Industria aviației produce 2% din emisiile globale de dioxid de carbon induse de om. Această pondere poate părea relativ mică - pentru perspectivă, generarea de energie electrică și încălzirea pentru locuințe reprezintă mai mult de 40 la sută - dar aviația este una dintre sursele de gaze cu efect de seră cu cea mai rapidă creștere din lume. Cererea de călătorie aeriană se va dubla în următorii 20 de ani.
Companiile aeriene sunt sub presiune pentru a-și reduce emisiile de carbon și sunt foarte vulnerabile la fluctuațiile globale ale prețului petrolului. Aceste provocări au stârnit un interes puternic pentru combustibilii cu jet pe bază de biomasă. Combustibilul cu jet bio poate fi produs din diferite materiale vegetale, inclusiv culturi de ulei, culturi de zahăr, plante de amidon și biomasă lignocelulozică, prin diverse căi chimice și biologice. Cu toate acestea, tehnologiile de transformare a uleiului în combustibil cu jet sunt într-un stadiu mai avansat de dezvoltare și produc o eficiență energetică mai mare decât alte surse.
Suntem inginerie de zahăr, cea mai productivă plantă din lume, pentru a produce ulei care poate fi transformat în biocombustibil. Într-un studiu recent, am descoperit că utilizarea acestei canule de zahăr proiectate ar putea produce mai mult de 2.500 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 cu combustibil bio-jet produs pe doar 54 de acri de pământ. Comparativ cu două surse de plante concurente, soia și jatropha, lipidcanul ar produce de aproximativ 15 și respectiv 13 ori mai mult combustibil jet pe unitate de teren.
Crearea unei canale de zahăr cu scop dublu
Combustibilii cu jet bio, obținuți din materii prime bogate în uleiuri, cum ar fi camelina și algele, au fost testați cu succes în dovada zborurilor conceptuale. Societatea Americană de Testare și Materiale a aprobat un amestec 50:50 de combustibil cu jet pe bază de petrol și combustibil cu jet regenerabil hidroprocesat pentru zboruri comerciale și militare.
Cu toate acestea, chiar și după eforturi importante de cercetare și comercializare, volumele actuale de producție de combustibil bio-jet sunt foarte mici. Fabricarea acestor produse la scară mai mare va necesita îmbunătățiri tehnologice suplimentare și materii prime cu costuri reduse abundente (culturi utilizate pentru fabricarea combustibilului).
Zaharul este o sursă binecunoscută de biocombustibili: Brazilia fermentează suc de cana de zahăr pentru a produce combustibil pe bază de alcool de zeci de ani. Etanolul din cana de zahăr produce cu 25% mai multă energie decât cantitatea folosită în timpul procesului de producție și reduce emisiile de gaze cu efect de seră cu 12% în comparație cu combustibilii fosili.
Recoltarea caninei de zahăr în Brazilia (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Ne-am întrebat dacă putem crește producția de ulei natural a plantei și vom folosi uleiul pentru a produce biodiesel, ceea ce oferă avantaje și mai mari pentru mediu. Biodieselul produce cu 93% mai multă energie decât este necesar pentru a-l produce și reduce emisiile cu 41% în comparație cu combustibilii fosili. Etanolul și biodieselul pot fi ambele utilizate în biocombustibil, dar tehnologiile pentru a converti uleiul derivat din plante în combustibil cu jet sunt într-un stadiu avansat de dezvoltare, produc eficiență energetică ridicată și sunt gata pentru desfășurarea pe scară largă.
Când ne-am propus pentru prima dată mașina de zahăr pentru a produce mai mult ulei, unii dintre colegii noștri au crezut că suntem nebuni. Plantele de zahăr conțin doar 0, 05 la sută ulei, care este mult prea puțin pentru a fi convertit în biodiesel. Mulți oameni de știință din plante au susținut că creșterea cantității de ulei la 1% ar fi toxică pentru plantă, dar modelele noastre de computer au prezis că putem crește producția de ulei la 20%.
Cu sprijinul Agenției Energetice pentru Departamentul de Cercetări Avansate al Departamentului Energiei, am lansat un proiect de cercetare numit Plants Engineered pentru Înlocuirea Petrolului în Sugarcane și Sorg, sau PETROSS, în 2012. De atunci, prin inginerie genetică, am crescut producția de ulei și acizii grași pentru a obține 12% procente de ulei în frunzele cananei de zahăr
O sticlă de ulei produsă din lipidcane PETROSS (Claire Benjamin / Universitatea din Illinois, CC BY-ND) Acum lucrăm pentru a obține 20% la sută - limita teoretică, conform modelelor noastre de computer - și vizăm această acumulare 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. Numim aceste plante proiectate lipidcane.
