Mohl by být proud paliva z cukrové třtiny klíčem k čistšímu letu?

Letecký průmysl produkuje 2% globálních emisí oxidu uhličitého vyvolaného lidmi. Tento podíl se může jevit jako poměrně malý - z hlediska perspektivy výroby elektřiny a vytápění domácností tvoří více než 40 procent - ale letectví je jedním z nejrychleji rostoucích zdrojů skleníkových plynů na světě. Poptávka po letecké dopravě by se měla v příštích 20 letech zdvojnásobit.

Letecké společnosti jsou pod tlakem, aby snížily své emise uhlíku, a jsou velmi zranitelné vůči celosvětovým výkyvům cen ropy. Tyto výzvy vyvolaly silný zájem o proudová paliva z biomasy. Bio-jet palivo může být produkováno od různých rostlinných materiálů, včetně olejnatých plodin, cukrových plodin, škrobových rostlin a lignocelulózové biomasy, přes různé chemické a biologické cesty. Technologie přeměny ropy na proudové palivo jsou však v pokročilejší fázi vývoje a poskytují vyšší energetickou účinnost než jiné zdroje.

Jsme strojírenská cukrová třtina, nejproduktivnější továrna na světě, která vyrábí olej, který lze přeměnit na bio-tryskové palivo. V nedávné studii jsme zjistili, že použití této upravené cukrové třtiny by mohlo přinést více než 2500 litrů biopaliva na akr půdy. Zjednodušeně řečeno to znamená, že Boeing 747 může letět 10 hodin na bio-tryskové palivo vyrobené na pouhých 54 akrech půdy.Ve srovnání se dvěma konkurenčními rostlinnými zdroji, sójovými boby a jatrophou, by lipidcane vyprodukoval asi 15 a 13krát více tryskového paliva na jednotku půdy.

Vytvoření dvouúčelové cukrové třtiny

Bio-trysková paliva odvozená od surovin bohatých na ropu, jako je kamélie a řasy, byla úspěšně testována na důkazech konceptních letů. Organizace ASTM International, mezinárodní organizace pro vývoj norem, schválila 50:50 směs leteckého paliva na bázi ropy a vodního paliva pro komerční a vojenské lety.

Nicméně i po významném úsilí v oblasti výzkumu a komercializace jsou současné výrobní objemy bio-jetového paliva velmi malé. Výroba těchto výrobků ve větším měřítku bude vyžadovat další technologická vylepšení a bohaté levné suroviny (plodiny používané k výrobě paliva).

Cukrová třtina je známým zdrojem biopaliv: Brazílie již desetiletí fermentuje šťávu z cukrové třtiny, aby vyráběla palivo na bázi alkoholu. Ethanol z cukrové třtiny poskytuje o 25 procent více energie než množství použité během výrobního procesu a snižuje emise skleníkových plynů o 12 procent ve srovnání s fosilními palivy.

Přemýšleli jsme, zda bychom mohli zvýšit produkci přírodního oleje v továrně a využít tento olej k výrobě bionafty, což přináší ještě větší přínos pro životní prostředí. Bionafta produkuje o 93 procent více energie, než je zapotřebí k jejímu snížení, a snižuje emise o 41 procent ve srovnání s fosilními palivy. Ethanol a bionafta mohou být používány jak v bio-tryskovém palivu, tak technologie pro přeměnu oleje odvozeného z rostlin na tryskové palivo jsou v pokročilém stadiu vývoje, poskytují vysokou energetickou účinnost a jsou připraveny pro rozsáhlé nasazení.

Když jsme poprvé navrhli strojírenskou cukrovou třtinu na výrobu více ropy, někteří z našich kolegů si mysleli, že jsme blázni. Rostliny cukrové třtiny obsahují jen 0,05% oleje, což je příliš málo na to, aby se přeměnilo na bionaftu. Mnozí vědci se domnívali, že zvýšení množství ropy na 1% by bylo pro závod toxické, ale naše počítačové modely předpovídaly, že bychom mohli zvýšit produkci ropy na 20%.

S podporou Ministerstva energetiky pro pokročilé výzkumné projekty Agency-Energy jsme v roce 2012 zahájili výzkumný projekt s názvem Rostliny, které mají nahradit olej v cukrové třtině a čiroku nebo PETROSS. Od té doby jsme prostřednictvím genetického inženýrství zvýšili produkci ropy a mastných kyselin k dosažení 12% oleje v listech cukrové třtiny.

