Cena biopaliw

Irracjonalny entuzjazm wobec etanolu, który przetoczył się przez amerykański pas kukurydziany w ciągu ostatnich kilku lat, ustąpił miejsca ponuremu kacowi, zwłaszcza wśród tych, którzy dużo zainwestowali w rozległe zakłady produkcyjne, teraz rozsiane po wiejskim krajobrazie. Jest to wersja bańki technologicznej na Środkowym Zachodzie i pod pewnymi względami jest niezwykle znajoma: nadmiernie gorliwi inwestorzy, rozmiłowani w pozornie nieograniczonym potencjale technologii, ignorują to, co, przynajmniej z perspektywy czasu, jest oczywistymi realiami gospodarczymi.

Ponad sto fabryk biopaliw, skupionych głównie w uprawiających kukurydzę stanach Iowa, Minnesota, Illinois, Indiana, Południowa Dakota i Nebraska, wyprodukuje w tym roku 6,4 miliarda galonów etanolu, a kolejne 74 obiekty są w trakcie budowy. Jeszcze 18 miesięcy temu były dojnymi krowami, produkującymi drogi etanol z taniej kukurydzy, budząc wśród polityków nadzieję na niezależność energetyczną oraz przykuwając uwagę – i pieniądze – inwestorów venture capital zarówno ze wschodniego, jak i zachodniego wybrzeża.

Teraz producenci etanolu walczą, a wielu traci pieniądze. Cena buszla kukurydzy wzrosła do rekordowo wysokiego poziomu w ciągu roku, przekraczając 4,00 USD zeszłej zimy, zanim spadła do około 3,50 USD latem, a jesienią ponownie spadła do blisko 4 USD. W tym samym czasie ceny etanolu gwałtownie spadły, gdy rynek paliwa alternatywnego, nadal wykorzystywanego głównie jako dodatek do benzyn, uległ nasyceniu. W obliczu tych dwóch trendów marże zniknęły.

Zastoje na rynku etanolu odzwierciedlają przewidywalny cykl koniunktury na dowolny towar: wysokie ceny prowadzą do zwiększonej produkcji, a wkrótce na rynku pojawia się nadpodaż, powodując załamanie cen. Jednak stosowanie na dużą skalę etanolu z kukurydzy jako paliwa transportowego wiąże się z własnymi problemami ekonomicznymi. Mimo że ropa naftowa jest po niemal rekordowych cenach, a firmy używające etanolu w benzynie otrzymują federalną ulgę podatkową w wysokości 51 centów za galon, etanol ma trudności z konkurowaniem ekonomicznie. A przy ograniczonej infrastrukturze umożliwiającej dystrybucję i sprzedaż biopaliwa, popyt w najbliższej przyszłości pozostanie niepewny.

Aby uzyskać więcej informacji, przeczytaj Przegląd technologii specjalny raport na temat biopaliw.

Co bardziej niepokojące, boom w produkcji etanolu podnosi ceny żywności. Z rekordowych 93 milionów akrów kukurydzy obsadzonych w Stanach Zjednoczonych w 2007 r. około 20 procent poszło na etanol. Ponieważ większość reszty jest wykorzystywana do karmienia zwierząt, ceny wołowiny, mleka, drobiu i wieprzowiny wpływają na wzrost kosztów kukurydzy. Międzynarodowa Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) ostrzegła niedawno, że szybki rozwój przemysłu biopaliw może spowodować fundamentalne zmiany na rynkach rolnych na całym świecie, a nawet spowodować niedobory żywności.

Wszystko to dzieje się w czasie, gdy zapotrzebowanie na alternatywy dla paliw transportowych opartych na ropie naftowej staje się pilne. W czasie prasy cena ropy naftowej wynosiła blisko 90 dolarów za baryłkę. I pogłębiają się obawy o wpływ emisji gazów cieplarnianych z około 142 miliardów galonów benzyny zużywanej każdego roku w Stanach Zjednoczonych. Rozszerzone wykorzystanie biopaliw ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej strategii energetycznej rządu federalnego. W swoim przemówieniu o stanie Unii z 23 stycznia 2007 r. prezydent Bush wyznaczył sobie cel wyprodukowania 35 miliardów galonów paliw odnawialnych i alternatywnych do 2017 r., powołując się na potrzebę niezależności od zagranicznej ropy naftowej. Departament Energii USA wyznaczył podobny cel, aby do 2030 r. zastąpić 30 procent zużywanej benzyny biopaliwami.

Multimedia

• Boom czy biust? (PDF: Wykresy i wykresy ekonomiki biopaliw)

• Zobacz zdjęcia wysokobiałkowych ziaren i produkcji węglowodorów.

• Naukowcy z University of Minnesota badają przyszłość biopaliw.

• C. Ford Runge wyjaśnia problemy etanolu z kukurydzy.

• Kapitalista wysokiego ryzyka Vinod Khosla szczegółowo opisuje potencjał rynkowy alternatywnych źródeł energii.

Osiągnięcie obu celów będzie jednak wymagało znaczących przełomów technologicznych. W Stanach Zjednoczonych na razie etanol oznacza wersję z kukurydzy. (Oczekiwano, że brazylijscy producenci wyprodukują w 2007 r. 4,97 miliarda galonów etanolu, głównie z trzciny cukrowej; ale ta półtropikalna uprawa jest opłacalna rolniczo tylko w kilku częściach Stanów Zjednoczonych). więcej niż około 15 miliardów galonów rocznie, co jest dalekie od celu Busha.

