Može li mlazno gorivo od šećerne trske biti ključ čistijeg leta?

Zrakoplovna industrija proizvodi 2 posto globalnih emisija ugljičnog dioksida uzrokovanih ljudskim djelovanjem. Taj se udio može činiti relativno malim - za perspektivu, proizvodnja električne energije i grijanje kućanstava čine više od 40 posto - ali zrakoplovstvo je jedan od najbrže rastućih izvora stakleničkih plinova na svijetu. Procjenjuje se da će se potražnja za zračnim prijevozom udvostručiti u sljedećih 20 godina.

Zrakoplovne tvrtke su pod pritiskom smanjenja emisija ugljičnog dioksida i vrlo su osjetljive na globalne promjene cijena nafte. Ovi izazovi potaknuli su veliko zanimanje za pogonska goriva iz biomase. Gorivo za bio-mlaz može se proizvesti iz raznih biljnih materijala, uključujući uljarice, šećerne kulture, biljke škroba i lignoceluloznu biomasu, putem različitih kemijskih i bioloških putova. Međutim, tehnologije za pretvaranje nafte u mlazno gorivo su u naprednijoj fazi razvoja i daju veću energetsku učinkovitost od drugih izvora.

Mi proizvodimo šećernu trsku, najproduktivniju tvornicu na svijetu, za proizvodnju nafte koja se može pretvoriti u bio-mlazno gorivo. U nedavnoj studiji, otkrili smo da bi uporaba ovog projektiranog šećernog trska mogla donijeti više od 2.500 litara bio-mlaznog goriva po hektaru zemlje. Jednostavno rečeno, to znači da bi Boeing 747 mogao letjeti 10 sati na bio-mlaznom gorivu proizvedenom na samo 54 hektara zemlje.U usporedbi s dva konkurentna biljna izvora, soja i jatrofa, lipidcane bi proizveo oko 15 i 13 puta više mlaznog goriva po jedinici zemlje.

Stvaranje dvostruke namjene šećerne trske

Bio-mlazna goriva dobivena iz naftom bogatih sirovina, kao što su kamelina i alge, uspješno su testirana u dokazivanju konceptnih letova. ASTM International, globalna organizacija za razvoj standarda, odobrila je 50:50 mješavinu mlaznog goriva na bazi nafte i hidroprocesiranog obnovljivog goriva za komercijalne i vojne letove.

Međutim, čak i nakon značajnih istraživanja i komercijalizacije, trenutne količine biodizela su vrlo male. Izrada tih proizvoda u većim razmjerima zahtijevat će daljnja tehnološka poboljšanja i obilne jeftine sirovine (usjevi koji se koriste za proizvodnju goriva).

Šećerna trska je dobro poznati izvor biogoriva: Brazil već desetljećima fermentira sok od šećerne trske za proizvodnju goriva na bazi alkohola. Etanol iz šećerne trske donosi 25 posto više energije od količine koja se koristi tijekom proizvodnog procesa i smanjuje emisije stakleničkih plinova za 12 posto u odnosu na fosilna goriva.

Pitali smo se možemo li povećati proizvodnju prirodnog ulja u tvornici i koristiti ulje za proizvodnju biodizela, što osigurava još veće koristi za okoliš. Biodizel daje 93 posto više energije nego što je potrebno da bi se to postiglo i smanjuje emisije za 41 posto u usporedbi s fosilnim gorivima. Etanol i biodizel mogu se koristiti u bio-mlaznom gorivu, ali tehnologije za pretvaranje ulja dobivene iz postrojenja u mlazno gorivo su u naprednoj fazi razvoja, daju visoku energetsku učinkovitost i spremne su za široku primjenu.

Kada smo prvi put predložili inženjersku šećernu trsku da proizvede više nafte, neki od naših kolega su mislili da smo ludi. U biljkama šećerne trske nalazi se samo 0,05 posto ulja, što je premalo za pretvorbu u biodizel. Mnogi biljni znanstvenici su teoretizirali da bi povećanje količine nafte na 1 posto bilo toksično za tvornicu, ali naši modeli računala su predvidjeli da možemo povećati proizvodnju nafte na 20 posto.

Uz potporu Agencije za napredne istraživačke projekte Odjela za energiju, pokrenuli smo istraživački projekt pod nazivom Biljke konstruirane za zamjenu ulja u šećernom trsku i sirku, ili PETROSS, u 2012. godini. Od tada smo putem genetskog inženjeringa povećali proizvodnju nafte i masnih kiselina kako bi se postiglo 12 posto ulja u listovima šećerne trske.

