Przemysł lotniczy wytwarza 2 procent globalnej emisji dwutlenku węgla wywołanej przez człowieka. Ten udział może wydawać się stosunkowo niewielki - z perspektywy czasu wytwarzanie energii elektrycznej i ogrzewanie domu stanowią ponad 40 procent - ale lotnictwo jest jednym z najszybciej rozwijających się źródeł gazów cieplarnianych na świecie. Zapotrzebowanie na podróże lotnicze ma wzrosnąć dwukrotnie w ciągu najbliższych 20 lat.
Linie lotnicze są pod presją ograniczenia emisji dwutlenku węgla i są bardzo podatne na wahania cen ropy naftowej na świecie. Wyzwania te wzbudziły duże zainteresowanie paliwami odrzutowymi pochodzącymi z biomasy. Biopaliwo może być wytwarzane z różnych materiałów roślinnych, w tym roślin oleistych, cukrowych, roślin skrobiowych i biomasy lignocelulozowej, różnymi drogami chemicznymi i biologicznymi. Jednak technologie przetwarzania oleju w paliwo lotnicze są na bardziej zaawansowanym etapie rozwoju i zapewniają wyższą efektywność energetyczną niż inne źródła.
Projektujemy trzcinę cukrową, najbardziej produktywną roślinę na świecie, w celu produkcji oleju, który można przekształcić w paliwo do silników odrzutowych. W ostatnich badaniach odkryliśmy, że użycie tej zmodyfikowanej trzciny cukrowej może dać ponad 2500 litrów paliwa do silników odrzutowych na akr ziemi. Mówiąc prościej, oznacza to, że Boeing 747 mógłby latać przez 10 godzin na paliwie bio-jet wytwarzanym na zaledwie 54 akrach ziemi. W porównaniu do dwóch konkurujących źródeł roślinnych, soi i jatrofy, lipidcane wytwarzałby odpowiednio około 15 i 13 razy więcej paliwa do silników odrzutowych na jednostkę ziemi.
Tworzenie trzciny cukrowej podwójnego zastosowania
Paliwa bio-jet pochodzące z surowców bogatych w ropę, takich jak kamelina i glony, zostały pomyślnie przetestowane w ramach lotów próbnych. Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów zatwierdziło mieszankę 50:50 paliwa odrzutowego na bazie ropy naftowej i hydroprocesorowego odnawialnego paliwa do silników odrzutowych do lotów komercyjnych i wojskowych.
Jednak nawet po znaczących badaniach i staraniach o komercjalizację obecne wielkości produkcji biodiesla są bardzo małe. Wytwarzanie tych produktów na większą skalę będzie wymagało dalszych ulepszeń technologicznych i licznych tanich surowców (upraw używanych do produkcji paliwa).
Trzcina cukrowa jest znanym źródłem biopaliw: Brazylia od dziesięcioleci fermentuje sok z trzciny cukrowej, aby wytwarzać paliwo na bazie alkoholu. Etanol z trzciny cukrowej daje 25 procent więcej energii niż ilość zużywana podczas procesu produkcyjnego i redukuje emisję gazów cieplarnianych o 12 procent w porównaniu z paliwami kopalnymi.
Zbiór trzciny cukrowej w Brazylii (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Zastanawialiśmy się, czy moglibyśmy zwiększyć naturalną produkcję oleju w roślinie i wykorzystać ten olej do produkcji biodiesla, co zapewnia jeszcze większe korzyści dla środowiska. Biodiesel wytwarza 93 procent więcej energii niż jest to konieczne do jego wytworzenia i redukuje emisję o 41 procent w porównaniu z paliwami kopalnymi. Zarówno etanol, jak i biodiesel mogą być stosowane w paliwie do silników odrzutowych, ale technologie przetwarzania oleju roślinnego na paliwo do silników odrzutowych są na zaawansowanym etapie rozwoju, zapewniają wysoką wydajność energetyczną i są gotowe do wdrożenia na dużą skalę.
Kiedy po raz pierwszy zaproponowaliśmy trzcinę cukrową do produkcji większej ilości oleju, niektórzy z naszych kolegów myśleli, że oszaleliśmy. Rośliny trzciny cukrowej zawierają zaledwie 0, 05 procent oleju, który jest zdecydowanie za mało, aby przekształcić je w biodiesel. Wielu naukowców zajmujących się roślinami teoretyzowało, że zwiększenie ilości oleju do 1 procent byłoby toksyczne dla rośliny, ale nasze modele komputerowe przewidywały, że możemy zwiększyć produkcję oleju do 20 procent.
Przy wsparciu Agencji ds. Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Energii-Energii rozpoczęliśmy w 2012 r. Projekt badawczy o nazwie Rośliny zaprojektowane do wymiany oleju w trzcinie cukrowej i sorgo lub PETROSS. Od tego czasu dzięki inżynierii genetycznej zwiększyliśmy produkcję ropy i kwasy tłuszczowe, aby osiągnąć 12 procent oleju w liściach trzciny cukrowej.
Butelka oleju wyprodukowana z lipidanu trzonu PETROSS (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Teraz pracujemy nad osiągnięciem 20 procent oleju - teoretycznego limitu, zgodnie z naszymi modelami komputerowymi - i ukierunkowaniem tej akumulacji oleju na łodygę rośliny, gdzie jest ona bardziej dostępna niż w liściach. Nasze wstępne badania wykazały, że nawet gdy inżynieryjne rośliny produkują więcej oleju, nadal produkują cukier. Te inżynierowane rośliny nazywamy lipidanem.
