Luftfartsindustrien producerer 2 procent af de globale menneskelige inducerede kuldioxidemissioner. Denne andel kan virke relativt lille - for perspektiv tegner elproduktion og boligopvarmning sig for mere end 40 procent - men luftfarten er en af verdens hurtigst voksende drivhusgaskilder. Efterspørgslen efter flyrejser forventes at fordobles i de næste 20 år.
Flyselskaber er under pres for at reducere deres CO2-emissioner og er meget sårbare over for globale olieprisudsving. Disse udfordringer har ansporet en stærk interesse for jetbrændstof fra biomasse. Bio-jet brændstof kan produceres fra forskellige plantematerialer, herunder olieafgrøder, sukkerafgrøder, stivelsesholdige planter og lignocellulosisk biomasse gennem forskellige kemiske og biologiske veje. Teknologierne til konvertering af olie til jetbrændstof er imidlertid på et mere avanceret udviklingsstadium og giver højere energieffektivitet end andre kilder.
Vi konstruerer sukkerrør, den mest produktive plante i verden, til at producere olie, der kan omdannes til bio-jet brændstof. I en nylig undersøgelse fandt vi, at brug af denne konstruerede sukkerrør kunne give mere end 2.500 liter bio-jet brændstof pr. Acre jord. Kort sagt betyder det, at en Boeing 747 kunne flyve i 10 timer med bio-jet-brændstof produceret på kun 54 hektar land. Sammenlignet med to konkurrerende plantekilder, sojabønner og jatropha, ville lipidcane producere henholdsvis 15 og 13 gange så meget jetbrændstof pr. Landenhed.
Oprettelse af sukkerrør med to formål
Bio-jet-brændstoffer, der stammer fra olierige råmaterialer, såsom camelina og alger, er med succes testet som bevis på konceptflyvninger. American Society for Testing and Materials har godkendt en 50:50 blanding af petroleumsbaseret jetbrændstof og hydroprocesseret vedvarende jetbrændstof til kommercielle og militære flyvninger.
Selv efter en betydelig forsknings- og kommercialiseringsindsats er de nuværende produktionsmængder af bio-jetbrændstof imidlertid meget små. Fremstilling af disse produkter i større skala vil kræve yderligere teknologiforbedringer og rigelige, billige omkostninger (afgrøder, der bruges til at fremstille brændstof).
Sukkerrør er en velkendt biobrændstofskilde: Brasilien har fermenteret sukkerrørsaft for at fremstille alkoholbaseret brændstof i årtier. Ethanol fra sukkerrør giver 25 procent mere energi end den mængde, der blev brugt under produktionsprocessen, og reducerer drivhusgasemissionerne med 12 procent sammenlignet med fossile brændstoffer.
Høst af sukkerrør i Brasilien (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Vi spekulerede på, om vi kunne øge plantens naturlige olieproduktion og bruge olien til at producere biodiesel, hvilket giver endnu større miljømæssige fordele. Biodiesel giver 93 procent mere energi end krævet for at fremstille den og reducerer emissionerne med 41 procent sammenlignet med fossile brændstoffer. Ethanol og biodiesel kan begge bruges i bio-jet-brændstof, men teknologierne til at konvertere plante-afledt olie til jet-brændstof er på et avanceret udviklingsstadium, giver høj energieffektivitet og er klar til storstilet anvendelse.
Da vi først foreslog konstruktion af sukkerrør til at producere mere olie, troede nogle af vores kolleger, at vi var skøre. Sukkerrørplanter indeholder kun 0, 05 procent olie, som er alt for lidt til at konvertere til biodiesel. Mange planteforskere teoretiserede, at det ville være giftigt for planten at øge mængden af olie til 1 procent, men vores computermodeller forudsagde, at vi kunne øge olieproduktionen til 20 procent.
Med støtte fra Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy lancerede vi et forskningsprojekt kaldet Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS, i 2012. Siden da har vi gennem genteknologi øget produktionen af olie og fedtsyrer for at opnå 12 procent olie i sukkerrørens blade.
En flaske olie produceret fra PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Nu arbejder vi på at opnå 20 procent olie - den teoretiske grænse i henhold til vores computermodeller - og målrette denne olieakkumulering mod stammen af planten, hvor den er mere tilgængelig end i bladene. Vores foreløbige undersøgelse har vist, at selv når de konstruerede planter producerer mere olie, fortsætter de med at producere sukker. Vi kalder disse konstruerede planter lipidcane.
