Zellulose-Ethanol ist eine Art von Biokraftstoff, der aus Lignocellulose hergestellt wird, einem Strukturmaterial, das einen großen Teil der Pflanzenmasse ausmacht. Lignocellulose besteht hauptsächlich aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Maisstroh, Panicum virgatum (Rutenhirse), Miscanthus-Grasarten, Holzhackschnitzel und die Nebenprodukte der Rasen- und Baumpflege sind einige der populäreren Cellulosematerialien für die Ethanolproduktion. Die Produktion von Ethanol aus Lignocellulose hat im Vergleich zu Quellen wie Mais- und Rohrzuckern den Vorteil eines reichlichen und vielfältigen Ausgangsmaterials, erfordert jedoch eine größere Verarbeitungsmenge, um die Zuckermonomere den Mikroorganismen zur Verfügung zu stellen, die typischerweise zur Fermentation von Ethanol verwendet werden.

Switchgrass und Miscanthus sind die wichtigsten Biomasse-Materialien, die heute aufgrund ihrer hohen Produktivität pro Hektar untersucht werden. Zellulose ist jedoch in fast allen natürlichen, frei wachsenden Pflanzen, Bäumen und Sträuchern, in Wiesen, Wäldern und Feldern auf der ganzen Welt ohne landwirtschaftlichen Aufwand oder Kosten enthalten, die benötigt werden, um sie wachsen zu lassen.

Einer der Vorteile von Zellulose-Ethanol ist, dass es die Treibhausgas-Emissionen (THG) gegenüber neu formuliertem Benzin um 85% reduziert. Im Gegensatz dazu kann Stärkeethanol (z. B. aus Mais), das am häufigsten Erdgas zur Bereitstellung von Energie für das Verfahren verwendet, die Treibhausgasemissionen überhaupt nicht verringern, je nachdem, wie das Ausgangsmaterial auf Stärkebasis hergestellt wird. Laut der National Academy of Sciences gibt es im Jahr 2011 keine kommerziell rentable Bioraffinerie, um lignocellulosische Biomasse in Treibstoff umzuwandeln. Die fehlende Produktion von Zellulose-Ethanol in den von der Verordnung geforderten Mengen war die Grundlage eines am 25. Januar 2013 verkündeten US-Berufungsgerichts für den District of Columbia-Beschluss, mit dem eine in den USA von Automobil- und LKW-Kraftstoffherstellern auferlegte Anforderung aufgehoben wurde die Environmental Protection Agency verlangt den Zusatz von Zellulose-Biokraftstoffen zu ihren Produkten. Diese Probleme, zusammen mit vielen anderen schwierigen Produktionsherausforderungen, veranlassten die Politikforscher der George Washington University zu der Feststellung, dass „[kurz gesagt] [celluloseartiges] Ethanol die Energiesicherheit und Umweltziele einer Benzinalternative nicht erreichen kann“.

Geschichte
Der französische Chemiker Henri Braconnot entdeckte als erster, dass Cellulose 1819 durch Behandlung mit Schwefelsäure zu Zuckern hydrolysiert werden konnte. Der hydrolysierte Zucker konnte dann durch Fermentation zu Ethanol verarbeitet werden. Die erste kommerzielle Ethanolproduktion begann 1898 in Deutschland, wo Säure zur Hydrolyse von Cellulose verwendet wurde. In den USA eröffnete die Standard Alcohol Company 1910 in South Carolina die erste Produktionsstätte für Zelluloseethanol. Später wurde in Louisiana eine zweite Fabrik eröffnet. Beide Werke wurden jedoch nach dem Ersten Weltkrieg aus wirtschaftlichen Gründen geschlossen.

Der erste Versuch, ein Verfahren für Ethanol aus Holz zu kommerzialisieren, wurde 1898 in Deutschland durchgeführt. Dabei wurde verdünnte Säure verwendet, um die Cellulose zu Glucose zu hydrolysieren, und es konnten 7,6 Liter Ethanol pro 100 kg Holzabfälle produziert werden gal (68 l) pro Tonne). Die Deutschen entwickelten bald ein industrielles Verfahren, das für Erträge von etwa 50 US-Gallonen (190 l) pro Tonne Biomasse optimiert wurde. Dieser Prozess fand bald seinen Weg in die USA und kulminierte in zwei kommerziellen Fabriken, die während des Ersten Weltkriegs im Südosten operierten. Diese Anlagen nutzten den sogenannten „Amerikanischen Prozess“ – eine einstufige verdünnte Schwefelsäurehydrolyse. Obwohl die Erträge halb so hoch waren wie beim ursprünglichen deutschen Verfahren (95 Liter Ethanol pro Tonne gegenüber 50), war der Durchsatz des amerikanischen Verfahrens viel höher. Ein Rückgang der Holzproduktion zwang die Pflanzen kurz nach dem Ende des Ersten Weltkriegs zu schließen. Währenddessen wurde eine kleine, aber stetige Menge an Forschung über verdünnte Säurehydrolyse im Forest Products Laboratory der USFS fortgesetzt. Während des Zweiten Weltkriegs wandten sich die USA wieder an Zellulose-Ethanol, diesmal für die Umwandlung in Butadien zur Herstellung von synthetischem Kautschuk. Die Vulcan Copper and Supply Company wurde mit dem Bau und Betrieb einer Anlage zur Umwandlung von Sägemehl in Ethanol beauftragt. Die Anlage basiert auf Änderungen des ursprünglichen deutschen Scholler-Verfahrens, das vom Forest Products Laboratory entwickelt wurde. Diese Pflanze erreichte eine Ethanolausbeute von 190 L pro Tonne, war aber immer noch nicht profitabel und wurde nach dem Krieg geschlossen.

