De luchtvaartindustrie produceert 2 procent van de wereldwijde door de mens veroorzaakte CO2-uitstoot. Dit aandeel lijkt misschien relatief klein – voor het perspectief, elektriciteitsopwekking en verwarming van woningen zijn goed voor meer dan 40 procent, maar de luchtvaart is een van 's werelds snelst groeiende bronnen van broeikasgassen. De verwachting is dat de vraag naar vliegreizen de komende 20 jaar zal verdubbelen.

Luchtvaartmaatschappijen staan ​​onder druk om hun CO2-uitstoot te verminderen, en zijn zeer kwetsbaar voor wereldwijde schommelingen in de olieprijs. Deze uitdagingen hebben geleid tot een sterke interesse in van biomassa afgeleide vliegtuigbrandstoffen. Bio-kerosine kan worden geproduceerd uit verschillende plantaardige materialen, inclusief oliegewassen, suiker gewassen, zetmeelrijke planten en lignocellulose biomassa, via verschillende chemische en biologische routes. Echter, de technologieën om olie om te zetten in vliegtuigbrandstof bevinden zich in een verder gevorderd ontwikkelingsstadium en leveren een hogere energie-efficiëntie op dan andere bronnen.

Wij ontwikkelen suikerriet, de meest productieve fabriek ter wereld, om olie te produceren die kan worden omgezet in biobrandstof. In een recente studie, we ontdekten dat het gebruik van dit kunstmatige suikerriet meer dan 2 kon opleveren, 500 liter bio-kerosine per hectare land. In simpele termen, dit betekent dat een Boeing 747 10 uur zou kunnen vliegen op bio-kerosine die op slechts 54 hectare land is geproduceerd. Vergeleken met twee concurrerende plantaardige bronnen, sojabonen en jatropha, lipidcaan zou ongeveer 15 tot 13 keer zoveel vliegtuigbrandstof per landeenheid produceren, respectievelijk.

Suikerriet voor twee doeleinden maken

Biostraalbrandstoffen afgeleid van olierijke grondstoffen, zoals camelina en algen, zijn met succes getest in proof of concept-vluchten. De American Society for Testing and Materials heeft een 50:50 mengsel van op petroleum gebaseerde vliegtuigbrandstof en hydroprocessed hernieuwbare vliegtuigbrandstof goedgekeurd voor commerciële en militaire vluchten.

Echter, zelfs na aanzienlijke inspanningen op het gebied van onderzoek en commercialisering, de huidige productievolumes van bio-kerosine zijn erg klein. Om deze producten op grotere schaal te maken, zijn verdere technologische verbeteringen en overvloedige goedkope grondstoffen nodig (gewassen die worden gebruikt om de brandstof te maken).

Suikerriet is een bekende bron van biobrandstof:Brazilië fermenteert al tientallen jaren suikerrietsap om brandstof op alcoholbasis te maken. Ethanol uit suikerriet levert 25 procent meer energie op dan de hoeveelheid die tijdens het productieproces wordt gebruikt, en vermindert de uitstoot van broeikasgassen met 12 procent in vergelijking met fossiele brandstoffen.

We vroegen ons af of we de natuurlijke olieproductie van de plant konden verhogen en de olie konden gebruiken voor de productie van biodiesel, wat nog meer milieuvoordelen oplevert. Biodiesel levert 93 procent meer energie op dan nodig is om het te maken en vermindert de uitstoot met 41 procent in vergelijking met fossiele brandstoffen. Ethanol en biodiesel kunnen beide worden gebruikt in bio-kerosine, maar de technologieën om plantaardige olie om te zetten in vliegtuigbrandstof bevinden zich in een vergevorderd stadium van ontwikkeling, hoge energie-efficiëntie opleveren en klaar zijn voor grootschalige toepassing.

Toen we voor het eerst voorstelden om suikerriet te ontwikkelen om meer olie te produceren, sommige van onze collega's dachten dat we gek waren. Suikerrietplanten bevatten slechts 0,05 procent olie, wat veel te weinig is om op biodiesel om te zetten. Veel plantwetenschappers theoretiseerden dat het verhogen van de hoeveelheid olie tot 1 procent giftig zou zijn voor de plant, maar onze computermodellen voorspelden dat we de olieproductie tot 20 procent zouden kunnen verhogen.

Met steun van het Advanced Research Projects Agency-Energy van het Department of Energy, we hebben een onderzoeksproject gelanceerd met de naam Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, of BENZINE, in 2012. Sindsdien door genetische manipulatie hebben we de productie van olie en vetzuren verhoogd om 12 procent olie in de bladeren van suikerriet te krijgen.

