211service.com
De prijs van biobrandstoffen
De irrationele uitbundigheid over ethanol die de afgelopen jaren door de Amerikaanse maïsgordel raasde, heeft plaats gemaakt voor een sombere kater, vooral onder degenen die zwaar hebben geïnvesteerd in de uitgestrekte productiefaciliteiten die nu overal in het landelijke landschap te vinden zijn. Het is de Midwest-versie van de technologiebubbel, en in sommige opzichten is het opmerkelijk bekend: overijverige investeerders die verliefd zijn op het schijnbaar onbeperkte potentieel van een technologie negeren wat, althans achteraf gezien, voor de hand liggende economische realiteiten zijn.
Meer dan honderd biobrandstoffabrieken, grotendeels geclusterd in de maïsverbouwende staten Iowa, Minnesota, Illinois, Indiana, South Dakota en Nebraska, zullen dit jaar 6,4 miljard gallons ethanol produceren, en nog eens 74 faciliteiten zijn in aanbouw. Nog maar 18 maanden geleden waren ze melkkoeien, die hooggeprijsde ethanol produceerden uit laaggeprijsde maïs, de hoop op energieonafhankelijkheid bij politici wekte en de aandacht en het geld trokken van durfkapitalisten van zowel de oost- als de westkust.
Nu hebben ethanolproducenten het moeilijk, en velen verliezen geld. De prijs van een schepel maïs steeg in de loop van het jaar tot recordhoogten, afgelopen winter meer dan $ 4,00 voordat hij in de zomer terugviel tot ongeveer $ 3,50 en dit najaar weer opveerde tot bijna $ 4,00. Tegelijkertijd kelderden de ethanolprijzen toen de markt voor de alternatieve brandstof, die nog steeds voornamelijk als additief voor benzine wordt gebruikt, verzadigd raakte. In het licht van deze twee trends verdwenen de winstmarges.
De doldrums van de ethanolmarkt weerspiegelen de voorspelbare boom-and-bust-cyclus van elke grondstof: hoge prijzen zorgen voor een hogere productie en al snel is de markt overaanbod, waardoor de prijzen instorten. Maar het grootschalige gebruik van van maïs afgeleide ethanol als transportbrandstof heeft zijn eigen economische problemen. Hoewel ruwe olie bijna recordprijzen heeft en bedrijven die ethanol in hun benzine gebruiken een federaal belastingkrediet van 51 cent per gallon ontvangen, heeft ethanol het moeilijk om economisch te concurreren. En met een beperkte infrastructuur om de biobrandstof te distribueren en te verkopen, zal de vraag in de nabije toekomst onzeker blijven.
Lees voor meer informatie Technologie beoordeling speciaal verslag over biobrandstoffen.
Nog alarmerender is dat de hausse in de productie van ethanol de prijs van voedsel opdrijft. Van het record van 93 miljoen hectare maïs dat in 2007 in de Verenigde Staten werd geplant, ging ongeveer 20 procent naar ethanol. Aangezien het grootste deel van de rest wordt gebruikt om dieren te voeren, worden de prijzen van rundvlees, melk, gevogelte en varkensvlees allemaal beïnvloed door stijgingen van de kosten van maïs. De internationale Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO) waarschuwde onlangs dat de snelle groei van de biobrandstoffenindustrie kan leiden tot fundamentele verschuivingen in de landbouwmarkten wereldwijd en zelfs tot voedseltekorten kan leiden.
Dit alles komt op een moment dat de behoefte aan alternatieven voor op aardolie gebaseerde transportbrandstoffen dringend wordt. Bij het ter perse gaan was de prijs van ruwe olie bijna $90 per vat. En de zorgen over de impact van de uitstoot van broeikasgassen van de ongeveer 142 miljard gallons benzine die elk jaar in de Verenigde Staten wordt gebruikt, nemen toe. Een uitgebreid gebruik van biobrandstoffen staat centraal in de energiestrategie van de federale overheid op lange termijn. In zijn State of the Union-toespraak op 23 januari 2007 stelde president Bush het doel om tegen 2017 35 miljard gallons hernieuwbare en alternatieve brandstoffen te produceren, daarbij verwijzend naar de noodzaak van onafhankelijkheid van buitenlandse olie. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft hetzelfde doel gesteld om tegen 2030 30 procent van het benzineverbruik te vervangen door biobrandstof.
multimedia
Boem of buste? (PDF: Grafieken en grafieken van de economie van biobrandstoffen)
Bekijk afbeeldingen van eiwitrijke granen en de productie van koolwaterstoffen.
Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota onderzoeken de toekomst van biobrandstoffen.
C. Ford Runge legt de problemen van maïs-ethanol uit.
Durfkapitalist Vinod Khosla beschrijft het marktpotentieel van alternatieve energie.
Om beide doelen te bereiken, zijn echter belangrijke technologische doorbraken nodig. In de Verenigde Staten betekent ethanol voorlopig de van maïs afgeleide versie. (Braziliaanse producenten zouden in 2007 naar verwachting 4,97 miljard gallons ethanol maken, voornamelijk uit suikerriet; maar dat semitropische gewas is in slechts enkele delen van de Verenigde Staten in de landbouw levensvatbaar.) Zelfs voorstanders van maïs-ethanol zeggen dat de productie niet veel zal stijgen meer dan ongeveer 15 miljard gallons per jaar, wat ver achterblijft bij het doel van Bush.
