåede de overskud, som de aldrig havde før, siger Eidman. Og det er en vigtig faktor, der førte til denne enorme opbygning.
Tallene taler for sig selv. Eidmans beregninger viser, hvad det koster, givet varierende priser på majs, for et nyt, moderat stort anlæg at producere ethanol. Til 4,00 USD pr. skæppe majs koster ethanolproduktion 1,70 USD pr. gallon; For at opnå et afkast på 12 procent af egenkapitalen skal producenterne sælge ethanol til 1,83 USD pr. gallon. Så viser Eidman sine tal for de priser, som olieselskaber betaler, når de køber ethanol for at blande med deres benzin: i december var priserne omkring 1,90 dollars pr. Med andre ord er avancerne for ethanolproducenter ekstremt stramme. For at gøre tingene værre, siger Eidman, forventes produktionskapaciteten, som var omkring 5,4 milliarder gallons i begyndelsen af 2007, at nå 12,5 milliarder gallons i 2010.
Mens svulmende ethanolproduktion har ført til bekymringer om overudbud, er den anden side af markedsligningen faktisk en grund til større bekymring: den fremtidige efterspørgsel efter ethanolbrændstof er på ingen måde sikker. I nogle få dele af landet, især i majsbæltestaterne, kan bilister købe brændstof, der er 85 procent ethanol. Men for det meste bruger olieselskaber ethanol i en koncentration på 10 procent for at øge iltindholdet i deres benzin. Ikke alene er et sådant marked begrænset, men blandingen af 10 procent ethanol leverer en smule reduceret gas-kilometertal, hvilket potentielt dæmper forbrugernes appetit på brændstoffet.
Det er ikke kun ethanolens kortsigtede økonomi, der bekymrer landbrugseksperter. De advarer også om, at majs-afledt ethanol ikke er det grønne brændstof, dets fortalere har beskrevet. Det skyldes, at det kræver meget energi at lave ethanol, både at dyrke majsen og, endnu vigtigere, at drive gæringsfaciliteterne, der omdanner sukkeret fra majskernerne til alkoholen, der bruges som brændstof. Præcis hvor meget energi det kræver, har været genstand for intens akademisk debat i forskellige tidsskrifter gennem de sidste par år.
Ifølge beregninger udført af Minnesota-forskere er 54 procent af den samlede energi repræsenteret af en gallon ethanol opvejet af den energi, der kræves for at behandle brændstoffet; yderligere 24 procent opvejes af den energi, der kræves for at dyrke majsen. Mens omkring 25 procent mere energi presses ud af biobrændstoffet, end der bruges til at producere det, giver andre brændstoffer meget større gevinster, siger Stephen Polasky, professor i økologisk og miljøøkonomi ved Minnesota. At lave ethanol er ikke en billig proces, siger han. Fra mit perspektiv er det største problem [med majsethanol] bare den direkte økonomi og omkostningerne. Energi input/output er ikke særlig god.
De høje energikrav til ethanolproduktion betyder, at brug af ethanol som brændstof ikke er så meget bedre for miljøet end at bruge benzin. Man kunne tro, at afbrænding af biobrændstoffet kun ville frigive den kuldioxid, som majs fanger, mens den vokser. Men det forenklede billede, som ofte er blevet fremtryllet for at understøtte brugen af ethanolbrændstof, tåler ikke en nærmere undersøgelse.
Faktisk, siger Polasky, er de fossile brændstoffer, der er nødvendige for at hæve og høste majs og producere ethanol, ansvarlige for betydelige kulstofemissioner. Ikke nok med det, men dyrkningen af majs producerer også to andre potente drivhusgasser: lattergas og metan. Polasky beregner, at majs-afledt ethanol er ansvarlig for drivhusgasemissioner omkring 15 til 20 procent under dem, der er forbundet med benzin: Den nederste linje er, at du får en lille besparelse i form af drivhusgasemissioner, men ikke meget.
Hvis majs-afledt ethanol har haft ringe indflydelse på energimarkederne og drivhusgasemissioner, kan dets produktion dog få konsekvenser på hele landbrugsmarkederne. Majspriserne stiger ikke kun, men priserne på sojabønner er også steget, fordi landmændene plantede færre sojabønner for at gøre plads til majs.