Mit der rasanten Entwicklung von Enzymtechnologien in den letzten zwei Jahrzehnten wurde der saure Hydrolyseprozess allmählich durch enzymatische Hydrolyse ersetzt. Eine chemische Vorbehandlung des Ausgangsmaterials ist erforderlich, um Hemicellulose vorhydrolysieren (trennen), so dass es wirksamer in Zucker umgewandelt werden kann. Die Vorbehandlung mit verdünnter Säure wurde auf der Grundlage der frühen Arbeiten zur Säurehydrolyse von Holz im US Forest Forest Products Laboratory entwickelt. Vor kurzem hat das Forest Products Laboratory zusammen mit der University of Wisconsin-Madison eine Sulfit-Vorbehandlung entwickelt, um die Rückständigkeit von Lignocellulose für eine robuste enzymatische Hydrolyse von Holzcellulose zu überwinden.

US-Präsident George W. Bush schlug in seiner Rede zur Lage der Nation am 31. Januar 2006 vor, die Verwendung von Zellulose-Ethanol auszuweiten. In seiner Rede zur Lage der Union am 23. Januar 2007 kündigte Präsident Bush ein vorgeschlagenes Mandat für 35 Milliarden US-Gallonen (130.000.000 m3) Ethanol bis 2017 an. Es ist weithin anerkannt, dass die maximale Produktion von Ethanol aus Maisstärke 15 Milliarden US-Dollar beträgt Gallonen (57.000.000 m3) pro Jahr, was ein vorgeschlagenes Mandat für die Produktion von etwa 76.000.000 Kubikmetern pro Jahr Zellulose-Ethanol bis 2017 voraussetzt. Bushs geplanter Plan sieht eine Finanzierung von $ 2 Milliarden (von 2007 bis 2017) für Zellulose-Ethanol vor Pflanzen, mit zusätzlichen $ 1,6 Milliarden (von 2007 bis 2017?) von der USDA am 27. Januar 2007 angekündigt.

Im März 2007 vergab die US-Regierung 385 Millionen Dollar an Zuschüssen, die darauf abzielten, die Ethanolproduktion aus nicht traditionellen Quellen wie Hackschnitzeln, Rutenhirse und Zitrusschalen zu starten. Die Hälfte der sechs ausgewählten Projekte wird thermochemische Methoden anwenden und die Hälfte wird Celluloseethanol-Methoden verwenden.

Das amerikanische Unternehmen Range Fuels gab im Juli 2007 bekannt, dass es eine Baugenehmigung vom Bundesstaat Georgia erhalten hat, um die erste kommerzielle Zellulose-Ethanol-Anlage in der Größenordnung von 100 Millionen US-Gallonen (380.000 m3) pro Jahr in den USA zu bauen. Der Bau begann im November 2007. Die Range Fuels-Anlage wurde in Soperton, Georgia, gebaut, wurde aber im Januar 2011 stillgelegt, ohne jemals Ethanol produziert zu haben.Es hatte einen Zuschuss von 76 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium erhalten, plus 6 Millionen US-Dollar vom Staat Georgia sowie ein vom US-Bioraffinerie-Hilfsprogramm garantiertes Darlehen über 80 Millionen US-Dollar. Die Vereinigten Staaten (USA) und Brasilien sind seit den 1970er Jahren die beiden führenden Hersteller von Kraftstoffethanol.

Wirtschaft
Der Wechsel zu einer erneuerbaren Energiequelle ist seit Jahren ein Ziel. Der größte Teil der Produktion erfolgt jedoch mit Mais-Ethanol. Im Jahr 2000 wurden in den Vereinigten Staaten nur 6,2 Milliarden Liter produziert, aber diese Zahl hat sich in nur einem Jahrzehnt (2010) um 800% auf 50 Milliarden Liter erhöht. Der Druck der Regierung, auf erneuerbare Brennstoffressourcen umzusteigen, ist offensichtlich, seit die US Environmental Protection Agency den 2007 Renewable Fuel Standard (RFS) eingeführt hat, der vorsah, dass ein bestimmter Prozentsatz an erneuerbaren Brennstoffen in Treibstoffprodukten enthalten sein muss. Die Verlagerung auf Celluloseethanolproduktion aus Maisethanol wurde von der US-Regierung stark gefördert. Selbst mit diesen Richtlinien und den Versuchen der Regierung, einen Markt für Celluloseethanol zu schaffen, gab es 2010 und 2011 keine kommerzielle Produktion dieses Brennstoffs. Das Energy Independence and Security Act hatte ursprünglich Ziele von 100 Millionen, 250 Millionen und 500 Millionen Gallonen für die Jahre 2010, 2011 und 2012 jeweils. Ab 2012 wurde jedoch prognostiziert, dass die Produktion von Zellulose-Ethanol etwa 10,5 Millionen Gallonen betragen würde – weit entfernt von seinem Ziel. Allein im Jahr 2007 hat die US-Regierung 1 Milliarde US-Dollar für Zelluloseethanolprojekte bereitgestellt, während China 500 Millionen US-Dollar in die Zelluloseethanolforschung investiert hat.

