211service.com
Der Preis von Biokraftstoffen
Der irrationale Überschwang über Ethanol, der in den letzten Jahren durch den amerikanischen Maisgürtel fegte, ist einem tristen Kater gewichen, insbesondere bei denen, die massiv in die weitläufigen Produktionsanlagen investiert haben, die jetzt die ländliche Landschaft verstreut. Es ist die Version der Technologieblase des Mittleren Westens, und in gewisser Weise ist sie bemerkenswert bekannt: Übereifrige Investoren, die von dem scheinbar unbegrenzten Potenzial einer Technologie begeistert sind, ignorieren, zumindest im Nachhinein, offensichtliche wirtschaftliche Realitäten.
Mehr als hundert Biokraftstofffabriken, die sich hauptsächlich in den Maisanbaustaaten Iowa, Minnesota, Illinois, Indiana, South Dakota und Nebraska befinden, werden in diesem Jahr 6,4 Milliarden Gallonen Ethanol produzieren, und weitere 74 Anlagen sind im Bau. Noch vor 18 Monaten waren sie Cash Cows, die hochpreisiges Ethanol aus billigem Mais produzierten, die Hoffnung auf Energieunabhängigkeit bei Politikern weckten und die Aufmerksamkeit – und das Geld – von Risikokapitalgebern sowohl an der Ost- als auch an der Westküste erregten.
Jetzt haben die Ethanolhersteller zu kämpfen, und viele verlieren Geld. Der Preis für einen Scheffel Mais stieg im Laufe des Jahres auf Rekordhochs und überstieg im vergangenen Winter 4,00 USD, bevor er im Sommer auf etwa 3,50 USD zurückfiel und sich in diesem Fall wieder auf fast 4,00 USD erholte. Gleichzeitig brachen die Ethanolpreise ein, als der Markt für den alternativen Kraftstoff, der noch immer hauptsächlich als Zusatz zu Benzin verwendet wird, gesättigt war. Angesichts dieser beiden Trends verschwanden die Gewinnmargen.
Die Flaute des Ethanolmarktes spiegelt den vorhersehbaren Boom-and-Bust-Zyklus jedes Rohstoffs wider: Hohe Preise treiben die Produktion an, und bald ist der Markt überversorgt, was zu einem Preisverfall führt. Aber die großflächige Verwendung von Ethanol aus Mais als Kraftstoff für den Verkehr bringt ganz eigene wirtschaftliche Probleme mit sich. Obwohl Rohöl fast Rekordpreise hat und Unternehmen, die Ethanol in ihrem Benzin verwenden, eine Steuergutschrift von 51 Cent pro Gallone erhalten, hat Ethanol Schwierigkeiten, wirtschaftlich zu konkurrieren. Und da die Infrastruktur für den Vertrieb und den Verkauf des Biokraftstoffs begrenzt ist, wird die Nachfrage auf absehbare Zeit ungewiss bleiben.
Für weitere Informationen lesen Sie Technologieüberprüfung Sonderbericht über Biokraftstoffe.
Noch alarmierender ist, dass der Boom der Ethanolproduktion die Lebensmittelpreise in die Höhe treibt. Von den rekordverdächtigen 93 Millionen Morgen Mais, die 2007 in den Vereinigten Staaten angebaut wurden, gingen etwa 20 Prozent für Ethanol. Da der Rest für die Tierfütterung verwendet wird, werden die Preise für Rind-, Milch-, Geflügel- und Schweinefleisch durch den Anstieg der Maispreise beeinflusst. Die internationale Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) warnte kürzlich davor, dass das rasante Wachstum der Biokraftstoffindustrie weltweit zu grundlegenden Verschiebungen der Agrarmärkte und sogar zu Nahrungsmittelknappheit führen könnte.
All dies geschieht zu einer Zeit, in der der Bedarf an Alternativen zu erdölbasierten Transportkraftstoffen dringlich wird. Bei Redaktionsschluss lag der Rohölpreis bei knapp 90 Dollar pro Barrel. Und die Besorgnis über die Auswirkungen der Treibhausgasemissionen durch den jährlich in den Vereinigten Staaten verbrauchten rund 142 Milliarden Gallonen Benzin wächst. Der erweiterte Einsatz von Biokraftstoffen steht im Zentrum der langfristigen Energiestrategie der Bundesregierung. In seiner Rede zur Lage der Nation am 23. Januar 2007 setzte Präsident Bush das Ziel, bis 2017 35 Milliarden Gallonen an erneuerbaren und alternativen Kraftstoffen zu produzieren, und verwies auf die Notwendigkeit der Unabhängigkeit von ausländischem Öl. Das US-Energieministerium hat sich das ähnliche Ziel gesetzt, bis 2030 30 Prozent des Benzinverbrauchs durch Biokraftstoff zu ersetzen.
Multimedia
Boom oder Bust? (PDF: Diagramme und Grafiken zur Ökonomie von Biokraftstoffen)
Sehen Sie Bilder von proteinreichen Körnern und der Produktion von Kohlenwasserstoffen.
Forscher der University of Minnesota erforschen die Zukunft von Biokraftstoffen.
C. Ford Runge erklärt die Probleme von Mais-Ethanol.
Risikokapitalgeber Vinod Khosla erläutert das Marktpotenzial alternativer Energien.
Um beide Ziele zu erreichen, sind jedoch bedeutende technologische Durchbrüche erforderlich. In den Vereinigten Staaten bedeutet Ethanol vorerst die aus Mais gewonnene Version. (Es wurde erwartet, dass die brasilianischen Produzenten im Jahr 2007 4,97 Milliarden Gallonen Ethanol produzieren, hauptsächlich aus Zuckerrohr; aber diese semitropische Ernte ist nur in wenigen Teilen der Vereinigten Staaten landwirtschaftlich rentabel.) Selbst Befürworter von Maisethanol sagen, dass die Produktionsmengen nicht viel steigen können mehr als etwa 15 Milliarden Gallonen pro Jahr, was weit hinter Bushs Ziel zurückbleibt.
