Η αεροπορική βιομηχανία παράγει το 2% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που προκαλούνται από τον άνθρωπο. Το μερίδιο αυτό μπορεί να φαίνεται σχετικά μικρό - για προοπτική, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και η θέρμανση οικιακής χρήσης αντιπροσωπεύουν πάνω από το 40% - αλλά η αεροπορία είναι μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες πηγές αερίων του θερμοκηπίου στον κόσμο. Η ζήτηση για αεροπορικά ταξίδια προβλέπεται να διπλασιαστεί τα επόμενα 20 χρόνια.
Οι αεροπορικές εταιρείες υφίστανται πιέσεις για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα και είναι ιδιαίτερα ευάλωτες στις παγκόσμιες διακυμάνσεις των τιμών του πετρελαίου. Αυτές οι προκλήσεις έχουν προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον για τα καύσιμα που παράγονται από βιομάζα. Τα καύσιμα με βιο-εκτόξευση μπορούν να παραχθούν από διάφορα φυτικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των ελαιούχων φυτών, των καλλιεργειών ζάχαρης, των αμυλούχων φυτών και της λιγνοκυτταρικής βιομάζας, μέσω διαφόρων χημικών και βιολογικών οδών. Ωστόσο, οι τεχνολογίες μετατροπής πετρελαίου σε αεριωθούμενο καύσιμο βρίσκονται σε πιο προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης και αποφέρουν υψηλότερη ενεργειακή απόδοση από άλλες πηγές.
Είμαστε μηχανικοί ζαχαροκάλαμο, το πιο παραγωγικό εργοστάσιο στον κόσμο, για την παραγωγή πετρελαίου που μπορεί να μετατραπεί σε βιο-αεριωθούμενο καύσιμο. Σε πρόσφατη μελέτη, διαπιστώσαμε ότι η χρήση αυτού του μηχανικού ζαχαροκάλαμου θα μπορούσε να αποφέρει περισσότερα από 2.500 λίτρα καυσίμου βιοαερίου ανά στρέμμα γης. Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι ένα Boeing 747 θα μπορούσε να πετάξει για 10 ώρες σε καύσιμα βιο-εκτόξευσης που παράγονται σε μόλις 54 στρέμματα γης. Σε σύγκριση με δύο ανταγωνιστικές φυτικές πηγές, σόγια και jatropha, το λιπίδιο θα παράγει περίπου 15 και 13 φορές περισσότερα καύσιμα αεριωθούμενα ανά μονάδα εδάφους, αντίστοιχα.
Δημιουργία ζαχαροκάλαμου διπλής χρήσης
Τα καύσιμα Bio-jet που προέρχονται από τροφές πλούσιες σε πετρέλαιο, όπως η καμέλλα και τα άλγη, έχουν δοκιμαστεί με επιτυχία σε απόδειξη πτήσεων. Η Αμερικανική Εταιρεία Δοκιμών και Υλικών ενέκρινε ένα μίγμα 50:50 καυσίμου αεριωθούμενου με πετρέλαιο και υδρογονοκατεργασμένου ανανεώσιμου καυσίμου για αεροπορικές και στρατιωτικές πτήσεις.
Ωστόσο, ακόμη και μετά από σημαντικές προσπάθειες έρευνας και εμπορευματοποίησης, οι σημερινοί όγκοι παραγωγής βιοκαυσίμων είναι πολύ περιορισμένοι. Η παραγωγή αυτών των προϊόντων σε μεγαλύτερη κλίμακα θα απαιτήσει περαιτέρω τεχνολογικές βελτιώσεις και άφθονες πρώτες ύλες χαμηλού κόστους (καλλιέργειες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του καυσίμου).
Το ζαχαροκάλαμο είναι μια πολύ γνωστή πηγή βιοκαυσίμων: η Βραζιλία έχει ζυμώσει χυμό ζαχαροκάλαμου για να παράγει καύσιμα με βάση το οινόπνευμα εδώ και δεκαετίες. Η αιθανόλη από ζαχαροκάλαμο αποφέρει 25% περισσότερη ενέργεια από την ποσότητα που χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας και μειώνει τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου κατά 12% σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα.
Συγκομιδή ζαχαροκάλαμου στη Βραζιλία (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Αναρωτήθηκα αν θα μπορούσαμε να αυξήσουμε την παραγωγή φυσικού πετρελαίου της μονάδας και να χρησιμοποιήσουμε το πετρέλαιο για να παράγουμε βιοντίζελ, το οποίο προσφέρει ακόμα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά οφέλη. Το βιοντίζελ αποφέρει 93% περισσότερη ενέργεια από ό, τι απαιτείται για να το καταστήσει και μειώνει τις εκπομπές κατά 41% σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα. Η αιθανόλη και το βιοντίζελ μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε καύσιμα βιοαντιδραστήρων, αλλά οι τεχνολογίες για τη μετατροπή του φυτικού ελαίου σε καύσιμο αεριωθουμένων βρίσκονται σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης, αποδίδουν υψηλή ενεργειακή απόδοση και είναι έτοιμες για μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη.