Aufgrund des Mangels an vorhandenen kommerzialisierten Anlagendaten ist es schwierig, die genaue Herstellungsmethode zu bestimmen, die am häufigsten verwendet wird. Modellsysteme versuchen, die Kosten verschiedener Technologien zu vergleichen, aber diese Modelle können nicht auf die Kosten kommerzieller Anlagen angewendet werden. Derzeit gibt es viele Pilot- und Demonstrationsanlagen, die in kleinerem Maßstab Zellulose produzieren. Diese Haupteinrichtungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Die Anlaufkosten für lignocellulosische Ethanolanlagen im Pilotmaßstab sind hoch. Am 28. Februar 2007 gab das US-Energieministerium 385 Millionen US-Dollar für die Finanzierung von sechs Zellulose-Ethanol-Anlagen bekannt. Diese Zuschussfinanzierung macht 40% der Investitionskosten aus. Die restlichen 60% kommen von den Veranstaltern dieser Einrichtungen. Daher werden insgesamt 1 Milliarde US-Dollar für rund 530.000 Kubikmeter Kapazität investiert. Dies bedeutet eine Investitionskapazität von 7 USD pro Gallone für Investitionen in Pilotanlagen. Die zukünftigen Kapitalkosten dürften niedriger sein. Mais-zu-Ethanol-Anlagen kosten ungefähr $ 1-3 / Gallone pro Jahr, obwohl die Kosten des Mais selbst beträchtlich höher sind als für Switchgrass oder Abfallbiomasse.

Ab 2007 wird Ethanol hauptsächlich aus Zuckern oder Stärken hergestellt, die aus Früchten und Getreide gewonnen werden. Im Gegensatz dazu wird Cellulose-Ethanol aus Cellulose, der Hauptkomponente von Holz, Stroh und einem Großteil der Struktur von Pflanzen, erhalten. Da Cellulose nicht vom Menschen verdaut werden kann, konkurriert die Produktion von Zellulose nicht mit der Produktion von Nahrungsmitteln, außer der Umwandlung von Land von der Nahrungsmittelproduktion in die Zelluloseproduktion (die aufgrund steigender Weizenpreise in jüngster Zeit zu einem Problem geworden ist) Der Preis pro Tonne des Rohstoffs ist somit viel billiger als der von Getreide oder Früchten. Da Cellulose die Hauptkomponente von Pflanzen ist, kann die gesamte Pflanze geerntet werden. Dies führt zu viel besseren Erträgen – bis zu 10 Tonnen pro Hektar (22 t / ha) anstelle von 4-5 Tonnen pro Hektar (9 – 11 t / ha) für die besten Getreidesorten.

Das Rohmaterial ist reichlich vorhanden. Geschätzte 323 Millionen Tonnen cellulosehaltiger Rohstoffe, die zur Herstellung von Ethanol verwendet werden könnten, werden jedes Jahr allein in den USA weggeworfen. Darunter fallen 36,8 Millionen Trockentonnen städtische Holzabfälle, 90,5 Millionen Tonnen Rohmehlrückstände, 45 Millionen Tonnen Trockenwaldabfälle und 150,7 Millionen Tonnen Maisstroh und Weizenstroh. Die Umwandlung in Ethanol mit Hilfe von effizienten und kosteneffektiven Hemi (Cellulase) -Enzymen oder anderen Verfahren könnte bis zu 30% des derzeitigen Treibstoffverbrauchs in den USA ausmachen. Darüber hinaus könnten selbst für die Landwirtschaft unbedeutende Flächen mit zelluloseproduzierenden Nutzpflanzen wie Rutenhirse bepflanzt werden, was zu einer ausreichenden Produktion führen würde, um alle derzeitigen Ölimporte in die Vereinigten Staaten zu ersetzen.

Papier, Pappe und Verpackungen machen jeden Tag einen wesentlichen Teil der festen Abfälle aus, die in den USA deponiert werden, 41,26% aller organischen Siedlungsabfälle (MSW) gemäß den Stadtprofilen des California Integrated Waste Management Board. Diese Stadtprofile sind für eine Anhäufung von täglich 612,3 Tonnen (555,5 t) pro Deponie verantwortlich, in denen eine durchschnittliche Bevölkerungsdichte von 2.413 pro Quadratmeile besteht. All diese, außer Gipsplatten, enthalten Zellulose, die in Zellulose-Ethanol umgewandelt werden kann. Dies kann zusätzliche Vorteile für die Umwelt haben, da die Zersetzung dieser Produkte Methan erzeugt, ein starkes Treibhausgas.