Während Präsident Bush und andere Befürworter von Biokraftstoffen häufig die Herstellung von Ethanol aus alternativen Rohstoffen wie Switchgrass – einer in den Präriestaaten der USA heimischen Pflanze, wo sie weit verbreitet vorkommt – gefordert haben, sind nach den meisten Schätzungen mindestens vier auf fünf Jahre ab kommerzieller Rentabilität. In der Zwischenzeit befinden sich fortschrittliche biologische Techniken zur Herstellung neuartiger Organismen, die andere Biokraftstoffe wie Kohlenwasserstoffe produzieren, noch im Labor. Bisher produzieren Forscher Mengen, die nicht einmal den Tank eines großen SUV füllen würden.
Die wirtschaftlichen Probleme und Marktbeschränkungen von Mais-Ethanol erinnern schmerzlich an die immensen Schwierigkeiten, mit denen Entwickler neuer Biokraftstoffe konfrontiert sind. Unterm Strich müssen Sie Kraftstoff billig machen, sagt Frances Arnold, Professorin für Chemieingenieurwesen und Biochemie am Caltech. Wir können alle ein bisschen aus etwas machen. Aber Sie müssen viel daraus machen, und Sie müssen es billig machen. Das Problem ist so groß, dass Ihre Technologie skaliert werden muss und dies zu einem wettbewerbsfähigen Preis. Jeder wird allein über den Preis konkurrieren.
Maisfäule
Es gibt möglicherweise keinen besseren Ort, um eine realistische Bewertung von Biokraftstoffen zu erhalten, als das Department of Applied Economics der University of Minnesota. Der große Campus, auf dem sich die Fakultät und der Rest der landwirtschaftlichen Fakultät der Universität befinden, liegt auf einem niedrigen Hügel in einem ruhigen Viertel von St. Paul. Hektar große Felder, auf denen Experimente durchgeführt werden, sind am Rande der Universität verteilt. In der Nähe befindet sich das Gelände der Minnesota State Fair, einer 12-tägigen Veranstaltung, die Ende des Sommers mehr als eineinhalb Millionen Besucher anzieht.
Der Staat ist der viertgrößte Maisproduzent in den USA, und ein Großteil seiner Wirtschaft, sogar seiner Kultur, ist eng mit der Ernte verbunden. Der Anstieg der Maispreise war ein Segen für die ländlichen landwirtschaftlichen Gemeinden in Minnesota. Und der Gouverneur und andere Staatspolitiker haben die Verwendung von Ethanol als Kraftstoff für den Verkehr stark vorangetrieben. Trotzdem werden Sie in dem schlichten Backsteingebäude, in dem die Abteilung untergebracht ist, nicht viel Cheerleader für Mais-Ethanol finden.
Vernon Eidman, emeritierter Professor für Agrarökonomie, vereint in seinem ordentlichen Büro mit seinen ordentlichen Stapeln technischer Papiere und Farmberichte die Autorität eines Gelehrten mit der Strenge eines Bankiers aus dem Mittleren Westen. Wir könnten dies kommen sehen, sagt er und beschreibt die aktuelle Marktlage der Ethanolhersteller. Es ist nicht so, als hätten [die Produzenten] nicht gewusst, dass es kommt. Zumindest hätten sie es wissen müssen. 2006 machten sie Gewinne wie nie zuvor, sagt Eidman. Und das ist ein wichtiger Faktor, der zu diesem enormen Aufbau geführt hat.
Die Zahlen sprechen für sich. Eidmans Berechnungen zeigen, was es angesichts unterschiedlicher Maispreise für eine neue, mittelgroße Anlage zur Herstellung von Ethanol kostet. Bei 4,00 USD pro Scheffel Mais kostet die Ethanolproduktion 1,70 USD pro Gallone; Um eine Eigenkapitalrendite von 12 Prozent zu erzielen, müssen die Hersteller Ethanol für 1,83 US-Dollar pro Gallone verkaufen. Dann zeigt Eidman seine Zahlen für die Preise, die Erdölunternehmen zahlen, wenn sie Ethanol kaufen, um es mit ihrem Benzin zu mischen: In diesem Dezember lagen die Preise bei etwa 1,90 US-Dollar pro Gallone, und die Gebote für 2008 liegen zwischen 1,75 und 1,80 US-Dollar pro Gallone. Mit anderen Worten, die Gewinnspannen für Ethanolproduzenten sind extrem eng. Erschwerend kommt hinzu, dass die Produktionskapazität, die Anfang 2007 bei rund 5,4 Milliarden Gallonen lag, bis 2010 voraussichtlich 12,5 Milliarden Gallonen erreichen wird, sagt Eidman.
Während die steigende Ethanolproduktion zu Besorgnis über ein Überangebot geführt hat, gibt die andere Seite der Marktgleichung eigentlich Anlass zu größerer Sorge: Die zukünftige Nachfrage nach Ethanolkraftstoff ist keineswegs sicher. In einigen Teilen des Landes, insbesondere in den Maisgürtelstaaten, können Autofahrer Kraftstoff mit 85 Prozent Ethanol kaufen. Aber meistens verwenden Mineralölkonzerne Ethanol in einer Konzentration von 10 Prozent, um den Sauerstoffgehalt ihres Benzins zu erhöhen. Ein solcher Markt ist nicht nur begrenzt, sondern die 10-Prozent-Ethanol-Mischung bietet auch einen leicht reduzierten Benzinverbrauch, was möglicherweise den Appetit der Verbraucher auf den Kraftstoff dämpft.
Nicht nur die kurzfristige Ökonomie von Ethanol beschäftigt Agrarexperten. Sie warnen auch davor, dass Ethanol aus Mais nicht der grüne Kraftstoff ist, den seine Befürworter beschrieben haben. Das liegt daran, dass die Herstellung von Ethanol viel Energie erfordert, sowohl für den Maisanbau als auch für den Betrieb der Fermentationsanlagen, die den aus den Maiskörnern gewonnenen Zucker in Alkohol umwandeln, der als Kraftstoff verwendet wird. Wie viel Energie genau dafür benötigt wird, wurde in den letzten Jahren in verschiedenen Fachzeitschriften intensiv wissenschaftlich diskutiert.
