Lennundustööstus tekitab 2 protsenti inimtegevusest põhjustatud süsinikdioksiidi heitkogustest maailmas. See osa võib tunduda suhteliselt väike - perspektiivis moodustab elektrienergia tootmine ja koduküte enam kui 40 protsenti -, kuid lennundus on üks kiiremini kasvavaid kasvuhoonegaaside allikaid maailmas. Prognooside kohaselt suureneb järgmise 20 aasta jooksul nõudlus lennureiside järele kahekordseks.
Lennuettevõtjad avaldavad survet vähendada oma süsinikuheidet ja on väga tundlikud naftahindade kõikumise suhtes maailmas. Need väljakutsed on õhutanud suurt huvi biomassist toodetud reaktiivkütuste vastu. Biodiiselkütust saab toota mitmesugustest keemilistest ja bioloogilistest viisidest mitmesugustest taimsetest materjalidest, sealhulgas õlikultuuridest, suhkrukultuuridest, tärkliserikkatest taimedest ja lignotselluloossest biomassist. Nafta reaktiivkütusena muundamise tehnoloogiad on siiski arenenumas etapis ja annavad energiatõhususe kõrgema kui teised allikad.
Projekteerime suhkruroo, mis on kõige produktiivsem taim maailmas, et toota õli, mida saab muuta biodiislikütuseks. Hiljutises uuringus leidsime, et selle konstrueeritud suhkruroo kasutamisel võib saada rohkem kui 2500 liitrit bio-reaktiivkütust ühe aakri kohta. Lihtsamalt öeldes tähendab see seda, et Boeing 747 võib lennata 10 tundi biodiislikütusega, mida toodetakse vaid 54 aakri suurusel maal. Võrreldes kahe konkureeriva taimeallika, sojaoa ja jatrofaga, tooks lipiidkane vastavalt umbes 15 ja 13 korda rohkem reaktiivkütust maaühiku kohta.
Kaheotstarbelise suhkruroo loomine
Õlirikast lähteainest, näiteks kammelinadest ja vetikatest toodetud bio-reaktiivkütuseid on kontseptuaalsete lendude tõestuseks edukalt katsetatud. Ameerika Testimis- ja Materjalide Ühing on heaks kiitnud kaubanduslikel ja sõjalistel lendudel 50:50 segu naftapõhisest reaktiivkütusest ja hüdroprotsessis taastuvatest reaktiivkütustest.
Kuid isegi pärast märkimisväärseid uuringuid ja turuleviimist on bio-reaktiivkütuse praegused tootmismahud väga väikesed. Nende toodete suuremahuliseks valmistamiseks on vaja teha täiendavaid tehnoloogilisi täiendusi ja ohtralt odavaid lähteaineid (kütuse tootmiseks kasutatavaid põllukultuure).
Suhkruroog on tuntud biokütuse allikas: Brasiilia on aastakümneid alkoholipõhise kütuse valmistamiseks fermenteerinud suhkruroo mahla. Suhkruroo etanool annab 25 protsenti rohkem energiat kui tootmisprotsessis kasutatud kogus ja vähendab kasvuhoonegaaside heitkoguseid fossiilsete kütustega võrreldes 12 protsenti.
Suhkruroo koristamine Brasiilias (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Mõtlesime, kas saaksime tehase loodusliku õli tootmist suurendada ja kasutada õli biodiisli tootmiseks, mis pakub keskkonnale veelgi suuremat kasu. Biodiislikütus annab 93 protsenti rohkem energiat kui selle tootmiseks on vaja ja vähendab heitkoguseid fossiilsete kütustega võrreldes 41 protsenti. Nii etanooli kui ka biodiislikütust saab kasutada biodiislikütuses, kuid taimset päritolu õli muutmiseks reaktiivkütuseks on kõrgtasemel arendusetapp, see annab kõrge energiatõhususe ja on valmis kasutamiseks laialdaselt.
Kui me esimest korda suhkru suhkruroo kavandamist kavandasime, et toota rohkem õli, arvasid mõned meie kolleegid, et oleme hullud. Suhkruroo taimed sisaldavad vaid 0, 05 protsenti õli, mida on biodiisliks muundamiseks liiga vähe. Paljud taimeteadlased teoreetiliselt väitsid, et õlikoguse suurendamine 1 protsendini on taimele toksiline, kuid meie arvutimudelid ennustasid, et võime õli tootmist suurendada 20 protsendini.
Energeetikaosakonna täiustatud uurimisprojektide agentuuri-Energy toel käivitasime 2012. aastal uurimisprojekti nimega Taimed, mis asendavad õli suhkruroo ja Sorghumis ehk PETROSS. Sellest ajast oleme geenitehnoloogia abil suurendanud õli ja rasvhapped, et saada suhkruroo lehtedes 12 protsenti õli.
Pudel õli, mis on toodetud PETROSS lipiidist (Claire Benjamin / Illinoisi ülikool, CC BY-ND) Nüüd töötame selle nimel, et saavutada 20 protsenti õli - meie arvutimudelite järgi teoreetiline piir - ja suuname selle õli kogunemise taime vartele, kus see on juurdepääsetavam kui lehtedes. Meie eeluuringud on näidanud, et isegi kui masinad, mis on toodetud mujal, toodavad rohkem õli, jätkavad nad suhkru tootmist. Neid tehnilisi taimi kutsume lipiidkaneks.
