De luchtvaartindustrie produceert 2 procent van de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide door de mens. Dit aandeel lijkt misschien relatief klein - voor perspectief zijn elektriciteitsopwekking en thuisverwarming goed voor meer dan 40 procent - maar de luchtvaart is een van de snelst groeiende broeikasgasbronnen ter wereld. De vraag naar vliegreizen zal naar verwachting de komende 20 jaar verdubbelen.
Luchtvaartmaatschappijen staan onder druk om hun CO2-uitstoot te verminderen en zijn zeer kwetsbaar voor wereldwijde olieprijsschommelingen. Deze uitdagingen hebben een sterke interesse gewekt voor van biomassa afgeleide vliegtuigbrandstoffen. Bio-jetbrandstof kan worden geproduceerd uit verschillende plantaardige materialen, waaronder oliegewassen, suikergewassen, zetmeelrijke planten en lignocellulosische biomassa, via verschillende chemische en biologische routes. De technologieën om olie om te zetten in vliegtuigbrandstof bevinden zich echter in een verder ontwikkeld stadium en leveren een hogere energie-efficiëntie op dan andere bronnen.
Wij zijn engineering suikerriet, de meest productieve fabriek ter wereld, om olie te produceren die kan worden omgezet in bio-jet brandstof. In een recent onderzoek hebben we geconstateerd dat het gebruik van dit gemanipuleerde suikerriet meer dan 2500 liter biostraalbrandstof per hectare land kan opleveren. In eenvoudige bewoordingen betekent dit dat een Boeing 747 10 uur kon vliegen op biostraalbrandstof die op slechts 54 hectare land werd geproduceerd. Vergeleken met twee concurrerende plantenbronnen, sojabonen en jatropha, zou lipidcane respectievelijk ongeveer 15 en 13 keer zoveel vliegtuigbrandstof per landeenheid produceren.
Dual-purpose suikerriet maken
Bio-jetbrandstoffen afgeleid van olierijke grondstoffen, zoals camelina en algen, zijn met succes getest als bewijs van conceptvluchten. De American Society for Testing and Materials heeft een 50:50 mengsel van vliegtuigbrandstof op basis van aardolie en met waterstof verwerkte hernieuwbare vliegtuigbrandstof goedgekeurd voor commerciële en militaire vluchten.
Zelfs na aanzienlijke inspanningen voor onderzoek en commercialisering zijn de huidige productievolumes van biostraalbrandstof echter zeer klein. Het op grotere schaal maken van deze producten vereist verdere technologische verbeteringen en overvloedige goedkope grondstoffen (gewassen die worden gebruikt om de brandstof te maken).
Suikerriet is een bekende bron van biobrandstoffen: Brazilië vergist suikerrietsap om al decennia brandstof te maken. Ethanol uit suikerriet levert 25 procent meer energie op dan de hoeveelheid die wordt gebruikt tijdens het productieproces en vermindert de uitstoot van broeikasgassen met 12 procent in vergelijking met fossiele brandstoffen.
Suikerriet oogsten in Brazilië (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) We vroegen ons af of we de natuurlijke olieproductie van de plant konden verhogen en de olie gebruiken om biodiesel te produceren, wat nog grotere voordelen voor het milieu oplevert. Biodiesel levert 93 procent meer energie 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-jetbrandstof, maar de technologieën om plantaardige olie om te zetten in vliegtuigbrandstof bevinden zich in een vergevorderd stadium van ontwikkeling, leveren een hoge energie-efficiëntie op en zijn klaar voor grootschalige inzet.
Toen we voor het eerst technische suikerriet voorstelden om meer olie te produceren, dachten sommige van onze collega's dat we gek waren. Suikerrietplanten bevatten slechts 0, 05 procent olie, wat veel te weinig is om om te zetten in biodiesel. 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 zouden kunnen verhogen tot 20 procent.
Met steun van de afdeling Advanced Research Projects Agency-Energy van het Department of Energy zijn we in 2012 gestart met een onderzoeksproject genaamd Plants Engineered to Oil in Sugarcane and Sorghum, of PETROSS, vervangen. Sindsdien hebben we via genetische manipulatie de productie van olie en vetzuren om 12 procent olie in de bladeren van suikerriet te bereiken.
Een fles olie geproduceerd uit PETROSS lipidcane (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Nu werken we aan 20 procent olie - de theoretische limiet volgens onze computermodellen - en richten we deze olieophoping op de stengel van de plant, waar deze toegankelijker is dan in de bladeren. Ons voorlopige onderzoek heeft aangetoond dat, zelfs als de technische fabrieken meer olie produceren, ze suiker blijven produceren. We noemen deze gemanipuleerde planten lipidcane.
