Kunne Jet Fuel Made fra sukkerrør være nøkkelen til renere fly?

Luftfartsindustrien produserer 2 prosent av globale menneskeskapte karbondioksidutslipp. Denne andelen kan virke relativt liten - for perspektiv er elektrisitetsproduksjon og hjemmeoppvarming mer enn 40 prosent - men luftfart er en av verdens raskest voksende klimagasser. Etterspørselen etter flyselskap forventes å doble i de neste 20 årene.

Flyselskapene er under press for å redusere sine karbonutslipp, og er svært utsatt for globale oljeprisfluktuasjoner. Disse utfordringene har spurt sterk interesse for biomass-avledede jetbrensel. Bio-jet brensel kan produseres fra ulike plantematerialer, inkludert oljeavlinger, sukkeravlinger, stivelsesholdige planter og lignocellulosic biomasse, gjennom ulike kjemiske og biologiske veier. Teknologiene for å konvertere olje til jetbrensel er imidlertid på et mer avansert stadium i utviklingen og gir høyere energieffektivitet enn andre kilder.

Vi er engineering sukkerrør, den mest produktive fabrikken i verden, for å produsere olje som kan omdannes til bio-jet brensel. I en nylig studie fant vi at bruk av denne utviklede sukkerrøret kunne gi mer enn 2500 liter bio-jetbrensel pr. Hektar land. Enkelt sagt betyr dette at en Boeing 747 kunne fly i 10 timer på bio-jetbrensel produsert på bare 54 hektar land.Sammenliknet med to konkurrerende plantekilder, soyabønner og jatropha, ville lipidkan produsere ca. 15 og 13 ganger så mye jetbrensel pr.

Opprette dual-purpose sukkerrør

Bio-jet brensel avledet av oljerike råvarer, som for eksempel kamelina og alger, har blitt testet med suksess for konvensjonelle fly. ASTM International, en global standard utviklingsorganisasjon, har godkjent en 50:50 blanding av petroleumsbasert jetbrensel og hydroprosessert fornybart jetbrensel for kommersielle og militære flyvninger.

Men selv etter betydelig forskning og kommersialisering innsats, er dagens produksjonsvolumer av bio-jet drivstoff svært liten. Å gjøre disse produktene i større målestokk vil kreve ytterligere teknologiske forbedringer og rikholdige råmaterialer (avlinger som brukes til å produsere drivstoffet).

Sukkerrør er en velkjent biodrivstoffkilde: Brasil har giset sukkerrørjuice for å lage alkoholbasert brensel i flere tiår. Etanol fra sukkerrør gir 25 prosent mer energi enn mengden som brukes under produksjonsprosessen, og reduserer klimagassutslippene med 12 prosent sammenlignet med fossilt brensel.

Vi lurte på om vi kunne øke anleggets naturlige oljeproduksjon og bruke oljen til å produsere biodiesel, noe som gir enda større miljøfordeler. Biodiesel gir 93 prosent mer energi enn det som kreves for å gjøre det, og reduserer utslippene med 41 prosent sammenlignet med fossilt brensel. Etanol og biodiesel kan begge brukes i bio-jet brensel, men teknologiene for å omdanne planteavledet olje til jetbrensel er i et avansert utviklingsstadium, gir høy energieffektivitet og er klar for stor distribusjon.

Da vi først foreslo engineering sugarcane å produsere mer olje, trodde noen av våre kolleger at vi var galne. Sukkerrør planter inneholder bare 0,05 prosent olje, noe som er altfor lite for å konvertere til biodiesel. Mange planteforskere teoretiserte at økende mengde olje til 1 prosent ville være giftig for anlegget, men våre datamodeller forutslo at vi kunne øke oljeproduksjonen til 20 prosent.

Med støtte fra Avdeling for Energi Advanced Research Projects Agency-Energy, lanserte vi et forskningsprosjekt kalt Planter Engineered to Replace Oil in Sugar Cane and Sorghum, eller PETROSS, i 2012. Siden da har vi gjennom genetisk prosjektering økt produksjon av olje og fettsyrer for å oppnå 12 prosent olje i bladene av sukkerrør.

