2006 konsumerade USA i genomsnitt nästan 20,6 miljoner fat petroleum per dag, motsvarande mer än 865 miljoner liter olja [källa:Energy Information Administration]. Olja driver din bil på en resa till mataffären. Det hjälper industrin att utvecklas och främjar tekniska framsteg inom vetenskap och medicin. Det skapar också en enorm mängd välstånd:Den globala ekonomin är till stor del baserad på oljeborrning, raffinering, transport och distribution.
Men olja är en ändlig resurs som produceras från de fossiliserade resterna av forntida marina växter och djur. Det tar minst 10 miljoner år för fossila rester att bli råolja, och människor använder olja mycket snabbare än den skapas. Så småningom kommer oljeproduktionen att toppa, och vi kommer att börja ta slut. Vissa uppskattar att denna topp redan har inträffat; andra ser det äga rum inom en snar framtid. Hur som helst, de flesta tror att vi är mitt i en annalkande energikris. Petroleum spelar trots allt en så stor roll i den dagliga mänskliga aktiviteten. Vad händer när vi får slut på olja?
Energisektorn spenderar miljarder på jakten på alternativ till bensin. Men nästa energikälla måste göra mer än att bara förse världen med ström. Med ökande oro över växthusgaser (GHG) från fossila bränslen som leder till global uppvärmning, måste nästa bränsle också vara rent. Det måste vara överkomligt och det måste hjälpa till att upprätthålla ekonomin.
Nästa generations bränslen måste komma snabbt för att hjälpa människor att gå över från petroleum. När allt kommer omkring kan världen inte stanna på ett eller två decennier medan nästa bränsle utvecklas och implementeras.
Allt detta tillsammans låter som en omöjlig tvättlista med krav på vilken bränslekälla som helst. Det är därför det är så förvånande att det, efter bara några års forskning, växer fram en energikälla som tycks uppfylla alla dessa skyldigheter.
Etanol (etylalkohol) är en form av bränsle som härrör från de komplexa kolhydraterna i växter. I decennier har forskare varit medvetna om dess potential som bränsle. Men processen att producera etanol billigt och effektivt har varit svårfångad -- fram till nu, säger vissa forskare.
Ett snabbt växande gräs som kallas switchgrass kan hittas runt om i USA, Kanada, Central- och Sydamerika och delar av Afrika. Och om den fortsätter att visa den typ av löfte som den gör nu, kan det vara vad du använder för att driva din bil under de kommande 20 åren. Så hur kan gräs bli bränsle? Läs nästa sida för att ta reda på om den soliga prognosen för switchgrass som svar på den förestående energikrisen.
Innehåll
Forskning om källor för biologiska bränslen -- biobränslen -- har inkluderat allt från kycklingfett till flis. Men att bearbeta de flesta av dem ger en låg nettoenergikvot -- Mängden energi som varje enhet lägger ut är inte mycket mer än energin som läggs i sin produktion. Kostnaden har också varit ett problem:Tekniker för att utvinna bränsle från växt- och djurresurser är för närvarande dyra, vilket skulle återspeglas i bränslepumpen. Men ju mer forskare knackar på siffrorna på switchgrass, desto mer ser det ut som en bra kandidat för en alternativ bränslekälla.
Switchgrass är en inhemsk flerårig art till Amerika. Den växer snabbt och lätt på slätten. Det är en tuff, tålig art - i vissa fall anses den vara invasiv. En treårig studie i North Dakota publicerad 2005 visade att, när de lämnas ensamma, kan vissa sorter av gräset producera en genomsnittlig avkastning på mer än sju ton biomassa -- det skördade växtmaterialet -- per hektar, beroende på nederbörd och jordtyp [källa:U.S. Department of Agriculture].
Gräset är också motståndskraftigt mot torka och kräver lite, om någon, gödningsmedel. Detta innebär att det kräver mindre fossila bränslen som går åt till produktionen. Traktorer som används för att sprida gödsel och driva pumparna som bevattnar fält kräver fossilt bränsle. Mindre bevattning och mindre gödsel innebär alltså minskad energitillförsel, vilket i sin tur innebär lägre kostnader och färre utsläpp av växthusgaser. Switchgrass-förespråkarna säger dessutom att bränsle som produceras från anläggningen skulle göra USA säkrare och oberoende, eftersom det skulle kunna odlas i Amerika snarare än importeras från andra nationer.
Bränslet som produceras från switchgrass råvara -- råmaterialet som används för att producera ett destillerat bränsle -- är cellulosaetanol . Detta alkoholhaltiga bränsle skapas genom en kemisk process för att bryta ner cellulosa - strukturen som utgör cellväggarna i växten. När cellulosan bryts ner till sina grundläggande komponenter tillsätts jäst och den jäser till alkohol. Efter att den har raffinerats kan den producerade etanolen användas som bränsle.
