Mohlo by Jet palivo vyrobené z cukrovej trstiny byť kľúčom k čistejšie let?

Letecký priemysel produkuje 2% celosvetových emisií oxidu uhličitého vyvolaného ľudskou činnosťou. Tento podiel sa môže zdať relatívne malý - perspektíva, výroba elektriny a vykurovanie domácností predstavujú viac ako 40 percent - ale letecká doprava je jedným z najrýchlejšie rastúcich zdrojov skleníkových plynov na svete. Dopyt po leteckej doprave by sa mal v nasledujúcich 20 rokoch zdvojnásobiť.

Letecké spoločnosti sú pod tlakom, aby znížili svoje emisie uhlíka, a sú veľmi zraniteľné voči globálnym výkyvom cien ropy. Tieto výzvy podnietili veľký záujem o prúdové palivá pochádzajúce z biomasy. Bio-prúdové palivo môže byť vyrobené z rôznych rastlinných materiálov, vrátane olejnatých plodín, cukrových plodín, škrobnatých rastlín a lignocelulózovej biomasy, prostredníctvom rôznych chemických a biologických ciest. Technológie na premenu ropy na prúdové palivo sú však v pokročilom štádiu vývoja a prinášajú vyššiu energetickú účinnosť ako iné zdroje.

Sme strojárska cukrová trstina, najproduktívnejšia továreň na svete, ktorá vyrába olej, ktorý sa môže premeniť na bio-prúdové palivo. V nedávnej štúdii sme zistili, že používanie tejto upravenej cukrovej trstiny by mohlo priniesť viac ako 2 500 litrov biopaliva na aker pôdy. Zjednodušene to znamená, že Boeing 747 môže lietať 10 hodín na bio-prúdovom palive vyrobenom na 54 akroch pôdy.V porovnaní s dvomi konkurenčnými rastlinnými zdrojmi, sójovými bôbmi a jatrophou, by lipidcane produkoval približne 15 a 13-násobne viac leteckého paliva na jednotku pôdy.

Vytvorenie dvojúčelovej cukrovej trstiny

Bio-tryskové palivá pochádzajúce zo surovín bohatých na ropu, ako je napríklad camelina a riasy, boli úspešne testované na dôkaz koncepčných letov. Organizácia ASTM International, medzinárodná organizácia pre vývoj noriem, schválila zmes 50:50 ropného paliva na báze ropy a hydrogenovaného obnoviteľného paliva pre komerčné a vojenské lety.

Avšak aj po významnom úsilí v oblasti výskumu a komercializácie sú súčasné výrobné objemy bio-prúdového paliva veľmi malé. Výroba týchto produktov vo väčšom meradle si bude vyžadovať ďalšie technologické vylepšenia a bohaté nízkonákladové suroviny (plodiny používané na výrobu paliva).

Cukrová trstina je dobre známy zdroj biopalív: Brazília fermentuje šťavu z cukrovej trstiny, aby vyrábala alkoholické palivá po celé desaťročia. Etanol z cukrovej trstiny poskytuje o 25 percent viac energie ako množstvo použité počas výrobného procesu a znižuje emisie skleníkových plynov o 12 percent v porovnaní s fosílnymi palivami.

Zaujímalo nás, či by sme mohli zvýšiť produkciu prírodného oleja v továrni a využiť tento olej na výrobu bionafty, čo prináša ešte väčší prínos pre životné prostredie. Bionafta poskytuje o 93 percent viac energie, než je potrebné na jej výrobu, a znižuje emisie o 41 percent v porovnaní s fosílnymi palivami. Etanol a bionafta sa môžu používať v biopalivových palivách, ale technológie na premenu oleja z rastlinného oleja na prúdové palivo sú v pokročilom štádiu vývoja, prinášajú vysokú energetickú účinnosť a sú pripravené na rozsiahle nasadenie.

Keď sme prvýkrát navrhli strojársku cukrovú trstinu na výrobu väčšieho množstva ropy, niektorí naši kolegovia si mysleli, že sme blázon. Rastliny cukrovej trstiny obsahujú len 0,05% ropy, čo je príliš málo na premenu na bionaftu. Mnohí vedci sa domnievali, že zvýšenie množstva ropy na 1% by bolo toxické pre rastlinu, ale naše počítačové modely predpovedali, že by sme mohli zvýšiť produkciu ropy na 20%.

S podporou Ministerstva energetiky pre pokročilé výskumné projekty Agency-Energy sme v roku 2012 spustili výskumný projekt s názvom Rastliny, ktoré majú nahradiť olej v cukrovej trstine a ciroku, alebo PETROSS. Odvtedy sme prostredníctvom genetického inžinierstva zvýšili produkciu ropy a mastných kyselín na dosiahnutie 12% oleja v listoch cukrovej trstiny.

