Amerikanen verbrandden in 2006 dagelijks 20,6 miljoen vaten aardolie. Dat is meer dan 865 miljoen liter olie. Het geeft brandstof aan uw woon-werkverkeer. Het drijft fabrieken aan. Het ondersteunt de wereldeconomie. Maar ruwe olie is eindig. Het duurt tien miljoen jaar om zich uit het oude zeeleven te vormen. We gebruiken het veel sneller dan de natuur het creëert.
De productie zal pieken. Het aanbod zal krimpen. Deskundigen zijn het er niet over eens wanneer. Sommigen zeggen dat het al is gebeurd. Anderen zeggen binnenkort. Het resultaat is hetzelfde. We worden geconfronteerd met een dreigende energiecrisis. Wat gebeurt er als de tank droogloopt?
De energiesector besteedt miljarden aan het vinden van alternatieven voor benzine. Nieuwe brandstoffen moeten meer doen dan energie leveren. We hebben schone opties nodig om de uitstoot van broeikasgassen te stoppen. We hebben betaalbaarheid nodig. We hebben economische stabiliteit nodig. De transitie moet snel gaan. We kunnen ons geen tien jaar van stagnatie veroorloven.
Dit vraagt om een wonderbrandstof. Toch komt er één in opkomst. Na slechts een paar jaar onderzoek is er een kanshebber opgedoken. Het voldoet aan elke eis.
Ethanol is de sleutel. Het is ethylalcohol. Het komt uit plantaardige koolhydraten. Wetenschappers kenden al tientallen jaren het potentieel ervan. Het goedkoop en efficiënt maken was het probleem. Dat is onlangs veranderd.
Voer switchgrass in. Dit gras groeit snel. Het floreert in de VS. Het groeit in Canada. Het verspreidt zich over Midden- en Zuid-Amerika. Delen van Afrika zijn ook geschikt. Als de huidige trends standhouden, kan switchgrass uw auto binnen twintig jaar van brandstof voorzien. Hoe wordt gras brandstof?
Het antwoord ligt in de zonnige voorspelling voor switchgrass.
Het meeste onderzoek naar biobrandstoffen is een doodlopende weg gebleken. We hebben naar kippenvet gekeken. We hebben naar houtsnippers gekeken. Het resultaat? Een sombere netto-energieverhouding. Je stopt er meer energie in dan je terugkrijgt. En de kosten? Stijl. Winning uit plantaardige en dierlijke bronnen is momenteel te duur om aan de pomp te kunnen concurreren.
Dan is er switchgrass.
De gegevens verschuiven. De cijfers blijven verbeteren. Het lijkt op het echte werk.
Het gras dat zichzelf groeit
Switchgrass is niet exotisch. Het is een inheemse vaste plant uit Amerika. Hij gedijt op open vlaktes. Het is moeilijk. Winterhard. In sommige regio’s is het praktisch invasief.
Een drie jaar durend onderzoek in North Dakota (gepubliceerd in 2005) leverde ons harde cijfers op. Met rust gelaten leverden bepaalde variëteiten meer dan zeven ton biomassa per hectare op. Biomassa is slechts het geoogste plantmateriaal. Neerslag en bodemtype beïnvloedden het exacte tonnage. Maar zeven ton? Dat is substantieel.
Het heeft niet veel hulp nodig. Droogtebestendig. Minimale bemesting.
Bedenk eens wat dat betekent voor de input van fossiele brandstoffen. Tractoren verbranden diesel. Irrigatiepompen verbruiken stroom. De productie van kunstmest is energie-intensief. Minder van alle drie betekent dat er minder fossiele brandstoffen worden verbruikt. Minder kosten. Minder uitstoot van broeikasgassen.
Voorstanders beweren dat dit ook de Amerikaanse energiezekerheid vergroot. Waarom brandstof importeren als je het in Amerika kunt verbouwen?
Van cellulose tot ethanol
De brandstof hier is cellulose-ethanol. Het begint met switchgrass-grondstof: het ruwe plantmateriaal.