Terwijl president Bush en andere voorstanders van biobrandstoffen vaak hebben opgeroepen om ethanol te maken van alternatieve grondstoffen zoals switchgrass - een plant die inheems is in de Amerikaanse prairiestaten, waar het op grote schaal groeit - is de vereiste technologie, volgens de meeste schattingen, ten minste vier tot vijf jaar vanaf commerciële levensvatbaarheid. Ondertussen zijn geavanceerde biologische technieken voor het creëren van nieuwe organismen die andere biobrandstoffen produceren, zoals koolwaterstoffen, nog in het laboratorium. Tot nu toe maken onderzoekers hoeveelheden die niet eens de tank van een grote SUV zouden vullen.
De economische problemen en marktbeperkingen van maïs-ethanol zijn een pijnlijke herinnering aan de enorme problemen waarmee ontwikkelaars van nieuwe biobrandstoffen worden geconfronteerd. Het komt erop neer dat je brandstof goedkoop moet maken, zegt Frances Arnold, hoogleraar chemische technologie en biochemie aan Caltech. We kunnen allemaal een klein beetje van iets maken. Maar je moet er veel van maken, en je moet het goedkoop maken. Het probleem is zo groot dat uw technologie moet opschalen en dit moet doen tegen een concurrerende prijs. Iedereen gaat alleen op prijs concurreren.
Maïsziekte
Er is misschien geen betere plek om een realistische beoordeling van biobrandstoffen te krijgen dan de afdeling Toegepaste Economische Wetenschappen van de Universiteit van Minnesota. De grote campus met de afdeling en de rest van de landbouwschool van de universiteit ligt op een lage heuvel in een rustige wijk in St. Paul. Vanaf de rand van de universiteit liggen hectaren aan velden waar experimenten worden uitgevoerd. In de buurt vindt u het terrein van de Minnesota State Fair, een 12-daags evenement dat aan het einde van de zomer meer dan anderhalf miljoen bezoekers trekt.
De staat is de op drie na grootste producent van maïs in de VS, en een groot deel van zijn economie, zelfs zijn cultuur, is nauw verbonden met het gewas. De stijging van de maïsprijzen is een zegen geweest voor de landelijke landbouwgemeenschappen in Minnesota. En de gouverneur en andere staatspolitici hebben sterk aangedrongen op het gebruik van ethanol als transportbrandstof. Toch zul je niet veel cheerleading vinden voor maïs-ethanol in het eenvoudige bakstenen gebouw waarin de afdeling is gehuisvest.
In zijn ordelijke kantoor met zijn keurige stapels technische papieren en boerderijrapporten, combineert Vernon Eidman, een emeritus hoogleraar landbouweconomie, het gezag van een geleerde met de strengheid van een bankier uit het Midwesten. We konden dit zien aankomen, zegt hij, terwijl hij de huidige marktsituatie van de ethanolproducenten beschrijft. Het is niet alsof [producenten] niet wisten dat het eraan zat te komen. Ze hadden het in ieder geval moeten weten. In 2006 maakten ze winst zoals nooit tevoren, zegt Eidman. En dat is een belangrijke factor die heeft geleid tot deze enorme opbouw.
De cijfers spreken voor zich. De berekeningen van Eidman laten zien wat het kost, gegeven de wisselende prijzen van maïs, voor een nieuwe, middelgrote faciliteit om ethanol te produceren. Voor $ 4,00 per schepel maïs kost de productie van ethanol $ 1,70 per gallon; om een rendement van 12 procent op het eigen vermogen te behalen, moeten de producenten ethanol verkopen voor $ 1,83 per gallon. Vervolgens laat Eidman zijn cijfers zien voor de prijzen die petroleummaatschappijen betalen als ze ethanol kopen om bij hun benzine te mengen: in december waren de prijzen ongeveer $ 1,90 per gallon, en biedingen voor 2008 variëren tussen $ 1,75 en $ 1,80 per gallon. Met andere woorden, de winstmarges voor ethanolproducenten zijn extreem krap. Om de zaken nog erger te maken, zegt Eidman, zal de productiecapaciteit, die begin 2007 ongeveer 5,4 miljard gallons bedroeg, tegen 2010 naar verwachting de 12,5 miljard gallons bereiken.
Terwijl de stijgende ethanolproductie tot zorgen over een overaanbod heeft geleid, is de andere kant van de marktvergelijking eigenlijk een reden tot grotere zorg: de toekomstige vraag naar ethanolbrandstof is geenszins zeker. In een paar delen van het land, met name in de staten met de maisgordel, kunnen chauffeurs brandstof kopen die voor 85 procent uit ethanol bestaat. Maar voor het grootste deel gebruiken petroleummaatschappijen ethanol in een concentratie van 10 procent om het zuurstofgehalte van hun benzine te verhogen. Niet alleen is zo'n markt beperkt, maar het mengsel van 10 procent ethanol zorgt voor een iets lager benzineverbruik, wat de eetlust van de consument voor de brandstof mogelijk dempt.
Landbouwdeskundigen zorgen niet alleen voor de kortetermijneconomie van ethanol. Ze waarschuwen ook dat van maïs afgeleide ethanol niet de groene brandstof is die de voorstanders hebben beschreven. Dat komt omdat het maken van ethanol veel energie kost, zowel om de maïs te verbouwen als, nog belangrijker, om de fermentatiefaciliteiten te laten draaien die de suiker die uit de maïskorrels wordt gewonnen, omzetten in de alcohol die als brandstof wordt gebruikt. Hoeveel energie het precies kost, is de afgelopen jaren onderwerp geweest van hevig wetenschappelijk debat in verschillende tijdschriften.