Meerdere producten van lipidcane
Lipidcane biedt vele 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 twee keer zo winstgevend per hectare als maïs.
Om duurzaam te zijn, moet bio-jetbrandstof ook economisch te verwerken zijn en hoge productieopbrengsten hebben die het gebruik van bouwland minimaliseren. We schatten dat lipidcaan met 5 procent olie in vergelijking met sojabonen vier keer meer vliegtuigbrandstof per hectare land kan produceren. Lipidcane met 20 procent olie kan meer dan 15 keer meer vliegtuigbrandstof per hectare produceren.
En lipidcane biedt andere energievoordelen. De plantendelen die overblijven na sapextractie, bekend als bagasse, kunnen worden verbrand om stoom en elektriciteit te produceren. Volgens onze analyse zou dit meer dan voldoende elektriciteit opwekken om de bioraffinaderij van stroom te voorzien, zodat overtollige energie aan het net zou kunnen worden verkocht, waardoor elektriciteit uit fossiele brandstoffen zou worden verplaatst - een praktijk die al in sommige fabrieken in Brazilië wordt gebruikt om ethanol uit suikerriet te produceren.
Een potentieel gewas in de VS voor bio-energie
Suikerriet gedijt op marginaal land dat niet geschikt is voor veel voedselgewassen. Momenteel wordt het vooral in Brazilië, India en China geteeld. We zijn ook bezig lipidcane te ontwikkelen om koudetoleranter te zijn, zodat het breder kan worden grootgebracht, met name in het zuidoosten van de Verenigde Staten op onderbenut land.
Een kaart van het groeiende gebied van koude-tolerante lipidcane (PETROSS) Als we 23 miljoen hectare in het zuidoosten van de Verenigde Staten zouden wijden aan lipidcane met 20 procent olie, schatten we dat dit gewas 65 procent van de Amerikaanse vliegtuigbrandstoftoevoer zou kunnen produceren. Momenteel, in huidige dollars, zou die brandstof luchtvaartmaatschappijen US $ 5.31 per gallon kosten, wat minder is dan biostraalbrandstof die wordt geproduceerd uit algen of andere oliegewassen zoals sojabonen, koolzaadolie of palmolie.
Lipidcane kan ook worden geteeld in Brazilië en andere tropische gebieden. Zoals we onlangs in Nature Climate Change hebben gemeld, kan een aanzienlijke uitbreiding van de productie van suikerriet of lipidcaan in Brazilië de huidige wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide met maximaal 5, 6 procent verminderen. Dit zou kunnen worden bereikt zonder inbreuk te maken op gebieden die de Braziliaanse regering heeft aangewezen als milieugevoelig, zoals regenwoud.
Op zoek naar 'energycane'
Ons lipidcane-onderzoek omvat ook de genetische manipulatie van de plant om deze efficiënter fotosynthetiseren, wat zich vertaalt in meer groei. In een artikel in Science in 2016 hebben een van ons (Stephen Long) en collega's van andere instellingen aangetoond dat verbetering van de efficiëntie van fotosynthese in tabak de groei met 20 procent heeft verhoogd. Momenteel suggereren voorlopig onderzoek en zij-aan-zij veldproeven dat we de fotosynthese-efficiëntie van suikerriet hebben verbeterd met 20 procent en met bijna 70 procent in koele omstandigheden.
Normaal suikerriet (links) groeit naast technisch PETROSS-suikerriet, dat zichtbaar langer en bossiger is, in veldproeven aan de Universiteit van Florida. (Fredy Altpeter / Universiteit van Florida, CC BY-ND) Nu begint ons team met de ontwikkeling van een suikerriet met een hoger rendement die we "energycane" noemen om meer olieproductie per hectare te bereiken. We hebben meer te dekken voordat het in de handel kan worden gebracht, maar het ontwikkelen van een levensvatbare fabriek met voldoende olie om economisch biodiesel en biostraalbrandstof te produceren is een belangrijke eerste stap.
Noot van de redactie: dit artikel is bijgewerkt om te verduidelijken dat de studie van Stephen Long en anderen die in 2016 in Science is gepubliceerd, betrekking had op het verbeteren van de efficiëntie van fotosynthese in tabaksplanten.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Deepak Kumar, postdoctoraal onderzoeker, Universiteit van Illinois op Urbana-Champaign
Stephen P. Long, hoogleraar gewaswetenschappen en plantenbiologie, Universiteit van Illinois op Urbana-Champaign
Vijay Singh, hoogleraar landbouw- en biologische engineering en directeur van Integrated Bioprocessing Research Laboratory, University of Illinois bij Urbana-Champaign