Die Reduzierung der Entsorgung von festen Abfällen durch die Umwandlung von Zellulose-Ethanol würde die Entsorgungskosten für feste Abfälle durch lokale und bundesstaatliche Regierungen reduzieren. Es wird geschätzt, dass jede Person in den USA 4,4 Pfund Müll pro Tag wegwirft, von denen 37% Altpapier enthalten, das hauptsächlich Zellulose ist. Das entspricht 244 Tausend Tonnen pro Tag Altpapier, das Zellulose enthält. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Zellulose-Ethanol ist nicht nur kostenlos, es hat auch negative Kosten – dh Ethanolproduzenten können dafür bezahlt werden, es wegzunehmen.

Im Juni 2006 wurde einer Anhörung des US-Senats mitgeteilt, dass die derzeitigen Kosten für die Herstellung von Zelluloseethanol 2,25 US-Dollar pro US-Gallone (0,59 US-Dollar / Liter) betragen, was hauptsächlich auf die derzeit schlechte Umwandlungseffizienz zurückzuführen ist. Bei diesem Preis würde es etwa 120 Dollar kosten, ein Barrel Öl (160 Liter) zu ersetzen, wenn man den niedrigeren Energiegehalt von Ethanol berücksichtigt. Das Energieministerium ist jedoch optimistisch und hat eine Verdoppelung der Forschungsfinanzierung gefordert. Der Senatsanhörung wurde mitgeteilt, dass das Forschungsziel darin bestand, die Produktionskosten bis 2012 auf 1,07 US-Dollar pro US-Gallone (0,28 US-Dollar / Liter) zu senken. „Die Produktion von Zellulose-Ethanol ist nicht nur ein Schritt in Richtung echter Energievielfalt. Aber es stellt eine sehr kostengünstige Alternative zu fossilen Brennstoffen dar. Es sind fortschrittliche Waffen im Krieg gegen Öl „, sagte Vinod Khosla, geschäftsführender Partner von Khosla Ventures, der kürzlich auf einem Reuters Global Biofuels Summit sagte, dass die Preise für Zellulosebrennstoffe auf 1 Dollar sinken könnten pro Gallone innerhalb von zehn Jahren.

Im September 2010 analysierte ein Bericht von Bloomberg die europäische Biomasse-Infrastruktur und die zukünftige Raffinerieentwicklung. Die geschätzten Preise für einen Liter Ethanol im August 2010 betragen 0,51 EUR für 1 g und 0,71 für 2 g. [Klarstellung erforderlich] Der Bericht schlug vor, dass Europa die derzeitigen US-Subventionen von bis zu 50 USD je Tonne Tonne kopieren sollte.

Kürzlich, am 25. Oktober 2012, hat BP, einer der führenden Kraftstoffhersteller, die Annullierung der geplanten kommerziellen 350 Millionen US-Dollar-Anlage bekannt gegeben. Es wurde geschätzt, dass das Werk 36 Millionen Gallonen pro Jahr an seinem Standort im Highlands County von Florida produzieren würde. BP hat am Energy Biosciences Institute noch immer 500 Millionen US-Dollar für die Biokraftstoffforschung bereitgestellt. General Motors (GM) hat auch in Zellulosefirmen genauer gesagt Mascoma und Coskata investiert. Es gibt viele andere Unternehmen im Bau oder auf dem Weg dorthin. Abengoa baut eine 25 Millionen-Gallonen-pro-Jahr-Pflanze in einer Technologieplattform basierend auf dem Pilz Myceliophthora thermophila, um Lignocellulose in fermentierbare Zucker umzuwandeln. Der Dichter produziert gerade 200 Millionen Dollar pro Jahr in Emmetsburg, Iowa. Mascoma, das jetzt mit Valero zusammenarbeitet, hat ihre Absicht erklärt, 20 Millionen Gallonen pro Jahr in Kinross, Michigan, zu bauen. China Alcohol Resource Corporation hat eine 6,4 Millionen Liter Zelluloseethanolanlage im Dauerbetrieb entwickelt.

Seit 2013 arbeitet das brasilianische Unternehmen GranBio auch daran, ein Produzent von Biokraftstoffen und Biochemikalien zu werden. Das Familienunternehmen wird im Bundesstaat Alagoas, Brasilien, eine Anlage für Zellulose-Ethanol mit einer Kapazität von 82 Millionen Litern pro Jahr (2 Millionen Tonnen Ethanol) in Betrieb nehmen, die die erste industrielle Anlage der Gruppe sein wird. Die Ethanol-Anlage der zweiten Generation von GranBio ist in eine Ethanol-Anlage der ersten Generation integriert, die von der Grupo Carlos Lyra betrieben wird. Sie nutzt Prozesstechnologie von Beta Renewables, Enzyme von Novozymes und Hefe von DSM. Im Januar 2013 bricht die Anlage aus, die Anlage befindet sich in der endgültigen Inbetriebnahme. Laut GranBio Annual Financial Records betrug die Gesamtinvestition 208 Millionen US-Dollar.

