תעשיית התעופה מייצרת 2 אחוזים מפליטת הפחמן הדו-חמצני העולמי המושרה על ידי האדם. נתח זה אולי נראה קטן יחסית - בפרספקטיבה, ייצור חשמל וחימום ביתי מהווים יותר מ- 40 אחוזים - אך תעופה היא אחד ממקורות גז החממה הצומחים במהירות בעולם. צפוי להכפיל את הביקוש לנסיעות אוויריות בעשרים השנים הבאות.
חברות תעופה נמצאות תחת לחץ להפחתת פליטת הפחמן שלהן, ופגיעות מאוד לתנודות במחירי הנפט העולמיות. אתגרים אלה דרבנו עניין חזק בדלקי סילון שמקורם ביומסה. ניתן לייצר דלק ביו-סילוני מחומרים צמחיים שונים, כולל גידולי נפט, גידולי סוכר, צמחים עמילניים וביומסה ליונוצלוזית, דרך דרכים כימיות וביולוגיות שונות. עם זאת, הטכנולוגיות להמרת נפט לדלק סילוני נמצאות בשלב פיתוח מתקדם יותר ומניבות יעילות אנרגטית גבוהה יותר ממקורות אחרים.
אנו הנדסיים קנה סוכר, המפעל היצרני ביותר בעולם, לייצור שמן שניתן להפוך לדלק ביו-סילון. במחקר שנערך לאחרונה מצאנו כי שימוש בקנה סוכר מהונדס זה יכול להניב יותר מ- 2, 500 ליטר דלק ביו-סילון לדונם אדמה. במילים פשוטות, משמעות הדבר היא שמטוס בואינג 747 יכול לטוס במשך 10 שעות על דלק ביו-סילון המיוצר רק על 54 דונם. בהשוואה לשני מקורות צמחיים מתחרים, פולי סויה וג'טרופה, ליפידן היה מייצר פי 15 ו -13 פי דלק סילון ליחידת אדמה, בהתאמה.
יצירת קנה סוכר דו תכליתי
דלקים ביו-סילוניים שמקורם במזון עשיר בשמן, כמו קמלינה ואצות, נבדקו בהצלחה בהוכחה לטיסות קונספט. האגודה האמריקאית לבדיקות וחומרים אישרה תערובת של 50:50 של דלק סילון על בסיס נפט ודלק סילון מתחדש הידר-מעובד לטיסות מסחריות וצבאיות.
עם זאת, גם לאחר מאמצי מחקר ומסחור משמעותיים, נפחי הייצור הנוכחיים של דלק ביו-סילון הם קטנים מאוד. הפיכת מוצרים אלה בקנה מידה גדול יותר תדרוש שיפורים טכנולוגיים נוספים ושפע של חומרי הזנה בעלי עלות נמוכה (גידולים המשמשים לייצור הדלק).
קנה סוכר הוא מקור דלק ביולוגי ידוע: ברזיל תוססת מיץ קנה סוכר לייצור דלק על בסיס אלכוהול מזה עשרות שנים. אתנול מקנה סוכר מניב 25 אחוז יותר אנרגיה מכמות המשמשת בתהליך הייצור, ומפחית את פליטת גזי החממה ב 12 אחוזים בהשוואה לדלקים מאובנים.
קציר קנה סוכר בברזיל (ג'ונתן וילקינס, CC BY-SA) תהינו אם נוכל להגדיל את ייצור השמן הטבעי של הצמח ולהשתמש בשמן לייצור ביו-דיזל, המספק יתרונות סביבתיים גדולים עוד יותר. ביו-דיזל מניב 93 אחוז יותר אנרגיה ממה שנדרש כדי לייצרו ומפחית את הפליטות בכ -41 אחוזים בהשוואה לדלקים מאובנים. ניתן להשתמש באתנול ובביו-דיזל בדלק ביו-סילון, אך הטכנולוגיות להמרת נפט שמקורו בצמח לדלק סילוני נמצאות בשלב מתקדם של פיתוח, מניבות יעילות אנרגטית גבוהה ומוכנות לפריסה רחבה.
כאשר הצענו לראשונה קנה סוכר להנדסה לייצור שמן נוסף, חלק מהקולגות שלנו חשבו שאנחנו משוגעים. צמחי קנה סוכר מכילים רק 0, 05 אחוז שמן, שהוא מעט מדי מכדי להמיר לביו-דיזל. מדעני צמחים רבים תיאורטו כי הגדלת כמות השמן לאחוז אחד תהיה רעילה לצמח, אך דגמי המחשבים שלנו חזו שנוכל להגדיל את ייצור הנפט ל 20 אחוז.