Nyní pracujeme na dosažení 20% ropy - teoretického limitu, podle našich počítačových modelů - a cílení této akumulace ropy na stonek rostliny, kde je přístupnější než v listech. Náš předběžný průzkum ukázal, že i když umělé rostliny produkují více ropy, nadále produkují cukr. Tyto inženýrské rostliny nazýváme lipidcane.

Více produktů z lipidcane

Lipidcane nabízí mnoho výhod pro zemědělce a životní prostředí. My počítáme, že rostoucí lipidcane obsahovat 20% oleje by byl pětkrát více rentabilní na akr než sójové boby, hlavní surovina v současné době používá k výrobě bionafty ve Spojených státech, a dvakrát tak ziskové na akr jako kukuřice.

Aby bylo bioplynové palivo udržitelné, musí být také hospodárné a musí mít vysoké výrobní výnosy, které minimalizují využívání orné půdy. Odhadujeme, že ve srovnání se sojovými boby, lipidcane obsahující 5% ropy by mohly produkovat čtyřikrát více leteckého paliva na akr půdy. Lipidcane s 20% olejem by mohl produkovat více než 15 krát větší proudové palivo na akr.

A lipidcane nabízí další energetické výhody. Části rostlin, které zůstaly po extrakci šťávy, známé jako bagasse, mohou být spáleny za účelem výroby páry a elektřiny. Podle naší analýzy by to vytvořilo více než dostatek elektřiny pro výrobu biorafinérie, takže přebytečná energie by mohla být prodána zpět do rozvodné sítě, což by vytlačilo elektřinu vyrobenou z fosilních paliv - což je praxe, která se již v některých závodech v Brazílii používá na výrobu etanolu z cukrové třtiny.

Potenciální plodina pro bioenergii USA

Cukrová třtina prospívá na okrajové půdě, která není vhodná pro mnoho potravinářských plodin. V současné době se pěstuje hlavně v Brazílii, Indii a Číně. Jsme také inženýrství lipidcane být více chladný-tolerantní tak to to může být zvýšeno více široce, obzvláště v southeastern Spojených státech na underutilized zemi.

Pokud bychom věnovali 23 miliónů akrů v jihovýchodních Spojených státech lipidcane s 20% ropy, odhadujeme, že tato plodina by mohla produkovat 65% americké dodávky paliva. V současné době, v běžných dolarech, že palivo by stálo letecké společnosti 5,31 USD za galon, což je méně než bio-tryskové palivo vyrobené z řas nebo jiných olejnatých plodin, jako jsou sójové boby, řepka nebo palmový olej.

Lipidcane může být také pěstován v Brazílii a dalších tropických oblastech. Jak jsme nedávno uvedli v Nature Climate Change, výrazné rozšíření produkce cukrové třtiny nebo lipidů v Brazílii by mohlo snížit současné globální emise oxidu uhličitého až o 5,6 procenta. Toho lze dosáhnout bez dopadu na oblasti, které brazilská vláda označila za ekologicky citlivé, jako je například deštný prales.

Ve snaze o „energetickou t

Náš výzkum lipidů také zahrnuje genetické inženýrství rostliny, aby byla fotosyntetizována efektivněji, což se promítá do většího růstu. V článku z roku 2016 ve vědě jeden z nás (Stephen Long) a kolegové z jiných institucí ukázali, že zlepšení účinnosti fotosyntézy v lipidcane zvýšilo jeho růst o 20 procent. Předběžný výzkum a terénní pokusy vedly vedle sebe k závěru, že jsme zlepšili fotosyntetickou účinnost cukrové třtiny o 20% a téměř o 70% v chladných podmínkách.

Náš tým nyní začíná pracovat na výrobě vysoce výnosné odrůdy cukrové třtiny, kterou nazýváme „energetická klenba“, aby se dosáhlo větší produkce ropy na akr. Máme více základů, než se bude moci prodávat, ale rozvoj životaschopného závodu s dostatečným množstvím ropy pro ekonomickou produkci bionafty a bioplynového paliva je významným prvním krokem.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Deepak Kumar, postdoktorandského výzkumného pracovníka; Stephen P. Long, profesor rostlinných věd a rostlinné biologie; Vijay Singh, profesor zemědělského a biologického inženýrství a ředitel integrované výzkumné laboratoře pro bioprocesory, University of Illinois v Urbana-Champaign. Přečtěte si originální článek zde.