Mitmeid tooteid lipiidkaneest
Lipidcane pakub põllumeestele ja keskkonnale palju eeliseid. Me arvutame, et 20 protsenti õli sisaldava lipiidse kasvatamine oleks aakri kohta viis korda tulusam kui sojaoad, mis on USAs praegu peamine biodiisli valmistamiseks kasutatav lähteaine, ja kaks korda kasumlikum aakri kohta maisi kohta.
Jätkusuutlikkuseks peab biodiislikütuse töötlemine olema ka ökonoomne ja sellel peab olema suur tootlus, mis minimeerib haritava maa kasutamist. Meie hinnangul võiks 5 protsenti õli sisaldav lipiidne suhkrutoaga võrreldes toota kuni neli korda rohkem reaktiivkütust ühe aakri kohta. 20-protsendilise õli sisaldusega lipidkaan võiks toota ühe aakri kohta üle 15 korra rohkem reaktiivkütust.
Ja lipiidkaneel pakub muid energia eeliseid. Pärast mahla ekstraheerimist järelejäänud taimeosi, mida nimetatakse bagaseks, saab auru ja elektri saamiseks põletada. Meie analüüsi kohaselt tooks see biorafineerimistehase toiteks rohkem kui piisavalt elektrit, nii et ülejääva energia saaks müüa tagasi võrku, asendades fossiilkütustest toodetud elektri - selline praktika on juba Brasiilia mõnes tehases suhkruroo kohta etanooli tootmiseks kasutatud.
Võimalik USA bioenergia saak
Suhkruroog õitseb äärealadel, mis ei sobi paljudele toidukultuuridele. Praegu kasvatatakse seda peamiselt Brasiilias, Indias ja Hiinas. Samuti kavandame lipiidkaneeli külmakindlamaks, et seda saaks laiemalt tõsta, eriti Ameerika Ühendriikide kaguosas vähekasutatud maal.
Külmataluv lipiidide (PETROSS) kasvava piirkonna kaart Kui pühendaksime USA kaguosas 23 miljonit aakrit 20-protsendilise õli lipiidkaneele, võiksime arvata, et see saak võiks toota 65 protsenti USA reaktiivkütuse varust. Praegu maksaks see kütus praegustes dollarites lennuettevõtjatele 5, 31 USA dollarit galloni kohta, mis on vähem kui vetikatest või muudest õlikultuuridest, nagu sojaoad, rapsiõli või palmiõli, toodetud bio-reaktiivkütus.
Lipidcane võib kasvatada ka Brasiilias ja teistes troopilistes piirkondades. Nagu me hiljuti ajakirjas Nature Climate Change teatasime, võiks suhkruroo või lipiidsete tootmise märkimisväärselt laiendamine Brasiilias vähendada praegust ülemaailmset süsinikdioksiidiheidet kuni 5, 6 protsenti. Seda saaks teha ilma, et mõjutataks piirkondi, mida Brasiilia valitsus on keskkonnatundlikeks nimetanud, nagu vihmametsad.
Energiakanepi poole püüdlemiseks
Meie lipiidide uuringud hõlmavad ka taime geneetilist muundamist, et muuta see fotosünteesi tõhusamaks, mis tähendab suuremat kasvu. 2016. aasta ajakirjas Science ilmunud artiklis näitas üks meist (Stephen Long) ja teiste asutuste kolleegid, et tubakas sisalduva fotosünteesi efektiivsuse suurendamine suurendas selle kasvu 20 protsenti. Praegu näitavad eeluuringud ja kõrvuti tehtavad välikatsed, et me oleme suhkruroo fotosünteesi efektiivsust parandanud 20 protsenti ja jahedates oludes peaaegu 70 protsenti.
Florida ülikooli põldkatsetes kasvab tavaline suhkruroog (vasakul) insenerirajatud PETROSS suhkruroo kõrval, mis on silmnähtavalt kõrgem ja hõredam. (Fredy Altpeter / Florida ülikool, CC BY-ND) Nüüd on meie meeskond alustanud suurema saagikusega suhkruroo, mida me nimetame energiakanniks, inseneri loomiseks, et saavutada rohkem aakrit õli. Enne selle turuleviimist on meil rohkem pinda, kuid elujõulise tehase väljaarendamine, kus oleks piisavalt õli biodiisli ja biodiislikütuse säästlikuks tootmiseks, on esimene oluline samm.
Toimetaja märkus: seda artiklit on värskendatud, et selgitada, et Stephen Longi ja teiste 2016. aastal ajakirjas Science avaldatud uuring hõlmas tubakas taimede fotosünteesi tõhususe parandamist.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Deepak Kumar, järeldoktor, Illinoisi ülikool, Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Urbana-Champaigni Illinoisi ülikooli põllumajandusteaduste ja taimebioloogia professor
Vijay Singh, Urbana-Champaigni Illinoisi ülikooli põllumajanduse ja biotehnoloogia professor ning integreeritud bioprotsesside uurimislabori direktor