Volgens berekeningen van onderzoekers uit Minnesota wordt 54 procent van de totale energie die wordt vertegenwoordigd door een gallon ethanol gecompenseerd door de energie die nodig is om de brandstof te verwerken; nog eens 24 procent wordt gecompenseerd door de energie die nodig is om de maïs te laten groeien. Terwijl er ongeveer 25 procent meer energie uit de biobrandstof wordt geperst dan er wordt gebruikt om het te produceren, leveren andere brandstoffen veel grotere winsten op, zegt Stephen Polasky, hoogleraar ecologische en milieu-economie in Minnesota. Het maken van ethanol is geen goedkoop proces, zegt hij. Vanuit mijn perspectief is het grootste probleem [met maïs-ethanol] gewoon de directe economie en de kosten. De energie-input/output is niet erg goed.
Door de hoge energiebehoefte van de ethanolproductie is het gebruik van ethanol als brandstof niet zo veel beter voor het milieu dan het gebruik van benzine. Je zou kunnen denken dat bij het verbranden van de biobrandstof alleen de koolstofdioxide vrijkomt die maïs opvangt terwijl het groeit. Maar dat vereenvoudigde beeld, dat vaak is opgeroepen om het gebruik van ethanolbrandstof te ondersteunen, is niet bestand tegen nader onderzoek.
In feite, zegt Polasky, zijn de fossiele brandstoffen die nodig zijn om maïs te verbouwen en te oogsten en ethanol te produceren verantwoordelijk voor aanzienlijke koolstofemissies. Niet alleen dat, maar de teelt van maïs produceert ook twee andere krachtige broeikasgassen: lachgas en methaan. Polasky berekent dat van maïs afgeleide ethanol verantwoordelijk is voor de uitstoot van broeikasgassen die ongeveer 15 tot 20 procent lager ligt dan die van benzine: het komt erop neer dat je een kleine besparing krijgt in termen van broeikasgasemissies, maar niet veel.
Als van maïs afgeleide ethanol echter weinig invloed heeft gehad op de energiemarkten en de uitstoot van broeikasgassen, zou de productie ervan gevolgen kunnen hebben voor de hele landbouwmarkten. Niet alleen de maïsprijzen stijgen, maar ook de sojabonenprijzen, omdat boeren minder sojabonen hebben geplant om plaats te maken voor maïs.
In het mei/juni 2007 nummer van Buitenlandse Zaken , C. Ford Runge, een professor toegepaste economie en recht in Minnesota, schreef een artikel met de titel How Biofuels Could Starve the Poor, waarin werd betoogd dat de enorme hoeveelheid maïs die de ethanolindustrie nodig heeft, schokgolven door het voedselsysteem stuurt. Zes maanden later, zittend in een groot kantoor van waaruit hij het Centrum voor Internationaal Voedsel- en Landbouwbeleid van de universiteit leidt, lijkt Runge verbijsterd door de kritiek die zijn artikel kreeg van lokale politici en mensen in de ethanolindustrie. Maar hij is standvastig in zijn betoog: het is duidelijk zo dat de melkprijzen, de broodprijzen, allemaal drie keer zo snel stijgen als de gemiddelde stijging van de afgelopen 10 jaar. Het is merkbaar en het begint gewaardeerd te worden.
Het recente OESO-rapport, dat begin september werd uitgebracht, is slechts de laatste bevestiging van zijn waarschuwingen, zegt Runge. En omdat een groter percentage van hun inkomen naar voedsel gaat, zegt hij, zal dit arme mensen echt raken. Aangezien de Verenigde Staten ongeveer 20 procent van hun maïs exporteren, lopen de armen in de rest van de wereld een bijzonder risico. Runge noemt de verdubbeling van de prijs van tortilla's in Mexico een jaar geleden.
Al deze factoren pleiten tegen de belofte van maïs-ethanol als oplossing voor het energieprobleem. Mijn mening, zegt Polasky, is dat [ethanol] alleen een beetje een speler gaat worden op het gebied van energievoorziening. Hij berekent dat zelfs als alle in de Verenigde Staten geplante maïs zou worden gebruikt voor ethanol, de biobrandstof nog steeds slechts 12 procent van het benzineverbruik zou verdringen. Als ik dit doe voor het energiebeleid, zie ik de terugverdientijd niet, zegt hij. Als we dit doen als landbouwondersteuningsbeleid, is er misschien meer verdienste. Maar we zullen naar de volgende generatie technologie moeten gaan om een significante impact op de energiemarkten te hebben.
Superbugs
Sinds de oliecrisis van de jaren zeventig, toen de prijs van een vat aardolie een hoogtepunt bereikte, hebben chemische en biologische ingenieurs manieren gezocht om de enorme voorraden cellulosemateriaal van het land, zoals hout, landbouwresten en overblijvende grassen, om te zetten in ethanol en andere biobrandstoffen . Vorig jaar heeft het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) onder verwijzing naar een ander doel van president Bush - het benzineverbruik in de VS met 20 procent verminderen in 10 jaar - aangekondigd tot $ 385 miljoen aan financiering voor zes bioraffinageprojecten die verschillende technologieën zullen gebruiken om ethanol uit biomassa te produceren variërend van houtsnippers tot switchgrass.
Volgens een rapport van de DOE en het Amerikaanse ministerie van landbouw uit 2005 heeft het land voldoende bos en landbouwgrond beschikbaar om 1,3 miljard ton biomassa te produceren die voor biobrandstoffen kan worden gebruikt. Naast het verschaffen van een enorme voorraad goedkope grondstoffen, zou cellulosebiomassa de energie- en milieuvoordelen van biobrandstoffen aanzienlijk kunnen vergroten. Het kost veel minder energie om cellulosematerialen te kweken dan om maïs te verbouwen, en delen van de biomassa kunnen worden gebruikt om het productieproces van stroom te voorzien. (De in Brazilië geproduceerde ethanol op basis van suikerriet biedt ook verbeteringen ten opzichte van ethanol op basis van maïs, dankzij de grote opbrengsten van het gewas en het hoge suikergehalte.)
