Авиационная промышленность производит 2 процента глобальных антропогенных выбросов углекислого газа. Эта доля может показаться относительно небольшой - с точки зрения перспективы, выработка электроэнергии и отопления домов составляют более 40 процентов - но авиация является одним из самых быстрорастущих источников парниковых газов в мире. По прогнозам, спрос на авиаперевозки удвоится в ближайшие 20 лет.
Авиакомпании вынуждены сокращать выбросы углекислого газа и очень уязвимы перед глобальными колебаниями цен на нефть. Эти проблемы вызвали большой интерес к реактивному топливу, полученному из биомассы. Биотопливное топливо может производиться из различных растительных материалов, включая масличные культуры, сахарные культуры, крахмалистые растения и лигноцеллюлозную биомассу, по различным химическим и биологическим путям. Тем не менее, технологии для преобразования нефти в топливо для реактивных двигателей находятся на более продвинутой стадии разработки и обеспечивают более высокую энергоэффективность, чем другие источники.
Мы разрабатываем сахарный тростник, самый производительный завод в мире, для производства масла, которое можно превратить в биотопливное топливо. В недавнем исследовании мы обнаружили, что использование этого инженерного сахарного тростника может дать более 2500 литров биотоплива на акр земли. Проще говоря, это означает, что Боинг 747 мог летать в течение 10 часов на биотопливном топливе, произведенном всего на 54 акрах земли. По сравнению с двумя конкурирующими растительными источниками, соевыми бобами и ятрофой, липидный тростник будет производить примерно в 15 и 13 раз больше реактивного топлива на единицу земли, соответственно.
Создание сахарного тростника двойного назначения
Биотопливное топливо, полученное из богатого нефтью сырья, такого как камелина и водоросли, было успешно испытано в доказательстве концептуальных полетов. Американское общество по испытаниям и материалам одобрило смесь 50:50 реактивного топлива на нефтяной основе и возобновляемого реактивного топлива с гидрообработкой для коммерческих и военных полетов.
Однако даже после значительных усилий по исследованию и коммерциализации текущие объемы производства биотоплива очень малы. Производство этих продуктов в больших масштабах потребует дальнейших технологических усовершенствований и обильного недорогого сырья (культур, используемых для производства топлива).
Сахарный тростник является известным источником биотоплива: Бразилия десятилетиями сбраживала сок сахарного тростника для производства топлива на основе спирта. Этанол из сахарного тростника дает на 25 процентов больше энергии, чем количество, используемое в процессе производства, и снижает выбросы парниковых газов на 12 процентов по сравнению с ископаемым топливом.
Сбор урожая сахарного тростника в Бразилии (Джонатан Уилкинс, CC BY-SA) Мы задавались вопросом, можем ли мы увеличить производство масла на заводе и использовать его для производства биодизеля, что обеспечивает еще большую экологическую выгоду. Биодизель дает на 93 процента больше энергии, чем требуется для его производства, и сокращает выбросы на 41 процент по сравнению с ископаемым топливом. Этанол и биодизель могут использоваться в биотопливном топливе, но технологии преобразования растительного масла в реактивное топливо находятся на продвинутой стадии разработки, обеспечивают высокую энергоэффективность и готовы к крупномасштабному внедрению.
Когда мы впервые предложили проектировать сахарный тростник для производства большего количества нефти, некоторые из наших коллег думали, что мы сошли с ума. Растения сахарного тростника содержат всего 0, 05% масла, что слишком мало для преобразования в биодизель. Многие ученые-теоретики предполагали, что увеличение количества масла до 1 процента будет токсичным для растения, но наши компьютерные модели предсказывали, что мы можем увеличить добычу нефти до 20 процентов.
При поддержке Агентства по перспективным исследовательским проектам Министерства энергетики и энергетики - в 2012 году мы запустили исследовательский проект под названием «Установки, сконструированные для замены масла в сахарном тростнике и сорго, или PETROSS». С тех пор, благодаря генной инженерии, мы увеличили производство масла и жирные кислоты для достижения 12 процентов масла в листьях сахарного тростника.
Бутылка масла, произведенного из липидкана PETROSS (Клэр Бенджамин / Университет Иллинойса, CC BY-ND) Сейчас мы работаем над тем, чтобы достичь 20 процентов масла - теоретического предела, согласно нашим компьютерным моделям, - и нацеливаем накопление этого масла на стебель растения, где оно более доступно, чем на листьях. Наши предварительные исследования показали, что даже если инженерные заводы производят больше масла, они продолжают производить сахар. Мы называем эти инженерные растения липидкана.
