Ar putea Jet combustibil fabricat din zahăr să fie cheia pentru zbor mai curat?

Industria aviatică produce 2% din emisiile globale induse de dioxid de carbon. Această cotă poate părea relativ mică - pentru perspectivă, producția de energie electrică și încălzirea locuințelor reprezintă mai mult de 40% - dar aviația este una dintre sursele de gaze cu efect de seră cu cea mai rapidă creștere în lume. Cererea de călătorii aeriene este proiectată să se dubleze în următorii 20 de ani.

Companiile aeriene sunt supuse presiunii de a-și reduce emisiile de carbon și sunt extrem de vulnerabile la fluctuațiile globale ale prețului petrolului. Aceste provocări au stimulat un interes puternic față de combustibilii cu reacție proveniți din biomasă. Combustibilul cu jet de combustibil poate fi produs din diverse materiale vegetale, inclusiv culturile de ulei, culturile de zahăr, plantele amidon și biomasa lignocelulozică, prin diferite căi chimice și biologice. Cu toate acestea, tehnologiile de transformare a petrolului în combustibilul cu jet sunt într-un stadiu mai avansat de dezvoltare și produc o eficiență energetică mai mare decât alte surse.

Suntem ingineria de trestie de zahar, cea mai productivă plantă din lume, pentru a produce petrol care poate fi transformat în combustibil bio-jet. Într-un studiu recent, am constatat că utilizarea acestui trestie de zahăr proiectată ar putea produce mai mult de 2.500 de litri de combustibil bio-jet pe acru de teren. În termeni simpli, acest lucru înseamnă că un Boeing 747 ar putea zbura timp de 10 ore pe combustibil bio-jet produs pe doar 54 de acri de teren.În comparație cu două surse de plante concurente, soia și jatrofa, lipidcane ar produce aproximativ 15 și 13 ori mai mult combustibil jetar pe unitate de teren, respectiv.

Crearea de trestie de zahăr cu scop dublu

Combustibilii cu jet de combustibil proveniți din materii prime bogate în ulei, cum ar fi camelina și algele, au fost testate cu succes ca dovadă a zborurilor conceptuale. ASTM International, o organizație globală de dezvoltare a standardelor, a aprobat un amestec 50:50 de combustibil cu jet de petrol și combustibil cu jet de energie regenerabilă, pentru zboruri comerciale și militare.

Cu toate acestea, chiar și după eforturi semnificative de cercetare și comercializare, volumele de producție curente de combustibil bio-jet sunt foarte mici. Realizarea acestor produse la scară mai largă va necesita îmbunătățiri tehnologice suplimentare și cantități abundente de materii prime ieftine (culturi utilizate pentru fabricarea combustibilului).

Zahărul este o sursă binecunoscută de biocombustibil: Brazilia a fermentat sucul de trestie de zahăr pentru a produce combustibil pe bază de alcool timp de decenii. Etanolul din trestie de zahăr generează cu 25% mai multă energie decât cantitatea utilizată în timpul procesului de producție și reduce emisiile de gaze cu efect de seră cu 12% în comparație cu combustibilii fosili.

Ne-am întrebat dacă am putea crește producția de ulei natural a plantei și de a folosi petrolul pentru a produce biodiesel, ceea ce oferă beneficii și mai mari pentru mediu. Biodieselul produce 93% mai multă energie decât este necesar pentru a face acest lucru și reduce emisiile cu 41% în comparație cu combustibilii fosili. Etanolul și biodieselul pot fi utilizate atât în ​​combustibilul cu jet de combustibil, dar tehnologiile de transformare a uleiului derivat din plante la combustibilul cu reacție se află într-un stadiu avansat de dezvoltare, produc o eficiență energetică ridicată și sunt pregătite pentru desfășurarea pe scară largă.

Când am propus pentru prima dată trestia de zahăr de inginerie pentru a produce mai mult ulei, unii dintre colegii noștri au crezut că suntem nebuni. Plantele de zahăr conțin doar 0,05% ulei, care este prea puțin pentru a se converti la biodiesel. Numeroși oameni de știință din domeniul plantelor au susținut că creșterea cantității de ulei la 1% ar fi toxică pentru plante, dar modelele noastre de calculatoare au prezis că am putea crește producția de petrol la 20%.

Cu sprijinul Agenției Energiei din cadrul departamentului de cercetare avansată a Departamentului de Energie, am lansat un proiect de cercetare intitulat Plante proiectate pentru înlocuirea uleiului în zahăr și în sorghum sau PETROSS în 2012. De atunci, prin inginerie genetică, am crescut producția de ulei și acizi grași pentru a obține 12% ulei în frunzele de trestie de zahăr.