Rohstoffe
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Rohstoffen: Wald (holzige) Biomasse und landwirtschaftliche Biomasse. In den USA können jährlich etwa 1,4 Milliarden Tonnen Biomasse nachhaltig produziert werden. Etwa 370 Millionen Tonnen oder 30% sind Waldbiomasse. Waldbiomasse hat einen höheren Cellulose- und Ligningehalt und einen niedrigeren Hemicellulose- und Aschegehalt als landwirtschaftliche Biomasse. Wegen der Schwierigkeiten und der geringen Ethanolausbeute in dem fermentierenden Vorbehandlungshydrolysat, insbesondere solchen mit sehr hohen 5-Kohlenstoff-Hemicellulosezuckern, wie Xylose, hat die Waldbiomasse signifikante Vorteile gegenüber der landwirtschaftlichen Biomasse. Waldbiomasse hat auch eine hohe Dichte, was die Transportkosten signifikant reduziert. Es kann Jahr um Jahr geerntet werden, was Langzeitlagerung eliminiert. Der Aschegehalt der Waldbiomasse von nahezu Null reduziert signifikant die Eigenlast bei Transport und Verarbeitung. Um den Bedarf an biologischer Vielfalt zu decken, wird Waldbiomasse in der zukünftigen biobasierten Wirtschaft ein wichtiger Rohstoffbestand für Biomasse sein. Waldbiomasse ist jedoch viel widerspenstiger als landwirtschaftliche Biomasse. Vor kurzem hat das USDA Forest Products Laboratory zusammen mit der University of Wisconsin-Madison effiziente Technologien entwickelt, die die starke Widerspenstigkeit der (holzigen) Waldbiomasse, einschließlich derjenigen von Nadelholzarten mit niedrigem Xylan-Gehalt, überwinden können. Kurzumtrieb-Intensivkultur oder Baumanbau bieten eine nahezu unbegrenzte Chance für die Waldbiomasseproduktion.

Hackschnitzel von Schnittwunden und Baumkronen sowie Sägespäne von Sägewerken und Altpapierzellstoff sind gängige Biomasse-Rohstoffe für die Produktion von Zelluloseethanol.

Im Folgenden einige Beispiele für landwirtschaftliche Biomasse:

Switchgrass (Panicum virgatum) ist ein heimisches Hochgras-Präriegras. Bekannt für seine Widerstandsfähigkeit und schnelles Wachstum, wächst diese Staude in den warmen Monaten zu Höhen von 2-6 Fuß. Switchgrass kann in den meisten Teilen der Vereinigten Staaten angebaut werden, einschließlich Sumpfland, Ebenen, Bäche und entlang der Ufer & amp; Autobahnen. Es ist selbstsetzend (kein Traktor zum Säen, nur zum Mähen), resistent gegen viele Krankheiten und Schädlinge, & amp; kann hohe Erträge mit geringen Düngergaben und anderen Chemikalien erzielen. Es ist auch tolerant gegen schlechte Böden, Überschwemmungen, & amp; Dürre;verbessert die Bodenqualität und verhindert Erosion durch die Art des Wurzelsystems.

Switchgrass ist eine zugelassene Deckfrucht für Flächen, die unter dem föderalen Conservation Reserve Program (CRP) geschützt sind. CRP ist ein Regierungsprogramm, das den Erzeugern eine Gebühr dafür zahlt, dass sie auf dem Land, auf dem die Nutzpflanzen angebaut wurden, keine Kulturpflanzen anbauen. Dieses Programm reduziert die Bodenerosion, verbessert die Wasserqualität und erhöht den Lebensraum für Wildtiere. CRP Land dient als Lebensraum für Hochland Wild, wie Fasane und Enten, und eine Reihe von Insekten. Switchgrass für die Produktion von Biokraftstoffen wurde für den Einsatz im Conservation Reserve Program (CRP) in Erwägung gezogen, was die ökologische Nachhaltigkeit erhöhen und die Kosten des CRP-Programms senken könnte. Die CRP-Regeln müssten jedoch geändert werden, um diese wirtschaftliche Nutzung des CRP-Landes zu ermöglichen.

Miscanthus × giganteus ist ein weiteres geeignetes Ausgangsmaterial für die Herstellung von Celluloseethanol. Diese Grasart stammt aus Asien und ist die sterile triploide Hybride aus Miscanthus sinensis und Miscanthus sacchariflorus. Es kann bis zu 12 Fuß (3,7 m) groß werden mit wenig Wasser oder Dünger-Input. Miscanthus ist ähnlich wie Rutenhirse in Bezug auf Kälte- und Trockenheitstoleranz und Wassernutzungseffizienz. Miscanthus wird in der Europäischen Union als brennbare Energiequelle kommerziell angebaut.

Maiskolben und Maisstroh sind die beliebtesten landwirtschaftlichen Biomasse.

Es wurde vorgeschlagen, dass Kudzu eine wertvolle Quelle für Biomasse werden könnte.

