Bi lahko Jet Fuel Made of Sugarcane ključ do čistega letenja?

Letalska industrija proizvaja 2% svetovnih emisij ogljikovega dioksida, ki jih povzroči človek. Ta delež se lahko zdi razmeroma majhen - za perspektivo je proizvodnja električne energije in ogrevanje stanovanj več kot 40 odstotkov - vendar je letalstvo eden od najhitreje rastočih svetovnih virov toplogrednih plinov. Povpraševanje po letalskih prevozih naj bi se v naslednjih 20 letih podvojilo.

Letalski prevozniki so pod pritiskom, da zmanjšajo svoje emisije ogljika in so zelo občutljivi na svetovna nihanja cen nafte. Ti izzivi so spodbudili veliko zanimanje za pogonska goriva, pridobljena iz biomase. Biološko gorivo se lahko proizvaja iz različnih rastlinskih materialov, vključno z oljnicami, rastlinami sladkorja, škrobnimi rastlinami in lignoceluloznimi biomasami, prek različnih kemičnih in bioloških poti. Vendar pa so tehnologije za pretvorbo nafte v reaktivno gorivo v naprednejši fazi razvoja in zagotavljajo večjo energetsko učinkovitost kot drugi viri.

Smo inženiring sladkornega trsa, najbolj produktivne rastline na svetu, za proizvodnjo olja, ki se lahko pretvori v bio-jet gorivo. V nedavni študiji smo ugotovili, da bi uporaba tega inženirskega sladkornega trsa lahko prinesla več kot 2.500 litrov bio-jet goriva na hektar zemlje. Preprosto povedano, to pomeni, da bi lahko Boeing 747 10 ur letel na bio-jet gorivo, proizvedeno na 54 hektarjih zemlje.V primerjavi z dvema konkurencnima rastlinskima viroma, sojino in jatrofo, bi lipidastan proizvedel okoli 15 in 13-krat vec reaktivnega goriva na enoto zemljišca.

Ustvarjanje sladkornega trsa z dvojnim namenom

Bio-jet goriva, pridobljena iz surovin, bogatih z nafto, kot so kamelina in alge, so bila uspešno preizkušena v dokazih o konceptnih letih. ASTM International, globalna organizacija za razvoj standardov, je odobrila 50:50 mešanico naftnega goriva na osnovi nafte in hidroprocesirano obnovljivo gorivo za komercialne in vojaške lete.

Tudi po znatnih raziskavah in prizadevanjih za komercializacijo so sedanje količine bio-jet goriva zelo majhne. Izdelava teh izdelkov v večjem obsegu bo zahtevala nadaljnje tehnološke izboljšave in obilico nizkih stroškov surovin (pridelki, ki se uporabljajo za proizvodnjo goriva).

Sladkorni trs je dobro poznan vir biogoriva: Brazilija že desetletja fermentira sok iz sladkornega trsa za proizvodnjo goriva na osnovi alkohola. Etanol iz sladkornega trsa prispeva 25 odstotkov več energije kot količina, uporabljena v proizvodnem procesu, in zmanjša emisije toplogrednih plinov za 12 odstotkov v primerjavi s fosilnimi gorivi.

Spraševali smo se, ali lahko povečamo proizvodnjo naravnega olja v obratu in uporabimo olje za proizvodnjo biodizla, kar zagotavlja še večje koristi za okolje. Biodizel prinaša 93 odstotkov več energije, kot je potrebno, in zmanjša emisije za 41 odstotkov v primerjavi s fosilnimi gorivi. Etanol in biodizel se lahko uporabljata v bio-jet gorivu, vendar so tehnologije za pretvorbo olja iz rastlinskega izvora v reaktivno gorivo v napredni fazi razvoja, zagotavljajo visoko energetsko učinkovitost in so pripravljene za obsežno uporabo.

Ko smo prvič predlagali izdelavo sladkornega trsa za proizvodnjo več olja, so nekateri naši kolegi mislili, da smo nori. Sladkorne rastline vsebujejo le 0,05-odstotno olje, kar je premalo za predelavo v biodizel. Številni rastlinski znanstveniki so trdili, da bi bilo povečanje količine nafte na 1 odstotek strupeno za tovarno, vendar so naši računalniški modeli napovedali, da lahko povečamo proizvodnjo nafte na 20 odstotkov.

S podporo Agencije za napredne raziskovalne projekte pri Oddelku za energijo smo v letu 2012 začeli raziskovalni projekt, imenovan Rastline, ki so zamenjale olje v sladkornem trsu in sirku ali PETROSS. Od takrat smo z genskim inženiringom povečali proizvodnjo olja in maščobnih kislin, da dosežemo 12 odstotkov olja v listih sladkornega trsa.

