211service.com
Priset på biobränslen
Den irrationella överflöd över etanol som svepte genom det amerikanska majsbältet under de senaste åren har gett vika för en trist baksmälla, särskilt bland dem som investerat hårt i de vidsträckta produktionsanläggningarna som nu sprider sig över landsbygden. Det är Mellanvästerns version av teknikbubblan, och på vissa sätt är den anmärkningsvärt bekant: överivriga investerare som är förtjusta i en tekniks till synes obegränsade potential ignorerar vad, åtminstone i efterhand, är uppenbara ekonomiska realiteter.
Mer än hundra biobränslefabriker, till största delen samlade i de majsodlande delstaterna Iowa, Minnesota, Illinois, Indiana, South Dakota och Nebraska, kommer att producera 6,4 miljarder liter etanol i år, och ytterligare 74 anläggningar är under uppbyggnad. För bara 18 månader sedan var de kassakor, som körde ut högprisetanol från lågprismajs, väckte förhoppningar om energioberoende bland politiker och fångade uppmärksamheten – och pengarna – hos riskkapitalister från både öst- och västkusten.
Nu kämpar etanolproducenterna, och många förlorar pengar. Priset på en skäppa majs steg till rekordhöga nivåer under året och översteg $4,00 i vintras innan det föll tillbaka till cirka $3,50 på sommaren, för att sedan återhämta sig i höst till nära $4,00 igen. Samtidigt rasade etanolpriserna i takt med att marknaden för det alternativa bränslet, som fortfarande används främst som tillsats till bensin, blev mättad. Inför dessa två trender försvann vinstmarginalerna.
Dödläget på etanolmarknaden återspeglar den förutsägbara boom-and-bust-cykeln för vilken råvara som helst: höga priser driver på ökad produktion, och snart är marknaden överutsatt, vilket får priserna att krascha. Men den storskaliga användningen av etanol som härrör från majs som transportbränsle har sina egna ekonomiska problem. Även om råolja är nära rekordpriser, och företag som använder etanol i sin bensin får en federal skattelättnad på 51 cent per gallon, kämpar etanol för att konkurrera ekonomiskt. Och med begränsad infrastruktur på plats för att distribuera och sälja biobränslet kommer efterfrågan att förbli osäker under överskådlig framtid.
För mer information läs Teknikgranskning s särskilda rapport om biobränslen .
Mer alarmerande är att boomen i etanolproduktion driver upp priset på mat. Av de rekordstora 93 miljoner hektar majs som planterades i USA 2007 gick cirka 20 procent till etanol. Eftersom det mesta av resten används för att mata djur, påverkas priserna på nötkött, mjölk, fjäderfä och fläsk alla av ökningar i kostnaderna för majs. Den internationella organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD) varnade nyligen för att den snabba tillväxten av biobränsleindustrin kan åstadkomma grundläggande förändringar på jordbruksmarknaderna världen över och till och med kunna orsaka livsmedelsbrist.
Allt detta kommer i en tid då behovet av alternativ till petroleumbaserade transportbränslen blir akut. Vid presstillfället var priset på råolja nära 90 dollar per fat. Och oron över effekterna av utsläpp av växthusgaser från de cirka 142 miljarder liter bensin som används varje år i USA fördjupas. Utökad användning av biobränslen är central i den federala regeringens långsiktiga energistrategi. I sitt State of the Union-tal den 23 januari 2007 satte president Bush målet att producera 35 miljarder liter förnybara och alternativa bränslen till 2017, med hänvisning till behovet av oberoende från utländsk olja. Det amerikanska energidepartementet har satt upp det liknande målet att ersätta 30 procent av bensinanvändningen med biobränsleanvändning till 2030.
Multimedia
Bom eller byst? (PDF: Diagram och diagram över biobränslenas ekonomi)
Se bilder på högproteinspannmål och produktion av kolväten.
University of Minnesota forskare utforskar framtiden för biobränslen.
C. Ford Runge förklarar problemen med majsetanol.
Riskkapitalisten Vinod Khosla beskriver marknadspotentialen för alternativa energier.
Att nå båda målen kommer dock att kräva betydande tekniska genombrott. I USA betyder etanol för närvarande den majsbaserade versionen. (Brasilianska producenter förväntades göra 4,97 miljarder liter etanol 2007, mestadels från sockerrör, men den semitropiska grödan är jordbruksmässigt lönsam i endast ett fåtal delar av USA.) Även förespråkare för majsetanol säger att dess produktionsnivåer inte kan gå mycket högre än cirka 15 miljarder gallon per år, vilket är långt ifrån Bushs mål.