Wiele produktów z lipidcane
Lipidcane oferuje wiele korzyści dla rolników i środowiska. Obliczamy, że uprawa lipidanu zawierająca 20 procent oleju byłaby pięć razy bardziej opłacalna na akr niż soja, główny surowiec wykorzystywany obecnie do produkcji biodiesla w Stanach Zjednoczonych i dwa razy bardziej opłacalna na hektar niż kukurydza.
Aby być zrównoważonym, biopaliwo musi być również ekonomiczne w przetwarzaniu i mieć wysoką wydajność produkcji, która minimalizuje wykorzystanie gruntów ornych. Szacujemy, że w porównaniu do ziaren soi lipidan zawierający 5% oleju może wyprodukować czterokrotnie więcej paliwa do silników odrzutowych na akr ziemi. Lipidcane z 20 procentami oleju może wyprodukować ponad 15 razy więcej paliwa do silników odrzutowych na akr.
A lipidcane oferuje inne korzyści energetyczne. Części roślin pozostałe po ekstrakcji soku, znane jako wytłoczyny, można spalić, aby wytworzyć parę i energię elektryczną. Zgodnie z naszą analizą wytworzyłoby to więcej niż wystarczającą ilość energii elektrycznej do zasilania biorafinerii, więc nadwyżka energii mogłaby zostać sprzedana z powrotem do sieci, zastępując energię elektryczną wytwarzaną z paliw kopalnych - praktyka ta była już stosowana w niektórych zakładach w Brazylii do produkcji etanolu z trzciny cukrowej.
Potencjalna uprawa bioenergii w USA
Trzcina cukrowa rozwija się na marginalnych terenach, które nie są odpowiednie dla wielu upraw spożywczych. Obecnie uprawia się go głównie w Brazylii, Indiach i Chinach. Konstruujemy również lipidcane, aby był bardziej odporny na zimno, aby mógł być podnoszony na szerszą skalę, szczególnie w południowo-wschodniej części Stanów Zjednoczonych na gruntach nieużywanych.
Mapa rozwijającego się regionu tolerancyjnego na zimno lipidanu (PETROSS) Jeśli przeznaczyliśmy 23 miliony akrów w południowo-wschodniej części Stanów Zjednoczonych na lipidcane z 20 procentami ropy, szacujemy, że plony te mogłyby wyprodukować 65 procent amerykańskiego paliwa do silników odrzutowych. Obecnie, w obecnych dolarach, paliwo to kosztowałoby linie lotnicze 5, 31 USD za galon, czyli mniej niż paliwo bio-jet wytwarzane z alg lub innych roślin oleistych, takich jak soja, rzepak czy olej palmowy.
Lipidcane można również uprawiać w Brazylii i innych obszarach tropikalnych. Jak niedawno informowaliśmy w Nature Climate Change, znaczny wzrost produkcji trzciny cukrowej lub lipidanu w Brazylii może zmniejszyć obecną globalną emisję dwutlenku węgla nawet o 5, 6 procent. Można to osiągnąć bez naruszania obszarów, które rząd Brazylii określił jako wrażliwe dla środowiska, takich jak lasy deszczowe.
W pogoni za „energycane”
Nasze badania nad lipidanem obejmują również genetyczną inżynierię rośliny, aby uczynić ją bardziej efektywnie fotosyntezowaną, co przekłada się na większy wzrost. W artykule Science w 2016 r. Jeden z nas (Stephen Long) i współpracownicy z innych instytucji wykazali, że poprawa wydajności fotosyntezy w tytoniu zwiększyła jego wzrost o 20 procent. Obecnie wstępne badania i równoległe próby terenowe sugerują, że poprawiliśmy wydajność fotosyntezy trzciny cukrowej o 20 procent i prawie o 70 procent w chłodnych warunkach.
Normalna trzcina cukrowa (po lewej) rośnie obok trzciny cukrowej PETROSS, która jest wyraźnie wyższa i bardziej bujna, w próbach polowych na University of Florida. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Teraz nasz zespół rozpoczyna prace nad stworzeniem wydajniejszej odmiany trzciny cukrowej, którą nazywamy „energycane”, w celu uzyskania większej produkcji ropy na akr. Mamy jeszcze więcej do zaoferowania, zanim będzie można je skomercjalizować, ale opracowanie żywotnej rośliny z wystarczającą ilością oleju do ekonomicznej produkcji biodiesla i biodiesla jest ważnym pierwszym krokiem.
Uwaga edytora: artykuł został zaktualizowany w celu wyjaśnienia, że badanie Stephena Longa i innych opublikowane w Science w 2016 r. Dotyczyło poprawy wydajności fotosyntezy u roślin tytoniu.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Deepak Kumar, postdoctoral researcher, University of Illinois at Urbana-Champaign
Stephen P. Long, profesor nauk o uprawach i biologii roślin, University of Illinois at Urbana-Champaign
Vijay Singh, profesor inżynierii rolniczej i biologicznej i dyrektor zintegrowanego laboratorium badawczego bioprzetwarzania, University of Illinois at Urbana-Champaign