Mai multe produse din lipidcane
Lipidcane oferă multe avantaje pentru fermieri și mediu. Calculăm că creșterea lipidcanului care conține 20 la sută de ulei ar fi de cinci ori mai rentabilă pe acre decât soia, principalul materie primă folosită în prezent în fabricarea biodieselului în Statele Unite și de două ori mai rentabilă pe acre decât porumbul.
Pentru a fi durabile, combustibilul cu jet bio trebuie să fie, de asemenea, economic pentru a prelucra și a avea un randament ridicat de producție care reduce la minimum utilizarea terenurilor arabile. Estimăm că, în comparație cu soia, lipidcanul care conține 5% ulei ar putea produce de patru ori mai mult combustibil jet pe acre de pământ. Lipidcanul cu 20% procent de ulei ar putea produce de 15 ori mai mult combustibil jet pe acre.
Iar lipidcanul oferă alte avantaje energetice. Piesele plante rămase după extragerea sucului, cunoscute sub numele de bagasse, pot fi arse pentru a produce aburi și electricitate. Conform analizei noastre, aceasta ar genera mai mult decât suficientă energie electrică pentru a alimenta biorefinăria, astfel încât energia excedentară ar putea fi vândută înapoi la rețea, deplasând electricitatea produsă din combustibili fosili - o practică deja folosită în unele fabrici din Brazilia pentru a produce etanol din cana de zahăr.
O potențială cultură a bioenergiei din SUA
Zaharul prospera pe terenurile marginale care nu este potrivit pentru multe culturi alimentare. În prezent este cultivat în principal în Brazilia, India și China. De asemenea, dezvoltăm lipidcane pentru a fi mai toleranți la rece, astfel încât să poată fi ridicat mai larg, în special în sud-estul Statelor Unite, pe terenuri subutilizate.
O hartă a regiunii în creștere a lipidanului tolerant la rece (PETROSS) Dacă am dedicat 23 de milioane de acri în sud-estul Statelor Unite pentru lipidcan cu 20% de ulei, estimăm că această cultură ar putea produce 65% din aprovizionarea cu combustibil cu jet din SUA. În prezent, în dolari actuali, combustibilul ar costa companiilor aeriene 5, 31 USD pe galon, ceea ce este mai mic decât combustibilul cu jet bio produs din alge sau din alte culturi petroliere, precum soia, canola sau uleiul de palmier.
Lipidcanul poate fi cultivat și în Brazilia și în alte zone tropicale. Așa cum am raportat recent în Nature Climate Change, extinderea semnificativă a producției de canane de zahăr sau lipidcane în Brazilia ar putea reduce emisiile actuale globale de dioxid de carbon cu până la 5, 6%. Acest lucru ar putea fi realizat fără a afecta anumite domenii pe care guvernul brazilian le-a desemnat sensibile pentru mediu, cum ar fi pădurea tropicală.
În căutarea „energiei energetice”
Cercetarea noastră pe lipidcane include, de asemenea, inginerie genetică a plantei pentru a o face fotosintetiza mai eficient, ceea ce se traduce într-o creștere mai mare. Într-un articol din 2016 în știință, unul dintre noi (Stephen Long) și colegii de la alte instituții au demonstrat că îmbunătățirea eficienței fotosintezei în tutun și-a mărit creșterea cu 20%. În prezent, cercetările preliminare și studiile de teren alături sugerează că am îmbunătățit eficiența fotosintetică a cananei de zahăr cu 20% și cu aproape 70 la sută în condiții răcoroase.
Canina de zahăr normală (stânga) în creștere pe lângă canina de zahăr PETROSS, care este vizibil mai înaltă și mai densă, în încercările de teren la Universitatea din Florida. (Fredy Altpeter / Universitatea din Florida, CC BY-ND) Acum, echipa noastră începe să lucreze pentru a construi o varietate mai mare de cană de zahăr pe care o numim „energie energetică” pentru a realiza mai multă producție de ulei pe acră. Avem mai mult teren de acoperit înainte de a putea fi comercializate, dar dezvoltarea unei centrale viabile cu suficient ulei pentru a produce economic biodiesel și combustibil bio-jet este un prim pas major.
Nota editorului: Acest articol a fost actualizat pentru a clarifica faptul că studiul lui Stephen Long și alții publicat în Science în 2016 implicau îmbunătățirea eficienței fotosintezei în plantele de tutun.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Deepak Kumar, cercetător postdoctoral, Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign
Stephen P. Long, profesor de științe ale culturii și biologie vegetală, Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign
Vijay Singh, profesor de inginerie agricolă și biologică și director al Laboratorului Integrat de Cercetare în Bioprocesare, Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign
