Grassoline Kan vi bränna bilar med gräs?

En E85 Ethanol Hyundai visas på en bilutställning. Se fler bilder på alternativa bränslefordon. Mark Renders / Getty Images

-

-År 2006 konsumerade USA i genomsnitt nästan 20,6 miljoner fat petroleum per dag, motsvarande mer än 865 miljoner gallon o-il [källa: Energy Information Administration]. Olja driver din bil på en resa till livsmedelsbutiken. Det hjälper industrin att utveckla och främja tekniska framsteg inom vetenskap och medicin. Det skapar också en enorm mängd rikedom: Den globala ekonomin baseras till stor del på oljeborrning, raffinering, transport och distribution.-

Men olja är en ändlig resurs som produceras från de fossila resterna av gamla marina växter och djur. Det tar minst 10 miljoner år för fossilrester att bli råolja, och människor använder olja mycket snabbare än den skapas. Så småningom toppar oljeproduktionen och vi börjar ta slut. Vissa uppskattar att denna topp redan har inträffat; andra ser att det äger rum inom en snar framtid. I vilket fall som helst tror de flesta att vi är mitt i en kommande energikris. När allt kommer omkring spelar petroleum en så stor roll i den dagliga mänskliga aktiviteten. Vad händer när vi är slut på olja?

-

-Energisektorn lägger miljarder på jakt efter alternativ till bensin. Men nästa energikälla måste göra mer än bara förse världen med kraft. Med ökande oro över växthusgaser (växthusgaser) från fossila bränslen som leder till global uppvärmning måste nästa bränsle också vara ren. Det måste vara överkomligt och det måste bidra till att upprätthålla ekonomin.

Nästa generation bränslen måste komma snabbt för att hjälpa människor att övergå från petroleum. När allt kommer omkring kan världen inte stoppa under ett decennium eller två medan nästa bränsle utvecklas och implementeras.

Allt detta tillsammans låter som en omöjlig tvättlista med krav på bränslekällor. Det är därför det är så förvånande att efter bara några års forskning uppstår en energikälla som verkar uppfylla alla dessa skyldigheter.

Etanol (etylalkohol) är en form av bränsle härrörande från komplexa kolhydrater i växter. I decennier har forskare varit medvetna om dess potential som bränsle. Men processen att producera etanol billigt och effektivt har varit svårfångad - tills nu, säger vissa forskare.

Ett snabbväxande gräs känt som switchgrass finns i USA, Kanada, Central- och Sydamerika och delar av Afrika. Och om det fortsätter att visa vilken typ av löfte den gör nu kan det vara det du använder för att driva din bil under de kommande 20 åren. Så hur kan gräs bli bränsle? Läs nästa sida för att ta reda på den soliga prognosen för switchgrass som svar på den förestående energikrisen.

Innehåll

1. switch
2. Problem och lösningar för Switchgrass
3. Biobränslekritik

Forskaren David Bransby inspekterar Alamo variation switchgrass på en testplott från University of Alabama. Tillstånd Warren Gretz / National Renewable Energy Laboratory

Forskning om källor för biologiska bränslen -- biobränslen -- har inkluderat allt från kycklingfett till flis. Men bearbetningen av de flesta av dem ger en låg netto energiförhållande -- mängden energi som varje enhet lägger ut är inte mycket mer än den energi som läggs in i sin produktion. Kostnader har också varit ett problem: Tekniker för utvinning av bränslen från växter och djurresurser är för närvarande dyra, vilket skulle återspeglas vid bränslepumpen. Men ju fler forskare knölar siffrorna på switchgrass, desto mer ser det ut som en bra kandidat för en alternativ bränslekälla.

Switchgrass är en n-ative flerårig art till Amerika. Det växer snabbt och enkelt på slätterna. Det är en tuff, härdig art - i vissa fall anses den vara invasiv. En treårig studie i North Dakota som publicerades 2005 visade att när de lämnats ensamma kan vissa sorter av gräset ge en genomsnittlig avkastning på mer än sju ton biomassa -- det skördade växtmaterialet - per tunnland, beroende på nederbörd och jordtyp [källa: U.S. Department of Agriculture].