Nach Berechnungen von Minnesota-Forschern werden 54 Prozent der Gesamtenergie, die von einer Gallone Ethanol repräsentiert wird, durch die Energie ausgeglichen, die zur Verarbeitung des Kraftstoffs erforderlich ist; weitere 24 Prozent werden durch die Energie, die für den Maisanbau benötigt wird, ausgeglichen. Während aus dem Biokraftstoff etwa 25 Prozent mehr Energie gepresst wird, als zu seiner Herstellung verwendet wird, bringen andere Kraftstoffe viel größere Gewinne, sagt Stephen Polasky, Professor für Ökologie und Umweltökonomie in Minnesota. Die Herstellung von Ethanol sei kein billiger Prozess, sagt er. Aus meiner Sicht ist das größte Problem [mit Mais-Ethanol] nur die direkte Wirtschaftlichkeit und die Kosten. Der Energie-Input/Output ist nicht sehr gut.
Aufgrund des hohen Energiebedarfs der Ethanolproduktion ist die Verwendung von Ethanol als Kraftstoff nicht viel besser für die Umwelt als die Verwendung von Benzin. Man könnte meinen, dass bei der Verbrennung des Biokraftstoffs nur das Kohlendioxid freigesetzt würde, das der Mais beim Wachsen einfängt. Aber dieses vereinfachte Bild, das oft heraufbeschworen wurde, um die Verwendung von Ethanolkraftstoff zu unterstützen, hält einer genaueren Prüfung nicht stand.
Tatsächlich, sagt Polasky, sind die fossilen Brennstoffe, die für den Anbau und die Ernte von Mais und die Herstellung von Ethanol benötigt werden, für erhebliche CO2-Emissionen verantwortlich. Darüber hinaus entstehen beim Maisanbau zwei weitere starke Treibhausgase: Lachgas und Methan. Polasky berechnet, dass Ethanol aus Mais für die Treibhausgasemissionen verantwortlich ist, die etwa 15 bis 20 Prozent unter denen von Benzin liegen: Unter dem Strich spart man zwar leicht an Treibhausgasemissionen, aber nicht viel.
Wenn Ethanol aus Mais jedoch nur geringe Auswirkungen auf die Energiemärkte und die Treibhausgasemissionen hatte, könnte seine Produktion Auswirkungen auf die gesamten Agrarmärkte haben. Nicht nur die Maispreise steigen, sondern auch die Sojabohnenpreise, da die Bauern weniger Sojabohnen angebaut haben, um Platz für Mais zu schaffen.
In der Ausgabe Mai/Juni 2007 von Auswärtige Angelegenheiten , C. Ford Runge, Professor für angewandte Wirtschaft und Recht in Minnesota, verfasste einen Artikel mit dem Titel Wie Biokraftstoffe die Armen verhungern könnten, in dem argumentiert wird, dass die enorme Menge an Mais, die von der Ethanolindustrie benötigt wird, Schockwellen durch das Nahrungsmittelsystem schickt. Ein halbes Jahr später, in einem großen Büro, von dem aus er das Zentrum für Internationale Ernährungs- und Agrarpolitik der Universität leitet, scheint Runge amüsiert über die Kritik, die sein Artikel von Kommunalpolitikern und denen aus der Ethanolbranche erhielt. Aber er argumentiert standhaft: Es ist klar, dass die Milchpreise, die Brotpreise, dreimal so stark steigen wie im Durchschnitt der letzten 10 Jahre. Es ist bemerkenswert, und es beginnt, geschätzt zu werden.
Der jüngste Anfang September veröffentlichte OECD-Bericht sei nur die jüngste Bestätigung seiner Warnungen, sagt Runge. Und weil ein größerer Prozentsatz ihres Einkommens für Nahrungsmittel verwendet wird, sagt er, werde dies die armen Leute wirklich treffen. Da die USA etwa 20 Prozent ihres Maises exportieren, sind die Armen im Rest der Welt besonders gefährdet. Runge nennt die Verdoppelung des Preises für Tortillas in Mexiko vor einem Jahr.
All diese Faktoren sprechen gegen das Versprechen von Mais-Ethanol als Lösung des Energieproblems. Meine Meinung, sagt Polasky, ist, dass [Ethanol] in Bezug auf die Energieversorgung nur eine kleine Rolle spielen wird. Er rechnet damit, dass selbst wenn der gesamte in den USA angebaute Mais für Ethanol verwendet würde, der Biokraftstoff nur 12 Prozent des Benzinverbrauchs verdrängen würde. Wenn ich das für die Energiepolitik mache, sehe ich keine Amortisation, sagt er. Wenn wir dies als Politik zur Unterstützung von Farmen tun, könnte dies mehr Verdienst sein. Aber wir müssen auf die nächste Technologiegeneration umsteigen, um einen signifikanten Einfluss auf die Energiemärkte zu haben.
Superbugs
Seit der Ölkrise in den 1970er Jahren, als der Preis für ein Barrel Erdöl seinen Höchststand erreichte, haben Chemie- und Bioingenieure nach Wegen gesucht, um die riesigen Reserven des Landes an Zellulosematerial wie Holz, landwirtschaftlichen Reststoffen und mehrjährigen Gräsern in Ethanol und andere Biokraftstoffe umzuwandeln . Im vergangenen Jahr kündigte das US-Energieministerium (DOE) unter Berufung auf ein weiteres Ziel von Präsident Bush – die Senkung des US-Benzinverbrauchs um 20 Prozent in 10 Jahren – eine Finanzierung von bis zu 385 Millionen US-Dollar für sechs Bioraffinerieprojekte an, die verschiedene Technologien zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse einsetzen werden von Hackschnitzel bis Switchgras.
Laut einem Bericht des DOE und des US-Landwirtschaftsministeriums aus dem Jahr 2005 verfügt das Land über genügend Wald- und Ackerland, um 1,3 Milliarden Tonnen Biomasse zu produzieren, die für Biokraftstoffe verwendet werden könnten. Abgesehen von der Bereitstellung einer großen Menge billiger Rohstoffe könnte Cellulose-Biomasse die Energie- und Umweltvorteile von Biokraftstoffen erheblich steigern. Der Anbau von Zellulosematerialien erfordert weit weniger Energie als der Anbau von Mais, und Teile der Biomasse können verwendet werden, um den Produktionsprozess anzutreiben. (Das in Brasilien produzierte Ethanol auf Zuckerrohrbasis bietet dank der hohen Erträge und des hohen Zuckergehalts der Pflanze auch Verbesserungen gegenüber Ethanol auf Maisbasis.)