I maj/juni 2007-udgaven af Udenrigsanliggender , C. Ford Runge, en professor i anvendt økonomi og jura i Minnesota, skrev en artikel med titlen How Biofuels Could Starve the Poor, som argumenterede for, at den enorme mængde majs, der kræves af ethanolindustrien, sender chokbølger gennem fødevaresystemet. Seks måneder senere, siddende på et stort kontor, hvorfra han leder universitetets Center for International Fødevare- og Landbrugspolitik, virker Runge forbløffet over den kritik, hans artikel modtog fra lokale politikere og dem i ethanolbranchen. Men han er standhaftig i sin argumentation: Det er klart sådan, at mælkepriserne, brødpriserne, alle stiger med tre gange den gennemsnitlige stigningstakt de sidste 10 år. Det er værdsat, og det begynder at blive værdsat.
Den seneste OECD-rapport, der blev udgivet i begyndelsen af september, er blot den seneste bekræftelse af hans advarsler, siger Runge. Og fordi en større procentdel af deres indkomst går til mad, siger han, vil det virkelig ramme fattige mennesker. Da USA eksporterer omkring 20 procent af sin majs, er de fattige i resten af verden i særlig risiko. Runge nævner fordoblingen af prisen på tortillas i Mexico for et år siden.
Alle disse faktorer taler imod løftet om majsethanol som en løsning på energiproblemet. Min holdning, siger Polasky, er, at [ethanol] kun vil være en lille spiller med hensyn til energiforsyninger. Han beregner, at selvom al majs plantet i USA blev brugt til ethanol, ville biobrændstoffet stadig kun fortrænge 12 procent af benzinforbruget. Hvis jeg gør det her for energipolitikken, kan jeg ikke se tilbagebetalingen, siger han. Hvis vi gør dette som landbrugsstøttepolitik, kan der være mere fortjeneste der. Men vi bliver nødt til at gå til næste generation af teknologi for at få en væsentlig indflydelse på energimarkederne.
Superbugs
Siden oliekrisen i 1970'erne, hvor prisen på en tønde olie toppede, har kemiske og biologiske ingeniører jagtet efter måder at omdanne nationens enorme reserver af cellulosemateriale såsom træ, landbrugsrester og flerårige græs til ethanol og andre biobrændstoffer . Sidste år, med henvisning til et andet af præsident Bushs mål – at reducere amerikansk benzinforbrug med 20 procent på 10 år – annoncerede det amerikanske energiministerium (DOE) op til 385 millioner dollars i finansiering til seks bioraffinaderiprojekter, der vil bruge forskellige teknologier til at producere ethanol fra biomasse. lige fra flis til skiftegræs.
Ifølge en rapport fra 2005 fra DOE og det amerikanske landbrugsministerium har landet nok tilgængelig skov- og landbrugsjord til at producere 1,3 milliarder tons biomasse, der kunne gå til biobrændstoffer. Ud over at give et stort udbud af billige råvarer, kan celluloseholdig biomasse i høj grad øge energi- og miljøfordelene ved biobrændstoffer. Det kræver langt mindre energi at dyrke cellulosematerialer end at dyrke majs, og dele af biomassen kan bruges til at hjælpe med at drive produktionsprocessen. (Den sukkerrørsbaserede ethanol produceret i Brasilien tilbyder også forbedringer i forhold til majsbaseret ethanol, takket være afgrødens store udbytte og høje sukkerindhold.)
Men på trods af mange års forskning og nylige investeringer i at opskalere produktionsprocesser, er der endnu ingen kommerciel facilitet, der fremstiller celluloseholdig ethanol. Den økonomiske forklaring er enkel: Det koster alt for meget at bygge sådan et anlæg. Cellulose, et langkædet polysaccharid, der udgør en stor del af massen af træagtige planter og afgrøderester såsom majsstængler, er svært – og dermed dyrt – at nedbryde.
