W 2006 roku Amerykanie zużywali dziennie 20,6 miliona baryłek ropy. To ponad 865 milionów galonów paliwa. Ułatwia codzienne dojazdy do pracy. Zasila fabryki. Wspiera gospodarkę światową. Ale dostawy ropy naftowej są skończone. Ze starożytnych organizmów morskich powstaje dziesięć milionów lat. Wykorzystujemy go znacznie szybciej, niż natura tworzy nowe rezerwy.
Produkcja osiągnie szczyt. Zapasy będą się zmniejszać. Eksperci nie są zgodni co do terminu. Niektórzy twierdzą, że to już miało miejsce. Inni mówią, że stanie się to wkrótce. Rezultat jest taki sam. Jesteśmy na skraju kryzysu energetycznego. Co się stanie, gdy zbiornik będzie pusty?
Sektor energetyczny wydaje miliardy dolarów na znalezienie alternatyw dla benzyny. Nowe paliwo musi nie tylko dostarczać energię. Potrzebujemy czystych opcji, aby zatrzymać emisję gazów cieplarnianych. Potrzebujemy dostępności. Potrzebujemy stabilności gospodarczej. Przejście musi być szybkie. Nie możemy sobie pozwolić na dekadę czy dwie stagnacji.
Do tego potrzebne jest cudowne paliwo. I wydaje się. Zaledwie po kilku latach badań wyłonił się pretendent. Spełnia wszystkie wymagania.
Etanol jest kluczem. To jest alkohol etylowy. Jest wytwarzany z węglowodanów roślinnych. Naukowcy wiedzieli o jego potencjale od dziesięcioleci. Problem polegał na tym, aby był tani i wydajny w produkcji. Ostatnio sytuacja się zmieniła.
Na scenę wchodzi switchgrass (trawa jęczmienna). Ta trawa rośnie szybko. W USA kwitnie. Dorasta w Kanadzie. Rozprzestrzenia się w całej Ameryce Środkowej i Południowej. Nadają się do tego również niektóre regiony Afryki. Jeśli obecne trendy się utrzymają, proso rózgowe może zasilać Twój samochód w ciągu najbliższych dwudziestu lat. Jak trawa zamienia się w paliwo?
Odpowiedź leży w prognozie słońca dla prosa rózgowego.
Większość badań nad biopaliwami doprowadziła do ślepych zaułków. Przyjrzeliśmy się tłuszczowi z kurczaka. Przyglądaliśmy się uważnie zrębkom. Wynik? Straszny współczynnik energii netto. Zużywasz więcej energii niż otrzymujesz. A cena? Wysoko w powietrzu. Wydobycie ze źródeł roślinnych i zwierzęcych jest obecnie zbyt drogie, aby konkurować na stacji benzynowej.
Potem jest trawa rózgowa.
Zmiany danych. Liczby wciąż się poprawiają. To wygląda na realne rozwiązanie.
Trawa, która rośnie sama
Switchgrass nie jest egzotyczny. Jest to roślina wieloletnia, endemiczna dla Ameryki. Rośnie na otwartych równinach. Jest odporny. Mocny. W niektórych regionach jest praktycznie inwazyjny.
Trzyletnie badanie przeprowadzone w Północnej Dakocie (opublikowane w 2005 r.) dało nam solidne liczby. Niektóre odmiany pozostawione same sobie wytwarzają ponad siedem ton biomasy z akra. Biomasa to po prostu zebrany materiał roślinny. Na dokładny tonaż wpływały opady deszczu i rodzaj gleby. Ale siedem ton? To jest znaczące.
Nie potrzebuje dużej pomocy. Odporny na suszę. Minimalna ilość nawozu.
Zastanów się, co to oznacza dla zużycia paliw kopalnych. Ciągniki spalają olej napędowy. Pompy nawadniające zużywają energię. Produkcja nawozów jest energochłonna. Mniejsze wykorzystanie wszystkich trzech oznacza mniejsze zużycie paliw kopalnych. Mniej kosztów. Mniejsza emisja gazów cieplarnianych.
Zwolennicy twierdzą, że poprawia to również bezpieczeństwo energetyczne USA. Po co importować paliwo, skoro można je uprawiać w Ameryce?
