Може Jet Паливо Зроблене з Sugarcane Бути Ключем до Чисті Політ?

Авіаційна промисловість виробляє 2% глобальних викидів двоокису вуглецю, спричинених людиною. Ця частка може здатися відносно невеликою - на перспективу виробництво електроенергії та опалення житла становлять більше 40%, але авіація є одним з найбільш швидкозростаючих джерел викидів парникових газів у світі. Прогнозується, що попит на повітряні перевезення протягом наступних 20 років подвоїться.

Авіакомпанії перебувають під тиском, щоб зменшити викиди вуглецю, і вони дуже вразливі до глобальних коливань цін на нафту. Ці виклики викликали великий інтерес до реактивних палив, отриманих з біомаси. Біо-реактивне паливо може вироблятися з різних рослинних матеріалів, у тому числі олійних культур, цукрових культур, крохмалистих рослин і лігноцелюлозної біомаси, через різні хімічні та біологічні шляхи. Проте, технології перетворення нафти в реактивне паливо знаходяться на більш високому етапі розвитку і дають більш високу енергоефективність, ніж інші джерела.

Ми виробляємо цукровий очерет, найбільш продуктивний завод у світі, для виробництва нафти, яка може бути перетворена в біо-реактивне паливо. У недавньому дослідженні ми виявили, що використання цього інженерного цукрового очерету може давати більше 2500 літрів біо-реактивного палива на гектар землі. Простіше кажучи, це означає, що Boeing 747 може літати 10 годин на біо-реактивному паливі, виробленому лише на 54 гектарах землі.У порівнянні з двома конкуруючими рослинними джерелами, соєвими боби та ятрофами, ліпдовий каучук виробляв би приблизно 15 та 13 разів більше реактивного палива на одиницю землі, відповідно.

Створення цукрового очерету подвійного призначення

Біо-реактивні палива, одержувані з нафтової сировини, такі як камеліни та водорості, були успішно випробувані в доказі концептуальних польотів. ASTM International, глобальна організація з розробки стандартів, затвердила 50:50 суміш палива на основі нафтопродуктів на основі нафтопродуктів і гідрооброблюваного поновлюваного палива для комерційних і військових польотів.

Проте, навіть після значних досліджень та комерціалізації, поточні обсяги виробництва біо-реактивного палива дуже малі. Виготовлення цих продуктів у більшому масштабі потребуватиме подальших технологічних удосконалень і рясних недорогих сировинних матеріалів (культур, що використовуються для виробництва палива).

Цукрова тростина - відомий джерело біопалива: Бразилія бродила сік цукрового очерету для виробництва палива на основі спирту протягом десятиліть. Етанол з цукрового очерету дає на 25% більше енергії, ніж кількість, що використовується в процесі виробництва, і зменшує викиди парникових газів на 12% порівняно з викопним паливом.

Ми дивувалися, чи можна збільшити виробництво природного масла на заводі і використати нафту для виробництва біодизелю, що забезпечує ще більші екологічні переваги. Біодизель дає 93% більше енергії, ніж потрібно, щоб зменшити викиди на 41% порівняно з викопним паливом. Етанол і біодизель можуть бути використані в біо-реактивному паливі, але технології для перетворення нафтопродуктів на паливо в реактивне паливо знаходяться на більш високому етапі розвитку, забезпечують високу енергоефективність і готові до масштабного розгортання.

Коли ми вперше запропонували інженерний цукровий очерет, щоб виробити більше нафти, деякі з наших колег подумали, що ми були божевільними. У рослинах цукрового очерету міститься лише 0,05% нафти, що занадто мало для перетворення на біодизель. Багато вчених заводу пообіцяли, що збільшення кількості нафти на 1 відсоток буде токсичним для заводу, але наші комп'ютерні моделі передбачали, що ми можемо збільшити видобуток нафти до 20 відсотків.

За підтримки Агентства енергоменеджменту «Розширені дослідницькі проекти» Департаменту енергетики ми розпочали дослідницький проект під назвою «Рослини, розроблені для заміни нафти в цукровому тростнику і сорго», або PETROSS, у 2012 році. жирні кислоти для досягнення 12 відсотків масла в листі цукрового очерету.