Podczas gdy prezydent Bush i inni zwolennicy biopaliw często wzywali do wytwarzania etanolu z alternatywnych surowców, takich jak prosa rózgowa – roślina pochodząca z preriowych stanów USA, gdzie rośnie powszechnie – wymagana technologia to, według większości szacunków, co najmniej cztery do pięciu lat od rentowności komercyjnej. Tymczasem zaawansowane techniki biologiczne do tworzenia nowych organizmów, które produkują inne biopaliwa, takie jak węglowodory, wciąż znajdują się w laboratorium. Do tej pory naukowcy wytwarzają ilości, które nie wystarczyłyby nawet do napełnienia baku dużego SUV-a.

Nieszczęście gospodarcze i ograniczenia rynkowe etanolu z kukurydzy boleśnie przypominają o ogromnych trudnościach, z jakimi borykają się twórcy nowych biopaliw. Najważniejsze jest to, że będziesz musiał zrobić tanie paliwo, mówi Frances Arnold, profesor inżynierii chemicznej i biochemii w Caltech. Wszyscy możemy coś zrobić. Ale musisz to zrobić dużo, i to tanio. Problem jest tak ogromny, że Twoja technologia musi się skalować i robić to w konkurencyjnej cenie. Wszyscy będą konkurować wyłącznie ceną.

Zaraza kukurydzy
Chyba nie ma lepszego miejsca na uzyskanie realistycznej oceny biopaliw niż Wydział Ekonomii Stosowanej Uniwersytetu Minnesota. Duży kampus mieszczący wydział i resztę uniwersyteckiej szkoły rolniczej leży na niskim wzgórzu w cichej dzielnicy St. Paul. Akry pól, na których przeprowadza się eksperymenty, rozciągają się na obrzeżach uniwersytetu. W pobliżu znajdują się tereny Minnesota State Fair, 12-dniowego wydarzenia, które pod koniec lata przyciąga ponad półtora miliona odwiedzających.

Stan jest czwartym co do wielkości producentem kukurydzy w USA, a znaczna część jego gospodarki, nawet kultury, jest ściśle związana z uprawami. Wzrost cen kukurydzy był dobrodziejstwem dla wiejskich społeczności rolniczych Minnesoty. A gubernator i inni politycy stanowi zdecydowanie naciskali na stosowanie etanolu jako paliwa transportowego. Mimo to nie znajdziesz wiele cheerleaderek dla etanolu z kukurydzy w zwykłym ceglanym budynku, w którym mieści się departament.

W swoim uporządkowanym gabinecie ze schludnymi stosami dokumentów technicznych i raportów rolniczych Vernon Eidman, emerytowany profesor ekonomii rolnictwa, łączy autorytet uczonego z surowością bankiera ze Środkowego Zachodu. Widzieliśmy, że to nadchodzi, mówi, opisując obecną sytuację rynkową producentów etanolu. To nie tak, że [producenci] nie wiedzieli, że nadchodzi. Przynajmniej powinni byli o tym wiedzieć. W 2006 roku osiągnęli zyski, jakich nigdy wcześniej nie mieli, mówi Eidman. I to jest główny czynnik, który doprowadził do tego ogromnego nagromadzenia.

Liczby mówią same za siebie. Obliczenia Eidmana pokazują, ile kosztuje, biorąc pod uwagę różne ceny kukurydzy, nowy, średniej wielkości zakład do produkcji etanolu. Przy cenie 4,00 dolara za buszel kukurydzy produkcja etanolu kosztuje 1,70 dolara za galon; aby uzyskać 12-procentowy zwrot z kapitału, producenci muszą sprzedawać etanol po 1,83 dolara za galon. Następnie Eidman pokazuje swoje liczby dotyczące cen, jakie płacą firmy naftowe, kupując etanol do zmieszania z benzyną: w grudniu tego roku ceny wynosiły około 1,90 dolara za galon, a ceny ofertowe na rok 2008 wahały się od 1,75 dolara do 1,80 dolara za galon. Innymi słowy, marże zysku producentów etanolu są niezwykle niskie. Co gorsza, mówi Eidman, zdolność produkcyjna, która na początku 2007 roku wynosiła około 5,4 miliarda galonów, ma osiągnąć 12,5 miliarda galonów do 2010 roku.

Podczas gdy pęczniejąca produkcja etanolu doprowadziła do obaw o nadpodaż, druga strona równania rynkowego jest w rzeczywistości powodem większych obaw: przyszłe zapotrzebowanie na paliwo etanolowe nie jest w żaden sposób pewne. W kilku częściach kraju, zwłaszcza w stanach pasa kukurydzianego, kierowcy mogą kupować paliwo, które zawiera 85 procent etanolu. Ale w większości firmy naftowe stosują etanol w stężeniu 10 procent, aby zwiększyć zawartość tlenu w swojej benzynie. Taki rynek jest nie tylko ograniczony, ale 10-procentowa mieszanka etanolu zapewnia nieco mniejsze przebiegi, potencjalnie zmniejszając apetyt konsumentów na paliwo.

Eksperci w dziedzinie rolnictwa dotyczą nie tylko krótkoterminowej ekonomiki etanolu. Ostrzegają również, że etanol pozyskiwany z kukurydzy nie jest zielonym paliwem opisywanym przez jej zwolenników. Dzieje się tak, ponieważ wytwarzanie etanolu wymaga dużo energii, zarówno do uprawy kukurydzy, jak i, co ważniejsze, do uruchomienia urządzeń fermentacyjnych, które zamieniają cukier zebrany z ziaren kukurydzy w alkohol używany jako paliwo. Dokładnie, ile energii to wymaga, było przedmiotem intensywnej debaty akademickiej w różnych czasopismach w ciągu ostatnich kilku lat.