Teraz pracujeme na dosiahnutí 20% ropy - teoretického limitu, podľa našich počítačových modelov - a zamerania tejto akumulácie ropy na stonku rastliny, kde je prístupnejšia ako v listoch. Náš predbežný výskum ukázal, že aj keď umelé rastliny produkujú viac ropy, naďalej produkujú cukor. Nazývame tieto upravené rastliny lipidcane.

Viacnásobné produkty z lipidkanu

Lipidcane ponúka mnoho výhod pre poľnohospodárov a životné prostredie. Vypočítame, že pestovanie lipidkanu obsahujúceho 20% oleja by bolo päťkrát výnosnejšie na aker ako sójové bôby, čo je hlavná surovina, ktorá sa v súčasnosti používa na výrobu bionafty v Spojených štátoch, a dvakrát výnosnejšia na aker ako kukurica.

Aby bolo biomasové palivo trvalo udržateľné, musí byť tiež hospodárne a musí mať vysoké produkčné výnosy, ktoré minimalizujú využívanie ornej pôdy. Odhadujeme, že v porovnaní so sójovými bôbmi by lipidekán obsahujúci 5% ropy mohol produkovať štyrikrát viac leteckého paliva na aker pôdy. Lipidkane s 20% olejom by mohli produkovať viac ako 15-krát viac leteckého paliva na aker.

A lipidcane ponúka ďalšie energetické výhody. Časti rastliny, ktoré zostali po extrakcii šťavy, známe ako bagasse, sa môžu spaľovať na výrobu pary a elektriny. Podľa našej analýzy by to viedlo k vytvoreniu viac ako dostatočnej elektrickej energie na výrobu biorafinérie, takže prebytočná energia by sa mohla predať späť do siete, čím by sa nahradila elektrina vyrobená z fosílnych palív - čo sa už v niektorých zariadeniach v Brazílii používa na výrobu etanolu z cukrovej trstiny.

Potenciálna bioenergetická plodina v USA

Cukrová trstina prosperuje na okrajovej pôde, ktorá nie je vhodná pre mnohé potravinárske plodiny. V súčasnosti sa pestuje hlavne v Brazílii, Indii a Číne. Sme tiež inžinieri lipidcane byť viac tolerantný za studena, takže to môže byť zvýšená viac široko, najmä v juhovýchodnej Spojených štátoch na nevyužitých pozemkov.

Ak by sme venovali 23 miliónov akrov v juhovýchodných Spojených štátoch lipidkanu s 20% olejom, odhadujeme, že táto plodina by mohla produkovať 65 percent dodávky amerického prúdového paliva. V súčasnej dobe, v súčasných dolároch, že palivo by stálo letecké spoločnosti US 5,31 dolárov za galón, čo je menej ako bio-prúdové palivo vyrobené z rias alebo iných olejnatých plodín, ako sú sójové bôby, kanola alebo palmový olej.

Lipidcane sa môže pestovať aj v Brazílii a iných tropických oblastiach. Ako sme nedávno uviedli v Nature Climate Change, výrazné rozšírenie produkcie cukrovej trstiny alebo lipidov v Brazílii by mohlo znížiť súčasné globálne emisie oxidu uhličitého až o 5,6 percenta. To by sa dalo dosiahnuť bez toho, aby zasahovali do oblastí, ktoré brazílska vláda označila za environmentálne citlivé, ako napríklad dažďový prales.

V snahe o „energetickú t

Náš výskum lipidov tiež zahŕňa genetické inžinierstvo rastliny, aby bola fotosyntéza efektívnejšia, čo sa premieta do väčšieho rastu. V článku o vede z roku 2016 jeden z nás (Stephen Long) a kolegovia z iných inštitúcií preukázali, že zlepšenie účinnosti fotosyntézy v lipidkane zvýšilo jeho rast o 20 percent. Predbežný výskum a vedlajšie pokusy vedla po bokoch naznačujú, že sme zlepšili fotosyntetickú účinnosť cukrovej trstiny o 20% a takmer o 70% v chladných podmienkach.

Teraz náš tím začína pracovať na inžinierstve vysoko výnosnej odrody cukrovej trstiny, ktorú nazývame „energetická klenba“, aby sa dosiahla väčšia produkcia ropy na aker. Máme viac základov na pokrytie pred tým, ako sa dá komercializovať, ale rozvoj životaschopného zariadenia s dostatočným množstvom ropy na ekonomickú výrobu bionafty a bio-prúdového paliva je hlavným prvým krokom.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Deepak Kumar, postdoktorandského výskumníka; Stephen P. Long, profesor rastlinnej a rastlinnej biológie; Vijay Singh, profesor poľnohospodárskeho a biologického inžinierstva a riaditeľ integrovaného výskumného laboratória bioprocesov, University of Illinois v Urbane-Champaign. Prečítajte si pôvodný článok.