Maar ondanks jarenlang onderzoek en recente investeringen in het opschalen van productieprocessen, maakt nog geen enkele commerciële faciliteit cellulose-ethanol. De economische verklaring is simpel: het kost veel te veel om zo'n faciliteit te bouwen. Cellulose, een polysacharide met een lange keten dat een groot deel uitmaakt van de massa van houtachtige planten en gewasresten zoals maïsstengels, is moeilijk – en dus duur – af te breken.
Er bestaan verschillende technologieën voor de productie van cellulose-ethanol. De cellulose kan onder hoge druk in aanwezigheid van zuurstof worden verwarmd om synthesegas te vormen, een mengsel van koolmonoxide en waterstof dat gemakkelijk wordt omgezet in ethanol en andere brandstoffen. Als alternatief kunnen industriële enzymen de cellulose afbreken tot suikers. De suikers voeden vervolgens fermentatiereactoren waarin micro-organismen ethanol produceren. Maar al deze processen zijn nog veel te duur om commercieel te gebruiken.
Zelfs voorstanders van cellulose-ethanol schatten de kapitaalkosten van de bouw van een fabriek op meer dan twee keer die van een fabriek op basis van maïs, en andere schattingen lopen uiteen van drie keer de kosten tot vijf. Je kunt tegenwoordig cellulose-ethanol maken, maar tegen een verre van perfecte prijs, zegt Christopher Somerville, een plantenbioloog aan de University of California, Berkeley, die onderzoekt hoe cellulose wordt gevormd en gebruikt in de celwanden van planten.
Cellulose heeft fysische en chemische eigenschappen die het moeilijk toegankelijk maken en moeilijk afbreekbaar maken, legt Arnold van Caltech uit, die sinds de jaren zeventig aan de biologische benadering van de productie van cellulose-ethanol heeft gewerkt. Om te beginnen worden cellulosevezels bij elkaar gehouden door een stof genaamd lignine, wat een beetje op asfalt lijkt, zegt Arnold. Zodra de lignine is verwijderd, kan de cellulose worden afgebroken door enzymen, maar ze zijn duur en bestaande enzymen zijn niet ideaal voor de taak.
Veel onderzoekers zijn van mening dat de meest veelbelovende manier om cellulose-biobrandstoffen economisch concurrerend te maken, het creëren of ontdekken is van superbacteriën, micro-organismen die cellulose kunnen afbreken tot suikers en die suikers vervolgens kunnen fermenteren tot ethanol. Het idee is om wat nu een meerstappenproces is dat de toevoeging van kostbare enzymen vereist, om te zetten in een eenvoudig eenstapsproces, in de industrie aangeduid als geconsolideerde bioprocessing. Volgens Lee Lynd, een professor in engineering aan het Dartmouth College en medeoprichter van Mascoma, een bedrijf gevestigd in Cambridge, MA, dat een versie van de technologie commercialiseert, zou de geconsolideerde aanpak uiteindelijk ethanol kunnen produceren voor 70 cent per gallon. Het zou een transformationele doorbraak zijn, zegt hij. Het lijdt geen twijfel dat het aantrekkelijk zou zijn.
Maar het vinden van superbacteriën is moeilijk gebleken. Al tientallen jaren weten wetenschappers van bacteriën die cellulose kunnen afbreken en ook wat ethanol kunnen produceren. Maar niemand kan het werk snel en efficiënt genoeg doen om bruikbaar te zijn voor grootschalige productie.
De natuur, legt Arnold uit, biedt weinig hulp. Er zijn organismen die cellulose afbreken, zegt ze, maar het probleem is dat ze geen brandstoffen maken, dus daar heb je niet veel aan. Een alternatief, zegt ze, is om genetisch te modificeren E coli en gist zodat ze enzymen afscheiden die cellulose afbreken. Maar hoewel veel verschillende soorten enzymen het werk kunnen doen, houden de meeste er niet van om erin te worden ingevoegd E coli en gist.
Arnold is echter optimistisch dat het juiste organisme ontdekt zal worden. Je weet nooit wat er morgen gebeurt, zegt ze, of het nu met synthetische biologie is gedaan of dat iemand er een van de onderkant van zijn schoen schraapt.
Ze schraapte het niet helemaal van haar schoen, maar Susan Leschine, een microbioloog aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst, gelooft dat ze misschien een bug heeft ontdekt die het werk zal doen. Ze vond het in een bodemmonster dat meer dan tien jaar geleden werd verzameld in de bossen rond het Quabbin Reservoir, ongeveer 25 kilometer van haar laboratorium. Het Quabbin-monster was slechts een van de vele van over de hele wereld die Leschine bestudeerde, dus het duurde enkele jaren voordat ze klaar was met het analyseren ervan. Maar toen ze dat deed, realiseerde ze zich dat een van de bacteriën, Clostridium fytofermentans , had buitengewone eigenschappen. Het ontleedt bijna alle componenten van de plant en vormt ethanol als het belangrijkste product, zegt ze. Het produceert enorme hoeveelheden ethanol.
Leschine richtte in Amherst een bedrijf op, SunEthanol, dat met de bacterie gaat proberen de productie van ethanol op te schalen. Er is nog een lange weg te gaan, erkent ze, maar ze voegt eraan toe dat wat we hebben heel anders is, en dat geeft ons een voorsprong. We hebben al een microbe en hebben die aangetoond op echte grondstoffen. Leschine zegt dat er waarschijnlijk nog andere nuttige microben wachten om ontdekt te worden: een enkel bodemmonster bevat immers honderdduizenden variëteiten. In deze dierentuin van microben, zegt ze, kunnen we denken dat er anderen zijn met vergelijkbare eigenschappen.