Od celulozy do etanolu
Paliwem jest tutaj etanol celulozowy. Zaczyna się od surowej trawy rózgowej – nieprzetworzonego materiału roślinnego.
Proces ten rozkłada celulozę. Jest składnikiem strukturalnym ścian komórkowych roślin. Gdy już rozbijesz celulozę na podstawowe składniki, dodajesz drożdże. Następuje fermentacja. Dostajesz alkohol. Wyczyścisz to. Masz paliwo etanolowe.
Propozycja wartości jest prosta: więcej celulozy oznacza więcej etanolu. Róg rózgowy składa się w około 70% z węglowodanów złożonych. Miąższ.
Jest premia. Lignina. Ten produkt uboczny powstaje podczas usuwania wody z celulozy. To jest obiecujące. Jeśli lignina będzie w stanie zasilać fabryki produkujące etanol, proces stanie się samowystarczalny. Paliwo produkuje paliwo.
Matematyka dotycząca energii
Michael Wang z Argonne National Laboratory przeanalizował liczby. Śledził wszystko, od produkcji nawozów po dystrybucję etanolu.
Jego konkluzja była surowa. Jedna jednostka energii wejściowej wytworzyła dziesięć jednostek wyjściowych.
Porównaj to z etanolem kukurydzianym. Switchgrass wygrywa łatwo.
Porównaj to z benzyną. Benzyna ma współczynnik energetyczny 0,81. Wkładasz więcej energii, niż otrzymujesz. To są czyste straty.
Wang przyjrzał się także emisjom. Do wyprodukowania etanolu z trawy rózgowej potrzeba o 70% mniej paliw kopalnych niż benzyny. Natomiast etanol E85 – mieszanka 85% etanolu i 15% benzyny – emituje o 86% mniej gazów cieplarnianych niż zwykła benzyna.
Brzmi idealnie. Wszystko do siebie pasuje.
Dlaczego więc nie ma go w twoim zbiorniku?
Proces recyklingu jest teoretycznie prosty. Stosunkowo. Ale rzeczywistość jest bardziej złożona. Produkcja etanolu z prosa rózgowego wiąże się ze specyficznymi i uporczywymi wyzwaniami. Destylacja nie stanowi problemu. Trudność leży gdzie indziej.
Na następnej stronie omówimy powody, dla których destylacja etanolu z tego zioła jest tak trudna.
Rośnie obietnica prosa rózgowego jako przyszłego wybawiciela energii, ale słowo „przyszłość” robi tutaj największe wrażenie. Obecnie wydobycie celulozy z zakładu to logistyczny i finansowy koszmar.
Rozkład przeprowadzają enzymy. Te biologiczne katalizatory trawią złożone węglowodany i uwalniają celulozę i dwutlenek węgla. Ale jest pewien haczyk: są drogie. Enzymy kosztują około 20 centów za galon oczyszczonego etanolu. Fermentacja dodaje kolejną warstwę złożoności. Drożdże wymagają własnego, specyficznego koktajlu enzymów, co dodatkowo zwiększa koszty.
Albert Kausch, genetyk roślin, dostrzegł tę rzeczywistość już w 2006 roku. Według obecnych metod etanol celulozowy kosztuje 2,70 dolara za galon. Tańsze od benzyny oczywiście. Jednak Kausch uważa, że cena powinna być bliższa 1,00 dolara. Jak? Opracowując tańsze enzymy. W idealnym przypadku potrzebujemy jednego enzymu, który może jednocześnie rozkładać celulozę i fermentować etanol. Jedno narzędzie. Dwa zadania. Zero odpadów.
Logistyka paliw korozyjnych
Transport paliwa z rafinerii do pompy gazowej jest równie złożony. Etanol powoduje korozję metali. Jest żrący. Nie można go pompować tymi samymi rurociągami, którymi transportuje się ropę i produkty naftowe.
Dlatego jest transportowany ciężarówką. Duże cysterny z paliwem. To zabija równowagę energetyczną. Spalasz paliwa kopalne, aby przenieść samo paliwo. Korzyści energetyczne netto są zmniejszone.