Maisbasiert vs. Grasbasiert
Im Jahr 2008 gab es nur eine kleine Menge Switchgrass für die Ethanolproduktion. Damit es in einer großflächigen Produktion angebaut werden kann, muss es mit der bestehenden Nutzung landwirtschaftlicher Flächen konkurrieren, vor allem für die Produktion von Erntegütern. Von den 9,2 Millionen Quadratkilometern der Vereinigten Staaten sind 33% Waldgebiete, 26% Weideland und Grünland und 20% Ackerland. Eine 2005 von den US-Energieministerien durchgeführte Studie hat ermittelt, ob genügend verfügbare Landressourcen zur Verfügung stehen, um die Produktion von jährlich über 1 Milliarde Tonnen Biomasse pro Jahr zu unterstützen, um 30% oder mehr der derzeitigen Nutzung flüssiger Kraftstoffe durch den Staat zu ersetzen. Die Studie ergab, dass 1,3 Milliarden Tonnen an Biomasse für den Ethanoleinsatz zur Verfügung stehen, indem die land- und forstwirtschaftlichen Praktiken kaum verändert werden und die Nachfrage nach forstwirtschaftlichen Produkten, Nahrungsmitteln und Fasern nicht befriedigt wird. Eine kürzlich von der Universität von Tennessee durchgeführte Studie berichtet, dass bis zu 400.000 Quadratkilometer (400.000 Quadratkilometer) Ackerland und Weideland für die Switchgrass-Produktion benötigt werden, um den Mineralölverbrauch um 25 Prozent zu kompensieren.

Zusammenfassung von Searchinger et al. Vergleich der Treibhausgasemissionen von Ethanol und Benzin mit und ohne Landnutzungsänderung (Gramm CO 2, das pro Megajoule Energie im Brennstoff freigesetzt wird)
Treibstoffart (UNS)	Kohlenstoff Intensität	Die Ermäßigung Treibhausgase	Kohlenstoff Intensität + ILUC	Die Ermäßigung Treibhausgase
Benzin	92	–	92	–
Mais Ethanol	74	-20%	177	+ 93%
Zellulose-Ethanol	28	-70%	138	+ 50%
Anmerkungen: Berechnet unter Verwendung der Standardannahmen für das Szenario 2015 für Ethanol in E85.  Benzin ist eine Kombination aus herkömmlichem und umformuliertem Benzin.

Gegenwärtig ist Mais im Vergleich zu Celluloseethanol leichter und weniger teuer in Ethanol zu verarbeiten. Das Department of Energy schätzt, dass es etwa $ 2,20 pro Gallone kostet, um Zellulose-Ethanol zu produzieren, was doppelt so viel ist wie Ethanol aus Mais. Enzyme, die pflanzliches Zellwandgewebe zerstören, kosten 30 bis 50 Cent pro Gallone Ethanol im Vergleich zu 3 Cent pro Gallone für Mais. Das Energieministerium will die Produktionskosten bis 2012 auf 1,07 USD pro Gallone reduzieren, um effektiv zu sein. Zellulosebiomasse ist jedoch billiger in der Herstellung als Mais, weil sie weniger Inputs benötigt, wie Energie, Dünger, Herbizid und wird von weniger Bodenerosion und verbesserter Bodenfruchtbarkeit begleitet. Zusätzlich können nichtfermentierbare und nicht umgewandelte Feststoffe, die nach der Herstellung von Ethanol zurückbleiben, verbrannt werden, um den Brennstoff bereitzustellen, der benötigt wird, um die Umwandlungsanlage zu betreiben und Elektrizität zu erzeugen. Die Energie, die für Mais-basierte Ethanol-Anlagen verwendet wird, stammt aus Kohle und Erdgas. Das Institut für lokale Selbständigkeit schätzt, dass die Kosten für Zellulose-Ethanol aus der ersten Generation von kommerziellen Pflanzen in der Spanne von 1,90 bis 2,25 US-Dollar pro Gallone liegen werden, ausgenommen Anreize. Dies steht im Vergleich zu den derzeitigen Kosten von 1,20 bis 1,50 US-Dollar pro Gallone für Ethanol aus Mais und dem aktuellen Verkaufspreis von über 4 US-Dollar pro Gallone für normales Benzin (das subventioniert und besteuert wird).

Einer der Hauptgründe für den verstärkten Einsatz von Biokraftstoffen ist die Verringerung der Treibhausgasemissionen. Im Vergleich zu Benzin verbrennt Ethanol sauberer und bringt somit weniger Kohlendioxid und Gesamtverschmutzung in die Luft. Außerdem werden nur geringe Mengen an Smog durch Verbrennung erzeugt. Nach Angaben des US-Energieministeriums reduziert Ethanol aus Zellulose die Treibhausgasemissionen um 86 Prozent im Vergleich zu Benzin und zu Ethanol auf Maisbasis, was die Emissionen um 52 Prozent senkt. Die Emissionen von Kohlendioxidgas sind um 85% niedriger als die von Benzin. Zelluloseethanol trägt wenig zum Treibhauseffekt bei und hat eine fünfmal bessere Nettowagenenergiebilanz als Ethanol auf Maisbasis. Wenn es als Brennstoff verwendet wird, setzt Zellulose-Ethanol weniger Schwefel, Kohlenmonoxid, Feinstaub und Treibhausgase frei. Zellulose-Ethanol sollte den Erzeugern Kohlenstoffreduktionsgutschriften einbringen, die höher sind als diejenigen, die den Produzenten, die Mais für Ethanol anbauen, gegeben werden, was etwa 3 bis 20 Cent pro Gallone entspricht.

