Letecký průmysl produkuje 2 procenta celosvětových emisí oxidu uhličitého vyvolaného člověkem. Tento podíl se může jevit jako relativně malý - perspektiva, výroba elektřiny a vytápění domácností představují více než 40 procent - letectví je však jedním z nejrychleji rostoucích zdrojů skleníkových plynů na světě. Poptávka po letecké dopravě by se měla v příštích 20 letech zdvojnásobit.
Letecké společnosti jsou pod tlakem, aby snížily své emise uhlíku, a jsou vysoce citlivé na kolísání cen ropy na celosvětové úrovni. Tyto výzvy vyvolaly silný zájem o proudová paliva pocházející z biomasy. Biopalivo lze vyrábět z různých rostlinných materiálů, včetně olejnin, cukrových plodin, škrobnatých rostlin a lignocelulózové biomasy, různými chemickými a biologickými cestami. Technologie pro přeměnu oleje na tryskové palivo jsou však v pokročilém stadiu vývoje a přinášejí vyšší energetickou účinnost než jiné zdroje.
Vyrábíme cukrovou třtinu, nejproduktivnější závod na světě, který produkuje olej, který lze přeměnit na biopalivo. V nedávné studii jsme zjistili, že použití této upravené cukrové třtiny by mohlo přinést více než 2 500 litrů biopaliva na akr půdy. Zjednodušeně to znamená, že Boeing 747 mohl létat po dobu 10 hodin s biopalivem vyrobeným na pouhých 54 akrech půdy. Ve srovnání se dvěma konkurenčními rostlinnými zdroji, sójovými boby a jatropou, by lipidekan produkoval asi 15 a 13krát více tryskového paliva na jednotku půdy, v daném pořadí.
Vytváření cukrové třtiny s dvojím účelem
Biopalivová paliva získaná z ropných surovin, jako je například camelina a řasy, byla úspěšně testována na základě koncepčních letů. Americká společnost pro testování a materiály schválila směs komerčního a vojenského letu směsí tryskového paliva na bázi ropy a obnovitelného tryskového paliva na bázi ropy.
Avšak i po značném úsilí v oblasti výzkumu a komercializace jsou současné objemy výroby biopaliva velmi malé. Výroba těchto produktů ve větším měřítku bude vyžadovat další technologická vylepšení a hojné levné suroviny (plodiny používané k výrobě paliva).
Cukrová třtina je známý zdroj biopaliv: Brazílie fermentuje šťávu z cukrové třtiny, aby vyráběla palivo na bázi alkoholu po celá desetiletí. Ethanol z cukrové třtiny poskytuje o 25 procent více energie než množství použité během výrobního procesu a ve srovnání s fosilními palivy snižuje emise skleníkových plynů o 12 procent.
Sklizeň cukrové třtiny v Brazílii (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Přemýšleli jsme, zda bychom mohli zvýšit produkci přírodního oleje rostlin a použít tento olej k výrobě bionafty, což přináší ještě větší přínos pro životní prostředí. Bionafta poskytuje o 93 procent více energie, než je zapotřebí pro její výrobu, a snižuje emise o 41 procent ve srovnání s fosilními palivy. Ethanol a bionafta mohou být použity v biopalivech, ale technologie pro přeměnu oleje z rostlin na tryskové palivo jsou v pokročilém stadiu vývoje, přinášejí vysokou energetickou účinnost a jsou připraveny k nasazení ve velkém měřítku.
Když jsme poprvé navrhli strojní cukrové třtiny k výrobě více ropy, někteří z našich kolegů si mysleli, že jsme blázni. Rostliny cukrové třtiny obsahují pouze 0, 05 procenta oleje, což je příliš málo na to, aby bylo možno převést na bionaftu. Mnoho vědců z rostlin se domnívalo, že zvýšení množství oleje na 1 procento by bylo pro rostlinu toxické, ale naše počítačové modely předpovídaly, že bychom mohli zvýšit produkci oleje na 20 procent.
S podporou Agentury pro pokročilé výzkumné projekty Energie - Energie jsme v roce 2012 zahájili výzkumný projekt s názvem Rostliny připravené k nahrazení oleje v cukrové třtině a čiroku nebo PETROSS. Od té doby jsme prostřednictvím genetického inženýrství zvýšili produkci ropy a mastné kyseliny k dosažení 12 procent oleje v listech cukrové třtiny.
Láhev oleje vyrobeného z PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Nyní pracujeme na tom, abychom dosáhli 20 procent oleje - teoretický limit, podle našich počítačových modelů - a zaměřili tuto akumulaci oleje na stonek rostliny, kde je přístupnější než v listech. Náš předběžný výzkum ukázal, že i když pěstované rostliny produkují více ropy, nadále produkují cukr. Tyto rostlinné rostliny nazýváme lipidcane.