-Gräset är också motståndskraftigt mot torka och kräver lite, om något, gödningsmedel. Detta innebär att det kräver mindre fossilt bränsle som spenderas på produktionen. Traktorer som används för att sprida gödningsmedel och bränna pumpar som bevattnar fält kräver fossilt bränsle. Mindre bevattning och mindre gödselmedel betyder då minskad energitillförsel, vilket i sin tur innebär mindre kostnader och färre växthusgasutsläpp. Dessutom säger switchgrass-förespråkare att bränsle som produceras från anläggningen skulle göra USA säkrare och oberoende, eftersom det kunde odlas i Amerika snarare än importeras från andra länder.

Bränslet som produceras från switchgrass råmaterial -- råmaterialet som används för att producera ett destillerat bränsle - är cellulosa etanol. Detta alkoholhaltiga bränsle skapas genom en kemisk process för att bryta ner cellulosa -- strukturen som utgör cellväggarna i växten. När cellulosan har delats upp i dess baskomponenter tillsätts jäst och den fermenteras till alkohol. Efter att den har förfinats kan den producerade etanolen användas som bränsle.

Ju mer cellulosa som är tillgänglig för extraktion från en växt, desto mer värdefull blir den som en källa till etanol. Och switchgrass har massor av cellulosa. Cirka 70 procent av växten består av dessa komplexa kolhydrater [källa: BioCycle]. Ännu bättre, lignin -- en biprodukt som skapas när vatten elimineras från cellulosa - har visat löfte om användning som bränsle för att driva etanolproduktionsanläggningar. Om lignin kan utnyttjas kan detta göra att etanolbearbetningen är självbärande.

Från och med produktionen av gödselmedel som används för att odla gräset och slutar med transport för distribution av etanol beräknade Argonne National Laboratory forskare Michael Wang energiförhållandet för switchgrass. Han fann att varje energienhet som lagts in i cellulosat etanolproduktion från switchgrass skapade 10 gånger energiproduktionen. Detta är mycket högre än etanol härrörande från majs. Däremot har bensin ett energiförhållande mellan 1 och 0,81, vilket innebär att det kräver mer energi att producera än den ger. Wang fann också att switchgrass etanol kan kräva 70 procent mindre fossilt bränsle för att producera än bensin och E85 etanol -- en blandning av 85 procent etanol och 15 procent bensin - släpper ut 86 procent färre växthusgaser än bensin. [källa: Wang].

Det låter som switchgrass eftersom ett alternativt bränsle har allt för det. Så vad är det? Förädlingsprocessen verkar enkel, och i själva verket är det relativt sett. Men att göra etanol från switchgrass står inför några utmaningar. Läs nästa sida om svårigheten att destillera etanol från switchgrass.

E85-etanol visas på fler bensinstationer, som den här i Washington. D. C. Bränslet kan säljas för så lite som $ 1 per gallon om forskare kan effektivisera produktionsprocessen. Chip Somodevilla / Getty Images

Medan det blir tydligare med publiceringen av varje ny studie av switchgrass att anläggningen kan spela en viktig roll i framtida energilättnad är ordet "framtid" nyckeln. För närvarande visar processen att extrahera cellulosa från anläggningen svårt och dyrt.

Cellulosa härrörande från växtmaterial produceras av vilken som helst av en mängd olika enzymer, beroende på vilken typ av växtmaterial som används. Dessa katalysatorer äter på komplexa kolhydrater, som socker, och förvisar cellulosa och koldioxid som avfall i processen. Dessa enzymer är dock dyra, cirka 20 cent för varje liter renad etanol [källa: Federal Trade Commission]. Dessutom kräver fermenteringsprocessen för cellulosa med jäst ett annat enzym, vilket ytterligare ökar kostnaderna. År 2006 sa växtgenetiker Albert Kausch att med nuvarande odlings- och produktionsmetoder skulle kostnaden per gallon cellulosetanol vara 2,70 $. Det är fortfarande billigare än gasolja, men Kausch tror att det skulle kunna sänkas till cirka 1 dollar per gallon [källa: Newswise]. Ett av sätten att uppnå denna dramatiska kostnadsminskning är att utveckla billigare enzymer och hitta ett enda enzym som både kan bryta ner cellulosa och jäs etanol.