Według obliczeń przeprowadzonych przez naukowców z Minnesoty, 54 procent całkowitej energii reprezentowanej przez galon etanolu jest równoważone przez energię wymaganą do przetworzenia paliwa; kolejne 24 procent jest kompensowane przez energię potrzebną do uprawy kukurydzy. Podczas gdy z biopaliwa wyciska się około 25 procent więcej energii niż zużywa się do jego produkcji, inne paliwa przynoszą znacznie większe zyski, mówi Stephen Polasky, profesor ekonomii ekologicznej i środowiskowej w Minnesocie. Wytwarzanie etanolu nie jest tanim procesem, mówi. Z mojej perspektywy największym problemem [z etanolem z kukurydzy] jest po prostu ekonomia i koszty. Energia wejściowa/wyjściowa nie jest zbyt dobra.

Wysokie wymagania energetyczne produkcji etanolu oznaczają, że używanie etanolu jako paliwa nie jest dużo lepsze dla środowiska niż używanie benzyny. Można by pomyśleć, że spalanie biopaliwa uwolniłoby tylko dwutlenek węgla, który wychwytuje kukurydza podczas wzrostu. Ale ten uproszczony obraz, często wyczarowywany na poparcie stosowania paliwa etanolowego, nie wytrzymuje bliższej analizy.

W rzeczywistości, mówi Polasky, paliwa kopalne potrzebne do uprawy i zbioru kukurydzy oraz produkcji etanolu są odpowiedzialne za znaczną emisję dwutlenku węgla. Nie tylko to, ale uprawa kukurydzy wytwarza również dwa inne silne gazy cieplarniane: podtlenek azotu i metan. Polasky oblicza, że ​​etanol pochodzący z kukurydzy odpowiada za emisje gazów cieplarnianych o około 15 do 20 procent mniej niż w przypadku benzyny: Najważniejsze jest to, że uzyskujesz niewielkie oszczędności pod względem emisji gazów cieplarnianych, ale niewiele.

Jeśli jednak etanol z kukurydzy miał niewielki wpływ na rynki energii i emisje gazów cieplarnianych, jego produkcja może mieć reperkusje na rynkach rolnych. Rosną nie tylko ceny kukurydzy, ale także ceny soi, ponieważ rolnicy uprawiali mniej soi, aby zrobić miejsce na kukurydzę.

W majowo-czerwcowym numerze Sprawy zagraniczne , C. Ford Runge, profesor ekonomii stosowanej i prawa w Minnesocie, był współautorem artykułu zatytułowanego Jak biopaliwa mogą głodować biednych, w którym argumentował, że ogromna ilość kukurydzy wymagana przez przemysł etanolowy wywołuje fale uderzeniowe w systemie żywnościowym. Sześć miesięcy później, siedząc w dużym biurze, z którego kieruje uniwersyteckim Centrum Międzynarodowej Polityki Żywnościowej i Rolnej, Runge wydaje się być zdezorientowany krytyką, jaką jego artykuł otrzymał od lokalnych polityków i przedstawicieli branży etanolowej. Ale on jest niezłomny w swojej argumentacji: jest oczywiste, że ceny mleka, ceny chleba, rosną trzykrotnie w stosunku do średniej stopy wzrostu z ostatnich 10 lat. Jest to dostrzegalne i zaczyna być doceniane.

Ostatni raport OECD, opublikowany na początku września, jest tylko ostatnim potwierdzeniem jego ostrzeżeń, mówi Runge. A ponieważ większy procent ich dochodów przeznacza się na żywność, mówi, to naprawdę uderzy w biednych ludzi. Ponieważ Stany Zjednoczone eksportują około 20 procent kukurydzy, biedni w pozostałych częściach świata są szczególnie zagrożeni. Runge powołuje się na podwojenie ceny tortilli w Meksyku rok temu.

Wszystkie te czynniki przeczą obietnicy stosowania etanolu z kukurydzy jako rozwiązania problemu energetycznego. Moim zdaniem, mówi Polasky, [etanol] będzie tylko trochę graczem pod względem dostaw energii. Oblicza, że ​​nawet gdyby cała kukurydza uprawiana w Stanach Zjednoczonych została wykorzystana do produkcji etanolu, biopaliwo i tak zastąpiłoby tylko 12% zużycia benzyny. Jeśli robię to dla polityki energetycznej, nie widzę zwrotu, mówi. Jeśli robimy to w ramach polityki wsparcia gospodarstw, może być w tym więcej zasług. Ale będziemy musieli przejść do następnej generacji technologii, aby mieć znaczący wpływ na rynki energii.

Superrobaki
Od czasu kryzysu naftowego lat 70., kiedy cena baryłki ropy naftowej osiągnęła szczyt, inżynierowie chemicy i biologiczni poszukiwali sposobów na przekształcenie ogromnych krajowych rezerw materiału celulozowego, takiego jak drewno, odpady rolnicze i wieloletnie trawy, w etanol i inne biopaliwa . W zeszłym roku, powołując się na kolejny z celów prezydenta Busha – zmniejszenie zużycia benzyny w USA o 20 procent w ciągu 10 lat – Departament Energii USA (DOE) ogłosił dofinansowanie do 385 milionów dolarów na sześć projektów biorafinerii, które będą wykorzystywać różne technologie do produkcji etanolu z biomasy od zrębków po proso rózgowe.

Według raportu Departamentu Rolnictwa i Departamentu Rolnictwa USA z 2005 r., kraj ma wystarczająco dużo gruntów leśnych i rolnych, aby wyprodukować 1,3 miliarda ton biomasy, którą można by wykorzystać na biopaliwa. Biomasa celulozowa, poza zapewnieniem ogromnej podaży tanich surowców, może znacznie zwiększyć korzyści energetyczne i środowiskowe płynące z biopaliw. Uprawa materiałów celulozowych wymaga znacznie mniej energii niż uprawa kukurydzy, a części biomasy można wykorzystać do wspomagania procesu produkcyjnego. (Etanol na bazie trzciny cukrowej produkowany w Brazylii jest również lepszy od etanolu z kukurydzy, dzięki dużym plonom i wysokiej zawartości cukru).