Michael Wang z Narodowego Laboratorium Argonne widzi rozwiązanie. Systemy kolejowe. „Kiedy przetwarza się go na Środkowym Zachodzie i transportuje na Zachód, transport staje się problemem” – zauważa Wang. Do transportu dalekobieżnego używaj pociągów. Na krótkich dystansach odpowiednie są ciężarówki. Straty energii są tam niewielkie. Ale w całym kraju? Tylko kolej może zapobiec załamaniu się bilansu energetycznego.
Ograniczenia dotyczące gruntów i cele dotyczące plonów
Nie ma wystarczającej ilości gruntów, aby całkowicie zająć je rózgówka. Analiza przeprowadzona na Uniwersytecie Tennessee dotyczyła twardych liczb. Wzięli także pod uwagę pozostałości po żniwach rózgowca — łodygi, nasiona i pozostałości pożniwne.
Wynik? 153 mln ton suchej masy rocznie. To jest maksimum. Co nam to daje? Spadek rocznego zużycia benzyny w Stanach Zjednoczonych o 5,3%. To wszystko.
Prezydent George W. Bush chciał do roku 2017 wyprodukować 35 miliardów galonów paliwa odnawialnego. Ilość ta znacznie odbiega od tego celu. To kropla w morzu w porównaniu do spożycia krajowego.
Jason Gramet z Krajowej Komisji ds. Polityki Energetycznej (NCEP) sugeruje inne podejście. Technologia. Sugeruje rozwój odmian trawy rózgowej dających wyższe plony w tonach na akr. Jeśli uda nam się zwiększyć plony, wydajność produkcji etanolu wzrośnie o jedną trzecią. A co jeśli uzupełnimy to podwajając efektywność paliwową samochodów? Matematyka zaczyna działać.
Kto płaci za marzenie?
Są pieniądze. Duzi gracze robią duże zakłady.
BP Amoco przeznaczyło 500 milionów dolarów na rzecz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Uniwersytetu Illinois w Champaign na utworzenie wspólnego centrum badawczego. Chevron przekazał 25 milionów dolarów Uniwersytetowi Kalifornijskiemu w Davis i 12 milionów dolarów firmie Georgia Tech. Departament Energii Stanów Zjednoczonych przyznał Laboratorium Narodowemu w Oak Ridge 125 milionów dolarów.
To nie jest tylko działalność charytatywna korporacyjna. Firmy te chcą pomocy rządu. Proszą o gwarancje inwestycyjne i ulgi podatkowe. Chcą, aby finansiści czuli się bezpiecznie, inwestując w technologię celulozy.
Podekscytowanie jest wyczuwalne. Poparcie społeczne jest wysokie. Pieniądze płyną jak rzeka. Łatwo wyobrazić sobie świat, w którym rózgówka zapełni Twój zbiornik w ciągu kilku dekad.
Ale sceptycy pozostają. Niektórzy wątpią, czy trawa będzie w stanie zaspokoić te potrzeby. Inni martwią się konsekwencjami, jeśli ona zrobi to.
Krytyka biopaliw
Pojedynek: proso rózgowe kontra etanol kukurydziany
Zaostrza się walka o przyszłość surowców do biopaliw. To pojedynek kukurydzy z rózgą, a stawka jest regionalna. Ponieważ geografia określa, co i gdzie rośnie, wiele regionów ma bezpośredni udział w tym, która uprawa zwycięży. Kiedy spojrzeć na twarde liczby – koszty produkcji, koszyk energetyczny i emisję gazów cieplarnianych – etanol na bazie kukurydzy po prostu nie może konkurować z etanolem pochodzącym z trawy rózgowej.
Procesy są różne. W etanolu kukurydzianym wykorzystuje się wyłącznie ziarno. No wiesz, ta część, którą ludzie jedzą. Reszta to odpady. Jak na ironię, odpady te teoretycznie mogłyby zostać wykorzystane do produkcji etanolu celulozowego, ale na skalę przemysłową są po prostu utylizowane. Switchgrass podąża inną drogą. Przetwarza całą roślinę lub przynajmniej znaczące części włókniste, które kukurydza ignoruje.
Wykorzystanie gruntów i wydajność plonów
Wymagania glebowe sprzyjają trawom wieloletnim. W stanie Iowa, gdzie gleby są powyżej średniej, kukurydza daje plony około 4,8 tony z akra. To nie jest złe. Jednak badanie przeprowadzone w 2005 roku w Północnej Dakocie wykazało, że plony trawy rózgowej wynoszą około siedmiu ton z akra. Co ważniejsze, proso rózgowe nie wymaga żyznych gruntów ornych. Rośnie na gruntach marginalnych (nieodpowiednich).
