Luftfartsindustrien produserer 2 prosent av de globale menneskelige induserte karbondioksidutslippene. Denne andelen kan virke relativt liten - for perspektiv, utgjør strømproduksjon og oppvarming av hjemmet mer enn 40 prosent - men luftfarten er en av verdens raskest voksende klimagasser. Etterspørselen etter flyreiser anslås å dobles i løpet av de neste 20 årene.
Flyselskaper er under press for å redusere sine karbonutslipp, og er svært sårbare for globale oljepris svingninger. Disse utfordringene har ansporet sterk interesse for biomasse-avledede jetbrensler. Bio-jet drivstoff kan produseres fra forskjellige plantematerialer, inkludert oljeavlinger, sukkeravlinger, stivelsesholdige planter og lignocellulosisk biomasse, gjennom forskjellige kjemiske og biologiske ruter. Teknologiene for å konvertere olje til jetbrensel er imidlertid på et mer avansert utviklingsstadium og gir høyere energieffektivitet enn andre kilder.
Vi prosjekterer sukkerrør, verdens mest produktive anlegg for å produsere olje som kan gjøres om til bio-jet drivstoff. I en fersk studie fant vi at bruk av denne konstruerte sukkerrøret kunne gi mer enn 2500 liter bio-jet drivstoff per dekar land. Enkelt sagt betyr dette at en Boeing 747 kunne fly i 10 timer på biojet-drivstoff produsert på bare 54 dekar land. Sammenlignet med to konkurrerende anleggskilder, soyabønner og jatropha, ville lipidcane produsere henholdsvis 15 og 13 ganger så mye jetbrensel per enhet.
Lage sukkerrør med to formål
Bio-jet-drivstoff hentet fra oljerike råstoffer, som kamelina og alger, er testet med suksess som bevis på konseptflygninger. American Society for Testing and Materials har godkjent en 50:50 blanding av petroleumsbasert jetbrensel og vannbehandlet fornybart jetbrensel for kommersielle og militære flyreiser.
Selv etter betydelig forsknings- og kommersialiseringsinnsats er dagens produksjonsvolum av bio-jet-drivstoff imidlertid svært liten. Å lage disse produktene i større skala vil kreve ytterligere teknologiforbedringer og rikelig rimelig råstoff (avlinger som brukes til å lage drivstoff).
Sukkerrør er en kjent biodrivstoffkilde: Brasil har fermentert sukkerrørsaft for å lage alkoholbasert drivstoff i flere tiår. Etanol fra sukkerrør gir 25 prosent mer energi enn mengden som ble brukt under produksjonsprosessen, og reduserer klimagassutslipp med 12 prosent sammenlignet med fossilt brensel.
Høsting av sukkerrør i Brasil (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Vi lurte på om vi kunne øke plantens naturlige oljeproduksjon og bruke oljen til å produsere biodiesel, noe som gir enda større miljøgevinst. Biodiesel gir 93 prosent mer energi enn det som kreves for å lage den og reduserer utslippene med 41 prosent sammenlignet med fossilt brensel. Etanol og biodiesel kan begge brukes i bio-jet-drivstoff, men teknologiene for å konvertere plante-avledet olje til jet-drivstoff er i et avansert utviklingsstadium, gir høy energieffektivitet og er klare for storstilt distribusjon.
Da vi først foreslo tekniske sukkerrør for å produsere mer olje, trodde noen av kollegene at vi var gale. Sukkerrørplanter inneholder bare 0, 05 prosent olje, som er altfor lite til å konvertere til biodiesel. Mange planteforskere teoretiserte at å øke mengden olje til 1 prosent ville være giftig for anlegget, men datamaskinmodellene våre spådde at vi kunne øke oljeproduksjonen til 20 prosent.
Med støtte fra Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy, lanserte vi et forskningsprosjekt kalt Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS, i 2012. Siden da har vi gjennom genteknologi økt produksjonen av olje og fettsyrer for å oppnå 12 prosent olje i bladene på sukkerrør.
En flaske olje produsert fra PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Nå jobber vi for å oppnå 20 prosent olje - den teoretiske grensen, i henhold til våre datamodeller - og målrette denne oljeopphopningen mot stammen av anlegget, der den er mer tilgjengelig enn i bladene. Den foreløpige forskningen vår har vist at selv om de konstruerte plantene produserer mer olje, fortsetter de å produsere sukker. Vi kaller disse konstruerte plantene lipidcane.