Het proces breekt cellulose af. Dat is de structurele component van plantencelwanden. Zodra je cellulose in basiscomponenten hebt gebroken, voeg je gist toe. Er vindt fermentatie plaats. Je krijgt alcohol. Verfijn het. Je hebt ethanolbrandstof.
De waardepropositie is simpel: meer cellulose staat gelijk aan meer ethanol. Switchgrass bestaat voor ongeveer 70% uit complexe koolhydraten. Cellulose.
Er is een bonus. Lignine. Dit bijproduct ontstaat wanneer water uit cellulose wordt geëlimineerd. Het is veelbelovend. Als lignine de ethanolproductie-installaties van stroom kan voorzien, wordt het proces zelfvoorzienend. De brandstof maakt de brandstof.
De energiewiskunde
Michael Wang van het Argonne National Laboratory analyseerde de cijfers. Hij volgde alles, van de productie van kunstmest tot de distributie van ethanol.
Zijn bevinding was grimmig. Eén eenheid energie-input creëerde tien eenheden output.
Vergelijk dat eens met maïsethanol. Switchgrass wint gemakkelijk.
Vergelijk dat eens met benzine. Benzine heeft een energieverhouding van 0,81. Je stopt er meer energie in dan er eruit komt. Het is een nettoverlies.
Wang keek ook naar de uitstoot. Voor de productie van Switchgrass-ethanol is mogelijk 70% minder fossiele brandstof nodig dan voor benzine. En E85-ethanol – een mengsel van 85% ethanol en 15% benzine – stoot 86% minder broeikasgassen uit dan pure benzine.
Het klinkt perfect. Alles komt op één lijn.
Waarom zit het dan niet in je tank?
Het raffinageproces is theoretisch eenvoudig. Relatief gezien. Maar de werkelijkheid is rommeliger. Het maken van ethanol uit switchgrass staat voor specifieke, hardnekkige uitdagingen. De destillatie is niet het probleem. De moeilijkheid ligt ergens anders.
Op de volgende pagina zullen we dieper ingaan op waarom het destilleren van ethanol uit dit gras zo moeilijk is.
De belofte van switchgrass als toekomstige energieredder groeit, maar de ‘toekomst’ doet hier veel werk. Op dit moment is het halen van cellulose uit de fabriek een logistieke en financiële nachtmerrie.
Enzymen zorgen voor de afbraak. Deze biologische katalysatoren verteren complexe koolhydraten en spuwen cellulose en koolstofdioxide uit. De vangst? Ze zijn prijzig. Je kijkt naar ongeveer 20 cent per gallon gezuiverde ethanol alleen voor de enzymen. Fermentatie gooit nog een sleutel in het werk. Gist heeft zijn eigen specifieke enzymcocktail nodig, waardoor de kosten verder stijgen.
Albert Kausch, een plantengeneticus, plakte in 2006 een prijskaartje aan deze realiteit. Volgens de huidige methoden kost cellulose-ethanol $2,70 per gallon. Goedkoper dan benzine, zeker. Maar Kausch denkt dat het dichter bij de $ 1,00 zou moeten liggen. Hoe? Door goedkopere enzymen te ontwikkelen. Idealiter hebben we één enkel enzym nodig dat zowel de cellulose kan afbreken als de ethanol kan fermenteren. Eén hulpmiddel. Twee banen. Geen afval.
De logistiek van corrosieve brandstof
Het is net zo lastig om de brandstof van de raffinaderij naar de pomp te krijgen. Ethanol vreet metalen weg. Het is bijtend. Je kunt het niet door dezelfde pijpleidingen laten lopen die voor olie en petroleum worden gebruikt.
Dus, jij vervoert het. Grote tankwagens. Dit doodt de energieverhouding. Je verbrandt fossiele brandstoffen om de brandstof zelf te verplaatsen. De netto energiewinst krimpt.
