Potrebbe Jet Fuel fatto da canna da zucchero essere la chiave per il volo Cleaner?

L'industria aeronautica produce il 2% delle emissioni globali di biossido di carbonio indotte dall'uomo. Questa percentuale può sembrare relativamente piccola: per la prospettiva, la produzione di elettricità e il riscaldamento domestico rappresentano oltre il 40%, ma l'aviazione è una delle fonti di gas a effetto serra a più rapida crescita al mondo. La domanda di viaggi aerei dovrebbe raddoppiare nei prossimi 20 anni.

Le compagnie aeree sono sotto pressione per ridurre le loro emissioni di carbonio e sono molto vulnerabili alle fluttuazioni globali del prezzo del petrolio. Queste sfide hanno stimolato un forte interesse per i carburanti jet derivati ​​da biomassa. Il combustibile a biogetto può essere prodotto da vari materiali vegetali, tra cui colture oleaginose, colture da zucchero, piante amidacee e biomassa lignocellulosica, attraverso varie vie chimiche e biologiche. Tuttavia, le tecnologie per convertire il petrolio in carburante per jet sono in uno stadio di sviluppo più avanzato e offrono una maggiore efficienza energetica rispetto ad altre fonti.

Stiamo ingegnando la canna da zucchero, la pianta più produttiva al mondo, per produrre petrolio che può essere trasformato in combustibile a biogetto. In un recente studio, abbiamo scoperto che l'uso di questa canna da zucchero progettata potrebbe produrre più di 2.500 litri di carburante bio-jet per ettaro di terra. In termini semplici, ciò significa che un Boeing 747 potrebbe volare per 10 ore sul carburante a biogetto prodotto su appena 54 acri di terreno. Rispetto a due fonti vegetali, soia e jatropha, i lipidcane producono rispettivamente circa 15 e 13 volte più carburante per unità di terra.

Creazione di canna da zucchero a doppio scopo

I carburanti Bio-jet derivati ​​da materie prime ricche di olio, come la camelina e le alghe, sono stati testati con successo in voli dimostrativi. ASTM International, un'organizzazione per lo sviluppo di standard globali, ha approvato una miscela 50:50 di carburante per aviogetti a base di petrolio e carburante per idrocarburi rinnovabili a idrocarburi per voli commerciali e militari.

Tuttavia, anche dopo importanti sforzi di ricerca e commercializzazione, gli attuali volumi di produzione di biogetto sono molto piccoli. Realizzare questi prodotti su una scala più ampia richiederà ulteriori miglioramenti tecnologici e abbondanti materie prime a basso costo (colture utilizzate per produrre il combustibile).

La canna da zucchero è una fonte ben nota di biocarburanti: il Brasile sta fermentando il succo di canna da zucchero per produrre combustibile a base di alcool per decenni. L'etanolo ricavato dalla canna da zucchero produce il 25% di energia in più rispetto alla quantità utilizzata durante il processo di produzione e riduce le emissioni di gas serra del 12% rispetto ai combustibili fossili.

Ci siamo domandati se potessimo aumentare la produzione di olio naturale della pianta e utilizzare l'olio per produrre biodiesel, il che fornisce benefici ambientali ancora maggiori. Il biodiesel produce il 93 percento di energia in più rispetto a quello necessario per produrlo e riduce le emissioni del 41 percento rispetto ai combustibili fossili. L'etanolo e il biodiesel possono entrambi essere utilizzati nel combustibile a biogetto, ma le tecnologie per convertire l'olio derivato dalle piante in combustibile per jet sono in una fase avanzata di sviluppo, offrono un'elevata efficienza energetica e sono pronte per l'impiego su larga scala.

Quando, per la prima volta, abbiamo proposto di ingegnerizzare la canna da zucchero per produrre più petrolio, alcuni dei nostri colleghi pensavano che fossimo pazzi. Le piante di canna da zucchero contengono solo lo 0,05% di petrolio, che è troppo poco per essere convertito in biodiesel. Molti scienziati hanno teorizzato che aumentare la quantità di olio all'1 percento sarebbe tossico per l'impianto, ma i nostri modelli informatici hanno previsto che potremmo aumentare la produzione di petrolio al 20 percento.

Con il sostegno dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata dell'energia del Dipartimento dell'energia, abbiamo lanciato un progetto di ricerca chiamato Piante ingegnerizzate per sostituire l'olio in canna e sorgo, o PETROSS, nel 2012. Da allora, grazie all'ingegneria genetica abbiamo aumentato la produzione di petrolio e acidi grassi per ottenere il 12 percento di olio nelle foglie di canna da zucchero.

