A repülési iparág a globális emberi indukált szén-dioxid-kibocsátás 2% -át termeli. Ez a részarány viszonylag kicsinek tűnik - a villamosenergia-termelés és a ház fűtése több mint 40 százalékot tesz ki -, de a repülés a világ egyik leggyorsabban növekvő üvegházhatású gázforrása. A légi utazás iránti kereslet a következő 20 évben várhatóan megduplázódik.
A légitársaságok nyomást gyakorolnak a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére, és nagyon érzékenyek a globális olajárak ingadozására. Ezek a kihívások ösztönzik a biomasszából származó sugárhajtóművek iránti erős érdeklődést. A bio-sugárhajtású üzemanyagot különféle növényi anyagokból, például olajnövényekből, cukornövényekből, keményítőtartalmú növényekből és lignocellulózos biomasszából állíthatják elő, különféle kémiai és biológiai úton. Az olaj sugárhajtóművé történő átalakításának technológiái azonban fejlettebb fejlesztési szakaszban vannak, és magasabb energiahatékonyságot eredményeznek, mint más források.
Cukornádot tervezünk, a világ legtermékenyebb növényét olyan olaj előállítására, amelyet bio-sugárhajtómű üzemanyaggá lehet alakítani. Egy nemrégiben elvégzett tanulmányban azt találtuk, hogy ennek a műszakilag előállított cukornádnak a felhasználása hektáronként több mint 2500 liter bio-sugárhajtású üzemanyagot eredményezhet. Egyszerűen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy a Boeing 747 10 órán keresztül repülhet mindössze 54 hektáros földterületen előállított bio-sugárhajtású üzemanyaggal. Két versenyző növényforráshoz, a szójababhoz és a jatrophához képest, a lipidcane körülbelül 15-szer és 13-szor annyi sugárhajtóanyagot termelne földterületenként.
Kettős célú cukornád létrehozása
Az olajban gazdag alapanyagokból, például a camelinaból és az algákból származó bio-sugárhajtású üzemanyagokat sikeresen tesztelték a koncepció repülés bizonyításaként. Az Amerikai Vizsgáló és Anyagok Társasága jóváhagyta a kőolaj-alapú sugárhajtómű és a hidrogénnel feldolgozott megújuló sugárhajtómű-keverék 50:50 keverékét kereskedelmi és katonai repülések során.
A bio-sugárhajtású üzemanyagok jelenlegi termelési volumene azonban még a jelentős kutatási és forgalmazási erőfeszítések után is nagyon kicsi. Ezeknek a termékeknek a nagyobb méretben történő elkészítéséhez további technológiai fejlesztésekre és bőséges, olcsó alapanyagokra (az üzemanyag előállításához használt növényekre) van szükség.
A cukornád egy jól ismert bioüzemanyag-forrás: Brazília évtizedek óta erjed a cukornádlét alkohol alapú üzemanyag előállítására. A cukornádból származó etanol 25% -kal több energiát termel, mint a termelési folyamat során felhasznált mennyiség, és 12% -kal csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását a fosszilis üzemanyagokhoz képest.
Cukornád betakarítása Brazíliában (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Azon gondolkodottunk, hogy növelhetjük-e az üzem természetes olajtermelését, és felhasználhatjuk-e az olajat biodízel előállítására, ami még nagyobb környezeti előnyöket jelent. A biodízel 93% -kal több energiát termel, mint amennyi ahhoz szükséges, és 41% -kal csökkenti a kibocsátást a fosszilis üzemanyagokhoz képest. Az etanol és a biodízel egyaránt felhasználható a bio-sugárhajtású üzemanyagokban, de a növényi eredetű olajok sugárhajtóművé történő átalakításának technológiái a fejlett szakaszban vannak, nagy energiahatékonyságot eredményeznek és készen állnak a nagyszabású üzembe helyezésre.
Amikor először javaslatot tettek a cukornád tervezésére, hogy több olajat állítsanak elő, néhány kollégánk úgy gondolta, hogy őrültek vagyunk. A cukornád növények csak 0, 05 százalék olajat tartalmaznak, ami túlságosan kevés ahhoz, hogy biodízelré alakítsák át. Sok növénytudós elmélete szerint az olajmennyiség 1% -ra történő növelése mérgező lenne a növényre, ám számítógépes modelljeink előrevetítették, hogy az olajtermelést 20% -ra növelhetjük.
Az Energiaügyi Minisztérium Fejlett Kutatási Projektek Ügynökségének (Energy-Agency) támogatásával 2012-ben elindítottuk a Cukornád és Sorghum olajhelyettesítésére tervezett növények, vagyis a PETROSS nevű kutatási projektet. Azóta, a géntechnológia révén megnöveljük az olaj és zsírsavak, hogy 12% olajat érjen el a cukornád leveleiben.
Egy üveg olaj PETROSS lipidkánból előállítva (Claire Benjamin / Illinoisi Egyetem, CC BY-ND) Most azon dolgozunk, hogy elérjük a 20 százalékos olajat - az elméleti korlátot a számítógépes modellek szerint -, és ezt az olajfelhalmozódást a növény szárára célozzuk meg, ahol hozzáférhetőbb, mint a levelekben. Előzetes kutatásaink kimutatták, hogy még ha a műszaki növények több olajat termelnek, továbbra is termelik a cukrot. Ezeket a tervezett növényeket lipidkánnak nevezzük.