Michael Wang van het Argonne National Laboratory ziet een oplossing. Spoorsystemen. “Als je het in het Midwesten verfijnt en naar het Westen transporteert, is transport een probleem”, merkt Wang op. Gebruik het spoor voor de lange termijn. Korte afstanden? Vrachtwagens zijn prima. De energiehit is daar verwaarloosbaar. Maar crosscountry? Het spoor is de enige manier om te voorkomen dat de energiebalans instort.
Landlimieten en opbrengstdoelen
Er is niet genoeg land voor een totale overname van Switchgrass. In een analyse van de Universiteit van Tennessee werd gekeken naar de harde cijfers. Ze hielden ook rekening met switchgrass oogstresten : de stengels, zaden en restjes na de oogst.
Het resultaat? 153 miljoen droge ton per jaar. Dat is het maximale. Wat levert dat ons op? Een vermindering van 5,3 procent in het jaarlijkse benzineverbruik in de VS. Dat is alles.
President George W. Bush wilde in 2017 35 miljard liter hernieuwbare brandstof hebben. Deze productie blijft ver achter bij dat doel. Het is een druppel op de gloeiende plaat vergeleken met de nationale consumptie.
Jason Grumet van de Nationale Commissie voor Energiebeleid (NCEP) heeft een andere invalshoek. Technologie. Hij stelt voor om switchgrass-soorten te kweken met hogere opbrengsten per ton per hectare. Als we de opbrengst kunnen verhogen, stijgt de efficiëntie van de ethanolproductie met een derde. En als we dat combineren met een verdubbeling van de brandstofefficiëntie van voertuigen? De wiskunde begint te werken.
Wie betaalt voor de droom?
Het geld is er. Grote spelers zetten groot in.
BP Amoco heeft 500 miljoen dollar gestort aan de University of California – Berkeley en de University of Illinois – Champaign voor een gezamenlijke onderzoeksfaciliteit. Chevron gaf de Universiteit van Californië – Davis $ 25 miljoen en Georgia Tech $ 12 miljoen. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft 125 miljoen dollar overhandigd aan het Oak Ridge National Laboratory.
Het is niet alleen liefdadigheidswerk van bedrijven. Deze bedrijven willen hulp van de overheid. Ze vragen om investeringsgaranties en belastingvoordelen. Ze hebben financiers nodig die zich veilig voelen als ze geld in cellulosetechnologie steken.
Het enthousiasme is voelbaar. De publieke steun is groot. Het geld stroomt. Je kunt je gemakkelijk een wereld voorstellen waarin switchgrass je tank binnen enkele decennia vult.
Maar er blijven sceptici. Sommigen betwijfelen of het gras uitkomst kan bieden. Anderen maken zich zorgen over de gevolgen als dit doet.
Kritiek op biobrandstoffen
De confrontatie tussen Switchgrass en maïsethanol
De strijd om de toekomst van biobrandstofgrondstoffen is aan het oplaaien. Het is maïs versus switchgrass, en de inzet is regionaal. Omdat de geografie bepaalt wat waar groeit, hebben veel gebieden er belang bij welke oogst wint. Als je naar de harde cijfers kijkt – productiekosten, energieverhoudingen en broeikasgasemissies – kan ethanol op basis van maïs eenvoudigweg niet concurreren met ethanol afkomstig van switchgrass.
De processen zijn verschillend. Maïsethanol gebruikt alleen het graan. Je weet wel, het deel dat mensen eten. De rest is verspilling. Ironisch genoeg zou dat afvalresidu theoretisch kunnen worden gebruikt voor cellulose-ethanol, maar commercieel wordt het weggegooid. Switchgrass neemt een andere route. Het verwerkt de hele plant, of in ieder geval de belangrijke vezelachtige delen die maïs negeert.