Jednak pomimo lat badań i niedawnych inwestycji w zwiększenie procesów produkcyjnych, żaden zakład komercyjny nie wytwarza jeszcze etanolu celulozowego. Ekonomiczne wyjaśnienie jest proste: zbudowanie takiego obiektu kosztuje zdecydowanie za dużo. Celuloza, długołańcuchowy polisacharyd, który stanowi znaczną część masy roślin drzewiastych i resztek pożniwnych, takich jak łodygi kukurydzy, jest trudna, a przez to droga, do rozbicia.

Istnieje kilka technologii produkcji etanolu celulozowego. Celuloza może być podgrzewana pod wysokim ciśnieniem w obecności tlenu, tworząc gaz syntezowy, mieszaninę tlenku węgla i wodoru, która łatwo przekształca się w etanol i inne paliwa. Alternatywnie, enzymy przemysłowe mogą rozkładać celulozę na cukry. Cukry zasilają następnie reaktory fermentacyjne, w których mikroorganizmy wytwarzają etanol. Ale wszystkie te procesy są nadal zbyt drogie do komercyjnego wykorzystania.

Nawet zwolennicy etanolu celulozowego szacują koszty inwestycyjne budowy zakładu produkcyjnego na ponad dwukrotnie wyższe niż w przypadku zakładu na bazie kukurydzy, a inne szacunki wahają się od trzykrotności do pięciu. Obecnie można wytwarzać etanol celulozowy, ale za cenę, która jest daleka od ideału, mówi Christopher Somerville, biolog roślin z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który bada, w jaki sposób celuloza powstaje i jest wykorzystywana w ścianach komórkowych roślin.

Celuloza ma właściwości fizyczne i chemiczne, które utrudniają dostęp i są trudne do rozłożenia, wyjaśnia Arnold z Caltech, który od lat 70. pracował z przerwami nad biologicznym podejściem do produkcji etanolu celulozowego. Po pierwsze, włókna celulozy są połączone substancją zwaną ligniną, która przypomina trochę asfalt, mówi Arnold. Po usunięciu ligniny celuloza może zostać rozłożona przez enzymy, ale są one drogie, a istniejące enzymy nie są idealne do tego zadania.

Wielu badaczy uważa, że ​​najbardziej obiecujący sposób uczynienia biopaliw celulozowych ekonomicznie konkurencyjnymi obejmuje stworzenie – lub odkrycie – superbakterii, mikroorganizmów, które mogą rozkładać celulozę na cukry, a następnie fermentować te cukry do etanolu. Chodzi o to, by wieloetapowy proces, wymagający dodania kosztownych enzymów, przekształcić w prosty, jednoetapowy proces, określany w branży jako skonsolidowane bioprzetwarzanie. Według Lee Lynda, profesora inżynierii w Dartmouth College i współzałożyciela Mascoma, firmy z siedzibą w Cambridge, MA, która komercjalizuje wersję tej technologii, skonsolidowane podejście może ostatecznie wyprodukować etanol po 70 centów za galon. To byłby przełom transformacyjny, mówi. Bez wątpienia byłby atrakcyjny.

Ale znalezienie superbakterii okazało się trudne. Od dziesięcioleci naukowcy znają bakterie, które mogą rozkładać celulozę, a także wytwarzać trochę etanolu. Jednak żaden z nich nie jest w stanie wykonać pracy wystarczająco szybko i wydajnie, aby był przydatny w produkcji na dużą skalę.

Natura, wyjaśnia Arnold, niewiele pomaga. Są pewne organizmy, które rozkładają celulozę, mówi, ale problem polega na tym, że nie wytwarzają paliw, więc to nie daje wiele dobrego. Według niej alternatywą jest modyfikacja genetyczna E coli i drożdże, aby wydzielały enzymy degradujące celulozę. Ale chociaż wiele różnych rodzajów enzymów może działać, większość z nich nie lubi być wprowadzana do E coli i drożdże.

Arnold jest jednak optymistą, że zostanie odkryty właściwy organizm. Nigdy nie wiadomo, co stanie się jutro, mówi, niezależnie od tego, czy zrobi się to przy użyciu biologii syntetycznej, czy ktoś po prostu zeskrobuje jedną z podeszwy buta.

Nie całkiem zeskrobała go z buta, ale Susan Leschine, mikrobiolog z University of Massachusetts w Amherst, uważa, że ​​mogła natknąć się na błąd, który wykona zadanie. Znalazła go w próbce gleby pobranej ponad dziesięć lat temu w lasach otaczających Zbiornik Quabbin, około 15 mil od jej laboratorium. Próbka Quabbina była tylko jedną z wielu z całego świata, które badała Leschine, więc minęło kilka lat, zanim skończyła ją analizować. Ale kiedy to zrobiła, zdała sobie sprawę, że jedna z jej bakterii Clostridium fitofermentans , miał niezwykłe właściwości. Mówi, że rozkłada prawie wszystkie składniki rośliny, a głównym produktem jest etanol. Wytwarza ogromne ilości etanolu.

Leschine założył w Amherst firmę SunEthanol, która będzie próbowała zwiększyć produkcję etanolu przy użyciu bakterii. Przed nami długa droga, przyznaje, ale dodaje, że to, co mamy, jest bardzo różne i to daje nam nogę. Mamy już drobnoustroje i zademonstrowaliśmy to na prawdziwych surowcach. Leschine mówi, że inne pożyteczne drobnoustroje prawdopodobnie czekają na odkrycie: w końcu pojedyncza próbka gleby zawiera setki tysięcy odmian. Jak mówi, w tym zoo z mikrobami możemy pomyśleć, że istnieją inne o podobnych właściwościach.