Bloeiende Prairies
Of ethanol gemaakt van cellulosehoudende biomassa goed of slecht is voor het milieu, hangt echter af van wat voor soort biomassa het is en hoe het wordt verbouwd.
In zijn kantoor in St. Paul haalt David Tilman, hoogleraar ecologie aan de Universiteit van Minnesota, een grote luchtfoto tevoorschijn van een veld dat is opgedeeld in een netjes raster. Zelfs vanaf het uitkijkpunt van de camera ver boven de grond ziet het land er armoedig uit. In een perceel zijn dunne rijen grassen, de zandgrond eronder zichtbaar. Tilman zegt dat het land zo onvruchtbaar was dat het landbouwgebruik ervan was opgegeven. Daarna schraapten hij en zijn collega's de resterende bovengrond weg. Geen boer heeft zo'n slecht land, zegt hij.
In een reeks tests kweekte Tilman een mengsel van inheemse prairiegrassen (inclusief switchgrass) in sommige percelen van het veld en enkele soorten in andere. De resultaten laten zien dat een diverse mix van grassen, zelfs gekweekt op extreem onvruchtbare grond, een waardevolle bron van biobrandstoffen kan zijn, zegt hij. Je zou meer ethanol kunnen maken van een hectare [van de gemengde grassen] dan van een hectare maïs. Beter nog, in een artikel gepubliceerd in Science, toonde Tilman aan dat de prairiegrassen kunnen worden gebruikt om ethanol te maken dat koolstofnegatief is: de grassen zouden meer koolstofdioxide kunnen verbruiken en opslaan dan er vrijkomt door de productie en verbranding van de brandstof die ervan wordt gemaakt.
De bevindingen zijn opvallend omdat ze een milieuvriendelijke manier suggereren om enorme hoeveelheden biobrandstoffen te produceren zonder te concurreren met voedselgewassen. In 2050 heeft de wereld volgens Tilman een miljard hectare meer land nodig voor voedsel. Dat is de landmassa van de hele Verenigde Staten om de wereld te voeden, zegt hij. Als je veel biobrandstoffen op [bouw]land hebt gedaan - je kunt je heel gemakkelijk een miljard hectare voor biobrandstoffen voorstellen - heb je na 50 jaar geen natuur en geen landreserve meer. In plaats daarvan, stelt Tilman, is het logisch om biomassa voor brandstoffen te verbouwen op relatief onvruchtbare grond die niet langer wordt gebruikt voor landbouw.
Maar op de heuvel van Tilmans kantoor maken zijn collega's van de afdeling toegepaste economie zich zorgen over de praktische problemen die komen kijken bij het gebruik van grote hoeveelheden biomassa om brandstof te maken. Om te beginnen wijzen ze erop dat de technologie en infrastructuur die de omvangrijke biomassa efficiënt kunnen verwerken en vervoeren, nog moeten worden ontwikkeld. En aangezien het plantmateriaal duur zal zijn om te verplaatsen, zullen productiefaciliteiten voor biobrandstoffen dicht bij de bronnen van grondstoffen moeten worden gebouwd, waarschijnlijk binnen een straal van 80 kilometer.
De hoeveelheid biomassa die nodig is om zelfs maar één middelgrote ethanolfabriek te voeden, is ontmoedigend. Eidman berekent dat een fabriek die 50 miljoen gallons per jaar produceert, een vrachtwagen vol biomassa nodig zou hebben die de klok rond elke zes minuten arriveert. Bovendien, zegt hij, is de grondstof niet gratis: het kost ongeveer $ 60 tot $ 70 per ton, of ongeveer 75 cent per gallon ethanol. Dat is waar veel mensen voor de gek worden gehouden, voegt hij eraan toe.
Omdat er geen commerciële cellulose-installatie is gebouwd, zegt Eidman, is het moeilijk om de specifieke kosten van verschillende technologieën te analyseren. Al met al, zo suggereert hij, ziet de economie er interessant uit, maar cellulose-ethanol zal moeten concurreren met uit maïs verkregen biobrandstoffen en zal uitkomen op ongeveer $ 1,50 per gallon. Eidman denkt dat het in ieder geval 2015 zal duren voordat biobrandstoffen op basis van cellulose een belangrijke rol gaan spelen in de markt.
verbannen
Terwijl chemische ingenieurs, microbiologen, agronomen en anderen worstelen om manieren te vinden om cellulose-ethanol commercieel concurrerend te maken, richten enkele synthetisch biologen en metabolische ingenieurs zich op een geheel andere strategie. Meer dan vijftienhonderd mijl verwijderd van de maïsgordel van het Midwesten, creëren verschillende in Californië gevestigde, door durfkapitaal gesteunde startups, opgericht door pioniers op het jonge gebied van synthetische biologie, nieuwe micro-organismen die zijn ontworpen om andere biobrandstoffen dan ethanol te maken.