Landgebruik en opbrengstefficiëntie
De eisen aan land zijn gunstig voor het overblijvende gras. In Iowa, waar de grond bovengemiddeld is, levert maïs ongeveer 4,8 ton per hectare op. Dat is fatsoenlijk. Maar uit een onderzoek uit 2005 in North Dakota bleek dat switchgrass ongeveer zeven ton per hectare opleverde. Wat nog belangrijker is, is dat switchgrass geen eersteklas bovengrond nodig heeft. Het gedijt op marginaal land.
Oak Ridge National Laboratory heeft de berekeningen gemaakt om dit op te schalen. Hun rapport concludeerde dat het van brandstof voorzien van 50% van de Amerikaanse voertuigen met ethanol 180 miljoen hectare switchgrass zou vergen. Dat is 40% van alle Amerikaanse landbouwgrond. Dat klinkt als een enorm stuk aarde.
Jason Grumet van de National Corn to Ethanol Progress Coalition heeft een contrapunt. Hij gelooft dat gestage vooruitgang op het gebied van onderzoek en ontwikkeling de behoefte aan land in twintig tot dertig jaar zou kunnen terugbrengen tot 30 miljoen hectare. Dat aantal is significant omdat het ongeveer overeenkomt met het areaal in het Conservation Reserve Program (CRP).
De controverse over het Conservation Reserve Program
De CRP betaalt boeren om land braak te laten liggen. Het vermindert de impact op het milieu van de landbouw. Het argument van Grumet impliceert dat we brandstof zouden kunnen verbouwen op dit bestaande braakliggende land. Critici hebben een andere mening.
Sceptici wijzen erop dat CRP-land juist braak wordt gelegd omdat het geen gewassen van hoge kwaliteit kan produceren. Als grote energiebedrijven geld gaan pompen in de productie van switchgrass, zal hun doel een maximale opbrengst zijn. Een hoge opbrengst vereist goede grond. Daarom kunnen bedrijven uiteindelijk de voorkeur geven aan bouwland boven marginale grond.
Hierdoor ontstaat een direct conflict. Energieproductie kan de voedselproductie kannibaliseren.
Voedsel versus brandstofdynamiek
We gebruiken al een klein deel van de voedselgewassen als brandstof. Als biobrandstoffen onze primaire energiebron worden, wordt de concurrentie om land heviger. Dr. Eric Holt-Gimenez van het Instituut voor Voedsel- en Ontwikkelingsbeleid waarschuwt voor de economische rimpeleffecten.
Als de brandstofprijzen stijgen, volgen de voedselprijzen. Het gaat om productie- en transportkosten. Holt-Gimenez stelt dat als voedsel en energie strijden om hetzelfde land, de relatie wederkerig wordt. Voedselprijzen kunnen de energiekosten doen stijgen, net zoals de energiekosten de voedselkosten doen stijgen.
Er is ook sprake van humanitaire zorg. Overtollige voedselprogramma’s voor hongerige landen zouden kunnen opdrogen. Waarom? Want voedseloverschotten zijn makkelijker om te zetten in biomassa voor ethanol dan te transporteren als hulpstof.
Scepsis en momentum
Niet iedereen is overtuigd. Sommige onderzoekers zijn van mening dat de hype rond cellulose-ethanol te rooskleurig is. Ze citeren onderzoeken die een lagere energieverhouding aantonen dan geadverteerd. Deze onderzoeken zijn kleiner in aantal. Ze krijgen veel minder aandacht.
Het heersende verhaal is optimistischer. Als financiering en de publieke opinie een indicator zijn, gaat switchgrass-ethanol vooruit. De technologie is nog niet perfect. De supply chain is op grote schaal nog niet bewezen. Maar de richting is duidelijk.
We verschuiven van een ‘food first’-model naar een ‘energy first’-model. De bodem zal beslissen welke gewassen groeien. De markt zal beslissen welke prijskaartjes blijven hangen. De uitkomst blijft onzeker.
De werkelijke kosten van groene benzine
De cijfers op de pagina zijn gemakkelijk verkeerd te interpreteren. Je ziet een laboratoriumresultaat en denkt dat de revolutie hier is. Dat is het niet.