Der findes adskillige teknologier til fremstilling af celluloseholdig ethanol. Cellulosen kan opvarmes ved højt tryk i nærvær af oxygen til dannelse af syntesegas, en blanding af kulilte og brint, der let omdannes til ethanol og andre brændstoffer. Alternativt kan industrielle enzymer nedbryde cellulosen til sukkerarter. Sukkerene fodrer derefter fermenteringsreaktorer, hvor mikroorganismer producerer ethanol. Men alle disse processer er stadig alt for dyre at bruge kommercielt.
Selv fortalere for celluloseholdig ethanol sætter kapitalomkostningerne ved at bygge en produktionsfabrik til mere end det dobbelte af dem for en majsbaseret facilitet, og andre skøn spænder fra tre gange prisen til fem. Man kan lave celluloseholdig ethanol i dag, men til en pris, der langt fra er perfekt, siger Christopher Somerville, en plantebiolog ved University of California, Berkeley, som studerer, hvordan cellulose dannes og bruges i planters cellevægge.
Cellulose har fysiske og kemiske egenskaber, der gør det svært tilgængeligt og svært at nedbryde, forklarer Caltechs Arnold, der har arbejdet på og af med den biologiske tilgang til fremstilling af celluloseholdig ethanol siden 1970'erne. For det første holdes cellulosefibre sammen af et stof, der hedder lignin, som er lidt ligesom asfalt, siger Arnold. Når først ligninet er fjernet, kan cellulosen nedbrydes af enzymer, men de er dyre, og eksisterende enzymer er ikke ideelle til opgaven.
Mange forskere mener, at den mest lovende måde at gøre celluloseholdige biobrændstoffer økonomisk konkurrencedygtige involverer skabelsen – eller opdagelsen – af superbugs, mikroorganismer, der kan nedbryde cellulose til sukker og derefter fermentere disse sukkerarter til ethanol. Ideen er at tage det, der nu er en flertrinsproces, der kræver tilsætning af dyre enzymer, og gøre det til en enkel et-trins proces, der i industrien omtales som konsolideret bioprocessing. Ifølge Lee Lynd, professor i ingeniørvidenskab ved Dartmouth College og medstifter af Mascoma, et firma baseret i Cambridge, MA, der kommercialiserer en version af teknologien, kunne den konsoliderede tilgang i sidste ende producere ethanol til 70 cents pr. gallon. Det ville være et transformativt gennembrud, siger han. Der er ingen tvivl om, at det ville være attraktivt.
Men det har vist sig svært at finde superbugs. I årtier har forskere kendt til bakterier, der kan nedbryde cellulose og også producere noget ethanol. Alligevel kan ingen udføre arbejdet hurtigt og effektivt nok til at være nyttigt til storskalaproduktion.
Naturen, forklarer Arnold, tilbyder kun lidt hjælp. Der er nogle organismer, der nedbryder cellulose, siger hun, men problemet er, at de ikke laver brændstoffer, så det gør dig ikke meget godt. Et alternativ, siger hun, er at genmodificere E coli og gær, så de udskiller enzymer, der nedbryder cellulose. Men selvom mange forskellige slags enzymer kunne gøre arbejdet, kan de fleste ikke lide at blive indsat i E coli og gær.
Arnold er dog optimistisk om, at den rigtige organisme vil blive opdaget. Man ved aldrig, hvad der sker i morgen, siger hun, om det er gjort ved hjælp af syntetisk biologi, eller om nogen bare skraber en af bunden af deres sko.
Hun skrabede det ikke helt af sin sko, men Susan Leschine, en mikrobiolog ved University of Massachusetts, Amherst, mener, at hun måske bare er stødt på en fejl, der vil gøre arbejdet. Hun fandt det i en jordprøve, der blev indsamlet for mere end ti år siden fra skoven omkring Quabbin Reservoir, omkring 15 miles fra hendes laboratorium. Quabbin-prøven var blot en af mange fra hele verden, som Leschine studerede, så der gik flere år, før hun var færdig med at analysere den. Men da hun gjorde det, indså hun, at en af dens bakterier, Clostridium phytofermentans , havde ekstraordinære egenskaber. Det nedbryder næsten alle anlæggets komponenter, og det danner ethanol som hovedprodukt, siger hun. Det producerer enorme mængder ethanol.