Laboratorium Narodowe w Oak Ridge przeprowadziło obliczenia umożliwiające zwiększenie skali tego procesu. W ich raporcie stwierdzono, że do zaopatrzenia 50% amerykańskich pojazdów w etanol potrzeba 180 milionów akrów rózgowej. Stanowi to 40% wszystkich gruntów rolnych w USA. Brzmi jak ogromny kawałek ziemi.
Jason Grumet z Narodowej Koalicji na rzecz Postępu Kukurydzy i Etanolu przedstawia kontrargument. Uważa on, że ciągły postęp w badaniach i rozwoju (B+R) może zmniejszyć zapotrzebowanie na grunty nawet o 30 milionów akrów w ciągu 20–30 lat. Liczba ta jest znacząca, ponieważ w przybliżeniu odpowiada powierzchni gruntów objętych Programem Rezerw Ochrony Środowiska (CRP).
Kontrowersje wokół programu rezerw ochronnych
CRP płaci rolnikom za pozostawienie ziemi odłogiem. Zmniejsza to wpływ rolnictwa na środowisko. Argument Grumeta sugeruje, że moglibyśmy uprawiać paliwo na istniejącym, nieużywanym terenie. Krytycy widzą to inaczej.
Sceptycy zwracają uwagę, że grunty pod CRP są odkładane właśnie dlatego, że nie mogą produkować plonów wysokiej jakości. Jeśli duże koncerny energetyczne zaczną inwestować w produkcję prosa rózgowego, ich celem będzie maksymalizacja plonów. Wysokie plony wymagają dobrej gleby. W rezultacie przedsiębiorstwa mogą w efekcie wybierać grunty orne zamiast gruntów marginalnych.
To powoduje bezpośredni konflikt. Produkcja energii może zacząć zużywać zasoby potrzebne do produkcji żywności.
Dynamika: żywność kontra paliwo
Niewielką część naszych upraw spożywczych wykorzystujemy już do produkcji paliwa. Jeśli biopaliwa staną się naszym głównym źródłem energii, konkurencja o ziemię wzrośnie. Dr Eric Holt-Gimenez z Instytutu Polityki Żywnościowej i Rozwoju ostrzega przed kaskadowymi skutkami gospodarczymi.
Gdy rosną ceny paliw, podążają za nimi ceny żywności. Mówimy o kosztach produkcji i transportu. Holt-Gimenez argumentuje, że jeśli żywność i energia konkurują o tę samą ziemię, relacja staje się wzajemna. Ceny żywności mogą zwiększać koszty energii, tak jak koszty energii zwiększają ceny żywności.
Istnieje również problem humanitarny. Programy dystrybucji nadwyżek żywności do głodujących krajów mogą zostać wyczerpane. Dlaczego? Bo łatwiej jest zamienić nadwyżki żywności na biomasę na etanol, niż przewieźć ją jako pomoc.
Sceptycyzm i impuls
Nie wszyscy są przekonani. Niektórzy badacze uważają, że szum wokół etanolu celulozowego jest zbyt optymistyczny. Przytaczają badania wykazujące niższy bilans energetyczny niż reklamowany. Takich badań jest mniej. Poświęca się im znacznie mniej uwagi.
Przeważająca narracja jest bardziej optymistyczna. Jeśli fundusze i opinia publiczna są jakąkolwiek wskazówką, etanol z trawy rózgowej posuwa się do przodu. Technologia nie jest jeszcze doskonała. Łańcuch dostaw nie jest sprawdzony na skalę przemysłową. Ale kierunek jest jasny.
Przechodzimy z modelu opartego na żywności na model oparty na energii. Gleba zadecyduje, jakie rośliny wyrosną. Rynek zadecyduje, które ceny się utrzymają. Wynik pozostaje niepewny.
Rzeczywisty koszt „zielonej” benzyny
Liczby na stronie można łatwo błędnie zinterpretować. Widzisz wynik testu laboratoryjnego i myślisz, że nadeszła rewolucja. To jest błędne.
