Zrakoplovna industrija proizvodi 2 posto globalne emisije ugljičnog dioksida izazvane čovjekom. Taj se udio može činiti relativno malim - perspektivno, proizvodnja električne energije i grijanja kuća čini više od 40 posto - ali zrakoplovstvo je jedan od najbrže rastućih izvora stakleničkih plinova na svijetu. Predviđa se da će se potražnja za zračnim putovanjem udvostručiti u narednih 20 godina.
Zrakoplovne tvrtke su pod pritiskom da smanje svoju emisiju ugljika i vrlo su osjetljive na globalna kolebanja cijena nafte. Ti su izazovi potaknuli veliko zanimanje za mlazna goriva dobivena iz biomase. Bio-mlazno gorivo može se proizvesti iz različitih biljnih materijala, uključujući uljane kulture, šećerne kulture, škrobne biljke i lignocelulozne biomase, na različite kemijske i biološke načine. Međutim, tehnologije za pretvaranje nafte u mlazno gorivo u naprednijoj su fazi razvoja i daju veću energetsku učinkovitost od ostalih izvora.
Inženjeriramo šećernu trsku, najproduktivniju tvornicu na svijetu, za proizvodnju ulja koja se može pretvoriti u bio-mlazno gorivo. U nedavnoj studiji otkrili smo da upotreba ove projektirane šećerne trske može donijeti više od 2500 litara bio-mlaznog goriva po hektaru zemlje. Jednostavno rečeno, to znači da bi Boeing 747 mogao letjeti 10 sati na bio-mlaznom gorivu proizvedenom na samo 54 hektara zemlje. U odnosu na dva konkurentna biljna izvora, soju i jatrofu, lipidkan bi proizveo oko 15 i 13 puta više mlaznog goriva po jedinici zemlje.
Stvaranje dvostrane šećerne trske
Bio-mlazna goriva dobivena iz sirovina bogatih naftom, poput kamelija i algi, uspješno su testirana u dokazu konceptnih letova. Američko društvo za ispitivanje i materijale odobrilo je mješavinu mlaznog goriva na bazi petroleja i obnovljivog mlaznog goriva od 50:50 za komercijalne i vojne letove.
Međutim, čak i nakon značajnih istraživanja i komercijalizacijskih napora, trenutna količina proizvodnje bio-mlaznog goriva je vrlo mala. Proširenje ovih proizvoda zahtijevat će daljnja poboljšanja tehnologije i obilne niskotarifne sirovine (usjevi koji se koriste za proizvodnju goriva).
Šećerna trska je poznati izvor biogoriva: Brazil je desetljećima fermentirao sok od šećerne trske da bi napravio gorivo na bazi alkohola. Etanol iz šećerne trske daje 25 posto više energije od količine korištene tijekom procesa proizvodnje, a smanjuje emisiju stakleničkih plinova za 12 posto u usporedbi s fosilnim gorivima.
Berba šećerne trske u Brazilu (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Pitali smo se možemo li povećati proizvodnju prirodnog ulja u biljci i koristiti ga za proizvodnju biodizela, što daje još veće koristi za okoliš. Biodizel daje 93 posto više energije nego što je potrebno da se napravi i smanji emisije za 41 posto u usporedbi s fosilnim gorivima. Etanol i biodizel mogu se koristiti u bio-mlaznom gorivu, ali tehnologije za pretvaranje biljnog ulja u mlazno gorivo su u naprednoj fazi razvoja, daju visoku energetsku učinkovitost i spremne su za veliku uporabu.
Kada smo prvi put predložili inženjersku šećernu trsku za proizvodnju više ulja, neki od naših kolega mislili smo da smo ludi. Biljke šećerne trske sadrže samo 0, 05 posto ulja, što je daleko premalo za pretvorbu u biodizel. Mnogi su biljni znanstvenici teoretizirali kako bi povećanje količine nafte na jedan posto bilo toksično za biljku, ali naši računalni modeli predviđali su da bismo mogli povećati proizvodnju nafte na 20 posto.
Uz podršku Agencije za napredne istraživačke projekte Odjela za energetiku, pokrenuli smo istraživački projekt pod nazivom „Biljke inženjerke za zamjenu ulja u šećernoj trsci i sirevu“, ili PETROSS, 2012. Od tada smo genetskim inženjeringom povećali proizvodnju nafte i masne kiseline kako bi se postiglo 12 posto ulja u lišću šećerne trske.
Boca ulja proizvedena od PETROSS lipidkana (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Sada radimo na postizanju 20-postotne nafte - teorijskoj granici, prema našim računalnim modelima - i usmjeravamo ovu akumulaciju ulja do stabljike biljke, gdje je ona pristupačnija nego lišću. Naše preliminarno istraživanje pokazalo je da, čak i dok tvornice tvornice proizvode više ulja, oni i dalje proizvode šećer. Te biljke projektirane nazivamo lipidkanom.