Medan president Bush och andra förespråkare för biobränslen ofta har krävt att etanol ska tillverkas av alternativa råvaror som switchgrass – en växt som är hemma i USA:s präriestater, där den växer brett – är den nödvändiga tekniken, enligt de flesta uppskattningar, minst fyra till fem år från kommersiell lönsamhet. Samtidigt finns avancerade biologiska tekniker för att skapa nya organismer som producerar andra biobränslen, såsom kolväten, fortfarande i labbet. Hittills tillverkar forskare mängder som inte ens skulle fylla tanken på en stor SUV.
De ekonomiska problemen och marknadsbegränsningarna för majsetanol är en smärtsam påminnelse om de enorma svårigheter som utvecklare av nya biobränslen står inför. Summan av kardemumman är att du kommer att behöva göra bränsle billigt, säger Frances Arnold, professor i kemiteknik och biokemi vid Caltech. Vi kan alla göra lite av något. Men du måste göra mycket av det, och du måste göra det billigt. Problemet är så stort att din teknik måste skalas upp och göra det till ett pris som är konkurrenskraftigt. Alla kommer att konkurrera enbart på priset.
Majsblödning
Det kanske inte finns något bättre ställe att få en realistisk bedömning av biobränslen än Institutionen för tillämpad ekonomi vid University of Minnesota. Det stora campus som inrymmer avdelningen och resten av universitetets lantbruksskola ligger på en låg kulle i ett lugnt område i St. Paul. Tunnland av fält där experiment genomförs utspridda från kanten av universitetet. I närheten ligger området för Minnesota State Fair, ett 12-dagarsevenemang som drar mer än en och en halv miljon besökare i slutet av sommaren.
Staten är den fjärde största producenten av majs i USA, och mycket av dess ekonomi, till och med dess kultur, är intimt knuten till skörden. Uppgången av majspriserna har varit en välsignelse för Minnesotas jordbrukssamhällen på landsbygden. Och guvernören och andra delstatspolitiker har starkt drivit på användningen av etanol som transportbränsle. Ändå hittar du inte mycket cheerleading för majsetanol i den vanliga tegelbyggnaden som inrymmer avdelningen.
På sitt välordnade kontor med sina prydliga högar av tekniska papper och gårdsrapporter kombinerar Vernon Eidman, en emeritusprofessor i jordbruksekonomi, en forskares auktoritet med strängheten hos en bankman från Mellanvästern. Vi kunde se det här komma, säger han och beskriver den aktuella situationen på marknaden för etanoltillverkarna. Det är inte som att [producenterna] inte visste att det skulle komma. Åtminstone borde de ha vetat det. 2006 gjorde de vinster som de aldrig gjort tidigare, säger Eidman. Och det är en viktig faktor som ledde till denna enorma uppbyggnad.
Siffrorna talar för sig själva. Eidmans beräkningar visar vad det kostar, givet varierande priser på majs, för en ny, medelstor anläggning att producera etanol. Vid 4,00 USD per skäppa majs kostar etanolproduktion 1,70 USD per gallon; för att få en avkastning på 12 procent på eget kapital måste producenterna sälja etanol för 1,83 dollar per gallon. Sedan visar Eidman sina siffror för de priser som petroleumbolagen betalar när de köper etanol för att blandas med sin bensin: i december var priserna cirka 1,90 USD per gallon, och buden för 2008 varierar mellan 1,75 USD och 1,80 USD per gallon. Vinstmarginalerna för etanolproducenter är med andra ord extremt snäva. För att göra saken värre, säger Eidman, förväntas produktionskapaciteten, som var cirka 5,4 miljarder gallon i början av 2007, uppgå till 12,5 miljarder gallon år 2010.
Medan den svällande etanolproduktionen har lett till oro för överutbud, är den andra sidan av marknadsekvationen faktiskt en anledning till större oro: den framtida efterfrågan på etanolbränsle är inte på något sätt säker. I några delar av landet, särskilt i majsbältesstaterna, kan förare köpa bränsle som är 85 procent etanol. Men för det mesta använder petroleumbolagen etanol i en koncentration på 10 procent, för att öka syrehalten i sin bensin. Inte bara är en sådan marknad begränsad, utan 10-procentig etanolblandning ger något minskad gassträcka, vilket potentiellt dämpar konsumenternas aptit för bränslet.
Det är inte bara etanolens kortsiktiga ekonomi som berör jordbruksexperter. De varnar också för att etanol som härrör från majs inte är det gröna bränsle som dess förespråkare har beskrivit. Det beror på att det krävs mycket energi att framställa etanol, både för att odla majs och, ännu viktigare, för att driva jäsningsanläggningarna som förvandlar sockret från majskärnorna till alkoholen som används som bränsle. Exakt hur mycket energi det tar har varit föremål för intensiv akademisk debatt i olika tidskrifter under de senaste åren.