Több termék lipidkánból
A lipidcane számos előnyt kínál a mezőgazdasági termelők és a környezet számára. Kiszámítottuk, hogy a 20 százalék olajat tartalmazó lipidcane termesztése hektáronként ötször jövedelmezőbb lenne, mint a szójabab, amely az Egyesült Államokban a biodízel előállításához jelenleg fő nyersanyag, és hektáronként kétszer annyira jövedelmezőbb, mint a kukorica.
A fenntarthatóság érdekében a bio-sugárhajtású üzemanyagoknak feldolgozásuknak is gazdaságosnak kell lenniük, és magas termelési hozammal kell rendelkezniük, amely minimalizálja a szántóföld felhasználását. Becslések szerint a szójababhoz képest az 5 százalék olajat tartalmazó lipidkán négy hektárszer sugárhajtóanyagot képes előállítani hektár földönként. A 20% olajjal rendelkező lipidcane hektáronként több mint 15-szer nagyobb sugárhajtómű-üzemanyagot képes előállítani.
A lipidcane más energia előnyeket kínál. A gyümölcskivonás után megmaradt növényi részeket (bagass néven) el lehet égetni gőz és villamos energia előállításához. Elemzésünk szerint ez több mint elegendő villamos energiát termelne a biofinomító működtetéséhez, így a többlet energiát vissza lehetne adni a hálózatnak, a fosszilis tüzelőanyagokból előállított villamos energiát kiszorítva - ez a gyakorlat néhány brazil üzemben etanol előállítására cukornádból történik.
Potenciális amerikai bioenergia-növény
A cukornád szélsőséges földterületen virágzik, amely sok élelmiszer-növény számára nem alkalmas. Jelenleg elsősorban Brazíliában, Indiában és Kínában termesztik. Azt is megtervezzük, hogy a lipidkán jobban hideg-toleráns legyen, így szélesebb körben is felvehető, különösen az Egyesült Államok délkeleti részén, az alig kihasználatlan területeken.
A hidegen toleráns lipidcane (PETROSS) növekvő régiójának térképe Ha az Egyesült Államok délkeleti részén 23 millió hektárt fordítunk 20% olajjal bíró lipidkánra, akkor becslések szerint ez a növény az USA sugárhajtóanyag-ellátásának 65% -át tudná termelni. Jelenleg a jelenlegi dollárban az üzemanyag gallononként 5, 31 USD-t fizetne a légitársaságoknak, ami kevesebb, mint algákból vagy más olajnövényekből, például szójabab, repce vagy pálmaolajból előállított bio-sugárhajtású üzemanyag.
A lipidcane-t Brazíliában és más trópusi területeken is termeszthetik. Amint a közelmúltban beszámoltunk a Nature Climate Change-ban, a brazíliai cukornád- vagy lipidcukor-termelés jelentősen bővülő hatása akár 5, 6 százalékkal csökkentheti a globális szén-dioxid-kibocsátást. Ez úgy érhető el, hogy nem érintjük azokat a területeket, amelyeket a brazil kormány környezettudatosnak nyilvánított, mint például az esőerdők.
Az „energiakád” elérése érdekében
Lipidkaneves kutatásunk magában foglalja a növény géntechnológiáját is, annak érdekében, hogy hatékonyabban fotoszintetizálódjon, ami nagyobb növekedést eredményez. A Science egyik 2016. évi cikkében egyikünk (Stephen Long) és más intézmények munkatársai bebizonyították, hogy a dohányban végzett fotoszintézis hatékonyságának javítása 20% -kal növeli növekedését. Jelenleg az előzetes kutatások és az egymás mellé végzett kísérletek azt sugallják, hogy 20% -kal, hűvös körülmények között pedig közel 70% -kal javítottuk a cukornád fotoszintézis hatékonyságát.
A floridai egyetemen végzett szántóföldi kísérletek során szokásos cukornád (balra) növekszik a mesterségesen látható PETROSS cukornád mellett, amely láthatóan magasabb és bozsább. (Fredy Altpeter / Floridai Egyetem, CC BY-ND) Csapatunk most kezd dolgozni egy magasabb hozamú cukornád-fajta tervezésén, amelyet úgynevezünk, hogy „energiakannának”, hogy több hektáronként olajtermelést érjünk el. Több terepet kell lefednünk, mielőtt forgalomba hozhatnánk, de egy életképes üzem fejlesztése, amely elegendő olajjal rendelkezik a biodízel és a bio-sugárhajtómű üzemanyag előállításához, az első jelentős lépés.
Szerkesztő megjegyzés: Ezt a cikket frissítették annak tisztázása érdekében, hogy Stephen Long és mások által a Science által 2016-ban közzétett tanulmány a dohánynövényekben végzett fotoszintézis hatékonyságának javítását célozta meg.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Deepak Kumar, posztdoktori kutató, Illinoisi Egyetem, Urbana-Champaign
Stephen P. Long, a Urbana-Champaign Illinoisi Egyetem növénytudományi és növénybiológiai professzora
Vijay Singh, a Urbana-Champaign Illinoisi Egyetem Mezőgazdasági és Biológiai Mérnöki Tanszékének, valamint az integrált bioprocesszoros kutatási laboratóriumának igazgatója