Zdaj si prizadevamo doseči 20-odstotno olje - teoretično mejo, v skladu z našimi računalniškimi modeli - in usmeriti to kopičenje nafte na steblo rastline, kjer je bolj dostopen kot v listih. Naše predhodne raziskave so pokazale, da tudi če inženirske rastline proizvajajo več nafte, še naprej proizvajajo sladkor. Te rastline imenujemo lipidcane.

Več izdelkov iz lipidnega kamna

Lipidcan ponuja številne prednosti za kmete in okolje. Izračunali smo, da bi bila rast lipidkana, ki vsebuje 20 odstotkov olja, petkrat bolj donosna na aker kot soja, glavna surovina, ki se trenutno uporablja za proizvodnjo biodizla v Združenih državah, in dvakrat bolj donosna na hektar kot koruza.

Da bi bilo trajnostno, mora biti gorivo z bioaktivnim gorivom tudi ekonomično in ima visoke proizvodne donose, ki zmanjšujejo uporabo obdelovalnih površin. Ocenjujemo, da lahko lipidcan, ki vsebuje 5 odstotkov olja, v primerjavi s sojo, proizvede štirikrat več reaktivnega goriva na hektar zemlje. Lipidcane z 20-odstotnim oljem lahko proizvede več kot 15-krat več reaktivnega goriva na aker.

In lipidni kamen ponuja druge koristi za energijo. Delce rastlin, ki ostanejo po ekstrakciji soka, znan kot bagasse, se lahko zažgejo za proizvodnjo pare in elektrike. V skladu z našo analizo bi to ustvarilo več kot dovolj električne energije za pogon biološke rafinerije, zato bi se presežna energija lahko prodala nazaj v omrežje, s čimer bi se izločila električna energija, proizvedena iz fosilnih goriv - praksa, ki se že uporablja v nekaterih obratih v Braziliji za proizvodnjo etanola iz sladkornega trsa.

Potencialni pridelek bioenergije v ZDA

Sladkorni trs uspeva na obrobnih zemljiščih, ki niso primerna za številne pridelke s hrano. Trenutno se goji predvsem v Braziliji, Indiji in na Kitajskem. Smo tudi inženiring lipidcane, da je bolj hladno tolerantna, tako da se lahko poveča širše, zlasti v jugovzhodni Združenih državah na premalo zemljišča.

Če smo v jugovzhodnih Združenih državah namenili 23 milijonov hektarjev lipidkanu z 20 odstotki olja, ocenjujemo, da bi ta pridelek lahko proizvedel 65 odstotkov zaloge ameriškega reaktivnega goriva. Trenutno bi v sedanjih dolarjih gorivo stalo letalskim družbam 5,31 USD na galono, kar je manj kot bio-jet gorivo, proizvedeno iz alg ali drugih oljnic, kot so soja, oljna repica ali palmovo olje.

Lipidcan se lahko goji tudi v Braziliji in drugih tropskih območjih. Kot smo nedavno poročali v Nature Climate Change, bi lahko znatno povečanje proizvodnje sladkornega trsa ali lipidne plasti v Braziliji zmanjšalo sedanje svetovne emisije ogljikovega dioksida za do 5,6 odstotka. To bi bilo mogoče doseči brez poseganja v področja, ki jih je brazilska vlada označila za okoljsko občutljive, kot je deževni gozd.

V zasledovanju „energetskega t

Naša raziskava o lipidni kamni vključuje tudi genetsko inženirstvo rastline, ki omogoča bolj učinkovito fotosintezo, kar pomeni večjo rast. V članku Science iz leta 2016 je eden izmed nas (Stephen Long) in sodelavci iz drugih institucij dokazal, da je povečanje učinkovitosti fotosinteze v lipidcanu povečalo njegovo rast za 20 odstotkov. Predhodne raziskave in terenski poskusi kažejo, da smo izboljšali fotosintetsko učinkovitost sladkornega trsa za 20 odstotkov in v hladnih pogojih za skoraj 70 odstotkov.

Zdaj je naša ekipa začela z delom za izdelavo višje donosne sorte sladkornega trsa, ki jo imenujemo "energetski trn", da bi dosegli večjo proizvodnjo nafte na aker. Preden ga lahko komercializiramo, imamo več možnosti, da jih pokrijemo, toda razvoj uspešne rastline z dovolj olja za ekonomično proizvodnjo biodizla in bio-jet goriva je velik prvi korak.

Ta članek je bil prvotno objavljen na The Conversation, ki ga je napisal Deepak Kumar, podoktorski raziskovalec; Stephen P. Long, profesor pri rastlinskih znanostih in rastlinski biologiji; Vijay Singh, profesor kmetijskega in biološkega inženiringa in direktor integriranega biološkega raziskovalnega laboratorija na Univerzi Illinois v Urbana-Champaign. Preberite izvirni članek tukaj.