Enligt beräkningar gjorda av Minnesota-forskare, kompenseras 54 procent av den totala energin som representeras av en gallon etanol av den energi som krävs för att bearbeta bränslet; ytterligare 24 procent kompenseras av den energi som krävs för att odla majsen. Medan cirka 25 procent mer energi pressas ut ur biobränslet än vad som används för att producera det, ger andra bränslen mycket större vinster, säger Stephen Polasky, professor i ekologisk och miljöekonomi vid Minnesota. Att göra etanol är ingen billig process, säger han. Ur mitt perspektiv är det största problemet [med majsetanol] bara den raka ekonomin och kostnaderna. Energiinmatningen/utmatningen är inte särskilt bra.
De höga energikraven för etanolproduktion gör att det inte är så mycket bättre för miljön att använda etanol som bränsle än att använda bensin. Man skulle kunna tro att förbränning av biobränslet endast skulle frigöra den koldioxid som majsen fångar upp när den växer. Men den förenklade bilden, som ofta har framtrollats för att stödja användningen av etanolbränsle, tål inte en närmare granskning.
I själva verket, säger Polasky, är de fossila bränslen som behövs för att odla och skörda majs och producera etanol ansvariga för betydande koldioxidutsläpp. Inte bara det, utan odling av majs producerar också två andra potenta växthusgaser: lustgas och metan. Polasky beräknar att etanol som härrör från majs är ansvarig för utsläpp av växthusgaser som är cirka 15 till 20 procent lägre än de som förknippas med bensin: Summan av kardemumman är att du får en liten besparing när det gäller utsläpp av växthusgaser, men inte mycket.
Om majsbaserad etanol har haft liten inverkan på energimarknaderna och utsläppen av växthusgaser, kan dess produktion dock få återverkningar på jordbruksmarknaderna. Inte bara är majspriserna upp, utan det är priserna på sojabönor också, eftersom bönder planterat färre sojabönor för att göra plats för majs.
I maj/juni numret 2007 av Utrikesfrågor , C. Ford Runge, professor i tillämpad ekonomi och juridik vid Minnesota, skrev en artikel med titeln How Biofuels Could Starve the Poor, som hävdade att den enorma volymen majs som krävs av etanolindustrin skickar chockvågor genom matsystemet. Sex månader senare, sittande på ett stort kontor från vilket han leder universitetets centrum för internationell livsmedels- och jordbrukspolitik, verkar Runge förbryllad över den kritik som hans artikel fick från lokala politiker och de inom etanolbranschen. Men han är orubblig i sin argumentation: Det är helt klart så att mjölkpriserna, brödpriserna, alla stiger med tre gånger den genomsnittliga ökningstakten de senaste 10 åren. Det är uppskattat, och det börjar bli uppskattat.
Den senaste OECD-rapporten, som släpptes i början av september, är bara den senaste bekräftelsen på hans varningar, säger Runge. Och eftersom en större andel av deras inkomst går till mat, säger han, kommer detta verkligen att drabba fattiga människor. Eftersom USA exporterar cirka 20 procent av sin majs, är de fattiga i resten av världen särskilt utsatta. Runge nämner fördubblingen av priset på tortillas i Mexiko för ett år sedan.
Alla dessa faktorer talar emot löftet om majsetanol som en lösning på energiproblemet. Min uppfattning, säger Polasky, är att [etanol] bara kommer att vara en liten spelare när det gäller energiförsörjning. Han räknar ut att även om all majs som planterats i USA användes till etanol, så skulle biobränslet fortfarande tränga undan bara 12 procent av bensinförbrukningen. Om jag gör det här för energipolitiken ser jag inte återbetalningen, säger han. Om vi gör det här som jordbruksstödspolitik kan det finnas mer förtjänst där. Men vi kommer att behöva gå till nästa generations teknik för att ha en betydande inverkan på energimarknaderna.
Superbuggar
Sedan oljekrisen på 1970-talet, när priset på ett fat petroleum nådde en topp, har kemiska och biologiska ingenjörer jagat efter sätt att omvandla landets stora reserver av cellulosamaterial som trä, jordbruksrester och fleråriga gräs till etanol och andra biobränslen . Förra året, med hänvisning till ett annat av president Bushs mål – att minska USA:s bensinförbrukning med 20 procent på 10 år – meddelade US Department of Energy (DOE) upp till 385 miljoner dollar i finansiering för sex bioraffinaderiprojekt som kommer att använda olika tekniker för att producera etanol från biomassa allt från flis till switchgrass.
Enligt en rapport från 2005 från DOE och US Department of Agriculture har landet tillräckligt med skogs- och jordbruksmark för att producera 1,3 miljarder ton biomassa som kan gå till biobränslen. Utöver att tillhandahålla ett stort utbud av billiga råvaror, kan cellulosabaserad biomassa avsevärt öka energi- och miljöfördelarna med biobränslen. Det tar mycket mindre energi att odla cellulosamaterial än att odla majs, och delar av biomassan kan användas för att driva produktionsprocessen. (Den sockerrörsbaserade etanolen som produceras i Brasilien erbjuder också förbättringar jämfört med majsbaserad etanol, tack vare grödans stora skörd och höga sockerhalt.)