Flere produkter fra lipidcane
Lipidcane giver mange fordele for landmænd og miljø. Vi beregner, at voksende lipidcane indeholdende 20 procent olie ville være fem gange mere rentabel pr. Acre end sojabønner, det vigtigste råstof, der i øjeblikket bruges til at fremstille biodiesel i USA, og dobbelt så rentabelt pr. Acre som majs.
For at være bæredygtig skal bio-jet-brændstof også være økonomisk at behandle og have høje produktionsudbytter, der minimerer brugen af agerjord. Vi vurderer, at sammenlignet med sojabønner, kunne lipidcan, der indeholder 5 procent olie, producere fire gange mere jetbrændstof pr. Acre land. Lipidcane med 20 procent olie kunne producere mere end 15 gange mere jetbrændstof pr. Acre.
Og lipidcane tilbyder andre energifordele. De plantedele, der er tilbage efter saftudvinding, kendt som bagasse, kan brændes for at producere damp og elektricitet. Ifølge vores analyse ville dette generere mere end nok elektricitet til at drive bioraffinaderiet, så overskydende strøm kunne sælges tilbage til nettet og fortrænge elektricitet produceret fra fossile brændstoffer - en praksis, der allerede er anvendt i nogle fabrikker i Brasilien til at producere ethanol fra sukkerrør.
En potentiel amerikansk bioenergiafgrøde
Sukkerrør trives på marginalt land, der ikke er egnet til mange fødevareafgrøder. I øjeblikket dyrkes det hovedsageligt i Brasilien, Indien og Kina. Vi konstruerer også lipidcane for at være mere koldtolerante, så det kan hæves mere vidtgående, især i det sydøstlige USA på underudnyttet land.
Et kort over det voksende område af koldtolerant lipidcane (PETROSS) Hvis vi afsatte 23 millioner acres i det sydøstlige USA til lipidcane med 20 procent olie, estimerer vi, at denne afgrøde kunne producere 65 procent af den amerikanske jetbrændstofforsyning. I øjeblikket koster dette brændstof i nuværende dollars 5, 31 USD pr. Gallon, hvilket er mindre end bio-jet-brændstof produceret fra alger eller andre olieafgrøder, såsom sojabønner, canola eller palmeolie.
Lipidcane kunne også dyrkes i Brasilien og andre tropiske områder. Som vi for nylig rapporterede i Nature Climate Change, kunne en betydelig udvidelse af sukkerrør eller lipidcane-produktion i Brasilien reducere de nuværende globale CO2-emissioner med op til 5, 6 procent. Dette kunne opnås uden at ramme områder, som den brasilianske regering har udpeget som miljøfølsom, såsom regnskov.
På jagt efter 'energycane'
Vores lipidcane-forskning inkluderer også genetisk manipulering af planten, så den fotosynteser mere effektivt, hvilket betyder mere vækst. I en artikel i Science i 2016 demonstrerede en af os (Stephen Long) og kolleger ved andre institutioner, at forbedring af fotosyntesens effektivitet i tobak øgede væksten med 20 procent. For tiden antyder foreløbige undersøgelser og feltforsøg side om side, at vi har forbedret den fotosyntetiske effektivitet af sukkerrør med 20 procent og med næsten 70 procent under kølige forhold.
Normal sukkerrør (til venstre) vokser ved siden af konstrueret PETROSS sukkerrør, som er synlig højere og buskere, i feltforsøg på University of Florida. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Nu er vores team i gang med at konstruere en højere ydelse af sukkerrør, som vi kalder "energycane" for at opnå mere olieproduktion pr. Acre. Vi har mere grund til at dække, før det kan kommercialiseres, men at udvikle et levedygtigt anlæg med nok olie til økonomisk at producere biodiesel og bio-jet-brændstof er et vigtigt første skridt.
Redaktørens note: Denne artikel er blevet opdateret for at tydeliggøre, at undersøgelsen af Stephen Long og andre, der blev offentliggjort i Science i 2016, involverede forbedring af fotosyntesens effektivitet i tobaksplanter.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Deepak Kumar, postdoktorisk forsker, University of Illinois i Urbana-Champaign
Stephen P. Long, professor i afgrundsvidenskab og plantebiologi, University of Illinois i Urbana-Champaign
Vijay Singh, professor i landbrugs- og biologisk ingeniørvidenskab og direktør for integreret bioprocesseringslaboratorium, University of Illinois i Urbana-Champaign