Несколько продуктов из липидкана
Lipidcane предлагает много преимуществ для фермеров и окружающей среды. Мы рассчитываем, что выращивание липидкана, содержащего 20 процентов масла, будет в пять раз более выгодным на акр, чем соя, основное сырье, используемое в настоящее время для производства биодизеля в Соединенных Штатах, и вдвое более выгодным на акр, чем кукуруза.
Чтобы быть экологически чистым, биотопливное топливо также должно быть экономичным для обработки и иметь высокую урожайность, сводящую к минимуму использование пахотных земель. По нашим оценкам, по сравнению с соей бобовый липид, содержащий 5 процентов нефти, может производить в четыре раза больше реактивного топлива на акр земли. Липидкан с 20-процентным содержанием масла может производить более чем в 15 раз больше реактивного топлива на акр.
А липидкана предлагает другие преимущества энергии. Части растения, оставшиеся после извлечения сока, известные как жмых, могут сжигаться для производства пара и электричества. Согласно нашему анализу, это будет генерировать более чем достаточно электроэнергии для питания биоперерабатывающего завода, поэтому избыточная энергия может быть продана обратно в сеть, вытесняя электроэнергию, произведенную из ископаемого топлива - практика, уже применяемая на некоторых заводах в Бразилии для производства этанола из сахарного тростника.
Потенциальная биоэнергетическая культура США
Сахарный тростник процветает на маргинальных землях, которые не подходят для многих продовольственных культур. В настоящее время его выращивают в основном в Бразилии, Индии и Китае. Мы также разрабатываем липидный тростник, чтобы он был более терпимым к холоду, чтобы его можно было выращивать более широко, особенно в юго-восточной части Соединенных Штатов на недоиспользуемых землях.
Карта растущей области холодоустойчивого липидкана (ПЕТРОСС) Если мы выделим 23 миллиона акров на юго-востоке Соединенных Штатов для липидкана с 20 процентами нефти, мы подсчитаем, что эта культура может обеспечить 65 процентов поставок реактивного топлива в США. В настоящее время в текущих долларах это топливо будет стоить авиакомпаниям 5, 31 долл. США за галлон, что меньше, чем топливо для биологических реактивных двигателей, производимое из водорослей или других масличных культур, таких как соевые бобы, рапс или пальмовое масло.
Липидкан также можно выращивать в Бразилии и других тропических районах. Как мы недавно сообщали в журнале Nature Climate Change, значительное расширение производства сахарного тростника или липидного тростника в Бразилии может сократить текущие глобальные выбросы углекислого газа до 5, 6 процента. Этого можно достичь, не затрагивая районы, которые правительство Бразилии определило как экологически чувствительные, такие как тропические леса.
В погоне за «энергетическим тростником»
Наше исследование липидного тростника также включает генетическую инженерию растения, чтобы сделать его более эффективным для фотосинтеза, что приводит к большему росту. В статье « Наука» за 2016 год один из нас (Стивен Лонг) и коллеги из других учреждений продемонстрировали, что повышение эффективности фотосинтеза в табаке увеличило его рост на 20 процентов. В настоящее время предварительные исследования и параллельные полевые испытания показывают, что мы улучшили эффективность фотосинтеза сахарного тростника на 20 процентов и почти на 70 процентов в прохладных условиях.
Нормальный сахарный тростник (слева) растет рядом с инженерным сахарным тростником PETROSS, который заметно выше и гуще, в полевых испытаниях в Университете Флориды. (Фреди Альтпетер / Университет Флориды, CC BY-ND) Теперь наша команда начинает работу над созданием высокоурожайного сорта сахарного тростника, который мы называем «энергетический тростник», для увеличения добычи нефти на акр. У нас есть еще много возможностей, прежде чем его можно будет коммерциализировать, но разработка жизнеспособного завода с достаточным количеством масла для экономичного производства биодизеля и биотоплива является важным первым шагом.
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы уточнить, что исследование Стивена Лонга и других, опубликованное в журнале Science в 2016 году, касалось повышения эффективности фотосинтеза у растений табака.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Дипак Кумар, доктор наук, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн
Стивен П. Лонг, профессор наук о растенияхводстве и биологии растений, Иллинойский университет, Урбана-Шампейн
Виджай Сингх, профессор сельскохозяйственной и биологической инженерии и директор лаборатории исследований в области комплексной биообработки, Иллинойский университет, Урбана-Шампейн