Тепер ми працюємо над досягненням 20 відсотків нафти - теоретичної межі, згідно з нашими комп'ютерними моделями - і націлювання цього нафтового накопичення на стовбур рослини, де він більш доступний, ніж у листі. Наші попередні дослідження показали, що навіть коли інженерні рослини виробляють більше нафти, вони продовжують виробляти цукор. Ми називаємо ці інженерні рослини ліпдовою.

Множинні продукти з ліпідного каменю

Ліпідкан пропонує багато переваг для фермерів і навколишнього середовища. Ми підрахуємо, що вирощування ліпідману, що містить 20% нафти, буде в п'ять разів вигіднішим за акр, ніж соєві боби, основна сировина, яка в даний час використовується для виробництва біодизеля в Сполучених Штатах, і вдвічі вища за куб.

Для того, щоб бути стійким, біо-реактивне паливо також має бути економічно обробленим і мати високі виходи виробництва, які мінімізують використання орних земель. За нашими оцінками, в порівнянні з соєвими боби, ліпід, що містить 5% нафти, може виробляти в чотири рази більше палива для реактивних двигунів на гектар землі. Ліпідкан з 20-відсотковим вмістом нафти може виробляти більш ніж в 15 разів більше реактивного палива на акр.

А ліпідмани дає інші енергетичні переваги. Частини рослин, що залишилися після екстракції соку, відомі як макуха, можуть бути спалені для виробництва пари і електрики. Згідно з нашим аналізом, це генерує більше, ніж достатньо електроенергії для живлення біоремонтних заводів, тому надлишок електроенергії може бути реалізований назад до електромережі, витісняючи електроенергію, вироблену з викопного палива - практика, яка вже використовується на деяких заводах в Бразилії для виробництва етанолу з цукрового очерету.

Потенційна біоенергетична культура США

Цукровий очерет процвітає на маргінальних землях, які не підходять для багатьох харчових культур. В даний час вона вирощується в основному в Бразилії, Індії та Китаї. Ми також інжиніризуємо ліпний кіст, щоб бути більш холодостійким, щоб його можна було підняти ширше, особливо в південно-східних Сполучених Штатах, на невикористаних землях.

Якщо ми виділили 23 мільйони акрів на південно-східному Сполучених Штатах до ліпдокана з 20 відсотками нафти, ми підрахуємо, що ця культура могла б виробляти 65 відсотків запасів американського палива для реактивних двигунів. В даний час, у поточних доларах, це паливо буде коштувати авіакомпаніям 5,31 долара за галон, що менше, ніж біологічне паливо, вироблене з водоростей або інших олійних культур, таких як соя, канола або пальмова олія.

Ліпідкан може також вирощуватися в Бразилії та інших тропічних районах. Як ми нещодавно повідомили в Nature Climate Change, значне розширення виробництва цукрового очерету або ліпідного каменю в Бразилії може скоротити поточні глобальні викиди двоокису вуглецю до 5,6%. Це може бути досягнуто, не порушуючи сфери, які бразильський уряд визначив як екологічно чутливий, наприклад, тропічні ліси.

У пошуках «енергетичного вугілля»

Наші ліпідні дослідження також включають генетичну інженерію рослин, щоб зробити його фотосинтезувати більш ефективно, що призводить до більшого зростання. У статті в науці 2016 року один з нас (Стівен Лонг) та колеги з інших установ показали, що підвищення ефективності фотосинтезу в ліпдині збільшило його зростання на 20 відсотків. Попередні дослідження та побічні випробування на місцях свідчать про те, що ми поліпшили фотосинтетичну ефективність цукрової тростини на 20%, а в прохолодних умовах - майже на 70%.

Тепер наша команда починає працювати над створенням високопродуктивного різноманіття цукрового очерету, який ми називаємо "енергетичним", щоб досягти більшої видобутку нафти на акр. Ми маємо більше підстав для покриття, перш ніж він може бути комерціалізований, але розробка життєздатного заводу з достатньою кількістю нафти для економічного виробництва біодизельного палива і біо-реактивного палива є основним першим кроком.

Ця стаття була спочатку опублікована на бесіді Дипака Кумара, дослідника докторантури; Стівен П. Лонг, професор наук про рослини та біології рослин; Віжай Сінгх, професор сільськогосподарської та біологічної інженерії та директор інтегрованої науково-дослідної лабораторії біообробки, Університету Іллінойсу в Урбані-Шампейн. Читайте оригінальну статтю тут.