Leschine grundlagde et firma i Amherst, SunEthanol, som vil forsøge at opskalere ethanolproduktionen ved hjælp af bakterien. Der er lang vej igen, erkender hun, men hun tilføjer, at det, vi har, er meget forskelligt, og det giver os et ben. Vi har allerede en mikrobe og har demonstreret den på rigtige råvarer. Leschine siger, at andre nyttige mikrober sandsynligvis venter på at blive opdaget: en enkelt jordprøve indeholder trods alt hundredtusindvis af sorter. I denne zoologiske have af mikrober, siger hun, kan vi tro, at der er andre med lignende egenskaber derude.
blomstrende prærier
Om ethanol fremstillet af celluloseholdig biomasse er godt eller dårligt for miljøet, afhænger dog af, hvilken slags biomasse det er, og hvordan den dyrkes.
På sit kontor i St. Paul trækker David Tilman, professor i økologi ved University of Minnesota, et stort luftfoto frem af en mark opdelt i et pænt gitter. Selv fra kameraets udsigtspunkt langt over jorden ser landet dårligt ud. På den ene grund er tynde rækker af græs, sandjorden synlig nedenunder. Tilman siger, at jorden var så ufrugtbar, at landbrugsbrugen af den var blevet opgivet. Derefter skrabede han og hans kolleger eventuel resterende muldjord af. Ingen landmand har så dårlig jord, siger han.
I en række tests dyrkede Tilman en blanding af hjemmehørende præriegræsser (inklusive skiftegræs) i nogle af markens parceller og enkelte arter i andre. Resultaterne viser, at en mangfoldig blanding af græsser, selv dyrket i ekstremt ufrugtbar jord, kan være en værdifuld kilde til biobrændstoffer, siger han. Du kunne lave mere ethanol fra en hektar [af de blandede græsser], end du kunne fra en hektar majs. Endnu bedre, i et papir offentliggjort i Science viste Tilman, at præriegræsserne kunne bruges til at lave ethanol, der er kulstofnegative: græsserne kan forbruge og opbevare mere kuldioxid, end der frigives ved at producere og brænde brændstoffet fra dem.
Resultaterne er slående, fordi de foreslår en miljømæssig fordelagtig måde at producere enorme mængder biobrændstoffer på uden at konkurrere med fødevareafgrøder. I 2050 vil verden ifølge Tilman have brug for en milliard hektar mere jord til mad. Det er landmassen i hele USA bare for at brødføde verden, siger han. Hvis du brugte en masse biobrændstoffer på [agerjord] - det er meget nemt at forestille dig en milliard hektar for biobrændstoffer - vil du ikke have nogen natur tilbage og ingen jordreservat efter 50 år. I stedet, hævder Tilman, giver det mening at dyrke biomasse til brændstof på relativt ufrugtbar jord, der ikke længere bruges til landbrug.
Men ned ad bakken fra Tilmans kontor bekymrer hans kolleger i afdelingen for anvendt økonomi sig om de praktiske problemer, der er forbundet med at bruge store mængder biomasse til at lave brændstof. For det første påpeger de, at teknologien og infrastrukturen, der effektivt kunne håndtere og transportere den voluminøse biomasse, stadig mangler at blive udviklet. Og da plantematerialet vil være dyrt at flytte rundt på, skal biobrændstofproduktionsanlæg bygges tæt på kilderne til råmateriale - sandsynligvis inden for 50 miles.
Mængden af biomasse, der skal til for at fodre selv en mellemstor ethanolfabrik, er skræmmende. Eidman beregner, at et anlæg, der producerer 50 millioner gallons om året, ville kræve, at en lastbil fyldt med biomasse ankom hvert sjette minut døgnet rundt. Hvad mere er, siger han, er råvaren ikke gratis: den vil koste omkring $60 til $70 pr. ton, eller omkring 75 cents pr. gallon ethanol. Det er der, mange mennesker bliver narret, tilføjer han.