Maïsethanol is een netto energieverliezer als je elke druppel diesel meetelt die door de tractor wordt verbruikt en elk kilowattuur dat de distilleerderij aansteekt. Het energierendement op de investering is mager. Marginaal. Switchgrass verandert de wiskunde.
Het groeit op land waar maïs niet bij kan komen. Er is geen jaarlijkse herbeplanting nodig. Je oogst het één keer, wacht twee jaar en oogst opnieuw. Het wortelsysteem blijft op zijn plaats. Het houdt grond vast. Het legt koolstof vast op een manier zoals rijgewassen dat nooit doen.
Waarom Switchgrass maïs verslaat
De meeste mensen gaan ervan uit dat alle biobrandstoffen gelijk zijn gemaakt. Dat zijn ze niet.
Maïs vereist zware stikstofmeststof. Bij die meststof komt lachgas vrij, een broeikasgas dat veel krachtiger is dan CO2. Wisselgras? Het legt zijn eigen stikstof vast uit de lucht. Na jaar twee is er geen kunstmest meer nodig.
De opbrengst per hectare is lager dan het zetmeelgehalte van maïs, ja. Maar de inputkosten zijn bijna nul. Je koopt niet elk voorjaar zaad. Je bewerkt niet elke herfst. Je bent alleen maar aan het maaien.
“Het onderzoek van Switchgrass heeft tot doel ethanol te creëren voor voertuigen van $ 1 per gallon.” – Nieuwswijs, december 2006
Die prijs is geen magie. Het is agronomie. Het is biologie. Het is het verschil tussen het voeden van een machine en het voeden van een gazon.
De infrastructuurkloof
Weten dat het werkt is één ding. Het in je tank krijgen is iets anders.
Wij hebben de pompen niet. We beschikken niet over de opslagsilo’s voor cellulose-ethanol op grote schaal. De huidige raffinaderijen zijn gebouwd voor maïs. Ze zijn heet, zuur en kwetsbaar. Switchgrass is moeilijker. Lignine-zwaar. Er zijn verschillende enzymen nodig. Verschillende hitteprofielen.
Het ministerie van Energie investeert geld in R&D. Oak Ridge National Laboratory kraakt de code voor enzymatische hydrolyse. Ze willen cellulose afbreken zonder het te verbranden. Zonder verspilling.
Maar het beleid beweegt langzamer dan de wetenschap. Belastingkredieten bevoordelen gevestigde gewassen. De maïslobby is een diepe zak. Switchgrass is een vaste plant in een wereld van eenjarigen.
Waar groeit het?
Niet overal.
Het gedijt in marginale landen. Westelijk Noord-Dakota. De Dakota’s. Delen van het Midwesten waar de maïsopbrengsten dalen als gevolg van de bodemkwaliteit. Het concurreert niet met de voedselproductie omdat het geen voedsel wil zijn.
In Brazilië werkt suikerriet-ethanol vanwege het klimaat. In de VS hebben we areaal. We missen alleen de verwerkingsketen.
De Strategic Petroleum Reserve staat stil, gevuld met ruwe olie uit geopolitiek onstabiele regio’s. Stel je voor dat je die tanks vult met ethanol uit lokaal switchgrass. Energiezekerheid gaat niet over het vinden van meer olie. Het gaat om ontkoppeling van de mondiale spotprijs.
Het eindresultaat
Is het beter voor het milieu?
Ja. Maar niet omdat het ‘groen’ is. Omdat het efficiënt is.
Maïsethanol bespaart misschien 20% op de netto energie. Wisselgras? Schattingen variëren van 200% tot 900%, afhankelijk van het onderzoek en de verwerkingsmethode. Wang van het Argonne National Lab laat aanzienlijke broeikasgasreducties zien. Lang bij Cornell was sceptisch over maïs. Op gras is hij niet zo hard geweest.
De technologie bestaat. Het gewas bestaat. Het land bestaat.
We moeten gewoon stoppen met het distilleren van graan en beginnen met het destilleren van afval.