Višestruki proizvodi od lipidkana
Lipidcane nudi mnoge prednosti za poljoprivrednike i okoliš. Računamo da bi uzgoj lipida koji sadrži 20 posto ulja bio pet puta isplativiji po jutru nego soja, glavna sirovina koja se trenutno koristi u proizvodnji biodizela u SAD-u i dvostruko profitabilnija po hektaru od kukuruza.
Da bi bio održivo, bio-mlazno gorivo također mora biti ekonomično obrađivati i imati visoke proizvodne prinose koji smanjuju upotrebu obradivog zemljišta. Procjenjujemo da bi u usporedbi sa sojom lipidkan koji sadrži 5 posto ulja mogao proizvesti četiri puta više mlaznog goriva po hektaru zemlje. Lipidcane s 20 posto ulja mogao bi proizvesti više od 15 puta više mlaznog goriva po jutru.
A lipidkan nudi i druge energetske prednosti. Dijelovi biljke preostali nakon ekstrakcije soka, poznati kao bagasse, mogu se spaliti da bi se proizvela para i električna energija. Prema našoj analizi, to bi stvorilo više nego dovoljno električne energije za napajanje biorefinerije, pa bi se višak snage mogao prodati natrag u mrežu, istiskujući električnu energiju proizvedenu iz fosilnih goriva - praksa koja se već koristi u nekim postrojenjima u Brazilu za proizvodnju etanola iz šećerne trske.
Potencijalna američka bioenergetska kultura
Šećerna sorta uspijeva na marginalnom zemljištu koje nije pogodno za mnoge usjeve hrane. Trenutno se uzgaja uglavnom u Brazilu, Indiji i Kini. Također gradimo lipidkan kako bi bio podnošljiviji na hladnoću tako da ga možemo širiti na široko, osobito u jugoistočnom dijelu Sjedinjenih Država na nedovoljno iskorištenom zemljištu.
Karta područja uzgoja hladno tolerantnog lipidkana (PETROSS) Ako bismo 23 milijuna hektara u jugoistočnom dijelu SAD-a posvetili lipidanu s 20 posto nafte, procjenjujemo da bi taj usjev mogao proizvesti 65 posto američke zalihe mlaznog goriva. Trenutno, u trenutnim dolarima, to bi gorivo koštalo aviokompanije 5, 31 USD po galonu, što je manje od bio-mlaznog goriva proizvedenog iz algi ili drugih uljarica, poput soje, uljane repice ili palminog ulja.
Lipidcane bi se mogao uzgajati i u Brazilu i drugim tropskim područjima. Kao što smo nedavno izvijestili u Nature Climate Change, značajno širenje proizvodnje šećerne trske ili lipidkana u Brazilu moglo bi smanjiti trenutnu globalnu emisiju ugljičnog dioksida za 5, 6 posto. To bi se moglo postići bez utjecaja na područja koja je brazilska vlada odredila kao ekološki osjetljiva, poput prašuma.
U potrazi za 'energetskim kanalom'
Naše istraživanje lipidana sadrži i genetički inženjering biljke kako bi je učinio fotosintetizirajućom, što znači i veći rast. U članku iz 2016. iz Science, jedan od nas (Stephen Long) i kolege iz drugih institucija pokazali su da je poboljšanje učinkovitosti fotosinteze duhana povećalo njegov rast za 20 posto. Trenutno preliminarna istraživanja i bočna polja ispitivanja pokazuju da smo poboljšali fotosintetsku učinkovitost šećerne trske za 20 posto, a u hladnim uvjetima za gotovo 70 posto.
Normalna šećerna trska (lijevo) raste pored projektirane PETROSS šećerne trske, koja je vidno viša i gipka, u pokusima na Sveučilištu Florida. (Fredy Altpeter / Sveučilište na Floridi, CC BY-ND) Sada naš tim započinje s izrađivanjem više prinoseće vrste šećerne trske koju nazivamo „energetska trska“ kako bi se postigla veća proizvodnja ulja po jutru. Imamo više materijala za pokrivanje prije nego što se komercijalizira, ali razvoj održivog postrojenja s dovoljno ulja za ekonomski proizvodnju biodizela i bio-mlaznog goriva glavni je prvi korak.
Napomena urednika: Ovaj je članak ažuriran kako bi se razjasnilo da je studija Stephena Long-a i drugih objavljena u Science- u 2016. uključivala poboljšanje učinkovitosti fotosinteze u biljkama duhana.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Deepak Kumar, postdoktorski istraživač, Sveučilište Illinois u Urbana-Champaign
Stephen P. Long, profesor poljoprivednih znanosti i biologije biljaka na Sveučilištu Illinois u Urbana-Champaign
Vijay Singh, profesor poljoprivrednog i biološkog inženjerstva i direktor Integriranog laboratorija za istraživanje bioprocesiranja na Sveučilištu Illinois u Urbana-Champaign