Nå arbeider vi for å oppnå 20 prosent olje - den teoretiske grensen, i henhold til våre datamodeller - og målretter denne oljeakkumuleringen til plantens stamme, der den er mer tilgjengelig enn i bladene. Vår forundersøkelse har vist at selv om de konstruerte plantene produserer mer olje, fortsetter de å produsere sukker. Vi kaller disse konstruerte plantene lipidkan.

Flere produkter fra lipidkan

Lipidkan gir mange fordeler for bønder og miljø. Vi regner med at voksende lipidkan inneholdende 20 prosent olje ville være fem ganger mer lønnsom per acre enn soyabønner, den viktigste råvaren som for tiden brukes til å lage biodiesel i USA, og dobbelt så lønnsom per acre som mais.

For å være bærekraftig må bio-jet brensel også være økonomisk å bearbeide og ha høye produksjonsutbytter som minimerer bruken av dyrkbar jord. Vi estimerer at i sammenligning med soyabønner kan lipidkan inneholdende 5 prosent olje produsere fire ganger mer jetbrensel pr. Hektar land. Lipidkan med 20 prosent olje kunne produsere mer enn 15 ganger mer jet brensel per acre.

Og lipidkan gir andre energiformer. Plantedelen igjen etter juiceutvinning, kjent som bagasse, kan brennes for å produsere damp og elektrisitet. Ifølge vår analyse vil dette generere mer enn nok elektrisitet til å drive bioraffinaderiet, slik at overskuddsmakt kan bli solgt tilbake til nettet, forflytting av elektrisitet produsert av fossile brensler - en praksis som allerede er brukt i noen fabrikker i Brasil for å produsere etanol fra sukkerrør.

En potensiell amerikansk bioenergi avling

Sukkerrør trives på marginalt land som ikke passer for mange matavlinger. For tiden vokser det hovedsakelig i Brasil, India og Kina. Vi er også engineering lipidkan for å være mer kaldtolerant, slik at den kan økes mer, spesielt i det sørøstlige USA på underutnyttet land.

Hvis vi viet 23 millioner hektar i det sørøstlige USA til lipidkan med 20 prosent olje, anslår vi at denne avlingen kunne produsere 65 prosent av den amerikanske jetbrenselforsyningen. For tiden vil dagens brensel koste dagens flyselskap 5,31 dollar per gallon, noe som er mindre enn bio-jetbrensel produsert av alger eller andre oljeavlinger som soyabønner, canola eller palmeolje.

Lipidkan kan også dyrkes i Brasil og andre tropiske områder. Som vi nylig rapporterte om i Natur Klimaendring, kunne det øke sannsynligheten for å øke sukkerrørene eller lipidkanproduksjonen i Brasil betydelig, med dagens globale kullsyreutslipp med opptil 5,6 prosent. Dette kan oppnås uten å påvirke områder som den brasilianske regjeringen har utpekt som miljøfølsom, for eksempel regnskog.

I jakten på "energycane"

Vår lipidkanforskning inkluderer også genetisk prosessering av anlegget for å gjøre det fotosyntetiseres mer effektivt, noe som betyr mer vekst. I en 2016 artikkel i Science viste en av oss (Stephen Long) og kollegaer på andre institusjoner at forbedring av effektiviteten av fotosyntese i lipidkan økte veksten med 20 prosent. Foreløpig forskning og side-by-side feltforsøk tyder på at vi har forbedret den fotosyntetiske effektiviteten av sukkerrør med 20 prosent, og med nesten 70 prosent i kjølige forhold.

Nå begynner vårt team å utvikle et høyere utvalg av sukkerrør som vi kaller "energycane" for å oppnå mer oljeproduksjon per acre. Vi har mer grunn til å dekke før det kan kommersialiseres, men å utvikle en levedyktig plante med nok olje til å produsere biodiesel og bio-jet brensel er et viktig første skritt.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Deepak Kumar, postdoktorale forsker; Stephen P. Long, professor i avlsvitenskap og plantebiologi; Vijay Singh, professor i landbruks- og bioteknikk og direktør for integrert bioprosessforskningslaboratorium, University of Illinois i Urbana-Champaign. Les den opprinnelige artikkelen her.