Kwitnące prerie
Jednak to, czy etanol wytwarzany z biomasy celulozowej jest dobry czy zły dla środowiska, zależy od rodzaju biomasy i sposobu jej uprawy.

W swoim gabinecie w St. Paul David Tilman, profesor ekologii na University of Minnesota, wyciąga duże zdjęcie lotnicze pola podzielonego na zgrabną siatkę. Nawet z punktu obserwacyjnego kamery daleko nad ziemią, teren wygląda kiepsko. Na jednej działce są cienkie rzędy traw, pod spodem widoczna piaszczysta gleba. Tilman mówi, że ziemia była tak nieurodzajna, że ​​zrezygnowano z jej rolniczego wykorzystania. Następnie on i jego koledzy zeskrobali resztki wierzchniej warstwy gleby. Żaden rolnik nie ma tak złej ziemi, mówi.

W serii testów Tilman wyhodował mieszankę rodzimych traw preriowych (w tym prosa rózgowego) na niektórych poletkach, a na innych pojedyncze gatunki. Wyniki pokazują, że zróżnicowana mieszanka traw, nawet uprawiana na wyjątkowo nieurodzajnej glebie, może być cennym źródłem biopaliw, mówi. Mógłbyś wyprodukować więcej etanolu z akr [mieszanki traw] niż z akr kukurydzy. Co więcej, w artykule opublikowanym w Science, Tilman wykazał, że trawy preriowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania etanolu, który jest ujemny pod względem emisji dwutlenku węgla: trawy mogą zużywać i magazynować więcej dwutlenku węgla niż jest uwalniane przez produkcję i spalanie wytworzonego z nich paliwa.

Odkrycia są uderzające, ponieważ sugerują korzystny dla środowiska sposób wytwarzania ogromnych ilości biopaliw bez konkurowania z uprawami roślin spożywczych. Według Tilmana do 2050 roku świat będzie potrzebował miliarda hektarów ziemi na żywność. To masa lądowa całych Stanów Zjednoczonych tylko po to, by wyżywić świat, mówi. Jeśli robiłeś dużo biopaliw na gruntach [rolnych] – bardzo łatwo wyobrazić sobie miliard hektarów na biopaliwa – po 50 latach nie będziesz miał żadnej natury ani rezerwy ziemi. Zamiast tego, twierdzi Tilman, sensowna jest uprawa biomasy do produkcji paliw na stosunkowo nieurodzajnych gruntach, które nie są już wykorzystywane do celów rolniczych.

Ale w dół wzgórza z biura Tilmana jego koledzy z wydziału ekonomii stosowanej martwią się praktycznymi kwestiami związanymi z wykorzystaniem dużych ilości biomasy do produkcji paliwa. Po pierwsze, podkreślają, że technologia i infrastruktura, które mogłyby wydajnie obsługiwać i transportować masywną biomasę, wciąż wymagają rozwoju. A ponieważ materiał roślinny będzie kosztowny w przemieszczaniu, instalacje do produkcji biopaliw będą musiały zostać zbudowane blisko źródeł surowca – prawdopodobnie w promieniu 50 mil.

Ilość biomasy potrzebna do zasilenia nawet jednej średniej wielkości wytwórni etanolu jest zniechęcająca. Eidman oblicza, że ​​zakład produkujący 50 milionów galonów rocznie potrzebowałby ciężarówki załadowanej biomasą, która przyjeżdżałaby co sześć minut przez całą dobę. Co więcej, mówi, surowiec nie jest darmowy: będzie kosztować od 60 do 70 dolarów za tonę, czyli około 75 centów za galon etanolu. W tym miejscu wielu ludzi daje się nabrać, dodaje.

Ponieważ nie zbudowano żadnego komercyjnego zakładu produkującego celulozę, mówi Eidman, trudno jest przeanalizować konkretne koszty różnych technologii. Ogólnie rzecz biorąc, sugeruje, ekonomia wygląda interesująco, ale etanol celulozowy będzie musiał konkurować z biopaliwami pozyskiwanymi z kukurydzy i zejść do około 1,50 dolara za galon. Eidman uważa, że ​​minie co najmniej 2015 rok, zanim biopaliwa wytwarzane z celulozy staną się istotnym czynnikiem na rynku.

Zesłany
Podczas gdy inżynierowie chemicy, mikrobiolodzy, agronomowie i inni walczą o znalezienie sposobów na komercyjną konkurencyjność etanolu celulozowego, kilku biologów syntetycznych i inżynierów metabolicznych skupia się na zupełnie innej strategii. Ponad półtora tysiąca kilometrów od pasa kukurydzianego Środkowego Zachodu kilka kalifornijskich, wspieranych przedsięwzięć startupów, założonych przez pionierów w raczkującej dziedzinie biologii syntetycznej, tworzy nowe mikroorganizmy zaprojektowane do wytwarzania biopaliw innych niż etanol.

W końcu etanol nie jest paliwem idealnym. Dwuwęglowa cząsteczka ma tylko dwie trzecie zawartości energetycznej benzyny, która jest mieszanką długołańcuchowych węglowodorów. Innymi słowy, potrzeba około półtora galona etanolu, aby uzyskać taki sam przebieg jak galon benzyny. A ponieważ etanol miesza się z wodą, pod koniec procesu fermentacji wymagany jest kosztowny etap destylacji. Co więcej, ponieważ etanol jest łatwiej zanieczyszczany wodą niż węglowodory, nie może być transportowany rurociągami naftowymi używanymi do taniej dystrybucji benzyny w całych Stanach Zjednoczonych. Etanol musi być transportowany w wyspecjalizowanych wagonach kolejowych (ciężarówki, ze stosunkowo niewielką ładownością, są zwykle zdecydowanie za drogie), co zwiększa koszt paliwa.