Men trots år av forskning och nyligen genomförda investeringar i att skala upp produktionsprocesser, tillverkar ännu ingen kommersiell anläggning cellulosaetanol. Den ekonomiska förklaringen är enkel: det kostar alldeles för mycket att bygga en sådan anläggning. Cellulosa, en långkedjig polysackarid som utgör mycket av massan av vedartade växter och skörderester som majsstjälkar, är svår – och därmed dyr – att bryta ner.
Det finns flera tekniker för att producera cellulosaetanol. Cellulosan kan värmas upp vid högt tryck i närvaro av syre för att bilda syntesgas, en blandning av kolmonoxid och väte som lätt omvandlas till etanol och andra bränslen. Alternativt kan industriella enzymer bryta ner cellulosan till sockerarter. Sockret matar sedan jäsreaktorer där mikroorganismer producerar etanol. Men alla dessa processer är fortfarande alldeles för dyra för att använda kommersiellt.
Även förespråkare för cellulosaetanol sätter kapitalkostnaderna för att bygga en tillverkningsanläggning till mer än dubbelt så höga som för en majsbaserad anläggning, och andra uppskattningar sträcker sig från tre gånger kostnaden till fem. Man kan tillverka cellulosaetanol idag, men till ett pris som är långt ifrån perfekt, säger Christopher Somerville, växtbiolog vid University of California, Berkeley, som studerar hur cellulosa bildas och används i växternas cellväggar.
Cellulosa har fysikaliska och kemiska egenskaper som gör det svårt att komma åt och svårt att bryta ner, förklarar Caltechs Arnold, som har arbetat på och av med den biologiska metoden för att producera cellulosaetanol sedan 1970-talet. Dels hålls cellulosafibrer samman av ett ämne som heter lignin, som är lite som asfalt, säger Arnold. När ligninet väl har tagits bort kan cellulosan brytas ned av enzymer, men de är dyra och befintliga enzymer är inte idealiska för uppgiften.
Många forskare tror att det mest lovande sättet att göra cellulosabaserade biobränslen ekonomiskt konkurrenskraftiga innebär skapandet – eller upptäckten – av superbugs, mikroorganismer som kan bryta ner cellulosa till sockerarter och sedan jäsa dessa sockerarter till etanol. Tanken är att ta vad som nu är en flerstegsprocess som kräver tillsats av kostsamma enzymer och förvandla det till en enkel enstegsprocess, i branschen kallad konsoliderad bioprocessning. Enligt Lee Lynd, professor i ingenjörsvetenskap vid Dartmouth College och medgrundare av Mascoma, ett företag baserat i Cambridge, MA, som kommersialiserar en version av tekniken, kan det konsoliderade tillvägagångssättet så småningom producera etanol till 70 cent per gallon. Det skulle vara ett omvälvande genombrott, säger han. Det råder ingen tvekan om att det skulle vara attraktivt.
Men att hitta superbugs har visat sig vara svårt. I decennier har forskare känt till bakterier som kan bryta ner cellulosa och även producera en del etanol. Ändå kan ingen göra jobbet tillräckligt snabbt och effektivt för att vara användbar för storskalig tillverkning.
Naturen, förklarar Arnold, erbjuder lite hjälp. Det finns en del organismer som bryter ner cellulosa, säger hon, men problemet är att de inte gör bränsle, så det gör inte så mycket nytta. Ett alternativ, säger hon, är att genetiskt modifiera E coli och jäst så att de utsöndrar enzymer som bryter ner cellulosa. Men även om många olika typer av enzymer skulle kunna göra jobbet, gillar de flesta inte att sättas in i dem E coli och jäst.
Arnold är dock optimistisk att rätt organism kommer att upptäckas. Man vet aldrig vad som kommer att hända imorgon, säger hon, om det är gjort med syntetisk biologi eller om någon bara skrapar en av skon.
Hon skrapade inte riktigt av den från sin sko, men Susan Leschine, en mikrobiolog vid University of Massachusetts, Amherst, tror att hon bara kan ha snubblat på en bugg som kommer att göra jobbet. Hon hittade den i ett jordprov som samlades in för mer än ett decennium sedan från skogen som omger Quabbin-reservoaren, cirka 15 miles från hennes labb. Quabbin-provet var bara ett av många från hela världen som Leschine studerade, så det dröjde flera år innan hon slutade analysera det. Men när hon gjorde det insåg hon att en av dess bakterier, Clostridium phytofermentans , hade extraordinära egenskaper. Det bryter ner nästan alla komponenter i växten, och det bildar etanol som huvudprodukt, säger hon. Den producerar enorma mängder etanol.