Etanol kukurydziany zużywa netto energię, jeśli policzymy każdą kroplę oleju napędowego zużytą przez traktor i każdą kilowatogodzinę zużytą na oświetlenie gorzelni. Zwrot z inwestycji w energię jest niezwykle niski. Drobny. Switchgrass zmienia matematykę.
Rośnie na terenach niedostępnych dla kukurydzy. Nie trzeba go sadzić co roku. Zbierasz raz, czekasz dwa lata i zbierasz ponownie. System korzeniowy pozostaje na swoim miejscu. Trzyma glebę. Wiąże węgiel w sposób, którego nie potrafią rośliny rzędowe.
Dlaczego proso rózgowe jest lepsze od kukurydzy
Większość ludzi uważa, że wszystkie biopaliwa są takie same. To jest błędne.
Kukurydza wymaga dużych ilości nawozów azotowych. Nawozy te uwalniają podtlenek azotu, gaz cieplarniany znacznie silniejszy niż CO2. Trawa rózgowa? Wiąże własny azot z powietrza. Po drugim roku nawożenia nie trzeba już stosować.
Tak, plon z akra jest niższy niż zawartość skrobi w kukurydzy. Ale koszty zasobów wejściowych są bliskie zeru. Nie musisz kupować nasion każdej wiosny. Nie musisz orać gleby każdej jesieni. Właśnie kosisz.
„Badania Switchgrass mają na celu wytworzenie etanolu do napędzania samochodów w cenie 1 dolara za galon”. — Newswise, grudzień 2006
Ten poziom cenowy nie jest magiczny. To jest agronomia. To jest biologia. To jest różnica pomiędzy karmieniem samochodu a karmieniem trawnika.
Luka w infrastrukturze
Świadomość, że to działa, to jedno. Doprowadzenie go do zbiornika to kolejna sprawa.
Nie mamy pomp. Nie posiadamy silosów do przechowywania etanolu celulozowego na skalę przemysłową. Istniejące dziś rafinerie ropy naftowej zostały zbudowane dla kukurydzy. Są gorące, kwaśne i kruche. Switchgrass jest bardziej odporny. Jest bogaty w ligninę. Wymagane są inne enzymy. Inne warunki temperaturowe.
Departament Energii USA dużo inwestuje w badania i rozwój. Laboratorium Narodowe w Oak Ridge łamie kod hydrolizy enzymatycznej. Chcą rozbić celulozę bez jej spalania. Żadnych odpadów.
Ale polityka porusza się wolniej niż nauka. Korzyści podatkowe faworyzują uprawy o ustalonej pozycji. Lobby kukurydziane ma głębokie kieszenie. Rącznica to roślina wieloletnia w świecie upraw jednorocznych.
Gdzie rośnie?
Nie wszędzie.
Rośnie na terenach marginalnych. Zachodnia Dakota Północna. Dakota. Części Środkowego Zachodu, gdzie plony kukurydzy spadają ze względu na jakość gleby. Nie konkuruje z produkcją żywności, ponieważ nie jest przeznaczona do spożycia.
W Brazylii etanol z trzciny cukrowej działa ze względu na klimat. W USA mamy grunty orne. Po prostu brakuje nam łańcucha przetwarzania.
Strategiczne Rezerwy Ropy Naftowej pozostają nieużywane, wypełnione ropą naftową z regionów niestabilnych geopolitycznie. Wyobraź sobie, że napełniasz te zbiorniki etanolem z lokalnej prosa rózgowego. Bezpieczeństwo energetyczne nie polega na znajdowaniu większej ilości ropy. Polega na oddzieleniu od światowych cen spot.
Podsumowanie
Czy jest to lepsze dla środowiska?
Tak. Ale nie dlatego, że jest „zielony”. Ponieważ jest skuteczny.
Etanol kukurydziany pozwala zaoszczędzić około 20% energii netto. Trawa rózgowa? Szacunki wahają się od 200% do 900% w zależności od metody badania i przetwarzania. Wang z Narodowego Laboratorium Argonne wykazuje znaczną redukcję emisji gazów cieplarnianych. Lang z Cornell University był sceptyczny wobec kukurydzy. Nie był tak ostry na trawie.
Technologia istnieje. Kultura istnieje. Ziemia istnieje.
Musimy po prostu przestać destylować zboże i zacząć destylować odpady.
