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Der Wissenschaftler, der immer noch für den sauberen Kraftstoff kämpft, hat die Welt vergessen
Ein Jahrzehnt der Investitionen in fortschrittliche Biokraftstoffe hat nirgendwohin geführt, aber Jay Keasling bleibt unerschrocken. 10. Mai 2018
In den letzten Wochen des Jahres 2008 lud das US-Energieministerium Politiker und Presse zu einer Einweihungszeremonie für das Joint BioEnergy Institute in Emeryville, Kalifornien, ein. Das hochmoderne Labor, das mit 125 Millionen US-Dollar an Bundesmitteln unterstützt wurde, füllte die oberste Etage eines glitzernden Bürogebäudes aus Glas, das die großen Hoffnungen auf fortschrittliche Biokraftstoffe widerspiegelte.
Es bringt die besten Leute an einem Ort zusammen, um an einer der vielleicht bedeutendsten Herausforderungen unserer Zeit zu arbeiten. sagte Jay Keasling, Synthetischer Biologe an der University of California, Berkeley, und Geschäftsführer des Forschungsinstituts.
Die Mission von JBEI (ausgesprochen Jay-Bay) bestand darin, billige Biokraftstoffe aus Zellulosequellen herzustellen, d. Das Labor wollte über Ethanol hinausgehen und kohlenstoffneutrale Kraftstoffe entwickeln, die die Tanks von Standardautos, Flugzeugen, Schiffen und Lastwagen füllen könnten. Wenn sie erfolgreich waren, versprach sie, die Treibhausgasemissionen und die Abhängigkeit der USA vom Öl drastisch zu reduzieren (siehe Der Preis von Biokraftstoffen ).
JBEI entwickelt Arten von Switchgrass und Sorghum, die viel mehr Zucker und viel weniger Lignin produzieren.
Keasling hat genauso viel getan wie jeder einzelne Einzelne, um das Feld voranzutreiben und das Versprechen solcher Kraftstoffe zu verkaufen. Neben der Leitung von JBEI war er Mitbegründer mehrerer gut finanzierter Startups, darunter LS9 und Amyris Biotechnologies, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen.
Aber ein Jahrzehnt später liegt das Feld in Trümmern. JBEI und andere staatlich finanzierte Bioenergielabors überleben noch, aber die meisten fortschrittlichen Biokraftstoffunternehmen, einschließlich Keasling’s, haben diesen Traum aufgegeben.
US-Unternehmen produzieren nur einen Bruchteil der Zellulose-Kraftstoffe, die unter den am Ende der letzten Bush-Regierung eingeführten Standards für erneuerbare Kraftstoffe gefordert werden, und ein Großteil davon ist Ethanol, das aus landwirtschaftlichen Resten wie Maisstängeln gewonnen wird. Angesichts dieses Defizits erlässt die Environmental Protection Agency einfach jedes Jahr Ausnahmeregelungen für fortschrittliche Biokraftstoffe, sodass die Industrie weitgehend wie gewohnt weitermachen kann.
Das nächste Ziel von JBEI ist die Entwicklung von Anlagen, die schließlich fortschrittliche Biokraftstoffe für weniger als 3 US-Dollar pro Gallone produzieren können.
JBEI hat wissenschaftliche Fortschritte gemacht, aber wenn die Pflanzen, Techniken und Käfer des Instituts heute im kommerziellen Maßstab eingeführt würden, würde eine Gallone des resultierenden Kraftstoffs das 14-fache dessen kosten, was wir an der Zapfsäule bezahlen.
Die Herstellung billiger fortschrittlicher Biokraftstoffe stellte sich einfach als weitaus schwierigeres Problem heraus als erwartet. Wir haben es wahrscheinlich unterschätzt und wahrscheinlich auch überverkauft, räumte Keasling letzten Monat während eines Interviews in seinem Büro bei JBEI ein.
Dennoch hat Keasling die Hoffnung auf eine Zukunft nicht aufgegeben, in der Biokraftstoffe ein brauchbarer Ersatz für Benzin, Diesel und Düsentreibstoff sind.
Über Nacht abgespült
Keasling wuchs in einer kleinen Stadt in Nebraska auf einer Maisfarm auf, die seit fünf Generationen in Familienbesitz ist. Während seines Studiums des Chemieingenieurwesens an der University of Michigan war er fasziniert vom Potenzial der Gentechnik zur Lösung großer Probleme. Anschließend forschte er als Postdoktorand auf diesem Gebiet in Stanford, bevor er im Alter von 28 Jahren als Professor an der UC Berkeley landete.