Leschine grundade ett företag i Amherst, SunEthanol, som ska försöka skala upp etanolproduktionen med hjälp av bakterien. Det är en lång väg att gå, erkänner hon, men hon tillägger att det vi har är väldigt olika, och det ger oss ett steg upp. Vi har redan en mikrob och har visat den på riktiga råvaror. Leschine säger att andra användbara mikrober förmodligen väntar på att bli upptäckta: ett enda jordprov innehåller trots allt hundratusentals sorter. I den här djurparken av mikrober, säger hon, kan vi tro att det finns andra med liknande egenskaper där ute.
Blommande prärier
Huruvida etanol tillverkad av cellulosabaserad biomassa är bra eller dåligt för miljön beror dock på vilken typ av biomassa det är och hur den odlas.
På sitt kontor i St. Paul tar David Tilman, professor i ekologi vid University of Minnesota, fram ett stort flygfoto av ett fält indelat i ett snyggt rutnät. Till och med från kamerans utsiktspunkt långt över marken ser landet fattigt ut. På en tomt finns tunna rader av gräs, den sandiga jorden synlig under. Tilman säger att marken var så infertil att jordbruksbruket av det hade övergetts. Sedan skrapade han och hans kollegor bort eventuell kvarvarande matjord. Ingen bonde har så dålig mark, säger han.
I en serie tester odlade Tilman en blandning av inhemska präriegräs (inklusive switchgrass) i några av fältets tomter och enstaka arter i andra. Resultaten visar att en mångsidig blandning av gräs, även odlad i extremt infertil jord, kan vara en värdefull källa till biobränsle, säger han. Du kan göra mer etanol från en tunnland [av de blandade gräsen] än du kunde från en tunnland majs. Ännu bättre, i en tidning publicerad i Science, visade Tilman att präriegräsen kunde användas för att göra etanol som är kolnegativ: gräset kan konsumera och lagra mer koldioxid än som frigörs genom att producera och bränna bränslet som tillverkas av dem.
Fynden är slående eftersom de föreslår ett miljövänligt sätt att producera enorma mängder biobränslen utan att konkurrera med livsmedelsgrödor. År 2050, enligt Tilman, kommer världen att behöva en miljard hektar mer mark för mat. Det är landmassan i hela USA bara för att mata världen, säger han. Om du gjorde mycket biobränsle på [odlingsbar] mark – det är väldigt lätt att föreställa sig en miljard hektar för biobränslen – kommer du inte att ha någon natur kvar och ingen markreserv efter 50 år. Istället, hävdar Tilman, är det vettigt att odla biomassa för bränslen på relativt infertil mark som inte längre används för jordbruk.
Men nerför backen från Tilmans kontor oroar sig hans kollegor på avdelningen för tillämpad ekonomi över de praktiska frågorna som är involverade i att använda stora mängder biomassa för att tillverka bränsle. Dels påpekar de att tekniken och infrastrukturen som effektivt skulle kunna hantera och transportera den skrymmande biomassan fortfarande måste utvecklas. Och eftersom växtmaterialet kommer att vara dyrt att flytta runt, måste biobränsleproduktionsanläggningar byggas nära råvarukällorna - förmodligen inom 50 miles.
Mängden biomassa som behövs för att mata till och med en medelstor etanolanläggning är skrämmande. Eidman beräknar att en anläggning som producerar 50 miljoner gallon per år skulle kräva en lastbil lastad med biomassa för att anlända var sjätte minut dygnet runt. Dessutom, säger han, är råvaran inte gratis: den kommer att kosta omkring $60 till $70 per ton, eller omkring 75 cent per gallon etanol. Det är där många människor blir lurade, tillägger han.
Eftersom ingen kommersiell cellulosaanläggning har byggts, säger Eidman, är det svårt att analysera de specifika kostnaderna för olika teknologier. Sammantaget, föreslår han, ser ekonomin intressant ut – men cellulosaetanol måste konkurrera med biobränslen som härrör från majs och komma ner till ungefär 1,50 dollar per gallon. Eidman tror att det kommer att dröja åtminstone 2015 innan biobränslen gjorda av cellulosa är mycket av en faktor på marknaden.
Exil
Medan kemiingenjörer, mikrobiologer, agronomer och andra kämpar för att hitta sätt att göra cellulosaetanol kommersiellt konkurrenskraftig, fokuserar några syntetiska biologer och ämnesomsättningsingenjörer på en helt annan strategi. Mer än femtonhundra mil bort från Mellanvästerns majsbälte skapar flera Kalifornien-baserade, riskstödda startups grundade av pionjärer inom det nya området syntetisk biologi nya mikroorganismer designade för att tillverka andra biobränslen än etanol.