Więc zamiast etanolu kalifornijskie startupy planują produkować nowe węglowodory. Podobnie jak etanol, nowe związki są fermentowane z cukrów, ale są zaprojektowane tak, aby bardziej przypominały benzynę, olej napędowy, a nawet paliwo do silników odrzutowych. Przyjrzeliśmy się etanolowi, mówi Neil Renninger, starszy wiceprezes ds. rozwoju i współzałożyciel Amyris Biotechnologies w Emeryville w Kalifornii, i zdaliśmy sobie sprawę z ograniczeń i chęci stworzenia czegoś, co przypominałoby bardziej konwencjonalne paliwa. Zasadniczo chcieliśmy wytwarzać węglowodory. Węglowodory są obecnie obecne w paliwach, a węglowodory są najlepszym paliwem, ponieważ zaprojektowaliśmy nasze silniki do pracy z nimi. Jeśli naukowcy zdołają genetycznie zmodyfikować drobnoustroje, które wytwarzają takie związki, całkowicie zmieni to ekonomikę biopaliw.

Problem polega na tym, że natura nie oferuje znanych przykładów mikroorganizmów, które mogą fermentować cukry do rodzajów węglowodorów przydatnych jako paliwo. Biolodzy syntetyczni muszą więc zaczynać od zera. Identyfikują obiecujące reakcje metaboliczne w innych organizmach i wstawiają odpowiednie geny do E. coli lub drożdży, rekombinując szlaki metaboliczne, aż do uzyskania pożądanych produktów.

W LS9 w San Carlos w Kalifornii naukowcy przekształcają E. coli w producenta węglowodorów poprzez przeprojektowanie metabolizmu kwasów tłuszczowych ( patrz Better Biofuels , Forward, lipiec/sierpień 2007 ). Stephen del Cardayré, wiceprezes ds. badań i rozwoju LS9, mówi, że firma zdecydowała się skoncentrować na kwasach tłuszczowych, ponieważ organizmy naturalnie produkują je w obfitości, jako sposób przechowywania energii. Chcieliśmy skorzystać ze ścieżki, która [naturalnie] daje wiele rzeczy, mówi del Cardayré. Po prostu chwyć się za środek. Del Cardayré i jego współpracownicy wykorzystują wiele istniejących ścieżek metabolizmu kwasów tłuszczowych E. coli, ale przekierowują je pod koniec cyklu metabolicznego. Ponieważ kwasy tłuszczowe składają się z łańcucha węglowodorowego z grupą karboksylową, wytwarzanie paliw węglowodorowych jest stosunkowo proste. Pomyśl o tym jak o autostradzie, mówi del Cardayré. Pod koniec autostrady dodajemy objazd, ścieżkę, którą zaprojektowaliśmy i tam utknęliśmy, aby kwasy tłuszczowe miały lepsze miejsce. Wyciągamy je i chemicznie zmieniamy, używając tej nowej syntetycznej ścieżki, która prowadzi je do produktów, których potrzebujemy.

Amyris również przyjmuje podejście biologii syntetycznej, ale zamiast poprawiać metabolizm kwasów tłuszczowych, pracuje nad ścieżkami, które wytwarzają izoprenoidy, dużą klasę naturalnych związków. Jak dotąd jednak zarówno LS9, jak i Amyris produkują biopaliwa po kilka litrów na raz. I chociaż firmy mają ambitne harmonogramy komercjalizacji swoich technologii – obie twierdzą, że ich procesy będą gotowe do 2010 r. – poprawa wydajności i szybkości reakcji pozostaje krytycznym wyzwaniem. To tam odbywa się większość prac biologicznych, mówi Renninger. Przed nami jeszcze mała droga, a ta krótka droga jest bardzo ważna.

Biopaliwa węglowodorowe produkowane przez firmy LS9 i Amyris, jeśli w końcu zostaną wprowadzone na rynek, mogą przezwyciężyć wiele ekonomicznych wad etanolu. W przeciwieństwie do etanolu węglowodory oddzielają się od wody podczas procesu produkcyjnego, więc nie jest konieczny energochłonny etap destylacji. A biopaliwa węglowodorowe mogą być przesyłane istniejącymi rurociągami naftowymi. Wszystko sprowadza się do kosztów, mówi Robert Walsh, prezes LS9. Ale krytycznym czynnikiem będzie cena surowca, mówi. Chcemy tanich cukrów.

Rzeczywiście, start-upy zajmujące się biologią syntetyczną mają ten sam problem, co znani producenci etanolu: kukurydza nie jest tanim źródłem biopaliw. Następna generacja [surowców] będzie celulozowa, mówi John Melo, dyrektor generalny Amyris. Nie jesteśmy jednak pewni, która technologia celulozowa okaże się zwycięzcą. Melo mówi, że bez względu na to, która technologia będzie przeważać, Amyris spodziewa się, że będzie w stanie wykorzystać ją w procesie fermentacji, dając firmie korzyści zarówno w postaci tanich surowców celulozowych, jak i praktycznych paliw węglowodorowych.