Více produktů z lipidcane
Lipidcane nabízí mnoho výhod pro zemědělce a životní prostředí. Vypočítáme, že pěstování lipidekanu obsahujícího 20 procent oleje by bylo pětkrát výnosnější na akr než sójové boby, hlavní výchozí surovina, která se v současné době používá k výrobě bionafty ve Spojených státech, a dvakrát tak výnosná na akr než kukuřice.
Aby bylo udržitelné, musí být biopalivové palivo hospodárné a musí mít vysoké výtěžky produkce, které minimalizují využití orné půdy. Odhadujeme, že ve srovnání se sójovými boby může lipidkan obsahující 5 procent oleje produkovat čtyřikrát více tryskového paliva na akr půdy. Lipidcane s 20 procenty oleje by mohl produkovat více než 15krát více tryskového paliva na akr.
A lipidcane nabízí další energetické výhody. Části rostlin, které zůstaly po extrakci šťávy, známé jako bagasa, mohou být spáleny za účelem výroby páry a elektřiny. Podle naší analýzy by to vytvořilo více než dostatek elektřiny k napájení biorefinery, takže přebytečná energie by mohla být prodána zpět do rozvodné sítě, vytlačila elektřinu vyrobenou z fosilních paliv - což je již v některých závodech v Brazílii používáno k výrobě ethanolu z cukrové třtiny.
Potenciální bioenergetická plodina v USA
Cukrová třtina se daří na okrajové půdě, která není vhodná pro mnoho potravinářských plodin. V současné době se pěstuje hlavně v Brazílii, Indii a Číně. Rovněž vyvíjíme lipidekan tak, aby byl tolerantnější vůči chladu, aby mohl být pěstován ve větší míře, zejména v jihovýchodních Spojených státech na nevyužívané půdě.
Mapa rostoucí oblasti lipidekanu tolerantního vůči chladu (PETROSS) Pokud bychom věnovali 23 milionům akrů v jihovýchodních Spojených státech lipidekanu s 20 procenty ropy, odhadujeme, že tato plodina by mohla produkovat 65 procent americké dodávky tryskového paliva v USA. V současné době by toto palivo v současných dolarech stálo letecké společnosti 5, 31 USD za galon, což je méně než palivo z biomasy vyrobené z řas nebo jiných olejnin, jako jsou sójové boby, řepka nebo palmový olej.
Lipidcane lze pěstovat také v Brazílii a dalších tropických oblastech. Jak jsme nedávno uvedli v publikaci Nature Climate Change, významně rostoucí produkce cukrové třtiny nebo lipidekanu v Brazílii by mohla snížit současné celosvětové emise oxidu uhličitého až o 5, 6 procenta. Toho by bylo možné dosáhnout bez dopadu na oblasti, které brazilská vláda označila za environmentálně citlivé, jako je deštný prales.
Ve snaze o „energetickou třtinu“
Náš výzkum lipidcane také zahrnuje genetické inženýrství rostliny, aby byla fotosyntetizována efektivněji, což se promítá do většího růstu. V článku z roku 2016 ve vědě jeden z nás (Stephen Long) a jeho kolegové z jiných institucí ukázali, že zlepšení účinnosti fotosyntézy v tabáku zvýšilo jeho růst o 20 procent. V současné době předběžný výzkum a terénní pokusy naznačují, že jsme vylepšili fotosyntetickou účinnost cukrové třtiny o 20 procent a téměř o 70 procent v chladných podmínkách.
Normální cukrová třtina (vlevo) roste vedle umělé cukrové třtiny PETROSS, která je viditelně vyšší a keřovitější, v polních pokusech na Floridské univerzitě. (Fredy Altpeter / University of Florida, CC BY-ND) Nyní náš tým začíná pracovat na vývoji odrůdy cukrové třtiny s vyšším výnosem, kterou nazýváme „energetická třtina“, aby bylo dosaženo větší produkce ropy na akr. Než budeme moci komercializovat, musíme mít více prostoru, ale vývoj prvního životaschopného závodu s dostatkem oleje pro ekonomickou výrobu bionafty a biopaliva je prvním velkým krokem.
Poznámka editora: Tento článek byl aktualizován s cílem objasnit, že studie Stephena Longa a dalších publikovaná v Science v roce 2016 zahrnovala zlepšení účinnosti fotosyntézy v tabákových rostlinách.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Deepak Kumar, postgraduální výzkumník, University of Illinois na Urbana-Champaign
Stephen P. Long, profesor rostlinných věd a biologie rostlin, University of Illinois na Urbana-Champaign
Vijay Singh, profesor zemědělského a biologického inženýrství a ředitel Integrované výzkumné laboratoře pro biologické zpracování, University of Illinois, Urbana-Champaign