Flere produkter fra lipidcane
Lipidcane gir mange fordeler for bønder og miljø. Vi beregner at voksende lipidcane som inneholder 20 prosent olje ville være fem ganger mer lønnsomt per dekar enn soyabønner, det viktigste råstoffet som for tiden brukes til å lage biodiesel i USA, og dobbelt så lønnsomt per dekar som mais.
For å være bærekraftig, må bio-jet drivstoff også være økonomisk å bearbeide og ha høye produksjonsutbytter som minimerer bruken av dyrkbar jord. Vi anslår at sammenlignet med soyabønner, kan lipidcane som inneholder 5 prosent olje produsere fire ganger mer jetbrensel per dekar land. Lipidcane med 20 prosent olje kan produsere mer enn 15 ganger mer jetbrensel per dekar.
Og lipidcane tilbyr andre energifordeler. Plantedeler som er til overs etter juiceutvinning, kjent som bagasse, kan brennes for å produsere damp og strøm. I følge analysen vår ville dette generere mer enn nok strøm til å drive bioraffineriet, slik at overskuddskraft kunne selges tilbake til nettet og fortrenge strøm produsert fra fossilt brensel - en praksis som allerede er brukt i noen fabrikker i Brasil for å produsere etanol fra sukkerrør.
En potensiell amerikansk bioenergiavling
Sukkerrøret trives på marginalt land som ikke passer for mange matvekster. For tiden dyrkes det hovedsakelig i Brasil, India og Kina. Vi prosjekterer også lipidcane for å være mer kaldtolerante slik at den kan heves mer, spesielt i det sørøstlige USA på underutnyttet land.
Et kart over den voksende regionen av kaldtolerant lipidcane (PETROSS) Hvis vi viet 23 millioner dekar i det sørøstlige USA til lipidcane med 20 prosent olje, anslår vi at denne avlingen kan produsere 65 prosent av den amerikanske jetbrenselforsyningen. For tiden vil drivstoff i nåværende dollar koste flyselskaper 5, 31 dollar per gallon, noe som er mindre enn biojet-drivstoff produsert fra alger eller andre oljeavlinger som soyabønner, raps eller palmeolje.
Lipidcane kan også dyrkes i Brasil og andre tropiske områder. Som vi nylig rapporterte i Nature Climate Change, kan en betydelig utvidelse av sukkerrør eller lipidcane-produksjon i Brasil redusere dagens globale karbondioksidutslipp med opptil 5, 6 prosent. Dette kan oppnås uten å påvirke områder som den brasilianske regjeringen har utpekt som miljøfølsomme, for eksempel regnskog.
I jakten på 'energycane'
Vår lipidcane-undersøkelse inkluderer også genetisk prosjektering av anlegget for å gjøre det fotosyntesen mer effektivt, noe som betyr mer vekst. I en artikkel fra 2016 i Science, viste en av oss (Stephen Long) og kolleger ved andre institusjoner at å forbedre effektiviteten av fotosyntesen i tobakk økte veksten med 20 prosent. Foreløpig antyder foreløpig forskning og feltforsøk side om side at vi har forbedret den fotosyntetiske effektiviteten til sukkerrør med 20 prosent, og med nesten 70 prosent under kule forhold.
Normal sukkerrør (til venstre) som vokser ved siden av konstruerte PETROSS sukkerrør, som er synlig høyere og buskere, i feltforsøk ved University of Florida. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Nå begynner teamet vårt med å utvikle et mer avkastningsrikt utvalg av sukkerrør som vi kaller "energycane" for å oppnå mer oljeproduksjon per dekar. Vi har mer grunn til å dekke før det kan kommersialiseres, men å utvikle et levedyktig anlegg med nok olje til økonomisk å produsere biodiesel og bio-jet drivstoff er et viktig første skritt.
Redaktørens merknad: Denne artikkelen er oppdatert for å tydeliggjøre at studien av Stephen Long og andre publisert i Science i 2016 innebar å forbedre effektiviteten av fotosyntesen i tobakkplanter.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Deepak Kumar, postdoktor, University of Illinois i Urbana-Champaign
Stephen P. Long, professor i avlingsvitenskap og plantebiologi, University of Illinois i Urbana-Champaign
Vijay Singh, professor i landbruks- og biologisk ingeniørvitenskap og direktør for integrert forskningslaboratorium for bioprosessering, University of Illinois i Urbana-Champaign