Da der ikke er bygget noget kommercielt celluloseanlæg, siger Eidman, er det vanskeligt at analysere de specifikke omkostninger ved forskellige teknologier. Samlet foreslår han, at økonomien ser interessant ud - men celluloseholdig ethanol bliver nødt til at konkurrere med majs-afledte biobrændstoffer og komme ned til noget i retning af $1,50 pr. gallon. Eidman mener, at det vil være mindst 2015, før biobrændstoffer fremstillet af cellulose er meget af en faktor på markedet.
Forvist
Mens kemiingeniører, mikrobiologer, agronomer og andre kæmper for at finde måder at gøre celluloseholdig ethanol kommercielt konkurrencedygtig på, fokuserer nogle få syntetiske biologer og stofskifteingeniører på en helt anden strategi. Mere end 1500 miles væk fra Midtvestens majsbælte skaber flere Californien-baserede, venture-støttede startups grundlagt af pionerer inden for syntetisk biologi nye mikroorganismer designet til at fremstille andre biobrændstoffer end ethanol.
Ethanol er trods alt næppe et ideelt brændstof. Et to-carbon-molekyle, det har kun to tredjedele af energiindholdet i benzin, som er en blanding af langkædede kulbrinter. Sagt på en anden måde, ville det tage omkring halvanden gallon ethanol at give det samme kilometertal som en gallon benzin. Og fordi ethanol blandes med vand, er et dyrt destillationstrin påkrævet i slutningen af fermenteringsprocessen. Hvad mere er, fordi ethanol er lettere forurenet med vand, end kulbrinter er, kan det ikke sendes i de olierørledninger, der bruges til billigt at distribuere benzin i hele USA. Ethanol skal sendes i specialiserede jernbanevogne (lastbiler, med deres relativt små nyttelast, er normalt alt for dyre), hvilket øger omkostningerne til brændstoffet.
Så i stedet for ethanol planlægger de californiske startups at producere nye kulbrinter. Ligesom ethanol er de nye forbindelser gæret fra sukkerarter, men de er designet til at ligne benzin, diesel og endda jetbrændstof. Vi tog et kig på ethanol, siger Neil Renninger, senior vicepræsident for udvikling og medstifter af Amyris Biotechnologies i Emeryville, Californien, og indså begrænsningerne og ønsket om at lave noget, der lignede mere konventionelle brændstoffer. Grundlæggende ville vi lave kulbrinter. Kulbrinter er det, der i øjeblikket findes i brændstoffer, og kulbrinter er de bedste brændstoffer, fordi vi har designet vores motorer til at arbejde med dem. Hvis forskerne kan gensplejse mikrober, der producerer sådanne forbindelser, vil det fuldstændig ændre økonomien i biobrændstoffer.
Problemet er, at naturen ikke byder på kendte eksempler på mikroorganismer, der kan fermentere sukker til de typer kulbrinter, der er nyttige til brændstof. Så syntetiske biologer må starte fra bunden. De identificerer lovende metaboliske reaktioner i andre organismer og indsætter de tilsvarende gener i E. coli eller gær, og rekombinerer metaboliske veje, indtil de giver de ønskede produkter.
På LS9 i San Carlos, CA, gør forskere E. coli til en kulbrinteproducent ved at regne dens fedtsyremetabolisme ( se Better Biofuels , Forward, juli/august 2007 ). Stephen del Cardayré, LS9s vicepræsident for forskning og udvikling, siger, at virksomheden besluttede at fokusere på fedtsyrer, fordi organismer naturligt producerer dem i overflod, som en måde at lagre energi på. Vi ønskede at drage fordel af en vej, der [naturligt] laver en masse ting, siger del Cardayré. Bare tag fat i midten. Del Cardayré og hans kolleger bruger mange af de eksisterende veje i E. coli's fedtsyremetabolisme, men afleder dem nær slutningen af den metaboliske cyklus. Da fedtsyrer består af en kulbrintekæde med en carboxylgruppe, er det relativt ligetil at fremstille kulbrintebrændstofferne. Tænk på det som en motorvej, siger del Cardayré. Nær enden af motorvejen tilføjer vi en omvej, en sti, vi har designet og sat fast der, så fedtsyrerne har et bedre sted at tage hen. Vi trækker dem af og ændrer dem kemisk ved at bruge denne nye syntetiske vej, der fører dem til de produkter, vi ønsker.