Ett av de andra problemen som etanol står inför är att få den från raffinaderier till bränslestationer. Etanol är mycket frätande och kan inte skickas via rörledningar som olja och petroleum kan. Detta innebär att det måste transporteras med lastbilar, vilket både ökar produktionskostnaderna och sänker energiförhållandet, eftersom stora tankbilar kräver mer fossila bränslen för att transportera etanolen för distribution.

Argonne National Laboratory Michael Wang berättar att utmaningen att distribuera etanol delvis kan övervinnas genom att använda järnvägssystem för att transportera den så långt som möjligt. "När du förfina den i Mellanvästern och transporterar den till väst, är transport ett problem," säger han. "Du skulle behöva använda järnväg. Men när du transporterar det korta sträckor gör det inte så stor skillnad [till nettot energiförhållandet]."

Det andra problemet som switchgrassetanol för närvarande står inför är mängden mark som är tillgänglig för dess odling. En University of Tennessee-analys drog slutsatsen att USA kunde producera totalt 153 miljoner torra ton switchgrass och grödrester -- de saker som finns kvar efter jordbruksskörd och produktion, som stjälkar och frön - varje år som etanolmaterial. Dess siffror visar att detta skulle resultera i en minskning med 5,3 procent i den årliga bensinförbrukningen i USA - mycket mindre än väntat och mycket mindre än de 35 miljarder liter förnybara bränslen som president George W. Bush efterfrågade 2017 under sitt 2006 Unionens adress.

Liksom enzymforskning kan teknik också övervinna detta hinder. Jason Grumet från National Commission on Energy Policy (NCEP) föreslår att man utvecklar stammar av switchgrass som kan öka utbytet per ton, öka effektiviteten i etanolproduktion med en tredjedel och fördubbla bränsleeffektiviteten för alla fordon i Amerika [källa: USA: s senat].

Pengarna är definitivt där för att övervinna dessa hinder. Både energiföretag och grödforskningskonglomerat häller pengar i cellulosaetanolanläggningar. BP Amoco PLC gav University of California - Berkley och University of Illinois - Champaign en sammanlagd 500 miljon dollar för att finansiera en forskningsanläggning. Chevron Corporation gav University of California - Davis 25 miljoner dollar och Georgia Institute of Technology 12 miljoner dollar. Och Oak Ridge National Laboratory fick 125 miljoner dollar från U.S. Department of Energy för cellulosat etanolforskning [källa: DeMonte]. Fortfarande söker många företag till USA: s regering för att främja forskning och utveckling genom att tillhandahålla investeringsgarantier och skattelättnader för finansiärer som satsar på cellulosateknologi.

- Med den mängd pengar som hälls in i cellulosat etanolforskning och möjligheten att mer är på väg - för att inte tala om entusiasm och offentligt stöd - är det svårt att inte föreställa sig att inom bara några decennier kommer switchgrassbaserad etanol att fylla våra bilar. Men switchgrass har också sina skeptiker. Vissa tror inte att gräset lever upp till förväntningarna, och andra fruktar konsekvenserna om det gör det. Läs om biobränsle skeptiker på nästa sida.

Skeptiker för biobränsle är oroliga för att finansiering av livsmedelsbiståndsprogram, som Feed the Children (ovan), kommer att torka upp om överskottsmedel används som bränsle. Layne Murdoch / NBAE via Getty Images

Konkurrensen är snäv mellan majs och växelgräs som kommer att fungera som råvaran för framtida etanolproduktion. Eftersom vissa områden som odlar majs inte kan växa växelgräs, och tvärtom, har många regioner ett intresse av resultatet av den alternativa bränsledebatten. Baserat på forskning om produktionskostnader, energiförhållanden och utsläpp av växthusgaser verkar det att majsbaserad etanol helt enkelt inte kan konkurrera med etanol tillverkat av switchgrass.