Όταν για πρώτη φορά είχαμε προτείνει μηχανική ζαχαροκάλαμο για να παράγουμε περισσότερο πετρέλαιο, ορισμένοι από τους συναδέλφους μας νόμιζαν ότι είμαστε τρελοί. Τα φυτά ζαχαροκάλαμου περιέχουν μόλις 0, 05 τοις εκατό πετρέλαιο, το οποίο είναι πολύ μικρό για να μετατραπεί σε βιοντίζελ. Πολλοί επιστήμονες των φυτών θεώρησαν ότι η αύξηση της ποσότητας πετρελαίου στο 1% θα ήταν τοξική για το εργοστάσιο, αλλά τα μοντέλα των υπολογιστών μας προέβλεπαν ότι θα μπορούσαμε να αυξήσουμε την παραγωγή πετρελαίου στο 20%.
Με την υποστήριξη της Υπηρεσίας Ενέργειας του Τμήματος Ενέργειας, ξεκινήσαμε το 2012 ένα ερευνητικό πρόγραμμα με τίτλο Φυτά που σχεδιάστηκαν για την αντικατάσταση του πετρελαίου σε ζαχαροκάλαμο και σόργο ή PETROSS το 2012. Έκτοτε, μέσω της γενετικής μηχανικής αυξήσαμε την παραγωγή πετρελαίου και λιπαρά οξέα για την επίτευξη 12 τοις εκατό πετρελαίου στα φύλλα ζαχαροκάλαμου.
Μία φιάλη από πετρέλαιο που παράγεται από PETROSS λιπίδια (Claire Benjamin / Πανεπιστήμιο του Illinois, CC BY-ND) Τώρα εργαζόμαστε για την επίτευξη πετρελαίου 20 τοις εκατό - το θεωρητικό όριο, σύμφωνα με τα μοντέλα των υπολογιστών μας - και τη στόχευση αυτής της συσσώρευσης πετρελαίου στο στέλεχος του φυτού, όπου είναι πιο προσιτό από ό, τι στα φύλλα. Η προκαταρκτική μας έρευνα έδειξε ότι ακόμη και όταν τα εργοστάσια που παράγονται με μηχανική παραγωγή παράγουν περισσότερο πετρέλαιο, συνεχίζουν να παράγουν ζάχαρη. Ονομάζουμε αυτά τα μηχανικά λιπίδια.
Πολλαπλά προϊόντα από λιπίδια
Το Lipidcane προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα για τους αγρότες και το περιβάλλον. Υπολογίζουμε ότι η αυξανόμενη λιπιδάνη που περιέχει 20 τοις εκατό πετρέλαιο θα ήταν πενταπλάσια κερδοφόρα ανά στρέμμα από τη σόγια, τη βασική πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται σήμερα για την παραγωγή βιοντίζελ στις Ηνωμένες Πολιτείες και δύο φορές πιο κερδοφόρα ανά στρέμμα από το καλαμπόκι.
Για να είναι βιώσιμη, τα βιοκαύσιμα πρέπει επίσης να είναι οικονομικά επεξεργασμένα και να έχουν υψηλές αποδόσεις παραγωγής που ελαχιστοποιούν τη χρήση της αρόσιμης γης. Υπολογίζουμε ότι σε σύγκριση με τις σπόρους σόγιας, το λιπίδιο που περιέχει πετρέλαιο 5 τοις εκατό θα μπορούσε να παράγει τέσσερις φορές περισσότερα καύσιμα αεριωθουμένων ανά στρέμμα γης. Το λιπίδιο με έλαιο 20 τοις εκατό θα μπορούσε να παράγει περισσότερο από 15 φορές περισσότερα καύσιμα αεριωθουμένων ανά στρέμμα.
Και η λιπιδόνη προσφέρει και άλλα ενεργειακά οφέλη. Τα μέρη των φυτών που απομένουν μετά την εξόρυξη χυμού, γνωστή ως bagasse, μπορούν να καούν για να παράγουν ατμό και ηλεκτρισμό. Σύμφωνα με την ανάλυσή μας, αυτό θα παράγει περισσότερο από αρκετό ηλεκτρικό ρεύμα για να τροφοδοτήσει την βιοαεριοποίηση, έτσι ώστε η πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια να μπορεί να πωληθεί πίσω στο δίκτυο, μετατοπίζοντας την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιμα - μια πρακτική που χρησιμοποιείται ήδη σε ορισμένα εργοστάσια στη Βραζιλία για την παραγωγή αιθανόλης από ζαχαροκάλαμο.