Etanol är trots allt knappast ett idealiskt bränsle. En tvåkolsmolekyl, den har bara två tredjedelar av energiinnehållet i bensin, som är en blandning av långkedjiga kolväten. Med andra ord skulle det ta ungefär en och en halv gallon etanol för att ge samma körsträcka som en gallon bensin. Och eftersom etanol blandas med vatten krävs ett kostsamt destillationssteg i slutet av jäsningsprocessen. Dessutom, eftersom etanol är lättare förorenat med vatten än kolväten, kan det inte transporteras i petroleumrörledningarna som används för att billigt distribuera bensin över hela USA. Etanol måste transporteras i specialiserade järnvägsvagnar (lastbilar, med sina relativt små nyttolaster, är vanligtvis alldeles för dyra), vilket ökar kostnaden för bränslet.
Så istället för etanol planerar startups i Kalifornien att producera nya kolväten. Liksom etanol, är de nya föreningarna fermenterade från sockerarter, men de är designade för att mer likna bensin, diesel och till och med flygbränsle. Vi tog en titt på etanol, säger Neil Renninger, senior vice president för utveckling och medgrundare av Amyris Biotechnologies i Emeryville, CA, och insåg begränsningarna och önskan att göra något som liknade mer konventionella bränslen. I grund och botten ville vi göra kolväten. Kolväten är det som för närvarande finns i bränslen, och kolväten är de bästa bränslena eftersom vi har designat våra motorer för att fungera med dem. Om forskarna kan genmanipulera mikrober som producerar sådana föreningar kommer det att helt förändra ekonomin för biobränslen.
Problemet är att naturen inte erbjuder några kända exempel på mikroorganismer som kan jäsa socker till de typer av kolväten som är användbara för bränsle. Så syntetiska biologer måste börja om från början. De identifierar lovande metaboliska reaktioner i andra organismer och sätter in motsvarande gener i E. coli eller jäst, och kombinerar metaboliska vägar tills de ger de önskade produkterna.
Vid LS9 i San Carlos, CA, förvandlar forskare E. coli till en kolväteproducent genom att regenera dess fettsyrametabolism ( se Better Biofuels , Forward, juli/augusti 2007 ). Stephen del Cardayré, LS9:s vice vd för forskning och utveckling, säger att företaget bestämde sig för att fokusera på fettsyror eftersom organismer naturligt producerar dem i överflöd, som ett sätt att lagra energi. Vi ville dra fördel av en väg som [naturligtvis] gör en massa saker, säger del Cardayré. Ta bara tag i mitten. Del Cardayré och hans medarbetare använder många av de befintliga vägarna i E. colis fettsyrametabolism men avleder dem nära slutet av den metaboliska cykeln. Eftersom fettsyror består av en kolvätekedja med en karboxylgrupp är det relativt enkelt att tillverka kolvätebränslena. Se det som en motorväg, säger del Cardayré. Nära slutet av motorvägen lägger vi till en omväg, en väg vi designat och fastnat där, så att fettsyrorna har ett bättre ställe att gå. Vi tar av dem och ändrar dem kemiskt, med hjälp av denna nya syntetiska väg som tar dem till produkter som vi vill ha.
Amyris använder också den syntetiska biologin, men istället för att justera fettsyrametabolismen, arbetar den på vägar som producerar isoprenoider, en stor klass av naturliga föreningar. Än så länge gör dock både LS9 och Amyris sina biobränslen några liter åt gången. Och medan företagen har ambitiösa scheman för att kommersialisera sin teknologi – båda hävdar att deras processer kommer att vara klara 2010 – är det fortfarande en kritisk utmaning att förbättra avkastningen och snabbheten på deras reaktioner. Det är där det mesta av det biologiska arbetet pågår, säger Renninger. Vi har fortfarande en bit kvar, och den lilla vägen är väldigt viktig.
Om de så småningom kommersialiseras, skulle kolvätebiobränslena från LS9 och Amyris kunna övervinna många av de ekonomiska nackdelarna med etanol. Till skillnad från etanol separeras kolväten från vatten under produktionsprocessen, så inget energikrävande destillationssteg är nödvändigt. Och kolvätebiobränslen skulle kunna fraktas i befintliga petroleumledningar. Allt handlar om kostnad, säger Robert Walsh, president för LS9. Men en kritisk faktor kommer att vara priset på råvaror, säger han. Vi vill ha smutsbilliga sockerarter.
Faktum är att nystartade företag inom syntetisk biologi står inför samma problem som etablerade etanolproducenter gör: majs är inte en billig källa till biobränslen. Nästa generation [av råmaterial] kommer att vara cellulosa, säger John Melo, VD för Amyris. Men vi är inte säkra på vilken cellulosateknologi som kommer att vinna. Vilken teknik som än råder, säger Melo, förväntar sig Amyris att kunna fästa den på sin jäsningsprocess, vilket ger företaget fördelarna med både billiga cellulosaråvaror och praktiska kolvätebränslen.