Aber trotz jahrelanger Forschung und jüngster Investitionen in die Ausweitung der Produktionsprozesse stellt noch keine kommerzielle Anlage Zellulose-Ethanol her. Die wirtschaftliche Erklärung ist einfach: Der Bau einer solchen Anlage kostet viel zu viel. Cellulose, ein langkettiges Polysaccharid, das einen Großteil der Masse von Gehölzen und Ernterückständen wie Maisstängeln ausmacht, ist schwer – und damit teuer – abzubauen.
Es gibt mehrere Technologien zur Herstellung von Zellulose-Ethanol. Die Cellulose kann unter hohem Druck in Gegenwart von Sauerstoff zu Synthesegas erhitzt werden, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das sich leicht in Ethanol und andere Kraftstoffe umwandeln lässt. Alternativ können industrielle Enzyme die Zellulose in Zucker zerlegen. Die Zucker speisen dann Fermentationsreaktoren, in denen Mikroorganismen Ethanol produzieren. Aber all diese Verfahren sind noch viel zu teuer, um sie kommerziell zu nutzen.
Selbst Befürworter von Zellulose-Ethanol beziffern die Investitionskosten für den Bau einer Produktionsanlage auf mehr als das Doppelte einer Anlage auf Maisbasis, andere Schätzungen reichen vom Dreifachen bis zum Fünffachen. Zellulose-Ethanol lässt sich heute herstellen, allerdings zu einem alles andere als perfekten Preis, sagt Christopher Somerville, Pflanzenbiologe an der University of California in Berkeley, der untersucht, wie Zellulose in den Zellwänden von Pflanzen entsteht und verwendet wird.
Zellulose hat physikalische und chemische Eigenschaften, die den Zugang und den Abbau erschweren, erklärt Arnold von Caltech, der seit den 1970er Jahren immer wieder am biologischen Ansatz zur Herstellung von Zellulose-Ethanol gearbeitet hat. Zum einen werden Zellulosefasern durch eine Substanz namens Lignin zusammengehalten, die ein bisschen wie Asphalt ist, sagt Arnold. Sobald das Lignin entfernt ist, kann die Cellulose durch Enzyme abgebaut werden, aber diese sind teuer und vorhandene Enzyme sind für diese Aufgabe nicht ideal.
Viele Forscher glauben, dass der vielversprechendste Weg, um Zellulose-Biokraftstoffe wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen, in der Entwicklung – oder Entdeckung – von Superbugs besteht, Mikroorganismen, die Zellulose in Zucker abbauen und diese Zucker dann zu Ethanol fermentieren können. Die Idee besteht darin, einen heute mehrstufigen Prozess, der die Zugabe kostspieliger Enzyme erfordert, in einen einfachen einstufigen Prozess umzuwandeln, der in der Industrie als konsolidiertes Bioprozessing bezeichnet wird. Laut Lee Lynd, Professor für Ingenieurwissenschaften am Dartmouth College und Mitbegründer von Mascoma, einem Unternehmen mit Sitz in Cambridge, MA, das eine Version der Technologie vermarktet, könnte der konsolidierte Ansatz schließlich Ethanol für 70 Cent pro Gallone produzieren. Es wäre ein transformativer Durchbruch, sagt er. Es besteht kein Zweifel, dass es attraktiv wäre.
Aber es hat sich als schwierig erwiesen, Superbugs zu finden. Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftlern von Bakterien bekannt, die Zellulose abbauen und auch etwas Ethanol produzieren können. Doch keiner kann die Arbeit schnell und effizient genug erledigen, um für die Großserienfertigung nützlich zu sein.
Die Natur, erklärt Arnold, bietet wenig Hilfe. Es gibt einige Organismen, die Zellulose abbauen, sagt sie, aber das Problem ist, dass sie keine Treibstoffe herstellen, also nützt Ihnen das nicht viel. Eine Alternative, sagt sie, sei die genetische Veränderung E coli und Hefe, so dass sie Enzyme absondern, die Cellulose abbauen. Aber obwohl viele verschiedene Arten von Enzymen diese Aufgabe erfüllen könnten, werden die meisten nicht gerne in E coli und Hefe.
Arnold ist jedoch optimistisch, dass der richtige Organismus entdeckt wird. Man weiß nie, was morgen passiert, sagt sie, ob es mit synthetischer Biologie geschieht oder sich jemand einfach einen von der Schuhsohle kratzt.
Sie hat es nicht ganz von ihrem Schuh gekratzt, aber Susan Leschine, eine Mikrobiologin an der University of Massachusetts, Amherst, glaubt, dass sie möglicherweise über einen Fehler gestolpert ist, der ihren Job erledigt. Sie fand es in einer Bodenprobe, die vor mehr als einem Jahrzehnt aus den Wäldern rund um das Quabbin-Reservoir entnommen wurde, etwa 24 km von ihrem Labor entfernt. Die Quabbin-Probe war nur eine von vielen aus der ganzen Welt, die Leschine untersuchte, also dauerte es mehrere Jahre, bis sie die Analyse beendete. Aber als sie es tat, erkannte sie, dass eines seiner Bakterien, Clostridium phytofermentans , hatte außergewöhnliche Eigenschaften. Es zersetzt fast alle Bestandteile der Pflanze und bildet als Hauptprodukt Ethanol, sagt sie. Es produziert enorme Mengen an Ethanol.