Ethanol is immers nauwelijks een ideale brandstof. Het is een molecuul met twee koolstofatomen en heeft slechts tweederde van de energie-inhoud van benzine, een mengsel van koolwaterstoffen met lange ketens. Anders gezegd, het zou ongeveer anderhalve gallon ethanol kosten om dezelfde kilometerstand op te leveren als een gallon benzine. En omdat ethanol zich vermengt met water, is er aan het einde van het fermentatieproces een kostbare distillatiestap nodig. Bovendien, omdat ethanol gemakkelijker verontreinigd is met water dan koolwaterstoffen, kan het niet worden vervoerd in de petroleumpijpleidingen die worden gebruikt om benzine goedkoop door de Verenigde Staten te distribueren. Ethanol moet worden vervoerd in gespecialiseerde treinwagons (vrachtwagens, met hun relatief kleine nuttige lading, zijn meestal veel te duur), wat de brandstofkosten verhoogt.
Dus in plaats van ethanol zijn de Californische startups van plan nieuwe koolwaterstoffen te produceren. Net als ethanol worden de nieuwe verbindingen gefermenteerd uit suikers, maar ze zijn ontworpen om meer op benzine, diesel en zelfs vliegtuigbrandstof te lijken. We hebben ethanol bekeken, zegt Neil Renninger, senior vice-president van ontwikkeling en medeoprichter van Amyris Biotechnologies in Emeryville, CA, en realiseerden ons de beperkingen en de wens om iets te maken dat meer op conventionele brandstoffen leek. In wezen wilden we koolwaterstoffen maken. Koolwaterstoffen zijn wat er momenteel in brandstoffen zit, en koolwaterstoffen zijn de beste brandstoffen omdat we onze motoren hebben ontworpen om ermee te werken. Als de onderzoekers microben die dergelijke verbindingen produceren genetisch kunnen manipuleren, zal dit de economie van biobrandstoffen volledig veranderen.
Het probleem is dat de natuur geen bekende voorbeelden biedt van micro-organismen die suikers kunnen fermenteren tot de soorten koolwaterstoffen die nuttig zijn voor brandstof. Dus synthetisch biologen moeten helemaal opnieuw beginnen. Ze identificeren veelbelovende metabolische reacties in andere organismen en voegen de overeenkomstige genen in E. coli of gist in, waarbij ze metabole routes opnieuw combineren totdat ze de gewenste producten opleveren.
Bij LS9 in San Carlos, CA, maken onderzoekers van E. coli een koolwaterstofproducent door het vetzuurmetabolisme opnieuw te ontwikkelen ( zie Better Biofuels, Forward, juli/augustus 2007 ). Stephen del Cardayré, vice-president van onderzoek en ontwikkeling van LS9, zegt dat het bedrijf besloot zich te concentreren op vetzuren omdat organismen deze van nature in overvloed produceren als een manier om energie op te slaan. We wilden profiteren van een pad dat [natuurlijk] veel dingen oplevert, zegt del Cardayré. Pak gewoon je middel vast. Del Cardayré en zijn collega's gebruiken veel van de bestaande routes in het vetzuurmetabolisme van E. coli, maar leiden ze om tegen het einde van de metabolische cyclus. Omdat vetzuren bestaan uit een koolwaterstofketen met een carboxylgroep, is het relatief eenvoudig om de koolwaterstofbrandstoffen te maken. Zie het als een snelweg, zegt del Cardayré. Aan het einde van de snelweg voegen we een omweg toe, een pad dat we hebben ontworpen en daar vastgezet, zodat de vetzuren een betere plek hebben om naartoe te gaan. We trekken ze uit en veranderen ze chemisch, met behulp van dit nieuwe synthetische pad dat ze naar producten brengt die we willen.
Ook Amyris volgt de synthetisch-biologische benadering, maar in plaats van het vetzuurmetabolisme aan te passen, werkt het aan routes die isoprenoïden produceren, een grote klasse van natuurlijke verbindingen. Tot nu toe maken echter zowel LS9 als Amyris hun biobrandstoffen een paar liter tegelijk. En hoewel de bedrijven ambitieuze schema's hebben voor het commercialiseren van hun technologieën - beide beweren dat hun processen in 2010 klaar zullen zijn - blijft het verbeteren van de opbrengst en de snelheid van hun reacties een cruciale uitdaging. Daar gebeurt het meeste biologische werk, zegt Renninger. We hebben nog een kleine weg te gaan, en die kleine weg is erg belangrijk.
Als ze uiteindelijk op de markt worden gebracht, kunnen de koolwaterstofbiobrandstoffen van LS9 en Amyris veel van de economische nadelen van ethanol overwinnen. In tegenstelling tot ethanol scheiden koolwaterstoffen zich tijdens het productieproces van water af, dus er is geen energie-intensieve destillatiestap nodig. En koolwaterstofbiobrandstoffen kunnen worden vervoerd in bestaande petroleumpijpleidingen. Het draait allemaal om kosten, zegt Robert Walsh, president van LS9. Maar een kritische factor zal de prijs van de grondstof zijn, zegt hij. We willen spotgoedkope suikers.
De startups op het gebied van synthetische biologie hebben inderdaad hetzelfde probleem als de gevestigde ethanolproducenten: maïs is geen goedkope bron van biobrandstoffen. De volgende generatie [grondstoffen] zal cellulose zijn, zegt John Melo, CEO van Amyris. Maar we weten niet zeker welke cellulosetechnologie als winnaar uit de bus zal komen. Welke technologie ook de overhand heeft, zegt Melo, Amyris verwacht het op zijn fermentatieproces te kunnen toepassen, waardoor het bedrijf de voordelen krijgt van zowel goedkope cellulosehoudende grondstoffen als praktische koolwaterstofbrandstoffen.
Maar voorlopig drijft het gebrek aan een alternatief voor maïs Amyris het land uit. Het bedrijf, dat van plan is om bestaande ethanolfabrieken aan te passen zodat ze koolwaterstoffen kunnen maken, zal in eerste instantie werken met Braziliaanse biobrandstoffaciliteiten die suikerriet als grondstof gebruiken. Gezien de prijs van maïs en de hoeveelheid energie die nodig is om het te produceren, zegt Melo, biedt Braziliaans suikerriet de meest haalbare, duurzame manier om biobrandstoffen te maken.