Amyris tager også den syntetisk-biologiske tilgang, men i stedet for at justere fedtsyremetabolismen, arbejder den på veje, der producerer isoprenoider, en stor klasse af naturlige forbindelser. Indtil videre laver både LS9 og Amyris dog deres biobrændstoffer et par liter ad gangen. Og selvom virksomhederne har ambitiøse tidsplaner for kommercialisering af deres teknologier – begge hævder, at deres processer vil være klar i 2010 – er det fortsat en kritisk udfordring at forbedre udbyttet og hastigheden af deres reaktioner. Det er der, det meste af det biologiske arbejde foregår, siger Renninger. Vi har stadig et stykke vej tilbage, og den lille vej er meget vigtig.
Hvis de til sidst kommercialiseres, kan kulbrintebiobrændstofferne fremstillet af LS9 og Amyris overvinde mange af de økonomiske ulemper ved ethanol. I modsætning til ethanol adskilles kulbrinter fra vand under produktionsprocessen, så der er ikke behov for energikrævende destillationstrin. Og kulbrintebiobrændstoffer kunne sendes i eksisterende olierørledninger. Det hele handler om omkostninger, siger Robert Walsh, præsident for LS9. Men en kritisk faktor vil være prisen på råvarer, siger han. Vi vil have snavs-billige sukkerarter.
Faktisk står de syntetisk-biologiske startups over for det samme problem, som etablerede ethanolproducenter gør: majs er ikke en billig kilde til biobrændstoffer. Den næste generation [af råmateriale] vil være cellulose, siger John Melo, administrerende direktør for Amyris. Men vi er ikke sikre på, hvilken celluloseteknologi der vil vinde. Uanset hvilken teknologi der er fremherskende, siger Melo, forventer Amyris at være i stand til at skrue den fast på sin fermenteringsproces, hvilket giver virksomheden fordelene ved både billige celluloseholdige råvarer og praktiske kulbrintebrændstoffer.
For nu driver manglen på et alternativ til majs Amyris lige ud af landet. Virksomheden, som planlægger at eftermontere eksisterende ethanolfabrikker, så de kan lave kulbrinter, vil i første omgang arbejde med brasilianske biobrændstofanlæg, der bruger sukkerrør som råmateriale. I betragtning af prisen på majs og mængden af energi, der er nødvendig for at producere det, siger Melo, er brasiliansk sukkerrør den mest levedygtige, bæredygtige måde at fremstille biobrændstoffer på i dag.
Ikke noget valg
Selv i en Silicon Valley-kultur, der ærer succesrige venturekapitalister, har Vinod Khosla en særlig æresplads. En medstifter af Sun Microsystems i begyndelsen af 1980'erne, sluttede Khosla sig senere til venturekapitalfirmaet Kleiner Perkins Caufield og Byers, hvor han i slutningen af 1990'erne og begyndelsen af 2000'erne fik et ry for at ignorere dot-com-spændingen til fordel for en række esoteriske startups. i det langt mindre glamourøse felt af optisk netværk. Da flere af startups solgte for milliarder af dollars til store virksomheder, der gjorde deres infrastruktur klar til internetboomet, blev Khosla, med en overophedet overskrifts ord, The No. 1 VC on the Planet.
I disse dage lægger Khosla, som nu er blandt verdens rigeste mennesker (Forbes 400 ham på 317, med en nettoværdi på $1,5 milliarder), de fleste af sine investeringer i alternative energier. Han tæller blandt sine porteføljevirksomheder mere end et dusin biobrændstofstartups – syntetiske biologivirksomheder LS9 og Amyris, cellulosevirksomheder som Mascoma og majsethanolvirksomheder som Cilion, baseret i Goshen, Californien. Men at kalde Khosla blot for en investor i biobrændstoffer ville i høj grad underdrive hans engagement. I de sidste mange år har han vist sig som en af verdens førende fortalere for teknologien, idet han har promoveret dens dyder og frit debatteret eventuelle kritikere ( se Q&A, marts/april 2007 ).
