Grassoline Können wir Autos mit Gras tanken?

Ein E85 Ethanol Hyundai wird auf einer Autoausstellung ausgestellt. Weitere Bilder von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen. Mark Renders / Getty Images

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-Im Jahr 2006 verbrauchten die Vereinigten Staaten durchschnittlich fast 20,6 Millionen Barrel Erdöl pro Tag, was mehr als 865 Millionen Gallonen o-il entspricht [Quelle: Energy Information Administration]. Öl treibt Ihr Auto auf einem Ausflug zum Lebensmittelgeschäft an. Es hilft der Industrie bei der Entwicklung und fördert den technologischen Fortschritt in Wissenschaft und Medizin. Es schafft auch eine enorme Menge an Wohlstand: Die Weltwirtschaft basiert zu einem großen Teil auf Ölbohrungen, Raffinerien, Transport und Vertrieb.-

Aber Öl ist eine endliche Ressource, die aus den versteinerten Überresten alter Meerespflanzen und -tiere gewonnen wird. Es dauert mindestens 10 Millionen Jahre, bis versteinerte Überreste zu Rohöl werden, und die Menschen verbrauchen Öl viel schneller als es erzeugt wird. Irgendwann wird die Ölproduktion ihren Höhepunkt erreichen und wir werden langsam zur Neige gehen. Einige schätzen, dass dieser Peak bereits aufgetreten ist; andere sehen es in naher Zukunft. In jedem Fall glauben die meisten Menschen, dass wir uns mitten in einer bevorstehenden Energiekrise befinden. Schließlich spielt Erdöl eine so große Rolle bei der täglichen menschlichen Aktivität. Was passiert, wenn uns das Öl ausgeht??

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-Der Energiesektor gibt Milliarden für die Suche nach Alternativen zu Benzin aus. Die nächste Energiequelle muss jedoch mehr als nur die Welt mit Strom versorgen. Angesichts der zunehmenden Besorgnis über Treibhausgase (THGs) aus fossilen Brennstoffen, die zu einer globalen Erwärmung führen, muss auch der nächste Brennstoff sauber sein. Es muss erschwinglich sein und zur Erhaltung der Wirtschaft beitragen.

Die nächste Generation von Kraftstoffen muss schnell eintreffen, um den Menschen beim Übergang von Erdöl zu helfen. Schließlich kann die Welt ein oder zwei Jahrzehnte lang nicht zum Stillstand kommen, während der nächste Kraftstoff entwickelt und implementiert wird.

All dies zusammen klingt nach einer unmöglichen Liste von Anforderungen an jede Kraftstoffquelle. Deshalb ist es so überraschend, dass nach nur wenigen Jahren Forschung eine Energiequelle entsteht, die all diese Verpflichtungen zu erfüllen scheint.

Ethanol (Ethylalkohol) ist eine Form von Kraftstoff, der aus den komplexen Kohlenhydraten in Pflanzen gewonnen wird. Seit Jahrzehnten sind sich Forscher seines Potenzials als Kraftstoff bewusst. Das Verfahren zur kostengünstigen und effizienten Herstellung von Ethanol war jedoch bisher schwer fassbar - sagen einige Wissenschaftler.

Ein schnell wachsendes Gras, bekannt als Switchgrass kann in den Vereinigten Staaten, Kanada, Mittel- und Südamerika und Teilen Afrikas gefunden werden. Und wenn es weiterhin das Versprechen zeigt, das es jetzt macht, ist es möglicherweise das, was Sie verwenden, um Ihr Auto in den nächsten 20 Jahren zu tanken. Wie kann Gras zu Treibstoff werden? Lesen Sie auf der nächsten Seite die sonnige Prognose für Switchgrass als Antwort auf die bevorstehende Energiekrise.

Inhalt

1. Switchgrass
2. Probleme und Lösungen von Switchgrass
3. Biokraftstoffkritik

Der Forscher David Bransby inspiziert Alamo-Sorten-Switchgrass auf einem Testgrundstück der Universität von Alabama. Mit freundlicher Genehmigung von Warren Gretz / National Renewable Energy Laboratory

Erforschung von Quellen für biologische Kraftstoffe -- Biokraftstoffe -- hat alles von Hühnerfett bis Holzspäne enthalten. Die Verarbeitung der meisten von ihnen ergibt jedoch einen niedrigen Wert Nettoenergieverhältnis -- Die Menge an Energie, die jede Einheit abgibt, ist nicht viel mehr als die Energie, die in ihre Produktion gesteckt wird. Die Kosten waren ebenfalls ein Problem: Techniken zur Gewinnung von Kraftstoffen aus pflanzlichen und tierischen Ressourcen sind derzeit teuer, was sich an der Kraftstoffpumpe widerspiegeln würde. Aber je mehr Forscher die Zahlen auf Switchgrass knacken, desto mehr scheint es ein guter Kandidat für eine alternative Kraftstoffquelle zu sein.