Μια πιθανή καλλιέργεια βιοενέργειας στις ΗΠΑ
Το ζαχαροκάλαμο ευδοκιμεί σε οριακές εκτάσεις που δεν ταιριάζουν σε πολλές καλλιέργειες τροφίμων. Σήμερα καλλιεργείται κυρίως στη Βραζιλία, την Ινδία και την Κίνα. Επίσης, σχεδιάζουμε λιπίδια για να είμαστε πιο ανεκτικοί στην ψύξη, ώστε να μπορούν να αναπτυχθούν ευρύτερα, ιδιαίτερα στις νοτιοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες σε υποβαθμισμένες εκτάσεις.
Ένας χάρτης της αναπτυσσόμενης περιοχής λιποκκάνης (PETROSS) Εάν αφιερώσαμε 23 εκατομμύρια στρέμματα στις νοτιοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες σε λιπίδια με 20 τοις εκατό πετρέλαιο, εκτιμούμε ότι αυτή η καλλιέργεια θα μπορούσε να παράγει το 65 τοις εκατό της προσφοράς καυσίμων των ΗΠΑ. Επί του παρόντος, σε τρέχοντα δολάρια, τα καύσιμα αυτά θα κοστίζουν τις αεροπορικές εταιρείες των 5, 31 δολ. Ανά γαλόνι, κάτι που είναι μικρότερο από το καύσιμο βιοαερίου που παράγεται από φύκια ή άλλες καλλιέργειες ελαιούχων σπόρων, όπως η σόγια, η κράμβη ή το φοινικέλαιο.
Το Lipidcane θα μπορούσε επίσης να καλλιεργηθεί στη Βραζιλία και σε άλλες τροπικές περιοχές. Όπως αναφέρθηκε πρόσφατα στην αλλαγή του κλίματος της φύσης, η σημαντική επέκταση της παραγωγής ζαχαροκάλαμου ή λιπιδίων στην Βραζιλία θα μπορούσε να μειώσει τις σημερινές παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα έως και 5, 6%. Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί χωρίς να επηρεάσει περιοχές που η κυβέρνηση της Βραζιλίας χαρακτήρισε περιβαλλοντικά ευαίσθητες, όπως τροπικό δάσος.
Επιδιώκοντας "ενεργειακό"
Η έρευνά μας για τα λιπίδια περιλαμβάνει επίσης την γενετική μηχανική του φυτού για να το καταστήσει αποτελεσματικότερο στη φωτοσύνθεση, γεγονός που μεταφράζεται σε μεγαλύτερη ανάπτυξη. Σε άρθρο του 2016 για την επιστήμη, ένας από εμάς (Stephen Long) και άλλοι συνάδελφοι από άλλους θεσμούς απέδειξαν ότι η βελτίωση της αποτελεσματικότητας της φωτοσύνθεσης στον καπνό αύξησε την ανάπτυξή της κατά 20%. Επί του παρόντος, οι προκαταρκτικές έρευνες και οι δοκιμές πεδίου δίπλα στο πλάσμα δείχνουν ότι έχουμε βελτιώσει τη φωτοσυνθετική απόδοση του ζαχαροκάλαμου κατά 20% και σχεδόν κατά 70% σε δροσερές συνθήκες.
Κανονικό ζαχαροκάλαμο (αριστερά) που αναπτύσσεται δίπλα στο μηχανικό PETROSS ζαχαροκάλαμο, το οποίο είναι εμφανώς ψηλότερο και bushier, σε δοκιμές πεδίου στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. (Fredy Altpeter / Πανεπιστήμιο της Φλώριδας, CC BY-ND) Τώρα η ομάδα μας ξεκινάει να κατασκευάζει μια ποικιλία ζαχαροκαλάμου υψηλότερης απόδοσης που καλούμε "energycane" για να επιτύχουμε περισσότερη παραγωγή πετρελαίου ανά στρέμμα. Έχουμε περισσότερο έδαφος για να καλύψουμε πριν να μπορέσει να εμπορευματοποιηθεί, αλλά η ανάπτυξη μιας βιώσιμης μονάδας με αρκετό πετρέλαιο για να παράγει οικονομικά το βιοντίζελ και τα βιοκαύσιμα είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα.
Σημείωση του συντάκτη: Το άρθρο αυτό ενημερώθηκε για να διευκρινίσει ότι η μελέτη του Stephen Long και άλλων που δημοσιεύθηκε στο Science το 2016 περιελάμβανε τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της φωτοσύνθεσης στα φυτά καπνού.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Deepak Kumar, Μεταδιδακτορικός Ερευνητής, Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Καθηγητής Επιστήμης Καλλιέργειας και Βιολογίας Φυτών, Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign
Vijay Singh, Καθηγητής Γεωπονικής και Βιολογικής Μηχανικής και Διευθυντής Εργαστηρίου Ενοποίησης Ολοκληρωμένων Βιολογικών Επεξεργασίας του Πανεπιστημίου του Illinois στην Urbana-Champaign