Es benötigt 0,76 J Energie aus fossilen Brennstoffen, um 1 J Ethanol aus Mais zu produzieren.Diese Summe beinhaltet die Verwendung von fossilen Brennstoffen, die für Dünger, Traktorkraftstoff, Ethanolanlagenbetrieb usw. verwendet werden. Forschungen haben gezeigt, dass fossile Brennstoffe mehr als das Fünffache des Ethanolvolumens aus Präriegräsern produzieren können, so Terry Riley, President of Policy bei der Theodore Roosevelt Erhaltung Partnerschaft. Das US-Energieministerium kommt zu dem Schluss, dass auf Mais basierendes Ethanol 26 Prozent mehr Energie liefert, als für die Produktion benötigt wird, während Zellulose-Ethanol 80 Prozent mehr Energie liefert. Zelluloseethanol liefert 80 Prozent mehr Energie, als für den Anbau und die Umwandlung benötigt wird. Das Umwandeln von Mais in Ethanol erfordert etwa 1700-mal soviel Wasser, wie Ethanol produziert. [Dubios – discussive] Darüber hinaus hinterlässt es das 12-fache seines Volumens im Abfall. Getreideethanol verwendet nur den essbaren Teil der Pflanze.

Cellulose wird nicht für Lebensmittel verwendet und kann in allen Teilen der Welt angebaut werden.Die gesamte Pflanze kann bei der Herstellung von Zellulose-Ethanol verwendet werden. Switchgrass liefert doppelt so viel Ethanol pro Acre wie Mais. Daher wird weniger Land für die Produktion und somit weniger Lebensraumfragmentierung benötigt. Biomasse-Materialien erfordern weniger Input wie Dünger, Herbizide und andere Chemikalien, die Risiken für Wildtiere darstellen können. Ihre ausgedehnten Wurzeln verbessern die Bodenqualität, reduzieren die Erosion und erhöhen die Nährstoffaufnahme. Krautige Energiepflanzen reduzieren die Bodenerosion um mehr als 90% im Vergleich zur konventionellen Produktion von Grundnahrungsmitteln. Dies kann zu einer verbesserten Wasserqualität für ländliche Gemeinden führen. Darüber hinaus fügen krautige Energiepflanzen den abgereicherten Böden organisches Material hinzu und können den Kohlenstoffgehalt des Bodens erhöhen, was sich direkt auf den Klimawandel auswirken kann, da der Kohlenstoff im Boden Kohlendioxid in der Luft absorbieren kann. Im Vergleich zur Produktion von Nutzpflanzen verringert Biomasse den Oberflächenabfluss und den Stickstofftransport. Switchgrass bietet eine Umgebung für verschiedene Arten von Wildtieren, hauptsächlich Insekten und Bodenvögel. Conservation Reserve Program (CRP) Land besteht aus mehrjährigen Gräsern, die für Zellulose-Ethanol verwendet werden, und möglicherweise für den Einsatz zur Verfügung stehen.

Seit Jahren praktizieren amerikanische Farmer Reihenanbau mit Getreide wie Sorghum und Mais.Aus diesem Grund ist viel über die Auswirkungen dieser Praktiken auf die Tierwelt bekannt. Der bedeutendste Effekt von erhöhtem Maisethanol wäre das zusätzliche Land, das in landwirtschaftliche Nutzung umgewandelt werden müsste, sowie die verstärkte Erosion und Düngung, die mit der landwirtschaftlichen Produktion einhergeht. Eine Erhöhung unserer Ethanolproduktion durch die Verwendung von Mais könnte negative Auswirkungen auf die Tierwelt haben, deren Ausmaß von der Größenordnung der Produktion abhängen wird und ob das für diese Produktionssteigerung genutzte Land früher ungenutzt, in einem natürlichen Zustand oder mit einer anderen Reihe bepflanzt war Pflanzen. Eine andere Überlegung ist, ob man eine Switchgrass-Monokultur plant oder eine Vielzahl von Gräsern und anderer Vegetation verwendet. Während eine Mischung von Vegetationstypen wahrscheinlich einen besseren Lebensraum für Wildtiere bieten würde, wurde die Technologie noch nicht entwickelt, um die Verarbeitung einer Mischung verschiedener Grasarten oder Vegetationstypen zu Bioethanol zu ermöglichen. Natürlich steckt die Zellulose-Ethanol-Produktion noch in den Kinderschuhen, und die Möglichkeit, verschiedene Vegetationsbestände anstelle von Monokulturen zu nutzen, verdient weitere Erforschung im weiteren Verlauf der Forschung.