Switchgrass ist eine in Amerika lebende mehrjährige Art. Es wächst schnell und einfach auf Ebenen. Es ist eine zähe, robuste Art - in einigen Fällen wird sie als invasiv angesehen. Eine 2005 in North Dakota veröffentlichte Dreijahresstudie zeigte, dass einige Grassorten, wenn sie allein gelassen werden, einen durchschnittlichen Ertrag von mehr als sieben Tonnen produzieren können Biomasse -- das geerntete Pflanzenmaterial - pro Morgen, abhängig von Niederschlag und Bodentyp [Quelle: US-Landwirtschaftsministerium].

-Das Gras ist auch trockenheitsresistent und benötigt wenig oder gar keinen Dünger. Dies bedeutet, dass weniger fossile Brennstoffe für die Produktion benötigt werden. Traktoren, mit denen Dünger ausgebracht und die Pumpen zur Bewässerung von Feldern befeuert werden, benötigen fossile Brennstoffe. Weniger Bewässerung und weniger Dünger bedeuten also einen geringeren Energieeinsatz, was wiederum weniger Kosten und weniger Treibhausgasemissionen bedeutet. Darüber hinaus sagen Befürworter von Switchgrass, dass der aus dem Werk produzierte Kraftstoff die Vereinigten Staaten sicherer und unabhängiger machen würde, da er in Amerika angebaut und nicht aus anderen Ländern importiert werden könnte.

Der aus Switchgrass erzeugte Kraftstoff Ausgangsmaterial -- Der Rohstoff für die Herstellung eines destillierten Brennstoffs ist Zellulose-Ethanol. Dieser alkoholische Kraftstoff entsteht durch einen chemischen Prozess des Abbaus des Zellulose -- die Struktur, aus der die Zellwände in der Pflanze bestehen. Sobald die Cellulose in ihre Grundbestandteile zerlegt ist, wird Hefe hinzugefügt und zu Alkohol fermentiert. Nach der Raffination kann das erzeugte Ethanol als Kraftstoff verwendet werden.

Je mehr Cellulose für die Extraktion aus einer Pflanze zur Verfügung steht, desto wertvoller wird sie als Ethanolquelle. Und Switchgrass hat viel Zellulose. Rund 70 Prozent der Pflanze besteht aus diesen komplexen Kohlenhydraten [Quelle: BioCycle]. Noch besser, Lignin -- Ein Nebenprodukt, das entsteht, wenn Wasser aus Zellulose entfernt wird - hat sich als vielversprechend für die Verwendung als Brennstoff für Ethanolproduktionsanlagen erwiesen. Wenn Lignin genutzt werden kann, kann dies die Ethanolverarbeitung selbsttragend machen.

Beginnend mit der Herstellung von Düngemitteln für den Grasanbau und endend mit dem Transport zur Verteilung von Ethanol berechnete der Forscher des Argonne National Laboratory, Michael Wang, das Energieverhältnis für Switchgrass. Er fand heraus, dass jede einzelne Energieeinheit, die aus Switchgrass in die Ethanolproduktion auf Zellulosebasis eingebracht wird, das Zehnfache der Energieabgabe erzeugt. Dies ist viel höher als Ethanol aus Mais. Im Gegensatz dazu hat Benzin ein Energieverhältnis von 1 bis 0,81, was bedeutet, dass es mehr Energie benötigt, um zu produzieren, als es liefert. Wang fand auch heraus, dass Switchgrass-Ethanol möglicherweise 70 Prozent weniger fossile Brennstoffe benötigt als Benzin und E85 Ethanol -- Eine Mischung aus 85 Prozent Ethanol und 15 Prozent Benzin - stößt 86 Prozent weniger Treibhausgase aus als Benzin. [Quelle: Wang].