Geen keuze
Zelfs in een cultuur in Silicon Valley die succesvolle durfkapitalisten vereert, heeft Vinod Khosla een speciale ereplaats. Khosla, een medeoprichter van Sun Microsystems in het begin van de jaren tachtig, trad later toe tot de durfkapitaalfirma Kleiner Perkins Caufield en Byers, waar hij eind jaren negentig en begin jaren 2000 de reputatie verwierf dat hij de dotcom-opwinding negeerde ten gunste van een reeks esoterische startups op het veel minder glamoureuze gebied van optische netwerken. Toen verschillende startups voor miljarden dollars verkochten aan grote bedrijven die hun infrastructuur voorbereidden op de internethausse, werd Khosla, in de woorden van een oververhitte kop van die tijd, The No. 1 VC on the Planet.
Tegenwoordig steekt Khosla, die nu een van de rijkste mensen ter wereld is (de Forbes 400 vermeldt hem op 317, met een nettowaarde van $ 1,5 miljard), het grootste deel van zijn investeringen in alternatieve energie. Hij telt onder zijn portefeuillebedrijven meer dan een dozijn biobrandstof-startups - synthetische-biologiebedrijven LS9 en Amyris, cellulosebedrijven zoals Mascoma en maïs-ethanolbedrijven zoals Cilion, gevestigd in Goshen, CA. Maar om Khosla simpelweg een investeerder in biobrandstoffen te noemen, zou zijn betrokkenheid sterk onderschatten. In de afgelopen jaren is hij naar voren gekomen als een van 's werelds toonaangevende voorstanders van de technologie, die de voordelen ervan promoot en vrijelijk debatteert over eventuele tegenstanders ( zie Q&A, maart/april 2007 ).
Khosla lijkt geïrriteerd door de tegenstanders van biobrandstoffen. Klimaatverandering, zegt hij, is verreweg het grootste probleem dat zijn interesse in biobrandstoffen drijft. Als we klimaatverandering willen voorkomen en het verbruik van benzine willen verminderen, zijn er geen alternatieven voor het gebruik van cellulose-biobrandstoffen voor transport. Biomassa is de enige grondstof in voldoende hoeveelheden om op een kosteneffectieve manier olie te vervangen, zegt hij. Er bestaat niets anders. Hybride en elektrische voertuigen, voegt hij eraan toe, zijn slechts speelgoed.
In het bijzonder, stelt Khosla, moet elke transporttechnologie concurreren in China en India, de snelstgroeiende automarkten ter wereld. Het is niet erg om een miljoen plug-in-elektriciteit te verkopen in een plaats als Californië, zegt hij. De moeilijkheid is het verkopen van een hybride voertuig van $ 20.000 in India. Geen kans. En elke technologie die niet door China en India kan worden overgenomen, is niet relevant voor klimaatverandering, zegt hij. Milieuactivisten richten zich niet op schaalbaarheid. Als je het niet kunt opschalen, is het gewoon speelgoed. Vandaar de behoefte aan biobrandstoffen. Vandaar biobrandstoffen uit biomassa.
In een aantal opiniestukken op de website van Khosla Ventures, een bedrijf dat hij in 2004 begon en zwaar heeft geïnvesteerd in biobrandstoffen en andere milieutechnologieën, voorziet Khosla dat de productie van biobrandstoffen de komende 20 jaar snel zal toenemen. Volgens zijn cijfers zal de productie van maïs-ethanol tegen 2014 afvlakken op 15 miljard gallon per jaar, maar cellulose-ethanol zal gestaag toenemen, tot 140 miljard gallon in 2030. Op dat moment voorspelt hij dat biobrandstoffen goedkoop en overvloedig genoeg zullen zijn om vervang benzine voor bijna alle doeleinden.
Hoewel Khosla de beperkingen van van maïs afgeleide ethanol zonder meer erkent, zegt hij dat het een belangrijke opstap is geweest: de markt voor maïs-ethanol heeft een infrastructuur en een markt voor biobrandstoffen in het algemeen gecreëerd, waardoor veel van de bedrijfsrisico's van investeringen in cellulose-ethanol zijn weggenomen . De reden dat ik van [maïsethanol] hou, is dat het traject leidt tot cellulose-ethanol, zegt hij. Zonder maïs-ethanol zou niemand investeren in cellulose.
Maar terug in het Midwesten is er een toon mij houding ten opzichte van dergelijke blauwe luchtprojecties, en er zijn slepende vragen over hoe de enorme landbouwinfrastructuur van het land zal overschakelen op biomassa. Als de projecties van Khosla uitkomen, dan is dat prachtig, zegt Runge van de University of Minnesota. Ondertussen zitten we vast in de realiteit. Misschien is het belangrijkste twistpunt, suggereert Runge, of maïs-ethanol in feite zal leiden tot nieuwe technologieën - of in de weg zal staan. Ik ben van mening dat maïs-ethanol een barrière vormt voor het overschakelen op cellulose, zegt hij, wijzend op de traagheid die wordt veroorzaakt door politieke en zakelijke belangen die zwaar zijn geïnvesteerd in maïs-ethanol en de infrastructuur ervan.
