Met een geschatte dagelijkse brandstofvraag van meer dan 5 miljoen vaten per dag, de wereldwijde luchtvaartsector is ongelooflijk energie-intensief en bijna volledig afhankelijk van op aardolie gebaseerde brandstoffen. In tegenstelling tot andere energiesectoren, zoals vervoer over land of residentiële en commerciële gebouwen, de luchtvaartindustrie kan niet gemakkelijk overschakelen op hernieuwbare energiebronnen met behulp van bestaande technologieën.

Echter, een nieuwe analyse door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy toont aan dat duurzame, op planten gebaseerde bio-jetbrandstoffen een concurrerend alternatief kunnen bieden voor conventionele petroleumbrandstoffen als de huidige ontwikkelings- en opschalingsinitiatieven met succes doorgaan .

"Techno-economische analyse en levenscycluskosten voor de beperking van broeikasgassen van vijf routes naar biobrandstofmengsels, " onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Energie en milieuwetenschappen , levert veelbelovend bewijs dat het optimaliseren van de pijplijn voor de productie van biobrandstoffen - het nemen van koolhydraatrijk plantmateriaal en het gebruik van genetisch gemodificeerde bacteriën om de geïsoleerde suikers te verteren tot energierijke moleculen die vervolgens chemisch worden omgezet in een brandstofproduct - de moeite waard is.

"Het is een uitdaging om de luchtvaart te elektrificeren met batterijen of brandstofcellen, deels vanwege de gewichtsbeperkingen op vliegtuigen, dus vloeibare biobrandstoffen hebben het potentieel om een ​​grote rol te spelen bij de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen, " zei hoofdauteur Corinne Scown, een onderzoeker in het Energy Technologies Area van Berkeley Lab en het Joint BioEnergy Institute (JBEI) van DOE. "Het team van JBEI heeft gewerkt aan biologische routes naar geavanceerde bio-jetbrandstofmengsels die niet alleen zijn afgeleid van plantaardige suikers, maar ook aantrekkelijke eigenschappen hebben die een voordeel kunnen opleveren ten opzichte van conventionele vliegtuigbrandstoffen."

Hoe brandstof uit plantaardig materiaal te halen?

Momenteel, multidisciplinaire teams bij JBEI zijn gericht op het optimaliseren van elke fase van het productieproces van bio-jetbrandstof. Sommige onderzoekers zijn gespecialiseerd in het ontwikkelen van ideale bronplanten - ook wel biomassa genoemd - die een hoog gehalte aan koolhydraten en een laag gehalte aan lignine creëren, een soort materiaal dat vanaf nu, is een grotere uitdaging om bruikbaar te maken. In de tussentijd, anderen ontwikkelen methoden om de koolhydraten in non-food biomassa efficiënt te isoleren en op te breken in suikermoleculen die bacteriën kunnen verteren, of "bioconverteren, " in een brandstofmolecuul. Om de hoogst mogelijke opbrengst uit bioconversie te halen, nog andere JBEI-onderzoekers onderzoeken welke genetische en omgevingsfactoren de gemodificeerde bacteriën efficiënter maken.

Zodra deze fasen zijn geoptimaliseerd, JBEI-wetenschappers kunnen de technologieën overdragen aan commerciële partners die de brandstoffen vervolgens kunnen aanpassen en mengen tot gebruiksklare producten en strategieën kunnen bedenken om de productieschaal te industrialiseren. Gezien de enorme hoeveelheid experimenten en innovatie die nodig zijn om dit alles te bereiken, Scown en haar co-auteurs gebruikten innovatieve analysemethoden om te beoordelen of de onderneming daadwerkelijk het eindspel kon bereiken van een alternatief voor vliegtuigbrandstof dat luchtvaartmaatschappijen willen gebruiken.

"Onze hoop is dat vroeg in de onderzoeksfasen, we kunnen op zijn minst simuleren hoe we denken dat het eruit zou zien als je deze brandstofproductieroutes ontwikkelt tot het punt van volwassenheid, Scown zei. "Als je ze zou pushen naar de ethanolbenchmark - de technologie om ethanol te maken van plantaardig materiaal zoals maïsstengels, bladeren, en kolven bestaat al een lange tijd, en we kunnen suikers fermenteren met een efficiëntie van 90 procent - hoe dicht zou dit ons bij de marktprijs van petroleumbrandstoffen brengen? Dat is nu belangrijk om te weten.

"Dankbaar, het antwoord is dat ze levensvatbaar kunnen zijn. En we hebben verbeteringen geïdentificeerd die tijdens het conversieproces moeten plaatsvinden om dat mogelijk te maken."

Het productieproces op schaal voorstellen

Dankzij de bij JBEI ontwikkelde technologieën voor de deconstructie van biomassa en brandstofsynthese, de theoretische kosten van bio-jetbrandstof zijn de afgelopen jaren gestaag gedaald en bedragen momenteel slechts $ 16 per gallon, in vergelijking met $ 300, 000 per gallon toen JBEI werd opgericht, volgens co-auteur en JBEI postdoctoraal fellow Nawa Baral. De kosten van standaard vliegtuigbrandstof zijn ongeveer $ 2,50 per gallon.

Om te onderzoeken hoe biobrandstof de resterende prijskloof kan overbruggen, het onderzoeksteam gebruikte complexe computersimulaties die de benodigde technologie en de daaropvolgende kosten van complete, opgeschaalde productietrajecten met verschillende efficiëntieniveaus en met een scala aan biomassa en chemische inputs. De auteurs simuleerden in totaal vijf verschillende productieroutes naar vier verschillende brandstofmoleculen.

De resultaten toonden aan dat alle vijf routes inderdaad brandstofproducten zouden kunnen maken tegen de richtprijs van $ 2,50 per gallon als fabrikanten de overgebleven lignine kunnen omzetten in een waardevolle chemische stof - iets waar JBEI-onderzoekers momenteel naar toe werken - die verkocht zou kunnen worden om de kosten te compenseren van biobrandstoffen. De nettoprijs van een liter biobrandstof zou verder kunnen worden verlaagd als luchtvaartmaatschappijen zelfs maar een bescheiden financieel krediet zouden krijgen voor emissiereductie.

Na enig industrieel onderzoek, het team ontdekte ook dat luchtvaartmaatschappijen mogelijk bereid zijn een premie van maar liefst vijftig cent per gallon te betalen, omdat alle vier de biobrandstoffen meer energie per volume-eenheid leveren, wat betekent dat een vliegtuig verder kan vliegen op een tank van dezelfde grootte.

"De ontwikkeling van op planten gebaseerde verbindingen die een prestatievoordeel hebben ten opzichte van hun op aardolie gebaseerde tegenhangers, is een belangrijke factor bij het bepalen van hun levensvatbaarheid op de markt, " zei Blake Simmons, een co-auteur en de Chief Science and Technology Officer bij JBEI.

Echter, hoe veelbelovend deze bevindingen ook zijn, om de technologie voor de productie van biobrandstoffen op de goudstandaardopbrengsten te krijgen die in deze simulaties worden verondersteld, zullen verdere vorderingen nodig zijn.

"Het is duidelijk dat, om deze brandstoffen commercieel levensvatbaar te maken, we hebben alle hens aan dek nodig, Scown merkte op. "Maar deze analyse benadrukt het belang van multi-institutionele, integratieve onderzoekscentra zoals JBEI omdat geen enkele groep die aan één fase van het proces alleen werkt, dit kan laten gebeuren."