Es klingt wie Switchgrass, da ein alternativer Kraftstoff alles bietet. Also, was ist der Überfall? Der Raffinierungsprozess scheint einfach zu sein, und tatsächlich ist er es relativ gesehen. Die Herstellung von Ethanol aus Switchgrass steht jedoch vor einigen Herausforderungen. Lesen Sie auf der nächsten Seite die Schwierigkeiten beim Destillieren von Ethanol aus Switchgrass.

E85-Ethanol wird an weiteren Tankstellen wie dieser in Washington angeboten. Der Kraftstoff kann für nur 1 USD pro Gallone verkauft werden, wenn die Forscher den Produktionsprozess rationalisieren können. Chip Somodevilla / Getty Images

Während mit der Veröffentlichung jeder neuen Studie zu Switchgrass klarer wird, dass die Anlage eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Energieentlastung spielen kann, ist das Wort "Zukunft" der Schlüssel. Gegenwärtig erweist sich das Verfahren zur Extraktion von Cellulose aus der Pflanze als schwierig und teuer.

Aus Pflanzenmaterial gewonnene Cellulose wird von einer Vielzahl von Menschen hergestellt Enzyme, abhängig von der Art des verwendeten Pflanzenmaterials. Diese Katalysatoren speisen auf komplexen Kohlenhydraten wie Zuckern und stoßen dabei Cellulose und Kohlendioxid als Abfall aus. Diese Enzyme sind jedoch teuer, etwa 20 Cent pro Gallone gereinigtes Ethanol [Quelle: Federal Trade Commission]. Darüber hinaus erfordert der Fermentationsprozess von Cellulose mit Hefe ein anderes Enzym, was die Kosten weiter erhöht. Im Jahr 2006 sagte der Pflanzengenetiker Albert Kausch, dass mit den derzeitigen Anbau- und Produktionsmethoden die Kosten pro Gallone Zelluloseethanol 2,70 USD betragen würden. Das ist immer noch billiger als Benzin, aber Kausch glaubt, dass es auf etwa 1 USD pro Gallone gesenkt werden könnte [Quelle: Newswise]. Eine Möglichkeit, diese dramatische Kostenreduzierung zu erreichen, besteht darin, billigere Enzyme zu entwickeln und ein einziges Enzym zu finden, das sowohl Cellulose abbauen als auch Ethanol fermentieren kann.

Eines der anderen Probleme, mit denen Ethanol konfrontiert ist, besteht darin, es von Raffinerien zu Tankstellen zu bringen. Ethanol ist stark ätzend und kann nicht wie Öl und Erdöl über Pipelines transportiert werden. Dies bedeutet, dass es mit Lastwagen transportiert werden muss, was sowohl die Produktionskosten erhöht als auch die Energiequote senkt, da große Tankwagen mehr fossile Brennstoffe benötigen, um das Ethanol für die Verteilung zu transportieren.

Michael Wang vom Argonne National Laboratory erklärt, dass die Herausforderung der Verteilung von Ethanol teilweise durch die Verwendung von Schienensystemen überwunden werden könnte, um es so weit wie möglich zu transportieren. "Wenn man es im Mittleren Westen verfeinert und in den Westen transportiert, ist der Transport ein Problem", sagt er. "Man müsste die Schiene benutzen. Aber wenn man sie über kurze Strecken transportiert, macht das keinen großen Unterschied [zum Nettoenergieverhältnis]."

Das andere Problem, mit dem Switchgrass-Ethanol derzeit konfrontiert ist, ist die Menge an Land, die für den Anbau zur Verfügung steht. Eine Analyse der Universität von Tennessee ergab, dass die Vereinigten Staaten insgesamt 153 Millionen Tonnen Switchgrass produzieren könnten Ernterückstände -- das Zeug, das nach der landwirtschaftlichen Ernte und Produktion übrig bleibt, wie Stängel und Samen - jährlich als Ethanol-Ausgangsmaterial. Die Zahlen zeigen, dass dies zu einer Reduzierung des jährlichen Benzinverbrauchs in den USA um 5,3 Prozent führen würde - weit weniger als erwartet und weit weniger als die 35 Milliarden Gallonen erneuerbarer Brennstoffe, die Präsident George W. Bush bis 2017 in seinem Jahr 2006 gefordert hatte Adresse der Union.