Men för närvarande driver bristen på ett alternativ till majs Amyris rakt ut ur landet. Företaget, som planerar att bygga om befintliga etanolfabriker så att de kan tillverka kolväten, kommer initialt att arbeta med brasilianska biobränsleanläggningar som använder sockerrör som råvara. Med tanke på priset på majs och mängden energi som behövs för att producera den, säger Melo, erbjuder brasiliansk sockerrör det mest lönsamma, hållbara sättet att tillverka biobränslen idag.
Inget val
Även i en Silicon Valley-kultur som vördar framgångsrika riskkapitalister har Vinod Khosla en speciell hedersplats. En av grundarna av Sun Microsystems i början av 1980-talet, gick Khosla senare med i riskkapitalföretaget Kleiner Perkins Caufield och Byers, där han i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet fick ett rykte om att ignorera dot-com-spänningen till förmån för en serie esoteriska startups. inom det mycket mindre glamorösa området optiska nätverk. När flera av startupen sålde för miljarder dollar till stora företag som rustade upp sin infrastruktur för internetboomen, blev Khosla, med en överhettad rubriks ord, The No. 1 VC on the Planet.
Khosla, som nu är bland världens rikaste människor (Forbes 400 listar honom på 317, med en nettoförmögenhet på 1,5 miljarder dollar), lägger de flesta av sina investeringar i alternativa energier. Han räknar bland sina portföljbolag mer än ett dussin biobränslestartups – syntetiska biologiföretag LS9 och Amyris, cellulosaföretag som Mascoma och majsetanolföretag som Cilion, baserade i Goshen, Kalifornien. Men att helt enkelt kalla Khosla för en investerare i biobränslen skulle kraftigt underskatta hans engagemang. Under de senaste åren har han framträtt som en av världens ledande förespråkare för tekniken, genom att främja dess dygder och fritt diskutera alla belackare ( se Q&A, mars/april 2007 ).
Khosla verkar upprörd över biobränslena som säger nej. Klimatförändringar, säger han, är den överlägset största frågan som driver hans intresse för biobränslen. Om vi vill undvika klimatförändringar och minska förbrukningen av bensin, finns det inga alternativ till att använda cellulosabaserade biobränslen för transporter. Biomassa är den enda råvaran i tillräckliga mängder för att kostnadseffektivt ersätta olja, säger han. Inget annat finns. Hybrid- och elfordon, tillägger han, är bara leksaker.
I synnerhet, hävdar Khosla, måste all transportteknik konkurrera i Kina och Indien, de snabbast växande fordonsmarknaderna i världen. Det är ingen stor sak att sälja en miljon plug-in el på en plats som Kalifornien, säger han. Svårigheten är att sälja ett hybridfordon på 20 000 dollar i Indien. Ingen jäkla chans. Och all teknik som inte kan användas av Kina och Indien är irrelevant för klimatförändringarna, säger han. Miljövänner fokuserar inte på skalbarhet. Om du inte kan skala upp det är det bara en leksak. Därav behovet av biobränslen. Därav biobränslen från biomassa.
I ett antal opinionsartiklar som publicerats på webbplatsen för Khosla Ventures, ett företag som han startade 2004 som har investerat mycket i biobränslen och annan miljöteknik, ser Khosla för sig att produktionen av biobränsle ska öka snabbt under de kommande 20 åren. Enligt hans siffror kommer produktionen av majsetanol att plana ut till 15 miljarder liter per år till 2014, men cellulosaetanol kommer att öka stadigt och nå 140 miljarder liter till 2030. Vid den tidpunkten förutspår han att biobränslen kommer att vara billiga och tillräckligt rikliga för att ersätta bensin för nästan alla ändamål.
Även om Khosla lätt erkänner begränsningarna av majs-etanol, menar han att det har varit en viktig språngbräda: marknaden för majsetanol har skapat en infrastruktur och marknad för biobränslen i allmänhet, vilket har tagit bort många av affärsriskerna med att investera i cellulosaetanol . Anledningen till att jag gillar [majsetanol] är att dess bana leder till cellulosaetanol, säger han. Utan majsetanol skulle ingen investera i cellulosa.
Men tillbaka i Mellanvästern finns det en visa mig attityd till sådana blå himmelsprojektioner, och det finns kvardröjande frågor om hur landets enorma jordbruksinfrastruktur kommer att gå över till biomassa. Om Khoslas prognoser visar sig, så är det underbart, säger University of Minnesota's Runge. Samtidigt har vi fastnat i verkligheten. Runge föreslår kanske är huruvida majsetanol faktiskt kommer att leda till ny teknik – eller stå i vägen för dem. Det är min åsikt att majsetanol är ett hinder för att konvertera till cellulosa, säger han och pekar på den tröghet som orsakas av politiska och affärsmässiga intressen som investerat hårt i majsetanol och dess infrastruktur.