Na razie jednak brak alternatywy dla kukurydzy powoduje, że Amyris wyjeżdża z kraju. Firma, która planuje zmodernizować istniejące zakłady produkujące etanol, aby mogły one wytwarzać węglowodory, początkowo będzie współpracować z brazylijskimi instalacjami biopaliwowymi, które wykorzystują trzcinę cukrową jako surowiec. Biorąc pod uwagę cenę kukurydzy i ilość energii potrzebnej do jej produkcji, mówi Melo, brazylijska trzcina cukrowa oferuje dziś najbardziej opłacalny, zrównoważony sposób wytwarzania biopaliw.

Bez wyboru
Nawet w kulturze Doliny Krzemowej, która szanuje odnoszących sukcesy inwestorów venture capital, Vinod Khosla zajmuje specjalne honorowe miejsce. Współzałożyciel Sun Microsystems na początku lat 80., później dołączył do firmy venture capital Kleiner Perkins Caufield and Byers, gdzie na przełomie lat 90. i 2000 zyskał reputację ignorowania ekscytacji dot-comów na rzecz serii ezoterycznych startupów w znacznie mniej efektownej dziedzinie sieci optycznych. Kiedy kilka startupów sprzedało się za miliardy dolarów dużym firmom przygotowującym swoją infrastrukturę na boom internetowy, Khosla stał się, według jednego z przegrzanych nagłówków tamtych czasów, The No. 1 VC on the Planet.

Obecnie Khosla, który jest obecnie jednym z najbogatszych ludzi na świecie (Forbes 400 wymienia go na 317, z majątkiem netto 1,5 miliarda dolarów), inwestuje większość swoich inwestycji w alternatywne źródła energii. Do swoich spółek portfelowych zalicza kilkanaście start-upów biopaliwowych – firmy zajmujące się biologią syntetyczną LS9 i Amyris, firmy produkujące celulozę, takie jak Mascoma, oraz firmy produkujące etanol z kukurydzy, takie jak Cilion, z siedzibą w Goshen w Kalifornii. Ale nazwanie Khosli po prostu inwestorem w biopaliwa znacznie zaniżyłoby jego zaangażowanie. W ciągu ostatnich kilku lat stał się jednym z czołowych orędowników technologii na świecie, promując jej zalety i swobodnie dyskutując z wszelkimi krytykami ( zobacz pytania i odpowiedzi, marzec/kwiecień 2007 ).

Khosla wydaje się być zirytowany pesymistami biopaliw. Jak mówi, zmiany klimatyczne są zdecydowanie największym problemem, który napędza jego zainteresowanie biopaliwami. Jeśli chcemy zapobiec zmianom klimatu i zmniejszyć zużycie benzyny, nie ma alternatywy dla wykorzystania biopaliw celulozowych w transporcie. Biomasa jest jedynym surowcem w ilościach wystarczających do opłacalnego zastąpienia oleju, mówi. Nic więcej nie istnieje. Dodaje, że pojazdy hybrydowe i elektryczne to tylko zabawki.

W szczególności, przekonuje Khosla, każda technologia transportowa musi konkurować w Chinach i Indiach, najszybciej rozwijających się rynkach motoryzacyjnych na świecie. Jak mówi, sprzedaż miliona urządzeń elektrycznych z wtyczką w miejscu takim jak Kalifornia to nic wielkiego. Trudność polega na sprzedaży pojazdu hybrydowego za 20 000 dolarów w Indiach. Żadnych pieprzonych szans. A jakakolwiek technologia, której nie mogą zastosować Chiny i Indie, nie ma znaczenia dla zmian klimatycznych, mówi. Ekolodzy nie skupiają się na skalowalności. Jeśli nie możesz tego powiększyć, to tylko zabawka. Stąd potrzeba biopaliw. Stąd biopaliwa z biomasy.

W wielu opiniach opublikowanych na stronie internetowej Khosla Ventures, firmy, którą założył w 2004 roku, która mocno zainwestowała w biopaliwa i inne technologie środowiskowe, Khosla przewiduje szybki wzrost produkcji biopaliw w ciągu najbliższych 20 lat. Według jego danych, produkcja etanolu z kukurydzy ustabilizuje się do 15 miliardów galonów rocznie do 2014 roku, ale etanol celulozowy będzie stale rósł, osiągając 140 miliardów galonów do 2030 roku. wymienić benzynę do prawie wszystkich celów.

Chociaż Khosla chętnie przyznaje się do ograniczeń etanolu z kukurydzy, mówi, że był to ważny krok naprzód: rynek etanolu z kukurydzy stworzył infrastrukturę i ogólnie rynek biopaliw, eliminując wiele zagrożeń biznesowych związanych z inwestowaniem w etanol celulozowy . Powodem, dla którego lubię [etanol z kukurydzy] jest to, że jego trajektoria prowadzi do etanolu celulozowego, mówi. Bez etanolu z kukurydzy nikt nie inwestowałby w celulozę.

Ale z powrotem na Środkowym Zachodzie, jest mój stosunek do takich projekcji błękitnego nieba i wciąż pojawiają się pytania o to, w jaki sposób rozległa infrastruktura rolna kraju przestawi się na biomasę. Jeśli prognozy Khosli się sprawdzą, to wspaniale, mówi Runge z University of Minnesota. Tymczasem tkwimy w rzeczywistości. Być może głównym punktem spornym, sugeruje Runge, jest to, czy etanol z kukurydzy rzeczywiście doprowadzi do nowych technologii – lub stanie na ich drodze. Moim zdaniem etanol z kukurydzy stanowi barierę w przejściu na celulozę, mówi, wskazując na bezwładność spowodowaną interesami politycznymi i biznesowymi mocno zainwestowanymi w etanol z kukurydzy i jego infrastrukturę.