Leschine gründete in Amherst ein Unternehmen, SunEthanol, das versuchen wird, die Ethanolproduktion unter Verwendung des Bakteriums zu steigern. Es ist noch ein langer Weg, räumt sie ein, fügt jedoch hinzu, dass das, was wir haben, sehr unterschiedlich ist, und das gibt uns einen Vorsprung. Wir haben bereits eine Mikrobe und haben sie an echten Rohstoffen demonstriert. Leschine sagt, dass wahrscheinlich noch andere nützliche Mikroben darauf warten, entdeckt zu werden: Schließlich enthält eine einzige Bodenprobe Hunderttausende von Sorten. In diesem Zoo von Mikroben, sagt sie, können wir denken, dass es andere mit ähnlichen Eigenschaften gibt.
Blühende Prärien
Ob Ethanol aus Cellulose-Biomasse gut oder schlecht für die Umwelt ist, hängt jedoch davon ab, um welche Art von Biomasse es sich handelt und wie es angebaut wird.
David Tilman, Professor für Ökologie an der University of Minnesota, zieht in seinem Büro in St. Paul ein großes Luftbild eines Feldes hervor, das in ein ordentliches Raster unterteilt ist. Selbst aus dem Blickwinkel der Kamera weit über dem Boden sieht das Land karg aus. In einer Parzelle sind dünne Gräserreihen, darunter der sandige Boden sichtbar. Tilman sagt, das Land sei so unfruchtbar gewesen, dass die landwirtschaftliche Nutzung aufgegeben worden sei. Dann kratzten er und seine Kollegen den restlichen Mutterboden ab. Kein Bauer habe so schlechtes Land, sagt er.
In einer Reihe von Tests hat Tilman auf einigen Parzellen des Feldes eine Mischung aus einheimischen Präriegräsern (einschließlich Rutengras) und auf anderen Einzelarten angebaut. Die Ergebnisse zeigen, dass eine vielfältige Mischung von Gräsern, selbst auf extrem unfruchtbaren Böden, eine wertvolle Quelle für Biokraftstoffe sein könnte, sagt er. Sie könnten aus einem Morgen [der gemischten Gräser] mehr Ethanol herstellen als aus einem Morgen Mais. Besser noch, Tilman zeigte in einem in Science veröffentlichten Artikel, dass die Präriegräser verwendet werden könnten, um kohlenstoffnegatives Ethanol herzustellen: Die Gräser könnten mehr Kohlendioxid verbrauchen und speichern, als durch die Produktion und Verbrennung des daraus hergestellten Brennstoffs freigesetzt wird.
Die Ergebnisse sind verblüffend, weil sie einen umweltverträglichen Weg zur Produktion massiver Mengen an Biokraftstoffen vorschlagen, ohne mit Nahrungspflanzen zu konkurrieren. Bis 2050, so Tilman, braucht die Welt eine Milliarde Hektar mehr Land für Nahrungsmittel. Das ist die Landmasse der gesamten Vereinigten Staaten, nur um die Welt zu ernähren, sagt er. Wenn Sie viele Biokraftstoffe auf [Acker-]Land angebaut haben – es ist sehr einfach, sich eine Milliarde Hektar für Biokraftstoffe vorzustellen –, werden Sie nach 50 Jahren keine Natur und keine Landreserven mehr haben. Stattdessen, argumentiert Tilman, sei es sinnvoll, Biomasse für Kraftstoffe auf relativ unfruchtbaren Flächen anzubauen, die nicht mehr für die Landwirtschaft genutzt werden.
Von Tilmans Büro weiter unten machen sich seine Kollegen aus der Abteilung für angewandte Wirtschaftswissenschaften jedoch Sorgen um die praktischen Probleme, die mit der Verwendung großer Mengen Biomasse zur Herstellung von Kraftstoffen verbunden sind. Zum einen müssten noch die Technologie und die Infrastruktur entwickelt werden, um die sperrige Biomasse effizient zu handhaben und zu transportieren. Und da der Transport des Pflanzenmaterials teuer sein wird, müssen Produktionsanlagen für Biokraftstoffe in der Nähe der Rohstoffquellen gebaut werden – wahrscheinlich innerhalb von 80 Kilometern.
Die Menge an Biomasse, die benötigt wird, um selbst eine mittelgroße Ethanolanlage zu ernähren, ist entmutigend. Eidman berechnet, dass eine Anlage, die 50 Millionen Gallonen pro Jahr produziert, rund um die Uhr alle sechs Minuten einen mit Biomasse beladenen Lastwagen benötigen würde. Außerdem, sagt er, ist der Rohstoff nicht kostenlos: Er kostet etwa 60 bis 70 Dollar pro Tonne oder etwa 75 Cent pro Gallone Ethanol. Hier werden viele Leute getäuscht, fügt er hinzu.
Da noch keine kommerzielle Zelluloseanlage gebaut wurde, ist es laut Eidman schwierig, die spezifischen Kosten verschiedener Technologien zu analysieren. Insgesamt sieht die Wirtschaftlichkeit seiner Meinung nach interessant aus – aber Zellulose-Ethanol muss mit Biokraftstoffen aus Mais konkurrieren und auf etwa 1,50 US-Dollar pro Gallone herunterkommen. Eidman geht davon aus, dass es mindestens 2015 dauern wird, bis Biokraftstoffe aus Zellulose eine große Rolle auf dem Markt spielen.
Verbannt
Während Chemieingenieure, Mikrobiologen, Agronomen und andere nach Wegen suchen, Zellulose-Ethanol kommerziell wettbewerbsfähig zu machen, konzentrieren sich einige synthetische Biologen und Stoffwechselingenieure auf eine ganz andere Strategie. Mehr als fünfzehnhundert Meilen vom Maisgürtel des Mittleren Westens entfernt, entwickeln mehrere kalifornische, durch Risikokapital finanzierte Startups, die von Pionieren auf dem noch jungen Gebiet der synthetischen Biologie gegründet wurden, neue Mikroorganismen, die zur Herstellung anderer Biokraftstoffe als Ethanol entwickelt wurden.