Runge är inte ensam om sin skepsis. Om inte kostnaden minskas avsevärt, kommer cellulosaetanol ingenstans, säger Wally Tyner, professor i jordbruksekonomi vid Purdue University. Att göra cellulosaetanol livskraftigt kommer att kräva antingen en policymekanism för att uppmuntra investeringar i ny teknik eller ett fenomenalt genombrott – och sannolikheten för det är inte för hög, säger Tyner. Bönder och etanolproducenter har för närvarande inga incitament att ta på sig riskerna med att byta teknik, tillägger han. Det finns ingen politisk bro för att göra övergången. Status quo kommer inte att göra det.
Trots de skarpa åsiktsskillnaderna finns det fortfarande en gemensam grund mellan människor som Khosla, vars otyglade tro på innovation har närt sig av framgångarna i Silicon Valley, och mellanvästernborna vars pragmatism skapades av jordbrukets konkurrenskraftiga ekonomi. I synnerhet är de flesta observatörer överens om att den årliga produktionen av etanol som härrör från majs kommer att plana ut inom några år. Därefter kommer all tillväxt i produktionen av biobränsle att komma från ny teknik.
Men om cellulosabaserade biobränslen ska börja ersätta bensin inom fem till tio år måste anläggningarna börja byggas snart. I höstas tillkännagav Range Fuels, ett företag baserat i Broomfield, CO, att de hade börjat arbeta i Georgia med vad de hävdar är landets första kommersiella cellulosa-etanolfabrik. Range-anläggningen, som kommer att använda termokemisk teknologi för att tillverka etanol från träflis, är planerad att nå en kapacitet på 20 miljoner gallon 2008 och så småningom öka till 100 miljoner gallon per år. Samtidigt har Mascoma tillkännagett flera demonstrationsenheter, inklusive en anläggning i Tennessee som kommer att bli den första cellulosa-etanolfabriken byggd för att använda switchgrass. Men dessa produktionsanläggningar är federalt subventionerade eller är ett resultat av partnerskap med statliga utvecklingsorganisationer; Att attrahera privata investeringar för produktion i kommersiell skala blir en annan sak.
Att öka kapaciteten för produktion av cellulosa-etanol kommer att vara en enorm och riskabel utmaning, säger Colin South, president för Mascoma. När folk pratar om cellulosaetanol som om det är en industri är det en orättvis skildring, säger han. Det finns ett antal pilotanläggningar, men ingen av dem har kommit ur pilotskalan. Vi måste fortfarande visa att vi faktiskt kan driva dessa i form av en kemisk anläggning i drift. South säger att Mascoma hoppas kunna börja bygga en kommersiell anläggning 2009 och ha den igång i början av 2011. Men han tillägger att företaget bara kommer att fortsätta när siffrorna är tillräckligt bra.
Den kanske mest avgörande siffran kommer dock att vara priset på råolja. Om den förblir hög kan produktionen av cellulosa-etanol bli ekonomiskt konkurrenskraftig mycket tidigare. Men få människor, allra minst de investerare som skulle riskera hundratals miljoner dollar på nya anläggningar, är villiga att ta den satsningen. Många minns det sena 1970-talet, när den federala regeringen öronmärkte ungefär en miljard dollar för att finansiera biomassarelaterad forskning, bara för att överge den när råoljepriserna sjönk i början av 1980-talet. Och medan priset på ett fat råolja svävade i mitten av 90-talet i höstas, och gaspriserna i grossistledet nådde 2,50 dollar per gallon, säger biobränsleexperter att de inte kan räkna med så höga priser. Många tillverkare av nästa generations biobränslen säger att de vill vara konkurrenskraftiga med råolja till cirka 45 dollar per fat för att säkerställa långsiktig lönsamhet på marknaden.
Faktum är att meddelanden om nya cellulosa-etanolfabriker tenderar att dölja det faktum att tekniken fortfarande inte är ekonomiskt lönsam. Gregory Stephanopoulos, professor i kemiteknik vid MIT, beskriver sig själv som mycket optimistisk inför biobränslenas framtid. Men även han är snabb med att tillägga att det kommer att ta ytterligare 10 år att optimera produktionsprocesserna för cellulosabaserade biobränslen. Bland otaliga andra problem, säger han, är behovet av mer robusta och mångsidiga mikrober för att göra dem.
I ett litet konferensrum utanför sitt kontor tar Stephanopoulos fram en penna och papper och börjar rita en serie cirklar. Du kan föreställa dig, säger han, ett bioraffinaderi omgivet av källor av olika typer av biomassa. Han förbinder cirklarna i en central punkt och gör linjer som ekrar på ett hjul. Du kan, fortsätter han, föreställa dig pipelines från dessa källor. Tänk om biomassan behandlades och leds till bioraffinaderiet som en slurry? Stephanopoulos skulle vara den första att erkänna att en så ambitiös infrastruktur skulle ta år att bygga upp, och att idén väcker många tekniska och tekniska frågor. Men under resten av intervjun ligger teckningen tålmodigt på bordet – ett enkelt mål.