Acum lucrăm la realizarea a 20% din petrol - limita teoretică, în conformitate cu modelele noastre de calculatoare - și direcționarea acestei acumulări de ulei către tulpina plantei, unde este mai accesibilă decât în ​​frunze. Cercetările noastre preliminare au arătat că, chiar dacă plantele fabricate produc mai mult ulei, ele continuă să producă zahăr. Noi numim aceste plante inginerice lipidcane.

Produse multiple din lipidcane

Lipidcane oferă multe avantaje pentru agricultori și mediu. Calculăm faptul că creșterea lipidcanei care conține 20% de petrol ar fi de cinci ori mai profitabilă pe acru decât boabele de soia, principala materie primă utilizată în prezent pentru a produce biodiesel în Statele Unite și de două ori mai profitabilă pe acru decât porumbul.

Pentru a fi durabil, combustibilul bio-jet trebuie să fie, de asemenea, economic de procesat și să aibă randamente ridicate de producție care minimizează utilizarea terenurilor arabile. Se estimează că, în comparație cu boabele de soia, lipidcanul care conține 5% petrol ar putea produce de patru ori mai mult combustibil jetar pe acru de teren. Lipidcane cu 20% petrol ar putea produce mai mult de 15 ori mai mult carburant jet pe acru.

Și lipidcane oferă și alte beneficii energetice. Piesele de plante rămase după extracția sucului, cunoscut sub denumirea de bagasse, pot fi arse pentru a produce abur și energie electrică. Conform analizei noastre, acest lucru ar genera mai multă energie decât energia suficientă pentru alimentarea biorefinerenelor, astfel încât puterea excedentară ar putea fi vândută înapoi la rețea, înlocuind energia electrică produsă din combustibili fosili - o practică deja utilizată în unele fabrici din Brazilia pentru a produce etanol din trestie de zahăr.

O potențială cultură bioenergie din SUA

Zahărul prosperă pe un teren marginal care nu este potrivit pentru multe culturi alimentare. În prezent, este cultivat în principal în Brazilia, India și China. De asemenea, suntem ingineri de lipidcane pentru a fi mai toleranți la frig, astfel încât să poată fi crescuți în mai mare măsură, în special în sud-estul Statelor Unite pe terenuri insuficient folosite.

Dacă am consacrat 23 milioane de hectare în sud-estul Statelor Unite cu lipidcane cu 20% petrol, estimăm că această recoltă ar putea produce 65% din cantitatea de combustibil din jetul american. În prezent, în dolari curenți, acel combustibil ar costa companiile aeriene 5,31 USD pe galon, ceea ce este mai mic decât combustibilul bio-jet produs de alge sau alte culturi de ulei, cum ar fi soia, canola sau ulei de palmier.

Lipidcane ar putea fi, de asemenea, cultivate în Brazilia și alte zone tropicale. După cum am raportat recent în schimbările climatice naturale, extinderea semnificativă a producției de trestie de zahăr sau de lipidcane în Brazilia ar putea reduce emisiile actuale de dioxid de carbon cu până la 5,6%. Acest lucru ar putea fi realizat fără a afecta zonele pe care guvernul brazilian le-a desemnat drept sensibile din punct de vedere ecologic, cum ar fi pădurile tropicale.

În căutarea unui "cort energetic"

Cercetarea noastră cu lipidcani include, de asemenea, ingineria genetică a plantei pentru a face fotosinteza mai eficient, ceea ce se traduce într-o creștere mai mare. Într-un articol din 2016 din Science, unul dintre noi (Stephen Long) și colegii din alte instituții au demonstrat că îmbunătățirea eficienței fotosintezei în lipidcane a sporit creșterea cu 20%. Studiile preliminare și studiile efectuate pe teren arată că am îmbunătățit eficiența fotosintetică a trestiei de zahăr cu 20% și cu aproape 70% în condiții de răcire.

Acum, echipa noastră începe să lucreze pentru a institui o varietate de trestie de zahăr cu randament mai mare, pe care o numim "panou energetic", pentru a obține o producție mai mare de ulei pe acru. Avem mai mult teren pentru a fi acoperite înainte de a putea fi comercializate, dar dezvoltarea unei plante viabile cu suficient ulei pentru a produce biodiesel și combustibil bio-jet este un prim pas major.

Acest articol a fost publicat inițial în The Conversation de Deepak Kumar, cercetător postdoctoral; Stephen P. Long, profesor de științe culturale și biologie a plantelor; Vijay Singh, profesor de inginerie agronomică și biologică și director al laboratorului de cercetare integrat în bioprocesare, Universitatea Illinois din Urbana-Champaign. Citiți articolul original aici.