Khosla virker irriteret over biobrændstofferne, der siger nej. Klimaændringer, siger han, er langt det største problem, der driver hans interesse for biobrændstoffer. Hvis vi ønsker at afværge klimaændringer og mindske benzinforbruget, er der ingen alternativer til at bruge celluloseholdige biobrændstoffer til transport. Biomasse er det eneste råmateriale i tilstrækkelige mængder til omkostningseffektivt at erstatte olie, siger han. Intet andet eksisterer. Hybride og elektriske køretøjer, tilføjer han, er bare legetøj.
Især, hævder Khosla, skal enhver transportteknologi konkurrere i Kina og Indien, de hurtigst voksende bilmarkeder i verden. Det er ikke noget problem at sælge en million plug-in-elektricitet et sted som Californien, siger han. Vanskeligheden er at sælge en $20.000 hybridbil i Indien. Ingen skør chance. Og enhver teknologi, der ikke kan adopteres af Kina og Indien, er irrelevant for klimaændringer, siger han. Miljøforkæmpere fokuserer ikke på skalerbarhed. Hvis du ikke kan skalere det op, er det bare et legetøj. Derfor er behovet for biobrændstoffer. Derfor biobrændstoffer fra biomasse.
I en række opinionspapirer udgivet på hjemmesiden for Khosla Ventures, et firma han startede i 2004, som har investeret kraftigt i biobrændstoffer og andre miljøteknologier, forestiller Khosla sig, at produktionen af biobrændstoffer vil stige hurtigt i løbet af de næste 20 år. Ifølge hans tal vil produktionen af majsethanol flade ud på 15 milliarder gallons om året i 2014, men celluloseholdig ethanol vil stige støt og nå 140 milliarder gallons i 2030. På det tidspunkt forudsiger han, at biobrændstoffer vil være billige og rigelige nok til at erstatte benzin til næsten alle formål.
Mens Khosla let anerkender begrænsningerne ved majs-afledt ethanol, siger han, at det har været et vigtigt springbræt: Markedet for majsethanol har skabt en infrastruktur og et marked for biobrændstoffer generelt, hvilket har fjernet mange af forretningsrisiciene ved at investere i celluloseholdig ethanol. . Grunden til, at jeg kan lide [majsethanol] er, at dens bane fører til celluloseholdig ethanol, siger han. Uden majsethanol ville ingen investere i cellulose.
Men tilbage i Midtvesten er der en vis mig holdning til sådanne blå himmel-projektioner, og der er dvælende spørgsmål om, hvordan landets enorme landbrugsinfrastruktur vil skifte over til biomasse. Hvis Khoslas fremskrivninger viser sig, så er det vidunderligt, siger University of Minnesotas Runge. I mellemtiden sidder vi fast i virkeligheden. Måske er det vigtigste stridspunkt, foreslår Runge, om majsethanol faktisk vil føre til nye teknologier – eller stå i vejen for dem. Det er min opfattelse, at majsethanol er en barriere for at konvertere til cellulose, siger han og peger på den inerti, der er forårsaget af politiske og forretningsmæssige interesser, der er stærkt investeret i majsethanol og dens infrastruktur.
Runge er ikke alene om sin skepsis. Medmindre omkostningerne reduceres betydeligt, kommer celluloseholdig ethanol ingen vegne, siger Wally Tyner, professor i landbrugsøkonomi ved Purdue University. At gøre celluloseholdig ethanol levedygtig vil kræve enten en politisk mekanisme til at tilskynde til investeringer i nye teknologier eller et fænomenalt gennembrud - og sandsynligheden for det er ikke for høj, siger Tyner. Landmænd og ethanolproducenter har i øjeblikket intet incitament til at påtage sig risiciene ved at ændre teknologier, tilføjer han. Der er ingen politisk bro til at hjælpe med at gøre overgangen. Status quo vil ikke gøre det.
På trods af de skarpe meningsforskelle er der stadig en vis fælles grund mellem mennesker som Khosla, hvis uhæmmede tro på innovation er blevet næret af succeserne fra Silicon Valley, og midtvesterlændingene, hvis pragmatisme blev smedet af landbrugets konkurrenceøkonomi. Især er de fleste iagttagere enige om, at den årlige produktion af majs-afledt ethanol vil flade ud inden for få år. Derefter skal enhver vækst i biobrændstofproduktionen komme fra nye teknologier.