Dort leistete er Pionierarbeit in der synthetischen Biologie und verwandelte Hefen und Bakterien in winzige Fabriken, die Isoprenoide ausspucken konnten, eine Klasse von Verbindungen, die zur Herstellung von Gummi, Antibiotika und Duftstoffen verwendet werden. Vor allem entwickelten er und seine Mitarbeiter ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Vorläufers von Artemisinin, einer der wenigen wirksamen Malariabehandlungen, indem sie DNA von mehreren verschiedenen Organismen einfügten E coli und Hefe. Es gilt als einer der ersten wirklichen Durchbrüche in der synthetischen Biologie.
Von Artemisinin, einem Kohlenwasserstoff, der dem Erdöl molekular ähnlich ist, zu Biokraftstoffen zu wechseln, bedurfte keiner großen Vorstellungskraft. In früheren Interviews, Keasling beschrieben es ist einfach, ein paar Gene zu entfernen und ein anderes hinzuzufügen.
Anfang 2008 gründete er sein Startup Amyris trompetete plant, jährlich eine Milliarde Gallonen Biodiesel auf Zuckerrohrbasis aus seinen biotechnologisch hergestellten Mikroorganismen zu produzieren, für nur 60 US-Dollar pro Barrel und das alles innerhalb weniger Jahre (siehe Suche nach dem optimalen Punkt für Biokraftstoffe ).
Keasling zeigt die hochmodernen Labore von JBEI in Emeryville, Kalifornien.
Aber als die wirtschaftliche Rezession von 2008 Einzug hielt, stürzten die Ölpreise von einem Höchststand ab fast 150 $ pro Barrel auf ein paar Dollar knapp 30 $ bis zum Ende des Jahres. Die erneuerbare Wirtschaft ist schwer zu begeistern, wenn man es mit einem 30-Dollar-Barrel Öl zu tun hat, sagt David Berry, General Partner der Risikokapitalgesellschaft Flagship Pioneering, die 2005 zusammen mit Keasling LS9 gründete. Schulden- und Aktienmärkte über Nacht gewaschen.
Und sie nahmen viele der Startups mit. Die meisten Überlebenden wechselten in andere Geschäftsbereiche. LS9 wandte sich der Herstellung von Spezialchemikalien zu und wurde schließlich von der Renewable Energy Group übernommen (siehe Warum das Versprechen billigen Kraftstoffs von Super Bugs zu kurz kam).
Amyris, die an die Öffentlichkeit gegangen im Jahr 2010 seinen erneuerbaren Diesel nie im kommerziellen Maßstab produziert. Es konzentriert sich jetzt auf Nutrazeutika, Hautpflege und künstliche Aromen und Düfte. Ein Sprecher lehnte es ab, den Preis anzugeben, den das Unternehmen für den Kraftstoff erzielen konnte, aber Keasling bezifferte ihn auf 1,75 USD pro Liter – oder etwa 6,63 USD pro Gallone.
Bei allem Enthusiasmus vor einem Jahrzehnt war die Herstellung erschwinglicher fortschrittlicher Biokraftstoffe immer eine kühne Idee.
Zunächst einmal müssen Sie riesige Mengen an Feldfrüchten so sauber und nachhaltig wie möglich pflanzen, ernten, trocknen und versenden. Und dann beginnt der schwierige Teil.
Um Brennstoffe aus Stängeln und Blättern herauszukitzeln, müssen die energiereichen Kohlenhydrate in den Zellwänden der Pflanze von den holzigen Ligninmolekülen getrennt werden, die sich fest um sie herum verbinden, typischerweise unter Verwendung von Säuren, Druck und Hitze. Dann brauchen Sie Mikroben, die diese Kohlenhydrate, hauptsächlich Zellulose, verbrauchen und Kraftstoffe ausscheiden können. Aber es sind keine natürlich vorkommenden Käfer bekannt, die den Typ produzieren, der direkt den Tank bestehender Autos füllen kann, also müssen Wissenschaftler solche gentechnisch herstellen, die das können.
Trotz aller Bemühungen und Finanzierung glauben einige in der Branche, dass bei diesen Herausforderungen in den letzten zehn Jahren oder so nicht viel wirklicher Fortschritt erzielt wurde.
Die allgemeine Ansicht ist, dass sich nicht viel geändert hat, sagt Gregory Stephanopoulos, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT. Der Weg von der Zellulose über den Zucker zum Treibstoff scheint heute nirgendwo aussichtsreicher zu sein.