Men medan etanol tillverkat av de två grödorna liknar i många avseenden, gör processen med vilken växelgräs förvandlas till bränsle det till det överlägsna valet för många forskare, politiker och aktivister. Majsetanolproduktion, till exempel, använder bara spannmål (saker du äter) för att producera etanol. Resten kastas av - även om det, ironiskt nog, kan grödresterna användas i cellulosat etanolproduktion.

En annan fördel som switchgrass har över majs är mängden och typ av mark den kräver. I Iowa - ett tillstånd med bättre jord än genomsnittet - var den genomsnittliga avkastningen på grödor cirka 4,8 ton per tunnland 2005. Studien från North Dakota 2005, som nämnts tidigare, visade ett avkastning på cirka sju ton växelgräs per tunnland. Och switchgrass behöver inte den bästa jorden för att växa bra. Den kan odlas på mark som för närvarande inte används för grödor.

En rapport som producerats av Oak Ridge National Laboratory drog slutsatsen att att bensin till hälften av fordonen på vägen i USA idag med etanol skulle kräva 180 miljoner tunnland mark för att växa växelgräs. Detta står för 40 procent av marken som redan används för jordbruk i Amerika [källa: U.S. Senate].

Men NCEP: s Jason Grumet tror att med "stadiga men obemärkbara framsteg" inom forskning och utveckling kan vi få den mängd mark som behövs för att producera så mycket etanol ner till 30 miljoner tunnland på 20 till 30 år. Grumet nämner att det handlar om mängden areal i området Conservation Reserve Program (CRP), ett federalt program som betalar jordbrukare för att avsätta mark som brak för att minska jordbruksmiljöpåverkan [källa: U.S. Senate].

Grumet är inte den enda personen som antyder att växelgräs kan odlas i marginell mark. När allt kommer omkring har det visat sig förbättra jorden där den planteras, och CRP-mark kan gynnas samtidigt som råmaterial odlas för etanolproduktion. Men inte alla tror att industriell switchgrassproduktion är den bästa användningen för CRP-mark. Skeptiker hävdar att de flesta mark som ingår i Conservation Reserve-programmet avsätts för att jorden inte kommer att producera grödor av hög kvalitet. Om switchgrass blir nästa bränslekälla och stora företag pumpar stora mängder pengar i sin produktion, hävdar dessa kritiker att samma företag vill ha högsta möjliga avkastning. Detta skulle bäst förverkligas genom att använda bästa tillgängliga mark. Vilket innebär att en del åkermark skulle gå från livsmedelsproduktion till energiproduktion.

Vi använder en liten del matgrödor för bränsle idag. Om vi ​​litar på biobränslen som vår energikälla, kan energi och mat komma i direkt konkurrens om resurser, särskilt mark.

Detta gäller vissa, inklusive Dr. Eric Holt-Gimenez, från Institutet för livsmedels- och utvecklingspolitik. När bränslepriserna stiger, gör även matpriserna på grund av de ökade kostnaderna för produktion och transport. Holt-Gimenez hävdar att om mat och energi tävlar om mark kan livsmedelspriserna ha en ömsesidig effekt på energipriserna. Dessutom säger han att matöverskottsprogram för hungriga länder kan torka upp eftersom överskottsmat kan användas som biomassa för etanol [källa: Holt-Gimenez].

-

Det finns andra farhågor om cellulosaetanol. Vissa anser att påståenden om dess potential är för rosa, baserat på studier som visar att cellulosaetanol inte har energiförhållandet som andra studier avser. Men dessa studier är färre i antal - och får mycket mindre uppmärksamhet - än de som visar switchgrass potential. Och om finansiering och allmän opinion är indikatorer för framsteg, ser det ut som switchgrass etanol är en väg.

För mer information om biodrivmedel, energi och relaterade ämnen, läs nästa sida.