Ju mer cellulosa som är tillgänglig för utvinning från en växt desto mer värdefull blir den som etanolkälla. Och switchgrass har massor av cellulosa. Cirka 70 procent av växten består av dessa komplexa kolhydrater [källa:BioCycle]. Ännu bättre, lignin - en biprodukt som skapas när vatten elimineras från cellulosa - har visat sig lovande för användning som bränsle för att driva etanolproduktionsanläggningar. Om lignin kan utnyttjas kan detta göra etanolbearbetningen självförsörjande.
Från och med produktionen av gödningsmedel som används för att odla gräset och slutade med transport för distribution av etanol, beräknade Argonne National Laboratory-forskaren Michael Wang energikvoten för switchgrass. Han fann att varje energienhet som lagts in i cellulosaetanolproduktion från switchgrass skapade 10 gånger energiproduktionen. Detta är mycket högre än etanol som härrör från majs. Däremot har bensin ett energiförhållande på 1 till 0,81, vilket betyder att det kräver mer energi att producera än det ger. Wang fann också att switchgrass-etanol kan kräva 70 procent mindre fossilt bränsle att producera än bensin och E85-etanol – en blandning av 85 procent etanol och 15 procent bensin – släpper ut 86 procent färre växthusgaser än bensin gör. [källa:Wang].
Det låter som att switchgrass som alternativt bränsle har allt för sig. Så vad är fördröjningen? Förädlingsprocessen verkar enkel, och det är den faktiskt relativt sett. Men att göra etanol från switchgrass står inför vissa utmaningar. Läs nästa sida om svårigheten att destillera etanol från switchgrass.
Även om det blir tydligare med publiceringen av varje ny studie av switchgrass att växten kan spela en viktig roll i framtida energilindring, är ordet "framtid" nyckeln. För närvarande har processen att utvinna cellulosa från anläggningen visat sig svår och dyr.
Cellulosa som härrör från växtmaterial produceras av någon av en mängd olika enzymer , beroende på vilken typ av växtmaterial som används. Dessa katalysatorer äter på komplexa kolhydrater, som sockerarter, och driver ut cellulosa och koldioxid som avfall i processen. Dessa enzymer är dyra, men runt 20 cent för varje liter renad etanol [källa:Federal Trade Commission]. Dessutom kräver jäsningsprocessen av cellulosa med jäst ett annat enzym, vilket ytterligare ökar kostnaderna. 2006 sa växtgenetikern Albert Kausch att med nuvarande odling och produktionsmetoder skulle kostnaden per gallon cellulosaetanol vara 2,70 dollar. Det är fortfarande billigare än bensin, men Kausch tror att det kan sänkas till cirka $ 1 per gallon [källa:Newswise]. Ett av sätten att uppnå denna dramatiska kostnadsminskning är att utveckla billigare enzymer och hitta ett enda enzym som både kan bryta ner cellulosa och jäsa etanol.
Ett av de andra problemen som etanol står inför är att få det från raffinaderier till bensinstationer. Etanol är mycket frätande och kan inte transporteras via rörledningar som olja och petroleum kan. Det betyder att det måste transporteras med lastbil, vilket både ökar produktionskostnaderna och sänker energikvoten, eftersom stora tankbilar kräver mer fossila bränslen för att transportera etanolen för distribution.
Argonne National Laboratorys Michael Wang säger till HowStuffWorks att utmaningen med att distribuera etanol delvis kan övervinnas genom att använda järnvägssystem för att bära det så långt som möjligt. "När man förfinar det i Mellanvästern och transporterar det till väst är transport ett problem", säger han. "Du skulle behöva använda järnväg. Men när du transporterar den korta sträckor gör det inte så stor skillnad [för nettoenergikvoten]."
Det andra problemet som switchgrass etanol står inför för närvarande är mängden tillgänglig mark för dess odling. En analys från University of Tennessee drog slutsatsen att USA kunde producera totalt 153 miljoner torra ton växelgräs och skörderester -- de saker som blir över efter jordbruksskörd och produktion, som stjälkar och frön -- årligen som etanolråvara. Dess siffror visar att detta skulle resultera i en minskning med 5,3 procent av den årliga bensinförbrukningen i USA - mycket mindre än förväntat och mycket mindre än de 35 miljarder liter förnybart bränsle som president George W. Bush efterlyste 2017 i sin 2006 Unionens tillståndsadress.
Precis som enzymforskning kan tekniken också övervinna detta hinder. Jason Grumet från National Commission on Energy Policy (NCEP) föreslår att man utvecklar stammar av switchgrass som kan öka ton-per-acre avkastning, öka effektiviteten i etanolproduktion med en tredjedel och fördubbla bränsleeffektiviteten för alla fordon i Amerika [källa:USA:s senat].
Pengarna finns definitivt för att övervinna dessa hinder. Både energibolag och växtforskningskonglomerat häller pengar i anläggningar för cellulosaetanol. BP Amoco PLC gav University of California - Berkley och University of Illinois - Champaign sammanlagt 500 miljoner dollar för att finansiera en forskningsanläggning. Chevron Corporation gav University of California - Davis 25 miljoner dollar och Georgia Institute of Technology 12 miljoner dollar. Och Oak Ridge National Laboratory fick 125 miljoner dollar från US Department of Energy för forskning om cellulosa etanol [källa:DeMonte]. Ändå ser många företag till USA:s regering för att hjälpa till att främja forskning och utveckling genom att tillhandahålla investeringsgarantier och skattelättnader för finansiärer som satsar på cellulosateknologi.