Nu werken we aan 20 procent olie - de theoretische limiet, volgens onze computermodellen – en deze olieophoping te richten op de stengel van de plant, waar het beter toegankelijk is dan in de bladeren. Ons voorlopige onderzoek heeft aangetoond dat zelfs als de gemanipuleerde planten meer olie produceren, ze blijven suiker produceren. We noemen deze gemanipuleerde planten lipidcaan.

Meerdere producten van lipidcane

Lipidcaan biedt veel voordelen voor boeren en het milieu. We berekenen dat het kweken van lipidcaan met 20 procent olie vijf keer winstgevender is per hectare dan sojabonen. de belangrijkste grondstof die momenteel wordt gebruikt om biodiesel te maken in de Verenigde Staten, en tweemaal zo winstgevend per hectare als maïs.

Om duurzaam te zijn, biostraalbrandstof moet ook economisch te verwerken zijn en een hoge productieopbrengst hebben die het gebruik van bouwland tot een minimum beperkt. We schatten dat in vergelijking met sojabonen, lipidcaan met 5 procent olie zou vier keer meer vliegtuigbrandstof kunnen produceren per hectare land. Lipidcaan met 20 procent olie zou meer dan 15 keer meer vliegtuigbrandstof per hectare kunnen produceren.

En lipidcaan biedt andere energievoordelen. De plantendelen die overblijven na sapextractie, bekend als bagasse, kan worden verbrand om stoom en elektriciteit te produceren. Volgens onze analyse is dit zou meer dan genoeg elektriciteit opwekken om de bioraffinaderij van stroom te voorzien, zodat overtollige stroom kan worden terugverkocht aan het net, het verdringen van elektriciteit geproduceerd uit fossiele brandstoffen - een praktijk die al in sommige fabrieken in Brazilië wordt gebruikt om ethanol uit suikerriet te produceren.

Een potentieel Amerikaans bio-energiegewas

Suikerriet gedijt op marginale gronden die niet geschikt zijn voor veel voedselgewassen. Momenteel wordt het voornamelijk in Brazilië verbouwd, Indië en China. We zijn ook bezig lipidcaan zo te ontwikkelen dat het beter bestand is tegen koude, zodat het op grotere schaal kan worden gekweekt. vooral in het zuidoosten van de Verenigde Staten op onderbenut land.

Als we 23 miljoen hectare in het zuidoosten van de Verenigde Staten zouden besteden aan lipidcane met 20 procent olie, we schatten dat dit gewas 65 procent van de Amerikaanse vliegtuigbrandstofvoorraad zou kunnen produceren. momenteel, in huidige dollars, die brandstof zou luchtvaartmaatschappijen US $ 5,31 per gallon kosten, wat minder is dan biobrandstof die wordt geproduceerd uit algen of andere oliegewassen zoals sojabonen, canola- of palmolie.

Lipidcaan zou ook in Brazilië en andere tropische gebieden kunnen worden gekweekt. Zoals we onlangs meldden in Nature Climate Change, het aanzienlijk uitbreiden van de productie van suikerriet of lipiden in Brazilië zou de huidige wereldwijde uitstoot van kooldioxide met maximaal 5,6 procent kunnen verminderen. Dit zou kunnen worden bereikt zonder gevolgen te hebben voor gebieden die de Braziliaanse regering heeft aangewezen als ecologisch kwetsbaar, zoals regenwoud.

Op jacht naar 'energieriet'

Ons lipidcaanonderzoek omvat ook het genetisch manipuleren van de plant om deze efficiënter te laten fotosynthetiseren, wat zich vertaalt in meer groei. In een artikel uit 2016 in Science, een van ons (Stephen Long) en collega's van andere instellingen toonden aan dat het verbeteren van de efficiëntie van fotosynthese in lipidcaan de groei met 20 procent verhoogde. Voorlopig onderzoek en zij-aan-zij veldproeven suggereren dat we de fotosynthetische efficiëntie van suikerriet met 20 procent hebben verbeterd, en met bijna 70 procent in koele omstandigheden.

Nu begint ons team aan de ontwikkeling van een suikerrietsoort met een hogere opbrengst, die we 'energieriet' noemen, om meer olieproductie per hectare te realiseren. We hebben meer terrein te bestrijken voordat het gecommercialiseerd kan worden, maar het ontwikkelen van een levensvatbare fabriek met voldoende olie om economisch biodiesel en biobrandstof te produceren, is een belangrijke eerste stap.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.