Runge nie jest osamotniony w swoim sceptycyzmie. O ile koszty nie zostaną znacznie obniżone, etanol celulozowy nie prowadzi donikąd, mówi Wally Tyner, profesor ekonomii rolnictwa na Purdue University. Sprawienie, by etanol celulozowy był opłacalny, będzie wymagało albo mechanizmu polityki zachęcającego do inwestowania w nowe technologie, albo fenomenalnego przełomu – a prawdopodobieństwo tego nie jest zbyt wysokie, mówi Tyner. Dodaje, że rolnicy i producenci etanolu nie mają obecnie motywacji do podejmowania ryzyka związanego ze zmianą technologii. Nie ma mostu politycznego, który pomógłby w przejściu. Status quo tego nie zrobi.

Pomimo ostrych różnic w opiniach, nadal istnieje pewna wspólna płaszczyzna między ludźmi takimi jak Khosla, których niepohamowana wiara w innowacje została podsycona sukcesami Doliny Krzemowej, a mieszkańcami Środkowego Zachodu, których pragmatyzm został ukształtowany przez konkurencyjną ekonomię rolnictwa. W szczególności większość obserwatorów zgadza się, że roczna produkcja etanolu z kukurydzy ustabilizuje się w ciągu kilku lat. Następnie każdy wzrost produkcji biopaliw będzie musiał pochodzić z nowych technologii.

Ale jeśli biopaliwa celulozowe mają zacząć zastępować benzynę w ciągu pięciu do dziesięciu lat, instalacje będą musiały wkrótce rozpocząć budowę. Tej jesieni Range Fuels, firma z siedzibą w Broomfield w stanie Kolorado, ogłosiła, że ​​rozpoczęła w Gruzji prace nad pierwszą, jak twierdzi, komercyjną fabryką etanolu celulozowego w kraju. Zakład Range, który będzie wykorzystywał technologię termochemiczną do wytwarzania etanolu z wiórów drzewnych, ma osiągnąć wydajność 20 milionów galonów w 2008 roku i ostatecznie zwiększyć do 100 milionów galonów rocznie. W międzyczasie Mascoma ogłosiła kilka jednostek demonstracyjnych, w tym zakład w Tennessee, który będzie pierwszą fabryką celulozy-etanolu zbudowaną z prosa rózgowego. Ale te zakłady produkcyjne są dotowane przez władze federalne lub są wynikiem partnerstwa ze stanowymi organizacjami rozwoju; Inną sprawą będzie przyciąganie prywatnych inwestycji do produkcji na skalę komercyjną.

Rzeczywiście, zwiększenie wydajności produkcji etanolu celulozowego będzie ogromnym i ryzykownym wyzwaniem, mówi Colin South, prezes Mascoma. Mówi, że kiedy ludzie mówią o etanolu celulozowym, jakby to był przemysł, jest to niesprawiedliwe przedstawienie. Istnieje wiele zakładów pilotażowych, ale żaden z nich nie wyszedł poza skalę pilotażową. Wciąż musimy wykazać, że faktycznie możemy je prowadzić w formie działającej fabryki chemicznej. South mówi, że Mascoma ma nadzieję rozpocząć budowę komercyjnego zakładu w 2009 roku i uruchomić go na początku 2011 roku. Dodaje jednak, że firma będzie działać tylko wtedy, gdy dane będą wystarczająco dobre.

Być może najważniejszą wartością będzie jednak cena ropy naftowej. Jeśli utrzyma się na wysokim poziomie, produkcja etanolu celulozowego może znacznie szybciej stać się konkurencyjna ekonomicznie. Ale niewielu ludzi, a już najmniej inwestorzy, którzy zaryzykowaliby setki milionów dolarów na nowe elektrownie, jest chętnych na taki zakład. Wielu pamięta koniec lat 70., kiedy rząd federalny przeznaczył około miliarda dolarów na finansowanie badań związanych z biomasą, ale porzucił je, gdy ceny ropy naftowej spadły na początku lat 80. XX wieku. I podczas gdy cena baryłki ropy oscylowała jesienią w połowie lat 90., a hurtowe ceny gazu osiągnęły 2,50 dolara za galon, eksperci od biopaliw twierdzą, że nie mogą liczyć na tak wysokie ceny. Wielu producentów biopaliw nowej generacji twierdzi, że chce konkurować z ropą naftową za około 45 dolarów za baryłkę, aby zapewnić długoterminową rentowność na rynku.

Rzeczywiście, ogłoszenia o nowych zakładach produkujących etanol celulozowy mają tendencję do przesłaniania faktu, że technologia ta nadal nie jest ekonomicznie opłacalna. Gregory Stephanopoulos, profesor inżynierii chemicznej na MIT, opisuje siebie jako bardzo optymistycznie nastawionego do przyszłości biopaliw. Ale nawet on szybko dodaje, że optymalizacja procesów produkcyjnych biopaliw celulozowych zajmie kolejne 10 lat. Wśród niezliczonych innych problemów, mówi, jest potrzeba silniejszych i bardziej wszechstronnych drobnoustrojów, aby je wytwarzać.

W małej sali konferencyjnej na zewnątrz swojego biura Stephanopoulos wyjmuje ołówek i papier i zaczyna rysować serię kół. Można sobie wyobrazić, mówi, biorafinerię otoczoną źródłami różnych rodzajów biomasy. Łączy kręgi w centralnym punkcie, tworząc linie jak szprychy na kole. Można, kontynuuje, wyobrazić sobie rurociągi z tych źródeł. Co by było, gdyby biomasa była traktowana i przesyłana do biorafinerii jako gnojowica? Stephanopoulos jako pierwszy przyznałby, że stworzenie tak ambitnej infrastruktury zajęłoby lata i że pomysł rodzi wiele pytań technicznych i inżynieryjnych. Ale przez resztę wywiadu rysunek cierpliwie leży na stole – prosty cel.

ukryć