Auf eine $3-Gallone kommen
Keasling ist anderer Meinung und argumentiert, dass JBEI und andere Labors bedeutende wissenschaftliche Fortschritte gemacht haben. Forscher des kalifornischen Instituts, das als Zentrum einer Zusammenarbeit zwischen sechs Forschungslabors und Universitäten dient, haben fast 700 von Fachleuten begutachtete Artikel veröffentlicht, fast 30 Patente erworben und sechs Startups gegründet.
Die Forscher von JBEI haben Arten von Switchgrass und Sorghum genetisch verändert, sodass sie weit mehr Zucker und viel weniger Lignin produzieren als Standardpflanzen. Sie haben auch ein Verfahren zur Umwandlung von Lignin in ionische Flüssigkeiten entwickelt, bei denen es sich um Salze handelt, die Biomasse abbauen und ein Abfallprodukt in ein effektives Werkzeug für den Pflanzenabbau verwandeln.
Schließlich haben Wissenschaftler dort Mikroben entwickelt, die aus diesen Pflanzen verschiedene Arten von Drop-in-Brennstoffen produzieren können, darunter Pinien , ein Vorläufer von Kerosin; Isopentenol , das als Benzinersatz funktionieren könnte; und Bisabolen , der einen verdammt guten Diesel produziert, sagt Keasling.
Diese kollektiven Fortschritte haben die Kosten für eine Gallone Biokraftstoff der nächsten Generation von etwa 300.000 US-Dollar zu Beginn auf etwa 35 US-Dollar gesenkt, zumindest wenn sie im kommerziellen Maßstab hergestellt wurden, sagt Keasling.
Aber natürlich würde niemand die Produktion eines Kraftstoffs für 35 US-Dollar pro Gallone hochfahren, wenn die durchschnittliche Gallone Benzin 2,50 US-Dollar kostet. Jetzt geht das Labor in eine neue Phase der Forschung über, mit dem spezifischen Ziel, diese Lücke zu schließen. Im vergangenen Juli sicherten sich das JBEI und andere bundesstaatliche Bioenergie-Forschungszentren eine erneute Bundesfinanzierung in Höhe von 25 Millionen US-Dollar pro Jahr, die gleiche Höhe, die das Institut von Anfang an erhalten hat.
JBEI entwickelt Arten von Switchgrass und Sorghum, die viel mehr Zucker und viel weniger Lignin produzieren.
Das erklärte Ziel im Antrag von JBEI auf die Finanzierung war die Entwicklung von Biokraftstoffen, die in den nächsten fünf Jahren für weniger als 3 US-Dollar pro Gallone produziert werden könnten, sagte Keasling.
Ich weiß nicht, ob wir in fünf Jahren dort ankommen werden, sagt er. Mir würde es gut gehen, wenn wir das in 10 Jahren bekommen, ehrlich gesagt.
Keasling glaubt, dass der Schlüssel zu einem Großteil dieser Verbesserung im Lignin liegt, das hält beträchtlich Kohlenstoff, aber haftet hartnäckig daran. Die Forscher von JBEI müssen Pflanzen so verändern, dass die Bindungen von Lignin leichter gebrochen werden. Dann müssen sie Ligninasen verändern, eine wenig verstandene Klasse von Enzymen, von denen bekannt ist, dass sie das Lignin abbauen, um mehr Kohlenstoff zu extrahieren. Schließlich müssen sie neue Gruppen von Mikroben entwickeln, die die verbleibenden Verbindungen in Kraftstoffe umwandeln können.
Der letzte Teil des Plans, um die 3-Dollar-Schwelle zu überschreiten, besteht darin, Wege zu entwickeln, einige Teile der Pflanze in höherwertige Produkte umzuwandeln, die die Kosten für Biokraftstoffe wie Flammschutzmittel oder Materialien für den 3-D-Druck subventionieren könnten.
Konkurrierenden Anforderungen
Damit die Welt eine vernünftige Chance hat, einen Anstieg der globalen Temperaturen um mehr als 2 °C zu verhindern, müsste Bioenergie laut einer Analyse der Internationalen Energieagentur bis 2060 17 Prozent des Gesamtenergiebedarfs decken, gegenüber 4,5 Prozent im Jahr 2015 . Aber bisher liegen die Produktionssteigerungen weit unter dem Tempo, das erforderlich ist, um solche Ziele zu erreichen. Unter anderem muss sich das Angebot an Biokraftstoffen für den Transport in den kommenden Jahrzehnten verzehnfachen.