Wie die Enzymforschung könnte auch die Technologie diese Hürde überwinden. Jason Grumet von der Nationalen Kommission für Energiepolitik (NCEP) schlägt vor, Switchgrass-Stämme zu entwickeln, die die Erträge pro Tonne pro Morgen steigern, die Effizienz der Ethanolproduktion um ein Drittel steigern und die Kraftstoffeffizienz aller Fahrzeuge in Amerika verdoppeln könnten [Quelle: US-Senat].

Das Geld ist definitiv da, um diese Hürden zu überwinden. Sowohl Energieunternehmen als auch Konglomerate für Pflanzenforschung investieren Geld in Anlagen für Ethanol auf Zellulosebasis. BP Amoco PLC gab der University of California - Berkley und der University of Illinois - Champaign zusammen 500 Millionen US-Dollar zur Finanzierung einer Forschungseinrichtung. Die Chevron Corporation gab der University of California - Davis 25 Millionen US-Dollar und dem Georgia Institute of Technology 12 Millionen US-Dollar. Und das Oak Ridge National Laboratory erhielt vom US-Energieministerium 125 Millionen US-Dollar für die Erforschung von Zellulose-Ethanol [Quelle: DeMonte]. Dennoch erwarten viele Unternehmen von der US-Regierung, dass sie Forschung und Entwicklung fördern, indem sie Finanziers, die auf Zellulosetechnologie setzen, Investitionsgarantien und Steuervergünstigungen gewähren.

- Angesichts der Menge an Geld, die in die Zellulose-Ethanolforschung fließt, und der Möglichkeit, dass mehr auf dem Weg ist - ganz zu schweigen von der Begeisterung und der öffentlichen Unterstützung - ist es schwer vorstellbar, dass sich Ethanol auf Switchgrass-Basis innerhalb weniger Jahrzehnte füllen wird unsere Autos. Switchgrass hat aber auch seine Skeptiker. Einige glauben nicht, dass das Gras den Erwartungen entspricht, andere fürchten die Konsequenzen, wenn dies der Fall ist. Lesen Sie auf der nächsten Seite mehr über Biokraftstoff-Skeptiker.

Skeptiker von Biokraftstoffen befürchten, dass die Finanzierung von Nahrungsmittelhilfsprogrammen wie Feed the Children (oben) versiegt, wenn überschüssige Lebensmittel als Treibstoff verwendet werden. Layne Murdoch / NBAE über Getty Images

Der Wettbewerb zwischen Mais und Switchgrass, der als Ausgangsmaterial für die künftige Ethanolproduktion dienen wird, ist eng. Da in einigen Gebieten, in denen Mais angebaut wird, kein Switchgrass angebaut werden kann und umgekehrt, haben viele Regionen ein begründetes Interesse am Ergebnis der Debatte über alternative Brennstoffe. Basierend auf Untersuchungen zu Produktionskosten, Energieverhältnissen und Treibhausgasemissionen scheint Ethanol auf Maisbasis einfach nicht mit Ethanol aus Switchgrass konkurrieren zu können.

Obwohl Ethanol aus beiden Kulturen in vielerlei Hinsicht ähnlich ist, ist es aufgrund des Prozesses, bei dem Switchgrass in Kraftstoff umgewandelt wird, für viele Forscher, Politiker und Aktivisten die beste Wahl. Bei der Herstellung von Maisethanol wird beispielsweise nur das Getreide (das Material, das Sie essen) zur Herstellung von Ethanol verwendet. Der Rest wird abgelegt - obwohl ironischerweise der Ernterückstand bei der Herstellung von Ethanol auf Zellulosebasis verwendet werden kann.

Ein weiterer Vorteil von Switchgrass gegenüber Mais ist die Menge und Art des benötigten Landes. In Iowa - einem Bundesstaat mit überdurchschnittlich gutem Boden - lag der durchschnittliche Ernteertrag 2005 bei etwa 4,8 Tonnen pro Morgen. Die zuvor erwähnte North Dakota-Studie von 2005 ergab einen Ertrag von etwa sieben Tonnen Switchgrass pro Morgen. Und Switchgrass benötigt nicht den besten Boden, um gut zu wachsen. Es kann auf Flächen angebaut werden, die derzeit nicht für Nutzpflanzen genutzt werden.

Ein vom Oak Ridge National Laboratory erstellter Bericht kam zu dem Schluss, dass das Betanken der Hälfte der Fahrzeuge, die heute in den USA unterwegs sind, mit Ethanol 180 Millionen Morgen Land erfordern würde, um Switchgrass anzubauen. Dies macht 40 Prozent des Landes aus, das in Amerika bereits für die Landwirtschaft genutzt wird [Quelle: US-Senat].