Relaterade artiklar

• Hur Biodiesel fungerar
• Hur oljeraffinering fungerar
• Hur oljeborrning fungerar
• Kunde saltvatten bensin bilar?
• Vad är den strategiska petroleumreserven?
• Är etanolbränsle verkligen bättre för miljön än att hålla fast vid gas?
• E85 Ethanol Flex Bränsleöversikt

Fler bra länkar

• Förenta staternas energidepartement
• Oil Drum Energy Forum
• Oak Ridge National Laboratory

källor

• Berdhal, John, et al. "Biomassautbyte av olika växelgrässkultivarer och experimentella stammar i västra North Dakota." Agronomy Journal. 15 april 2005. http://www.ars.usda.gov/research/publications/publications.htm? Seq_no_115 = 164799
• Bullis, Kevin. "Kommer cellulosaetanol att starta?" Technology Review. 26 februari 2007. http://www.technologyreview.com/Energy/18227/
• Burden, Dan. "Switchgrass-profil." Resurscenter för jordbruksmarknadsföring. Juni 2005. http://www.agmrc.org/agmrc/templates/agmrcgenerictemplate.aspx? NRMODE = Publicerad & NRNODEGUID =% 7bF099CBB7-A693-4DFD-A0B6- E6D3CB969B96% 7d & NRORIGINALURL =% 2fagmrc% 2fcommodity% 2f biomass% 2fswitchgrass% 2fswitchgrhePro #%
• Clark, Giles. "Växtprotein kan hjälpa biobränsleproduktionen." Biofuel Review. 30 april 2007. http://www.biofuelreview.com/index.php?option=com_content & task = view & id = 943
• English, Burton C., et al. "Uppskattade ekonomiska effekter på jordbrukssektorn och nationens ekonomi att leverera råmaterial till en energisektor." University of Tennessee. 22 augusti 2007. http://www1.eere.energy.gov/biomass/biotech_symposium/docs/1a-24.doc
• Grumet, Jason. "Utfrågning om energisäkerhet och oljeberoende." U.S.-senatskommittén för utrikesrelationer. 16 maj 2006. http://www.energycommission.org/site/page.php?testimon=17
• Hirsch, Robert L., et al. "Höjdpunkten för världens oljeproduktion: Påverkan, begränsning och riskhantering." SAIC. http://www.projectcensored.org/newsflash/the_hirsch_report.pdf
• Holt-Gimenez, Eric PhD. "Biodrivmedel - Myter om övergång till agrobränslen." Institutet för livsmedels- och utvecklingspolitik. http://petroleum.berkeley.edu/patzek/BiofuelQA/Brazil/food_first _backgrounder.htm
• Lang, Susan S. "Cornell-ekologens studie finner att det inte är värt energin att producera etanol och biodiesel från majs och andra grödor." Cornell University. 5 juli 2005. http://www.news.cornell.edu/stories/July05/ethanol.toocostly.ssl.html
• Ratliff, Evan. "Anläggningen som kommer att rädda Amerika: Kemin." Wired, s. 160-161. Oktober 2007.
• Wang, Michael Q. PhD. "Effekter av energi och växthusgasutsläpp av bränsleetanol." Argonne National Laboratory. 23 augusti 2005. http://www.anl.gov/Media_Center/News/2005/NCGA_Ethanol_ Meeting_050823.ppt
• Woolsey, James R. Utfrågningar om korn, sockerrör och bilar: Skatteincitament för alternativa bränslen och fordon. "USA: s senatskommitté för finans. 19 april 2007. http://www.energycommission.org/site/page.php?testimonium = 18
• "Miljövinster." Amerikanska avdelningen för energi. 4 oktober 2007. http://www1.eere.energy.gov/biomass/environmental.html
• "Petroleum Flow, 2006." Energiinformation Administration. http://www.eia.doe.gov/emeu/aer/pdf/pages/sec5_3.pdf
• "Switchgrass-forskning syftar till att skapa etanol för att driva fordon till $ 1 per gallon." Newswise. 4 december 2006. http://www.newswise.com/articles/view/525656/