Men hvis celluloseholdige biobrændstoffer skal begynde at erstatte benzin inden for fem til ti år, skal anlæg snart begynde at bygge. Dette efterår meddelte Range Fuels, et firma med base i Broomfield, CO, at det var begyndt at arbejde i Georgia på, hvad det hævder, er landets første kommercielle cellulose-ethanolfabrik. Range-anlægget, som vil bruge termokemisk teknologi til at fremstille ethanol fra træflis, er planlagt til at nå en kapacitet på 20 millioner gallons i 2008 og i sidste ende stige til 100 millioner gallons om året. I mellemtiden har Mascoma annonceret adskillige demonstrationsenheder, herunder et anlæg i Tennessee, der vil være det første cellulose-ethanol-anlæg bygget til at bruge switchgrass. Men disse produktionsanlæg er føderalt subsidierede eller er et resultat af partnerskaber med statslige udviklingsorganisationer; at tiltrække private investeringer til kommerciel produktion vil være en anden sag.
Faktisk vil det være en enorm og risikabel udfordring at øge kapaciteten af cellulose-ethanolproduktion, siger Colin South, præsident for Mascoma. Når folk taler om celluloseethanol, som om det er en industri, er det en uretfærdig fremstilling, siger han. Der er en del pilotanlæg, men ingen af dem er kommet ud af pilotskalaen. Vi mangler stadig at vise, at vi rent faktisk kan køre disse i form af et kemisk anlæg i drift. South siger, at Mascoma håber at påbegynde byggeriet af et kommercielt anlæg i 2009 og have det op at køre i begyndelsen af 2011. Men han tilføjer, at virksomheden først vil fortsætte, når tallene er gode nok.
Det måske mest afgørende tal vil dog være prisen på råolie. Hvis den forbliver høj, kan produktionen af cellulose-ethanol blive økonomisk konkurrencedygtig meget hurtigere. Men få mennesker, mindst af alt de investorer, der ville risikere hundredvis af millioner af dollars på nye anlæg, er villige til at tage den indsats. Mange husker slutningen af 1970'erne, hvor den føderale regering øremærkede omkring en milliard dollars til at finansiere biomasserelateret forskning, for kun at opgive den, da råoliepriserne faldt i begyndelsen af 1980'erne. Og mens prisen på en tønde råolie svævede i midten af $90'erne dette efterår, og engrospriserne på gas nåede $2,50 pr. gallon, siger biobrændstofeksperter, at de ikke kan regne med så høje priser. Mange producenter af næste generations biobrændstoffer siger, at de ønsker at være konkurrencedygtige med råolie til omkring $45 pr. tønde for at sikre langsigtet levedygtighed på markedet.
Faktisk har meddelelser om nye cellulose-ethanol-fabrikker en tendens til at sløre det faktum, at teknologien stadig ikke er økonomisk levedygtig. Gregory Stephanopoulos, professor i kemiteknik ved MIT, beskriver sig selv som meget optimistisk med hensyn til fremtiden for biobrændstoffer. Men selv er han hurtig til at tilføje, at det vil tage yderligere 10 år at optimere produktionsprocesserne for celluloseholdige biobrændstoffer. Blandt utallige andre problemer, siger han, er behovet for mere robuste og alsidige mikrober til at fremstille dem.
I et lille mødelokale uden for sit kontor tager Stephanopoulos en blyant og papir frem og begynder at tegne en række cirkler. Du kan forestille dig, siger han, et bioraffinaderi omgivet af kilder til forskellige typer biomasse. Han forbinder cirklerne i et centralt punkt og laver linjer som eger på et hjul. Du kunne, fortsætter han, forestille dig rørledninger fra disse kilder. Hvad hvis biomassen blev behandlet og ledt til bioraffinaderiet som en gylle? Stephanopoulos ville være den første til at erkende, at en så ambitiøs infrastruktur ville tage år at etablere, og at ideen rejser adskillige tekniske og tekniske spørgsmål. Men i resten af interviewet ligger tegningen tålmodigt på bordet – et simpelt mål.