Jetbrændstof fra sukkerrør en realistisk udsigt

Luftfartsindustrien producerer 2 procent af de globale menneskeskabte kuldioxidemissioner. Denne andel kan synes relativt lille – for perspektiv, elproduktion og boligopvarmning står for mere end 40 procent – ​​men luftfart er en af ​​verdens hurtigst voksende drivhusgaskilder. Efterspørgslen efter flyrejser forventes at fordobles i løbet af de næste 20 år.

Flyselskaber er under pres for at reducere deres CO2-emissioner, og er meget sårbare over for globale olieprisudsving. Disse udfordringer har ansporet stærk interesse for biomasseafledte jetbrændstoffer. Biojetbrændstof kan fremstilles af forskellige plantematerialer, herunder olieafgrøder, sukkerafgrøder, stivelsesholdige planter og lignocelluloseholdig biomasse, gennem forskellige kemiske og biologiske veje. Imidlertid, teknologierne til at omdanne olie til jetbrændstof er på et mere avanceret udviklingsstadium og giver højere energieffektivitet end andre kilder.

Vi laver sukkerrør, den mest produktive plante i verden, at producere olie, der kan omdannes til bio-jetbrændstof. I en nylig undersøgelse, vi fandt ud af, at brugen af ​​denne konstruerede sukkerrør kunne give mere end 2, 500 liter biojetbrændstof pr. hektar jord. Enkelt sagt, det betyder, at en Boeing 747 kunne flyve i 10 timer på biojetbrændstof produceret på kun 54 acres land. Sammenlignet med to konkurrerende plantekilder, sojabønner og jatropha, lipidcan ville producere omkring 15 og 13 gange så meget jetbrændstof pr. landenhed, henholdsvis.

Oprettelse af dobbelt-formål sukkerrør

Biojetbrændstoffer afledt af olierige råstoffer, såsom camelina og alger, er blevet testet med succes i proof of concept-flyvninger. American Society for Testing and Materials har godkendt en 50:50 blanding af petroleumsbaseret jetbrændstof og hydroforarbejdet vedvarende jetbrændstof til kommercielle og militære flyvninger.

Imidlertid, selv efter betydelige forsknings- og kommercialiseringsindsatser, nuværende produktionsmængder af biojetbrændstof er meget små. Fremstilling af disse produkter i større skala vil kræve yderligere teknologiforbedringer og rigelige lavprisråvarer (afgrøder, der bruges til at fremstille brændstoffet).

Sukkerrør er en velkendt biobrændstofkilde:Brasilien har gæret sukkerrørjuice for at lave alkoholbaseret brændstof i årtier. Ethanol fra sukkerrør giver 25 procent mere energi end den mængde, der bruges under produktionsprocessen, og reducerer udledningen af ​​drivhusgasser med 12 procent sammenlignet med fossile brændstoffer.

Vi spekulerede på, om vi kunne øge anlæggets naturlige olieproduktion og bruge olien til at producere biodiesel, hvilket giver endnu større miljøfordele. Biodiesel giver 93 procent mere energi, end der kræves for at lave det, og reducerer emissionerne med 41 procent sammenlignet med fossile brændstoffer. Ethanol og biodiesel kan begge bruges i bio-jetbrændstof, men teknologierne til at omdanne plante-afledt olie til jetbrændstof er på et fremskredent udviklingsstadium, giver høj energieffektivitet og er klar til udrulning i stor skala.

Da vi først foreslog at lave sukkerrør til at producere mere olie, nogle af vores kolleger troede, vi var skøre. Sukkerrørsplanter indeholder kun 0,05 procent olie, som er alt for lidt til at omdanne til biodiesel. Mange planteforskere teoretiserede, at en forøgelse af mængden af ​​olie til 1 procent ville være giftig for planten, men vores computermodeller forudsagde, at vi kunne øge olieproduktionen til 20 procent.

Med støtte fra Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy, vi lancerede et forskningsprojekt kaldet Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS, i 2012. Siden da har gennem genteknologi har vi øget produktionen af ​​olie og fedtsyrer for at opnå 12 procent olie i bladene af sukkerrør.