Ethanol ist schließlich kaum ein idealer Kraftstoff. Als Zwei-Kohlenstoff-Molekül hat es nur zwei Drittel des Energiegehalts von Benzin, das eine Mischung aus langkettigen Kohlenwasserstoffen ist. Anders ausgedrückt, es würde ungefähr anderthalb Gallonen Ethanol benötigen, um die gleiche Laufleistung wie eine Gallone Benzin zu erzielen. Da sich Ethanol mit Wasser vermischt, ist am Ende des Fermentationsprozesses ein kostspieliger Destillationsschritt erforderlich. Da Ethanol außerdem leichter mit Wasser verunreinigt wird als Kohlenwasserstoffe, kann es nicht in den Erdölpipelines transportiert werden, die für die billige Verteilung von Benzin in den Vereinigten Staaten verwendet werden. Ethanol muss in spezialisierten Eisenbahnwaggons transportiert werden (Lkw mit ihrer relativ geringen Nutzlast sind normalerweise viel zu teuer), was die Kraftstoffkosten zusätzlich erhöht.
Statt Ethanol wollen die kalifornischen Startups also neuartige Kohlenwasserstoffe herstellen. Wie Ethanol werden die neuen Verbindungen aus Zucker fermentiert, aber sie ähneln eher Benzin, Diesel und sogar Düsentreibstoff. Wir haben uns Ethanol angeschaut, sagt Neil Renninger, Senior Vice President of Development und Mitbegründer von Amyris Biotechnologies in Emeryville, CA, und erkannten die Grenzen und den Wunsch, etwas herzustellen, das eher wie konventionelle Kraftstoffe aussah. Im Wesentlichen wollten wir Kohlenwasserstoffe herstellen. Kohlenwasserstoffe sind das, was derzeit in Kraftstoffen enthalten ist, und Kohlenwasserstoffe sind die besten Kraftstoffe, weil wir unsere Motoren darauf ausgelegt haben, damit zu arbeiten. Wenn es den Forschern gelingt, Mikroben, die solche Verbindungen produzieren, gentechnisch zu verändern, wird dies die Ökonomie von Biokraftstoffen grundlegend verändern.
Das Problem besteht darin, dass die Natur keine bekannten Beispiele für Mikroorganismen bietet, die Zucker zu den für Kraftstoffe nützlichen Kohlenwasserstoffarten fermentieren können. Synthetische Biologen müssen also bei Null anfangen. Sie identifizieren vielversprechende Stoffwechselreaktionen in anderen Organismen und bauen die entsprechenden Gene in E. coli oder Hefe ein, um Stoffwechselwege zu rekombinieren, bis sie die gewünschten Produkte liefern.
Am LS9 in San Carlos, Kalifornien, verwandeln Forscher E. coli in einen Kohlenwasserstoffproduzenten, indem sie ihren Fettsäurestoffwechsel neu gestalten ( siehe Better Biofuels, Forward, Juli/August 2007 ). Stephen del Cardayré, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung von LS9, sagt, das Unternehmen habe sich entschieden, sich auf Fettsäuren zu konzentrieren, da Organismen sie auf natürliche Weise im Überfluss produzieren, um Energie zu speichern. Wir wollten einen Weg nutzen, der [natürlich] viel herstellt, sagt del Cardayré. Schnapp dir einfach deine Mitte. Del Cardayré und seine Mitarbeiter nutzen viele der bestehenden Stoffwechselwege im Fettsäurestoffwechsel von E. coli, lenken sie aber gegen Ende des Stoffwechselzyklus um. Da Fettsäuren aus einer Kohlenwasserstoffkette mit einer Carboxylgruppe bestehen, ist es relativ einfach, die Kohlenwasserstoffkraftstoffe herzustellen. Betrachten Sie es als eine Autobahn, sagt del Cardayré. Am Ende der Autobahn fügen wir einen Umweg hinzu, einen Weg, den wir entworfen und dort befestigt haben, damit die Fettsäuren einen besseren Platz haben. Wir ziehen sie ab und verändern sie chemisch, indem wir diesen neuen Syntheseweg nutzen, der sie zu Produkten führt, die wir wollen.
Auch Amyris verfolgt den synthetisch-biologischen Ansatz, aber anstatt den Fettsäurestoffwechsel zu optimieren, arbeitet es an Wegen, die Isoprenoide produzieren, eine große Klasse von Naturstoffen. Bisher stellen jedoch sowohl LS9 als auch Amyris ihre Biokraftstoffe nur wenige Liter auf einmal her. Und obwohl die Unternehmen ehrgeizige Pläne für die Kommerzialisierung ihrer Technologien haben – beide behaupten, dass ihre Prozesse bis 2010 fertig sein werden – bleibt die Verbesserung der Ausbeute und der Reaktionsgeschwindigkeit eine kritische Herausforderung. Dort wird die meiste biologische Arbeit geleistet, sagt Renninger. Wir haben noch einen kleinen Weg vor uns, und dieser kleine Weg ist sehr wichtig.
Bei einer endgültigen Kommerzialisierung könnten die von LS9 und Amyris hergestellten Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffe viele der wirtschaftlichen Nachteile von Ethanol überwinden. Im Gegensatz zu Ethanol trennen sich Kohlenwasserstoffe während des Herstellungsprozesses vom Wasser, sodass kein energieintensiver Destillationsschritt erforderlich ist. Und Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffe könnten in bestehenden Erdölpipelines transportiert werden. Es geht nur um die Kosten, sagt Robert Walsh, Präsident von LS9. Ein kritischer Faktor wird jedoch der Preis der Rohstoffe sein, sagt er. Wir wollen spottbilligen Zucker.
Tatsächlich stehen die Start-ups der synthetischen Biologie vor dem gleichen Problem wie die etablierten Ethanolhersteller: Mais ist keine billige Quelle für Biokraftstoffe. Die nächste Generation [der Rohstoffe] wird Zellulose sein, sagt John Melo, CEO von Amyris. Wir sind uns jedoch nicht sicher, welche Zellulosetechnologie als Sieger hervorgehen wird. Welche Technologie auch immer sich durchsetzen mag, sagt Melo, Amyris erwartet, sie in ihren Fermentationsprozess integrieren zu können, was dem Unternehmen die Vorteile sowohl billiger Cellulose-Rohstoffe als auch praktischer Kohlenwasserstoff-Brennstoffe bietet.