Die Schätzungen darüber, wie viel Land benötigt wird, sind sehr unterschiedlich, aber damit Biokraftstoffe bis Mitte des Jahrhunderts fast 30 Prozent des Transportbedarfs decken können, müssten 100 Millionen Hektar für den Anbau der Rohstoffe reserviert werden, schloss die IEA 2011 Prüfbericht . Das ist etwa ein Neuntel der landwirtschaftlich genutzten Fläche in den Vereinigten Staaten.
Wir haben eine enorme Anzahl konkurrierender Anforderungen an Land, und die Idee, dass wir riesige Mengen für die Energiegewinnung aus Biomasse freisetzen können, wird sehr wahrscheinlich auf Grenzen stoßen, sagt Chris Field, Direktor des Stanford Woods Institute.
Eine ernsthafte damit verbundene Herausforderung besteht darin, fortschrittliche Biokraftstoffe so zu skalieren, dass die gesamten Treibhausgasemissionen erheblich reduziert werden, und das ist der springende Punkt. Jeder Schritt vom Pflanzen bis zur Produktion ist für sich genommen energieintensiv, daher sind die Details, wie alles gemacht wird, sehr wichtig. Die Forscher befürchten insbesondere, dass der Markt, sollte er jemals in Gang kommen, perverse Anreize schaffen könnte, wie die Ermutigung der Landwirte, Wälder, die riesige Kohlenstoffsenken sind, abzuholzen, um Platz für diese Art von Pflanzen zu schaffen.
Träume lebendig
Aber trotz dieser Herausforderungen gibt es klare Gründe, warum viele lange geglaubt haben, dass Biokraftstoffe eine große Rolle bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen spielen werden. In den Vereinigten Staaten stammt mehr als die Hälfte dieser Verschmutzung aus Transportzwecken wie Autos, Lastwagen, Schiffen und Flugzeugen. Trotz einiger bemerkenswerter Fortschritte bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen kann ein Großteil dieses Sektors immer noch nur mit fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Einer von mehr als 160 Forschern des JBEI bei der Arbeit im Labor.
Wenn es um mobile, dichte Energiespeicher geht, sind flüssige Kraftstoffe einfach nur schwer zu schlagen, zumal ein Großteil der weltweiten Energieinfrastruktur um sie herum aufgebaut ist, sagt Hanna Breetz, Politikwissenschaftlerin mit Schwerpunkt auf alternativen Kraftstoffen und Fahrzeugen an der Arizona State University .
Flüssigkraftstoffe werden auch in Zukunft ein großer Teil des Energiesystems sein, insbesondere im Transportwesen, und ich gehe davon aus, dass biobasierte Kraftstoffe Teil dieses Sektors sein werden, sagt sie.
Selbst wenn die Labore in den nächsten Jahren bemerkenswerte Fortschritte machen, könnte es noch Jahrzehnte dauern, bis diese Kraftstoffe einen echten Marktanteil in einer Branche erobern, in der Billionen von Dollar in das tägliche Geschäft der Gewinnung und Raffination von Öl gesteckt werden. Um diesen Übergang zu beschleunigen, wird weitaus mehr staatliche Unterstützung erforderlich sein, möglicherweise einschließlich eines CO2-Preises, höherer Standards für erneuerbare Kraftstoffe, Emissionsobergrenzen und mehr, sagt Keasling.
Das mag nach viel verlangt klingen von jemandem, dessen Labor Hunderte von Millionen an Regierungsgeldern erhalten hat und dessen Startups durchgebrannt sind ähnliche Ebenen von Wagnisinvestitionen. Aber Keasling sagt, das ist einfach das, was es braucht, um eine fest verwurzelte Industrie in dem Umfang und der Geschwindigkeit zu überholen, die erforderlich sind, um den wachsenden Klimagefahren entgegenzuwirken.
Was ihn beunruhigt, ist, dass sich die Aussichten für eine solche Politik in den letzten Jahren nur eingetrübt haben. Aber trotz der politischen und wissenschaftlichen Misserfolge, die die Suche nach billigen fortschrittlichen Biokraftstoffen geplagt haben, bleibt er von ihrem Potenzial zur Emissionsreduzierung überzeugt.
Wenn unsere Regierung entscheidet, dass es an der Zeit ist, dies zu priorisieren, denke ich, dass Biokraftstoffe eine große Rolle spielen könnten, sagt Keasling.