Med den mängd pengar som strömmar in i forskning om cellulosa etanol och möjligheten att mer är på väg – för att inte tala om entusiasmen och allmänhetens stöd – är det svårt att inte föreställa sig att switchgrass-baserad etanol kommer att fyllas inom bara några decennier våra bilar. Men switchgrass har också sina skeptiker. Vissa tycker inte att gräset lever upp till förväntningarna, och andra fruktar konsekvenserna om det gör det. Läs om biobränsleskeptiker på nästa sida.
Konkurrensen är hård mellan majs och switchgrass om vilket kommer att fungera som råvara för framtida etanolproduktion. Eftersom vissa områden som odlar majs inte kan odla switchgrass, och vice versa, har många regioner ett egenintresse av resultatet av debatten om alternativa bränslen. Baserat på forskning om produktionskostnader, energikvoter och utsläpp av växthusgaser verkar det som om majsbaserad etanol helt enkelt inte kan konkurrera med etanol tillverkad av switchgrass.
Men även om etanol som framställts av de två grödorna är lika i många avseenden, gör processen genom vilken switchgrass omvandlas till bränsle det till det överlägsna valet för många forskare, politiker och aktivister. Majsetanolproduktion, till exempel, använder bara spannmålen (de saker du äter) för att producera etanol. Resten kastas bort – även om skörderester ironiskt nog kan användas vid framställning av cellulosaetanol.
En annan fördel som switchgrass har framför majs är mängden och typen av mark som det kräver. I Iowa - en delstat med bättre jord än genomsnittet - var den genomsnittliga skörden cirka 4,8 ton per hektar 2005. 2005 års North Dakota-studie, som nämnts tidigare, visade en avkastning på cirka sju ton växelgräs per hektar. Och switchgrass kräver inte den bästa jorden för att växa bra. Den kan odlas på mark som för närvarande inte används för grödor.
En rapport producerad av Oak Ridge National Laboratory drog slutsatsen att att tanka hälften av fordonen på vägarna i USA idag med etanol skulle kräva 180 miljoner hektar mark för att odla switchgrass. Detta står för 40 procent av den mark som redan används för jordbruk i Amerika [källa:U.S.S. Senat].
Men NCEP:s Jason Grumet tror att med "stadiga men omärkliga framsteg" inom forskning och utveckling kan vi få ner den mängd mark som behövs för att producera så mycket etanol till 30 miljoner hektar på 20 till 30 år. Grumet nämner att det handlar om mängden areal i Conservation Reserve Program (CRP), ett federalt program som betalar jordbrukare för att avsätta mark som träda för att minska miljöpåverkan från jordbruket [källa:U.S.S. Senat].
Grumet är inte den enda personen som antyder att växelgräs skulle kunna odlas i marginell mark. Det har trots allt visat sig förbättra jorden där den planteras, och CRP-mark kan gynnas samtidigt som råmaterial odlas för etanolproduktion. Men inte alla tror att industriell växelgräsproduktion är den bästa användningen för CRP-mark. Skeptiker hävdar att det mesta av mark som registrerats i naturreservatsprogrammet är avsatt eftersom jorden inte kommer att producera högkvalitativa grödor. Om switchgrass blir nästa bränslekälla, och stora företag pumpar in stora summor pengar i sin produktion, hävdar dessa kritiker att samma företag kommer att vilja ha högsta möjliga avkastning. Detta skulle bäst förverkligas genom att använda den bästa tillgängliga marken. Vilket innebär att en del åkermark skulle gå från livsmedelsproduktion till energiproduktion.
Vi använder en liten del av matgrödor som bränsle idag. Om vi kommer att förlita oss på biobränslen som vår energikälla, kan energi och mat komma i direkt konkurrens om resurser, särskilt mark.
Detta berör några, inklusive Dr. Eric Holt-Gimenez, från Institutet för livsmedels- och utvecklingspolitik. När bränslepriserna stiger, stiger också matpriserna, på grund av de ökade kostnaderna för produktion och transporter. Holt-Gimenez menar att om mat och energi konkurrerar om mark kan matpriserna ha en ömsesidig effekt på energipriserna. Dessutom säger han att matöverskottsprogram för hungriga länder kan torka ut eftersom överskottsmat skulle kunna användas som biomassa för etanol [källa:Holt-Gimenez].
Det finns också andra farhågor om cellulosaetanol. Vissa anser att påståendena om dess potential är för rosa, baserat på studier som visar att cellulosaetanol inte har det energiförhållande som andra studier påstår. Men dessa studier är färre i antal - och får mycket mindre uppmärksamhet - än de som visar switchgrass potential. Och om finansiering och den allmänna opinionen är indikatorer på framsteg, ser det ut som att switchgrass-etanol är en go.
För mycket mer information om biobränslen, energi och relaterade ämnen, läs nästa sida.