Runge is niet de enige met zijn scepsis. Tenzij de kosten aanzienlijk worden verlaagd, gaat cellulose-ethanol nergens heen, zegt Wally Tyner, hoogleraar landbouweconomie aan de Purdue University. Om cellulose-ethanol levensvatbaar te maken, is ofwel een beleidsmechanisme nodig om investeringen in nieuwe technologieën aan te moedigen, ofwel een fenomenale doorbraak - en de kans daarop is niet al te groot, zegt Tyner. Boeren en ethanolproducenten hebben momenteel geen prikkel om de risico's van veranderende technologieën op zich te nemen, voegt hij eraan toe. Er is geen beleidsbrug om de transitie te helpen maken. De status-quo zal het niet doen.
Ondanks de scherpe meningsverschillen zijn er nog steeds overeenkomsten tussen mensen als Khosla, wiens ongebreidelde geloof in innovatie is gevoed door de successen van Silicon Valley, en de Midwesten wiens pragmatisme werd gesmeed door de competitieve economie van de landbouw. In het bijzonder zijn de meeste waarnemers het erover eens dat de jaarlijkse productie van van maïs afgeleide ethanol binnen enkele jaren zal afvlakken. Daarna zal elke groei in de productie van biobrandstoffen uit nieuwe technologieën moeten komen.
Maar als biobrandstoffen op basis van cellulose binnen vijf tot tien jaar benzine moeten gaan vervangen, zullen de faciliteiten binnenkort moeten beginnen met de bouw. Dit najaar kondigde Range Fuels, een bedrijf gevestigd in Broomfield, CO, aan dat het in Georgië begon te werken aan wat naar eigen zeggen de eerste cellulose-ethanolfabriek van het land op commerciële schaal is. De Range-faciliteit, die thermochemische technologie zal gebruiken om ethanol uit houtsnippers te maken, zal naar verwachting in 2008 een capaciteit van 20 miljoen gallons bereiken en uiteindelijk toenemen tot 100 miljoen gallons per jaar. Ondertussen heeft Mascoma verschillende demonstratie-eenheden aangekondigd, waaronder een faciliteit in Tennessee die de eerste cellulose-ethanolfabriek zal zijn die is gebouwd om switchgrass te gebruiken. Maar deze productie-installaties worden federaal gesubsidieerd of zijn het resultaat van partnerschappen met ontwikkelingsorganisaties van de staat; het aantrekken van particuliere investeringen voor productie op commerciële schaal is een andere zaak.
Het opvoeren van de capaciteit van de productie van cellulose-ethanol zal inderdaad een enorme en risicovolle uitdaging zijn, zegt Colin South, president van Mascoma. Als mensen over cellulose-ethanol praten alsof het een industrie is, is dat een oneerlijk beeld, zegt hij. Er zijn een aantal proeffabrieken, maar geen enkele is buiten de proefschaal geraakt. We moeten nog laten zien dat we deze ook daadwerkelijk kunnen runnen in de vorm van een werkende chemische fabriek. South zegt dat Mascoma hoopt in 2009 te beginnen met de bouw van een commerciële fabriek en deze begin 2011 operationeel te hebben. Maar hij voegt eraan toe dat het bedrijf alleen doorgaat als de cijfers goed genoeg zijn.
Misschien wel het meest cruciale cijfer is echter de prijs van ruwe olie. Als het hoog blijft, kan de productie van cellulose-ethanol veel eerder economisch concurrerend worden. Maar weinig mensen, en zeker niet de investeerders die honderden miljoenen dollars op nieuwe fabrieken zouden riskeren, zijn bereid die gok te wagen. Velen herinneren zich het einde van de jaren zeventig, toen de federale overheid ongeveer een miljard dollar uittrok om onderzoek naar biomassa te financieren, om het vervolgens weer op te geven toen de prijzen van ruwe olie in het begin van de jaren tachtig daalden. En terwijl de prijs van een vat ruwe olie dit najaar in het midden van de jaren 90 schommelde en de groothandelsgasprijzen 2,50 dollar per gallon bereikten, zeggen biobrandstofexperts dat ze niet op zulke hoge prijzen kunnen rekenen. Veel producenten van biobrandstoffen van de volgende generatie zeggen dat ze concurrerend willen zijn met ruwe olie van ongeveer $ 45 per vat om de levensvatbaarheid van de markt op lange termijn te waarborgen.
Aankondigingen over nieuwe cellulose-ethanolfabrieken hebben de neiging om het feit te verdoezelen dat de technologie nog steeds niet economisch levensvatbaar is. Gregory Stephanopoulos, hoogleraar chemische technologie aan het MIT, omschrijft zichzelf als zeer optimistisch over de toekomst van biobrandstoffen. Maar zelfs hij voegt er snel aan toe dat het nog 10 jaar zal duren om de productieprocessen voor cellulose-biobrandstoffen te optimaliseren. Onder de talloze andere problemen, zegt hij, is de behoefte aan robuustere en veelzijdigere microben om ze te maken.
In een kleine vergaderruimte buiten zijn kantoor haalt Stephanopoulos een potlood en papier tevoorschijn en begint een reeks cirkels te tekenen. Je kunt je, zegt hij, een bioraffinaderij voorstellen, omringd door bronnen van verschillende soorten biomassa. Hij verbindt de cirkels op een centraal punt, waardoor lijnen ontstaan als spaken op een wiel. Je zou, vervolgt hij, pijpleidingen uit deze bronnen kunnen voorstellen. Wat als de biomassa als slurry wordt behandeld en naar de bioraffinaderij wordt geleid? Stephanopoulos zou de eerste zijn om te erkennen dat het jaren zou kosten om een dergelijke ambitieuze infrastructuur op te zetten en dat het idee tal van technische en technische vragen oproept. Maar voor de rest van het interview ligt de tekening geduldig op tafel - een eenvoudig doelwit.