Jason Grumet vom NCEP glaubt jedoch, dass wir mit "stetigen, aber unauffälligen Fortschritten" in Forschung und Entwicklung die Menge an Land, die benötigt wird, um so viel Ethanol zu produzieren, in 20 bis 30 Jahren auf 30 Millionen Morgen reduzieren könnten. Grumet erwähnt, dass es sich um die Anbaufläche in der Region handelt Naturschutzprogramm (CRP), ein Bundesprogramm, das Landwirte dafür bezahlt, Land als Brache zu reservieren, um die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft zu verringern [Quelle: US-Senat].

Grumet ist nicht die einzige Person, die andeutet, dass Switchgrass in Randgebieten angebaut werden könnte. Immerhin hat sich gezeigt, dass es den Boden, auf dem es gepflanzt wird, verbessert, und CRP-Land könnte gleichzeitig davon profitieren, wenn Rohstoffe für die Ethanolproduktion angebaut werden. Aber nicht jeder glaubt, dass die industrielle Switchgrass-Produktion die beste Nutzung für CRP-Land ist. Skeptiker argumentieren, dass das meiste Land, das in das Conservation Reserve Program aufgenommen wurde, beiseite gelegt wird, weil der Boden keine qualitativ hochwertigen Pflanzen produziert. Wenn Switchgrass zur nächsten Kraftstoffquelle wird und große Unternehmen viel Geld in ihre Produktion pumpen, argumentieren diese Kritiker, dass dieselben Unternehmen den höchstmöglichen Ertrag wünschen werden. Dies lässt sich am besten mit dem besten verfügbaren Land realisieren. Dies bedeutet, dass ein Teil des Ackerlandes von der Nahrungsmittelproduktion zur Energieerzeugung übergehen würde.

Wir verwenden heute einen kleinen Teil der Nahrungspflanzen als Treibstoff. Wenn wir uns auf Biokraftstoffe als Energiequelle verlassen, können Energie und Lebensmittel in direkten Wettbewerb um Ressourcen, insbesondere Land, geraten.

Dies betrifft einige, darunter Dr. Eric Holt-Gimenez vom Institut für Lebensmittel- und Entwicklungspolitik. Wenn die Kraftstoffpreise steigen, steigen auch die Lebensmittelpreise aufgrund der gestiegenen Produktions- und Transportkosten. Holt-Gimenez argumentiert, dass sich die Lebensmittelpreise gegenseitig beeinflussen können, wenn Lebensmittel und Energie um Land konkurrieren. Darüber hinaus könnten Nahrungsmittelüberschussprogramme für hungrige Länder austrocknen, da überschüssige Nahrungsmittel als Biomasse für Ethanol verwendet werden könnten [Quelle: Holt-Gimenez].

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Es gibt auch andere Bedenken hinsichtlich Zellulose-Ethanol. Einige glauben, dass die Behauptungen seines Potenzials zu rosig sind, basierend auf Studien, die zeigen, dass Ethanol auf Zellulosebasis nicht das Energieverhältnis aufweist, das andere Studien vorgeben. Diese Studien sind jedoch weniger zahlreich - und erhalten weit weniger Aufmerksamkeit - als solche, die das Potenzial von Switchgrass belegen. Und wenn Finanzierung und öffentliche Meinung Indikatoren für Fortschritte sind, sieht es so aus, als wäre Switchgrass-Ethanol ein Kinderspiel.

Weitere Informationen zu Biokraftstoffen, Energie und verwandten Themen finden Sie auf der nächsten Seite.

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Weitere großartige Links

• Energieministerium der Vereinigten Staaten
• Das Oil Drum Energy Forum
• Oak Ridge National Laboratory

Quellen

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• Holt-Gimenez, Eric PhD. "Biokraftstoffe - Mythen über den Übergang von Agro-Kraftstoffen." Institut für Lebensmittel- und Entwicklungspolitik. http://petroleum.berkeley.edu/patzek/BiofuelQA/Brazil/food_first _backgrounder.htm
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• "Die Switchgrass-Forschung zielt darauf ab, Ethanol für den Antrieb von Fahrzeugen zu einem Preis von 1 US-Dollar pro Gallone herzustellen." Newswise. 4. Dezember 2006. http://www.newswise.com/articles/view/525656/