Doch vorerst treibt das Fehlen einer Alternative zu Mais Amyris aus dem Land. Das Unternehmen, das bestehende Ethanolanlagen auf die Herstellung von Kohlenwasserstoffen umrüsten will, wird zunächst mit brasilianischen Biokraftstoffanlagen zusammenarbeiten, die Zuckerrohr als Rohstoff verwenden. Angesichts des Preises für Mais und der Energiemenge, die zu seiner Herstellung benötigt wird, bietet brasilianisches Zuckerrohr laut Melo heute die praktikabelste und nachhaltigste Methode zur Herstellung von Biokraftstoffen.
Keine Wahl
Selbst in einer Silicon Valley-Kultur, die erfolgreiche Risikokapitalgeber verehrt, hat Vinod Khosla einen besonderen Ehrenplatz. Khosla war Anfang der 1980er-Jahre Mitbegründer von Sun Microsystems und trat später der Risikokapitalgesellschaft Kleiner Perkins Caufield and Byers bei, wo er Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre den Ruf erlangte, die Dot-Com-Aufregung zugunsten einer Reihe von esoterischen Startups zu ignorieren im weit weniger glamourösen Bereich der optischen Netzwerke. Als mehrere der Startups für Milliarden von Dollar an große Unternehmen verkauften, die ihre Infrastruktur für den Internet-Boom ausrüsteten, wurde Khosla, wie es in einer überhitzten Schlagzeile der Zeit heißt, zur Nr. 1 VC auf dem Planeten.
Heutzutage investiert Khosla, der heute zu den reichsten Menschen der Welt gehört (Forbes 400 listet ihn auf 317, mit einem Nettovermögen von 1,5 Milliarden Dollar), die meisten seiner Investitionen in alternative Energien. Er zählt mehr als ein Dutzend Biokraftstoff-Startups zu seinen Portfoliounternehmen – synthetische Biologieunternehmen LS9 und Amyris, Zelluloseunternehmen wie Mascoma und Maisethanolunternehmen wie Cilion mit Sitz in Goshen, Kalifornien. Aber Khosla einfach als Investor in Biokraftstoffe zu bezeichnen, würde sein Engagement stark unterschätzen. In den letzten Jahren hat er sich zu einem der weltweit führenden Verfechter der Technologie entwickelt, fördert ihre Tugenden und diskutiert frei über alle Kritiker ( siehe Q&A , März/April 2007 ).
Khosla scheint von den Biokraftstoff-Neinsagern verärgert zu sein. Der Klimawandel sei bei weitem das größte Thema, das sein Interesse an Biokraftstoffen wecke. Wenn wir den Klimawandel abwehren und den Benzinverbrauch senken wollen, gibt es keine Alternativen zum Einsatz von zellulosehaltigen Biokraftstoffen im Verkehr. Biomasse sei der einzige Rohstoff in ausreichender Menge, um Öl kostengünstig zu ersetzen, sagt er. Nichts anderes existiert. Hybrid- und Elektrofahrzeuge seien nur Spielzeug.
Insbesondere, argumentiert Khosla, muss jede Transporttechnologie in China und Indien, den am schnellsten wachsenden Automobilmärkten der Welt, konkurrieren. Es sei keine große Sache, an einem Ort wie Kalifornien eine Million Plug-in-Elektrik zu verkaufen, sagt er. Die Schwierigkeit besteht darin, ein Hybridfahrzeug im Wert von 20.000 USD in Indien zu verkaufen. Keine verdammte Chance. Und jede Technologie, die von China und Indien nicht übernommen werden kann, sei für den Klimawandel irrelevant, sagt er. Umweltschützer konzentrieren sich nicht auf Skalierbarkeit. Wenn Sie es nicht skalieren können, ist es nur ein Spielzeug. Daher der Bedarf an Biokraftstoffen. Daher Biokraftstoffe aus Biomasse.
In einer Reihe von Meinungspapieren, die auf der Website von Khosla Ventures veröffentlicht wurden, einer Firma, die er 2004 gegründet hat und die stark in Biokraftstoffe und andere Umwelttechnologien investiert hat, geht Khosla davon aus, dass die Biokraftstoffproduktion in den nächsten 20 Jahren schnell zunehmen wird. Laut seinen Zahlen wird sich die Produktion von Maisethanol bis 2014 bei 15 Milliarden Gallonen pro Jahr einpendeln, aber Zellulose-Ethanol wird stetig zunehmen und bis 2030 140 Milliarden Gallonen erreichen. Zu diesem Zeitpunkt, sagt er voraus, werden Biokraftstoffe billig und reichlich genug sein, um Benzin für fast alle Zwecke ersetzen.
Obwohl Khosla die Grenzen von Ethanol aus Mais ohne weiteres anerkennt, ist dies seiner Meinung nach ein wichtiges Sprungbrett: Der Markt für Maisethanol hat eine Infrastruktur und einen Markt für Biokraftstoffe im Allgemeinen geschaffen, wodurch viele der Geschäftsrisiken von Investitionen in Zellulose-Ethanol beseitigt werden . Der Grund, warum ich [Mais-Ethanol] mag, ist, dass seine Flugbahn zu Zellulose-Ethanol führt, sagt er. Ohne Maisethanol würde niemand in Zellulose investieren.
Aber im Mittleren Westen gibt es eine Haltung gegenüber solchen Blau-Himmel-Projektionen, und es bleibt die Frage, wie die riesige landwirtschaftliche Infrastruktur des Landes auf Biomasse umgestellt werden soll. Wenn sich Khoslas Prognosen bewahrheiten, dann wunderbar, sagt Runge von der University of Minnesota. Inzwischen stecken wir in der Realität fest. Der wichtigste Streitpunkt, so Runge, ist vielleicht, ob Maisethanol tatsächlich zu neuen Technologien führen wird – oder ihnen im Weg steht. Ich bin der Meinung, dass Mais-Ethanol ein Hindernis für die Umwandlung in Zellulose ist, sagt er und weist auf die Trägheit hin, die durch politische und geschäftliche Interessen verursacht wird, die stark in Mais-Ethanol und seine Infrastruktur investiert werden.