Nu arbejder vi på at opnå 20 procent olie – den teoretiske grænse, ifølge vores computermodeller – og målrette denne olieophobning til plantens stængel, hvor den er mere tilgængelig end i bladene. Vores foreløbige forskning har vist, at selvom de konstruerede anlæg producerer mere olie, de fortsætter med at producere sukker. Vi kalder disse konstruerede planter lipidcan.

Flere produkter fra lipidcane

Lipidcane giver mange fordele for landmænd og miljø. Vi beregner, at dyrkning af lipidcan indeholdende 20 procent olie ville være fem gange mere rentabelt pr. hektar end sojabønner, det vigtigste råmateriale, der i øjeblikket bruges til at fremstille biodiesel i USA, og dobbelt så rentabel per hektar som majs.

For at være bæredygtig, biojetbrændstof skal også være økonomisk at forarbejde og have høje produktionsudbytter, der minimerer brugen af ​​agerjord. Vi vurderer, at sammenlignet med sojabønner, lipidcan indeholdende 5 procent olie kunne producere fire gange mere jetbrændstof pr. hektar jord. Lipidcane med 20 procent olie kunne producere mere end 15 gange mere jetbrændstof pr.

Og lipidcan tilbyder andre energifordele. De plantedele, der er tilbage efter saftekstraktion, kendt som bagasse, kan brændes for at producere damp og elektricitet. Ifølge vores analyse, dette ville generere mere end nok elektricitet til at drive bioraffinaderiet, så overskydende strøm kunne sælges tilbage til nettet, at fortrænge elektricitet produceret fra fossile brændstoffer - en praksis, der allerede bruges i nogle fabrikker i Brasilien til at producere ethanol fra sukkerrør.

En potentiel amerikansk bioenergiafgrøde

Sukkerrør trives på marginalt land, der ikke er egnet til mange fødevareafgrøder. I øjeblikket dyrkes det hovedsageligt i Brasilien, Indien og Kina. Vi udvikler også lipidcan til at være mere kuldetolerant, så det kan dyrkes bredere, især i det sydøstlige USA på underudnyttet jord.

Hvis vi afsatte 23 millioner acres i det sydøstlige USA til lipidcane med 20 procent olie, vi vurderer, at denne afgrøde kan producere 65 procent af den amerikanske jetbrændstofforsyning. I øjeblikket, i nuværende dollars, at brændstof ville koste flyselskaberne 5,31 USD pr. gallon, som er mindre end biojetbrændstof fremstillet af alger eller andre olieafgrøder såsom sojabønner, raps eller palmeolie.

Lipidcane kunne også dyrkes i Brasilien og andre tropiske områder. Som vi for nylig rapporterede i Nature Climate Change, en betydelig udvidelse af produktionen af ​​sukkerrør eller lipidcan i Brasilien kan reducere de nuværende globale kuldioxidemissioner med op til 5,6 procent. Dette kunne opnås uden at påvirke områder, som den brasilianske regering har udpeget som miljøfølsomme, såsom regnskov.

I jagten på 'energycane'

Vores forskning i lipidcan omfatter også gensplejsning af planten for at få den til at fotosyntetisere mere effektivt, hvilket udmønter sig i mere vækst. I en artikel fra 2016 i Science, en af ​​os (Stephen Long) og kolleger ved andre institutioner viste, at forbedring af effektiviteten af ​​fotosyntese i lipidcan øgede dens vækst med 20 procent. Foreløbig forskning og side-by-side feltforsøg tyder på, at vi har forbedret den fotosyntetiske effektivitet af sukkerrør med 20 procent, og med næsten 70 procent under kølige forhold.

Nu begynder vores team at arbejde på at udvikle en sort af sukkerrør med højere udbytte, som vi kalder "energirør", for at opnå mere olieproduktion pr. hektar. Vi har mere jord at dække, før det kan kommercialiseres, men at udvikle et levedygtigt anlæg med nok olie til økonomisk at producere biodiesel og biojetbrændstof er et vigtigt første skridt.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.