Ora stiamo lavorando per raggiungere il 20 percento di petrolio - il limite teorico, secondo i nostri modelli computerizzati - e mirare a questo accumulo di petrolio sul tronco della pianta, dove è più accessibile che nelle foglie. La nostra ricerca preliminare ha dimostrato che anche se le piante ingegnerizzate producono più petrolio, continuano a produrre zucchero. Chiamiamo queste piante ingegnerizzate lipidcane.

Prodotti multipli da lipidcane

Lipidicano offre molti vantaggi per gli agricoltori e l'ambiente. Calcoliamo che il lipidcane in crescita contenente il 20 per cento di petrolio sarebbe cinque volte più redditizio per acro rispetto alla soia, la principale materia prima attualmente utilizzata per produrre biodiesel negli Stati Uniti e due volte più redditizia per acro del mais.

Per essere sostenibile, il carburante biodegradabile deve anche essere economico da elaborare e avere rese produttive elevate che riducano al minimo l'uso di terra arabile. Stimiamo che rispetto ai semi di soia, il lipidano contenente il 5% di olio potrebbe produrre quattro volte più carburante per ettaro di terra. Il lipidcano con il 20% di olio potrebbe produrre più di 15 volte più carburante per ettaro.

E il lipidano offre altri benefici energetici. Le parti dell'impianto lasciate dopo l'estrazione del succo, noto come bagassa, possono essere bruciate per produrre vapore ed elettricità. Secondo la nostra analisi, questo genererebbe più che abbastanza energia elettrica per alimentare la bioraffineria, così l'energia in eccesso potrebbe essere venduta alla rete, spostando l'elettricità prodotta dai combustibili fossili - una pratica già utilizzata in alcune fabbriche in Brasile per produrre etanolo dalla canna da zucchero.

Un potenziale raccolto di bioenergia negli Stati Uniti

La canna da zucchero prospera su terreni marginali che non sono adatti a molte colture alimentari. Attualmente è coltivato principalmente in Brasile, India e Cina. Stiamo anche progettando il lipidcane per essere più tolleranti al freddo in modo che possa essere sollevato più ampiamente, in particolare negli Stati Uniti sudorientali su terreni sottoutilizzati.

Se dedichiamo 23 milioni di acri negli Stati Uniti sudorientali a lipidcane con il 20 per cento di petrolio, stimiamo che questa coltura potrebbe produrre il 65 per cento della fornitura di carburante degli Stati Uniti. Attualmente, in dollari correnti, quel carburante costerebbe alle compagnie aeree US $ 5,31 al gallone, che è meno del carburante per i bio-jet prodotto da alghe o altre colture oleaginose come la soia, la canola o l'olio di palma.

Il lipidcane potrebbe anche essere coltivato in Brasile e in altre zone tropicali. Come recentemente riportato in Nature Climate Change, l'espansione significativa della produzione di canna da zucchero o lipidano in Brasile potrebbe ridurre le attuali emissioni globali di anidride carbonica fino al 5,6 percento. Ciò potrebbe essere realizzato senza interferire su aree che il governo brasiliano ha designato come sensibili all'ambiente, come la foresta pluviale.

Alla ricerca di "energycane"

La nostra ricerca sul lipidano comprende anche l'ingegneria genetica della pianta per renderla fotosintetica in modo più efficiente, il che si traduce in una maggiore crescita. In un articolo del 2016 su Science, uno di noi (Stephen Long) e colleghi di altre istituzioni hanno dimostrato che il miglioramento dell'efficienza della fotosintesi nel lipidcane ha aumentato la sua crescita del 20%. Ricerche preliminari e prove sul campo affiancate suggeriscono che abbiamo migliorato l'efficienza fotosintetica della canna da zucchero del 20% e di quasi il 70% in condizioni fredde.

Ora il nostro team sta iniziando a lavorare per progettare una varietà di canna da zucchero più produttiva che chiamiamo "energycane" per ottenere una maggiore produzione di petrolio per ettaro. Abbiamo più terreno da percorrere prima che possa essere commercializzato, ma lo sviluppo di un impianto vitale con abbastanza petrolio per produrre economicamente biodiesel e carburante biodegradabile è un primo passo importante.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Deepak Kumar, Postdoctoral Researcher; Stephen P. Long, professore di scienze delle colture e biologia vegetale; Vijay Singh, professore di ingegneria agraria e biologica e direttore del laboratorio di ricerca di bioprocessing integrato, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Leggi l'articolo originale qui.