Runge ist mit seiner Skepsis nicht allein. Wenn die Kosten nicht erheblich gesenkt werden, führt Zellulose-Ethanol nirgendwo hin, sagt Wally Tyner, Professorin für Agrarökonomie an der Purdue University. Um Zellulose-Ethanol lebensfähig zu machen, bedarf es entweder eines politischen Mechanismus zur Förderung von Investitionen in neue Technologien oder eines phänomenalen Durchbruchs – und die Wahrscheinlichkeit dafür ist nicht allzu hoch, sagt Tyner. Landwirte und Ethanolproduzenten hätten derzeit keinen Anreiz, die Risiken des Technologiewandels einzugehen, fügt er hinzu. Es gibt keine politische Brücke, um den Übergang zu erleichtern. Der Status Quo wird es nicht tun.
Trotz der scharfen Meinungsverschiedenheiten gibt es immer noch einige Gemeinsamkeiten zwischen Menschen wie Khosla, deren ungezügelter Glaube an Innovation durch die Erfolge des Silicon Valley genährt wurde, und den Mittleren Westen, deren Pragmatismus durch die wettbewerbsfähige Ökonomie der Landwirtschaft geprägt wurde. Insbesondere sind sich die meisten Beobachter einig, dass die jährliche Produktion von Ethanol aus Mais innerhalb weniger Jahre abflachen wird. Danach muss jedes Wachstum in der Biokraftstoffproduktion durch neue Technologien erfolgen.
Wenn jedoch zellulosehaltige Biokraftstoffe innerhalb von fünf bis zehn Jahren Benzin ersetzen sollen, müssen die Anlagen bald mit dem Bau beginnen. In diesem Herbst gab Range Fuels, ein Unternehmen mit Sitz in Broomfield, Colorado, bekannt, dass es in Georgia mit der Arbeit an der angeblich ersten kommerziellen Zellulose-Ethanol-Anlage des Landes begonnen hat. Die Anlage in Range, die thermochemische Technologie zur Herstellung von Ethanol aus Holzspänen verwenden wird, soll 2008 eine Kapazität von 20 Millionen Gallonen erreichen und schließlich auf 100 Millionen Gallonen pro Jahr ansteigen. Inzwischen hat Mascoma mehrere Demonstrationsanlagen angekündigt, darunter eine Anlage in Tennessee, die die erste Zellulose-Ethanol-Anlage sein wird, die für die Verwendung von Rutenhirse gebaut wird. Aber diese Produktionsanlagen werden vom Bund subventioniert oder sind das Ergebnis von Partnerschaften mit staatlichen Entwicklungsorganisationen; private Investitionen für die Produktion im kommerziellen Maßstab anzuziehen, wird eine andere Sache sein.
In der Tat wird die Steigerung der Kapazität der Zellulose-Ethanol-Produktion eine große und riskante Herausforderung sein, sagt Colin South, Präsident von Mascoma. Wenn die Leute über Zellulose-Ethanol sprechen, als ob es eine Industrie wäre, sei dies eine unfaire Darstellung, sagt er. Es gibt eine Reihe von Pilotanlagen, aber keine davon hat den Pilotmaßstab verlassen. Wir müssen noch zeigen, dass wir diese tatsächlich in Form einer in Betrieb befindlichen Chemieanlage betreiben können. South sagt, dass Mascoma hofft, 2009 mit dem Bau einer kommerziellen Fabrik zu beginnen und diese bis Anfang 2011 in Betrieb zu nehmen. Aber er fügt hinzu, dass das Unternehmen nur fortfahren werde, wenn die Zahlen gut genug seien.
Die vielleicht wichtigste Zahl wird jedoch der Rohölpreis sein. Wenn er hoch bleibt, könnte die Produktion von Zellulose-Ethanol viel früher wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden. Aber nur wenige Leute, am wenigsten die Investoren, die Hunderte Millionen Dollar für neue Anlagen riskieren würden, sind bereit, diese Wette einzugehen. Viele erinnern sich an die späten 1970er Jahre, als die Bundesregierung etwa eine Milliarde Dollar für die Finanzierung der Biomasseforschung bereitstellte, um sie dann aufzugeben, als die Rohölpreise Anfang der 1980er Jahre fielen. Und während der Preis für ein Barrel Rohöl in diesem Herbst Mitte der 90er Jahre schwankte und die Großhandelsgaspreise 2,50 USD pro Gallone erreichten, sagen Biokraftstoffexperten, dass sie sich nicht auf so hohe Preise verlassen können. Viele Hersteller von Biokraftstoffen der nächsten Generation sagen, dass sie mit Rohöl für rund 45 US-Dollar pro Barrel wettbewerbsfähig sein wollen, um langfristig am Markt zu bestehen.
Tatsächlich neigen Ankündigungen über neue Zellulose-Ethanol-Anlagen dazu, die Tatsache zu verschleiern, dass die Technologie noch immer nicht wirtschaftlich ist. Gregory Stephanopoulos, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, bezeichnet sich selbst als sehr optimistisch, was die Zukunft der Biokraftstoffe angeht. Aber auch er fügt schnell hinzu, dass es noch 10 Jahre dauern wird, die Produktionsprozesse für zellulosehaltige Biokraftstoffe zu optimieren. Unter unzähligen anderen Problemen, sagt er, ist der Bedarf an robusteren und vielseitigeren Mikroben, um sie herzustellen.
In einem kleinen Konferenzraum vor seinem Büro holt Stephanopoulos Bleistift und Papier hervor und beginnt, eine Reihe von Kreisen zu zeichnen. Man kann sich eine Bioraffinerie vorstellen, die von Quellen unterschiedlicher Biomasse umgeben ist. Er verbindet die Kreise an einem zentralen Punkt und macht Linien wie Speichen auf einem Rad. Man könnte sich Pipelines aus diesen Quellen vorstellen, fährt er fort. Was wäre, wenn die Biomasse aufbereitet und als Gülle in die Bioraffinerie geleitet würde? Stephanopoulos wäre der erste, der anerkennt, dass der Aufbau einer solch ehrgeizigen Infrastruktur Jahre dauern würde und dass die Idee zahlreiche technische und technische Fragen aufwirft. Aber für den Rest des Interviews liegt die Zeichnung geduldig auf dem Tisch – ein einfaches Ziel.