US-Umweltschutzbehörde Entwurf Lebenszyklus Treibhausgasemissionen reduzieren für verschiedene Zeithorizont- und Diskontsatz-Ansätze (beinhaltet indirekte Landnutzungsänderungen)
Brennstoffbahn	100 Jahre + 2% Rabatt Bewertung	30 Jahre + 0% Rabatt Bewertung
Maisethanol (Erdgas-Trockenmühle) (1)	-16%	+ 5%
Maisethanol (Bester Fall NG DM) (2)	-39%	-18%
Mais-Ethanol (Kohle-Trockenmühle)	+ 13%	+ 34%
Maisethanol (Biomasse-Trockenmühle)	-39%	-18%
Mais – Ethanol (Biomasse – Trockenmühle mit kombiniert Wärme und Kraft)	-47%	-26%
Brasilianisches Zuckerrohr-Ethanol	-44%	-26%
Zellulose-Ethanol aus Switchgrass	-128%	-124%
Zellulose-Ethanol aus Maisstroh	-115%	-116%
Anmerkungen: (1) Trockenmühle (DM) -Anlagen zermahlen den gesamten Kern und erzeugen im allgemeinen  nur ein primäres Kuppelprodukt: Destillate Körner mit löslichen Stoffen (DGS).  (2) Im besten Fall Pflanzen produzieren nasse Destillerien Körner Nebenprodukt.

Eine Studie von Nobelpreisträger Paul Crutzen fand heraus, dass aus Mais gewonnenes Ethanol einen „Netto-Klimaerwärmungseffekt“ im Vergleich zu Öl hat, wenn die vollständige Ökobilanz die Lachgas (N20) -Emissionen berücksichtigt, die während der Maisethanolproduktion auftreten.Crutzen stellte fest, dass Kulturen mit weniger Stickstoffbedarf, wie Gräser und Gehölzarten, günstigere Klimawirkungen haben.

Zellulose-Ethanol-Vermarktung
Zellulose-Ethanol-Kommerzialisierung ist der Prozess des Aufbaus einer Industrie aus Verfahren zum Umwandeln von cellulosehaltigem organischem Material in Brennstoff. Unternehmen wie Iogen, POET und Abengoa bauen Raffinerien, die Biomasse verarbeiten und in Ethanol umwandeln können, während Unternehmen wie DuPont, Diversa, Novozymes und Dyadic Enzyme herstellen, die eine Zukunft für Zellulose-Ethanol ermöglichen. Die Verlagerung von Rohstoffen für die Nahrungsmittelernte zu Abfallrückständen und einheimischen Gräsern bietet große Chancen für eine Reihe von Akteuren, von Landwirten bis zu Biotechnologieunternehmen und von Projektentwicklern bis zu Investoren.

Die Zelluloseethanolindustrie hat 2008 einige neue Anlagen im kommerziellen Maßstab entwickelt. In den Vereinigten Staaten waren Anlagen von insgesamt 12 Millionen Litern pro Jahr in Betrieb und weitere 80 Millionen Liter pro Jahr – in 26 neuen Werken – war im Aufbau. In Kanada war eine Kapazität von 6 Millionen Litern pro Jahr in Betrieb. In Europa waren mehrere Anlagen in Deutschland, Spanien und Schweden in Betrieb, und eine Kapazität von 10 Millionen Litern pro Jahr war im Bau.

Italienischen Mossi & amp; Die Ghisolfi Group hat am 12. April 2011 den Grundstein für ihre 13 MMgy-Zellulose-Ethanol-Anlage in Nordwest-Italien gelegt. Das Projekt wird das größte Zellulose-Ethanol-Projekt der Welt sein, das zehnmal so groß ist wie alle derzeit betriebenen Demonstrationsanlagen.

Kommerzielle Zellulose-Ethanol-Anlagen in den USA
(Operativ oder im Aufbau)

Unternehmen	Ort	Ausgangsmaterial
Abengoa Bioenergie	Hugoton, KS	Weizenstroh
BlueFire Ethanol	Irvine, Kalifornien	Mehrere Quellen
Colusa Biomasse Energie Corporation	Sacramento, Kalifornien	Überschüssiges Reisstroh
Coskata	Warrenville, IL	Biomasse, landwirtschaftliche und kommunale Abfälle
DuPont	Vonore, TN	Maiskolben, Switchgrass
DuPont	Nevada, IA	Maisstroh
Fulcrum BioEnergie	Reno, NV	Siedlungsabfälle
Golfküste Energie	Moosiger Kopf, FL	Holzabfälle
KL Energie AG	Upton, WJ	Holz
Mascoma	Lansing, Michigan	Holz
POET-DSM Advanced Biokraftstoffe	Emmetsburg, IA	Maiskolben, Hülsen und Stover
Bereich Brennstoffe	Treutlen County, GA	Holzabfälle
SunOpta	Kleine Fälle, MN	Hackschnitzel
Süßwasser-Energie	Rochester, New York	Mehrere Quellen
US Envirofuel	Hochland County, FL	Süßsorghum
Xethanol	Auburndale, FL	Zitrusschalen