Sada radimo na postizanju 20 posto nafte - teoretske granice, prema našim računalnim modelima - i usmjeravanju ove akumulacije ulja na kljun biljke, gdje je pristupačniji nego u lišću. Naše preliminarno istraživanje pokazalo je da čak i dok inženjerska postrojenja proizvode više nafte, oni i dalje proizvode šećer. Ove projektirane biljke nazivamo lipidnim kanilom.

Višestruki produkti iz lipid-kana

Lipidcane nudi mnoge prednosti za poljoprivrednike i okoliš. Izračunali smo da bi uzgoj lipidkana koji sadrži 20 posto nafte bio pet puta profitabilniji po jutru od soje, glavne sirovine koja se trenutno koristi za proizvodnju biodizela u Sjedinjenim Državama, i dvostruko profitabilnije po hektaru kao kukuruz.

Da bi bio održivo, gorivo za bio-mlaz mora također biti ekonomično za obradu i imati visoke proizvodne prinose koji minimiziraju korištenje obradivih površina. Procjenjujemo da u usporedbi sa sojom, lipidkane koji sadrže 5 posto nafte mogu proizvesti četiri puta više mlaznog goriva po hektaru zemlje. Lipidkane s 20 posto ulja mogu proizvesti više od 15 puta više mlaznog goriva po jutru.

Lipidkane nude i druge energetske prednosti. Dijelovi biljke koji su ostali nakon vađenja soka, poznatiji kao bagasse, mogu se spaliti za proizvodnju pare i struje. Prema našoj analizi, to bi generiralo više nego dovoljno struje za pogon biorazgradnje, tako da bi se višak energije mogao prodati u mrežu, zamjenjujući električnu energiju proizvedenu iz fosilnih goriva - što je praksa koja se već koristi u nekim tvornicama u Brazilu za proizvodnju etanola iz šećerne trske.

Potencijalni usjev bioenergije u SAD-u

Šećerni trs uspijeva na marginalnom zemljištu koje nije pogodno za mnoge prehrambene usjeve. Trenutno se uzgaja uglavnom u Brazilu, Indiji i Kini. Također smo inžinjerski lipidni kamen koji je hladnije tolerantniji, tako da se može povećati, osobito u jugoistočnim SAD-u na nedovoljno iskorištenom zemljištu.

Ako smo u jugoistočnom SAD-u posvetili 23 milijuna hektara lipidcanu s 20 posto nafte, procjenjujemo da bi ovaj usjev mogao proizvesti 65 posto zaliha američkog mlaznog goriva. Trenutno, u trenutnim dolarima, to bi gorivo koštalo aviokompanije 5,31 dolara po galonu, što je manje od bio-jet goriva proizvedenog od algi ili drugih uljarica, kao što su soja, uljana repica ili palmino ulje.

Lipidcane se također može uzgajati u Brazilu i drugim tropskim područjima. Kao što smo nedavno izvijestili u Nature Climate Change, značajno povećanje proizvodnje šećerne trske ili lipida u Brazilu moglo bi smanjiti trenutne globalne emisije ugljičnog dioksida za do 5,6 posto. To se može postići bez utjecaja na područja koja je brazilska vlada proglasila ekološki osjetljivom, kao što su prašume.

U potrazi za 'energetskim trnom'

Naše istraživanje lipidnih puteva također uključuje genetsko inženjering postrojenja kako bi se učinilo fotosintezom učinkovitijim, što se pretvara u veći rast. U članku iz časopisa Science iz 2016. jedan od nas (Stephen Long) i njegovi kolege iz drugih institucija pokazali su da je povećanje učinkovitosti fotosinteze u lipidcanu povećalo njegov rast za 20 posto. Preliminarna istraživanja i usporedni pokusi na terenu pokazuju da smo poboljšali fotosintetsku učinkovitost šećerne trske za 20 posto, te za gotovo 70 posto u hladnim uvjetima.

Sada naš tim počinje s radom na projektiranju višestruke sorte šećerne trske koju nazivamo "energetski štap" za postizanje veće proizvodnje nafte po hektaru. Imamo više prostora za pokrivanje prije nego što se može komercijalizirati, ali razvoj održive biljke s dovoljno ulja za ekonomičnu proizvodnju biodizela i bio-mlaznog goriva glavni je prvi korak.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Deepaka Kumara, istraživača postdoktorata; Stephen P. Long, profesor biljnih znanosti i biljne biologije; Vijay Singh, profesor poljoprivrednog i biološkog inženjerstva i direktor integriranog istraživačkog laboratorija za bioprocesiranje, Sveučilište Illinois u Urbana-Champaign. Pročitajte izvorni članak ovdje.