בסיוע מטעם סוכנות הפרויקטים למחקר מתקדם של המחלקה לאנרגיה של המחלקה לאנרגיה, השקנו פרויקט מחקר בשם Plants Engineered to Replace Oil ב קנה סוכר ובסורגום, או PETROSS, בשנת 2012. מאז, באמצעות הנדסה גנטית, הגדלנו את ייצור הנפט ו חומצות שומן להשיג 12 אחוז שמן בעלים של קנה סוכר.
בקבוק שמן שהופק מפלפטאן PETROSS (קלייר בנימין / אוניברסיטת אילינוי, CC BY-ND) כעת אנו פועלים להשיג 20 אחוז נפט - הגבול התיאורטי, על פי דגמי המחשבים שלנו - וממקד את הצטברות השמן הזו לגבעול המפעל, שם הוא נגיש יותר מאשר בעלים. המחקר המקדים שלנו הראה כי ככל שהצמחים המהונדסים מייצרים יותר שמן הם ממשיכים לייצר סוכר. אנו מכנים צמחים מהונדסים אלה ליפידקן.
מספר מוצרים מליפידן
ליפידקן מציע יתרונות רבים לחקלאים ולסביבה. אנו מחשבים שגידול ליפידן המכיל 20 אחוז שמן יהיה רווחי פי חמישה יותר לדונם מאשר סויה, החומר העיקרי המשמש כיום לייצור ביו-דיזל בארצות הברית, ורווחיות כפל דונם כמו תירס.
כדי להיות בר-קיימא, דלק ביו-סילון חייב להיות גם חסכוני בעיבוד ולהניב תשואות ייצור גבוהות אשר ממזערות את השימוש בקרקע הניתנת לשטח. אנו מעריכים כי לעומת פולי סויה, ליפידן המכיל 5 אחוז שמן יכול לייצר פי ארבעה יותר דלק סילון לדונם אדמה. ליפידן עם 20 אחוז שמן יכול לייצר יותר מפי 15 יותר דלק סילון לדונם.
וליפידן מציע יתרונות אנרגטיים אחרים. ניתן לשרוף את חלקי הצמח שנותרו לאחר שאיבת מיץ, המכונה באגסה, לייצור קיטור וחשמל. על פי הניתוח שלנו, זה היה מייצר יותר מדי חשמל בכדי להניע את בית הזיקוק הביולוגי, כך שניתן יהיה למכור עודפי חשמל בחזרה לרשת, ולעקוף את החשמל המיוצר מדלקים מאובנים - נוהג שכבר נעשה במפעלים מסוימים בברזיל לייצור אתנול מקנה סוכר.
יבול פוטנציאלי לביו-אנרגיה בארה"ב
קנה סוכר משגשג על אדמה שולית שאינה מתאימה לגידולי מזון רבים. נכון לעכשיו הוא מגודל בעיקר בברזיל, הודו וסין. אנו גם מתכננים כי ליפידן יהיה סובלני יותר לקור כך שניתן יהיה לגדל אותו באופן נרחב יותר, במיוחד בדרום-מזרח ארצות הברית על אדמות בלתי מנוצלות.
מפה של האזור הצומח של ליפידקן לסובל קר (PETROSS) אם הקדשנו 23 מיליון דונם בדרום מזרח ארצות הברית לליפידן עם 20 אחוז נפט, אנו מעריכים כי יבול זה יכול לייצר 65 אחוז מהאספקת דלק הסילון האמריקני. נכון לעכשיו, בדולרים שוטפים, דלק זה יעלה לחברות תעופה 5.31 דולר לגלון, שזה פחות מדלק ביו-סילון המיוצר מאצות או גידולי נפט אחרים כמו פולי סויה, קנולה או שמן דקלים.
ניתן לגדל ליפידקן גם בברזיל ובאזורים טרופיים אחרים. כפי שדיווחנו לאחרונה בשינויי אקלים בטבע, הרחבת ייצור קנה סוכר או ליפידן באופן משמעותי עלולה להפחית את פליטות הפחמן הדו-חמצני העולמי בעד 5.6 אחוזים. ניתן להשיג זאת מבלי לפגוע באזורים שממשלת ברזיל הגדירה כרגישים לסביבה, כמו יער גשם.
במרדף אחר 'אנרג'יינה'
מחקרי הליפידקנים שלנו כוללים גם הנדסה גנטית של הצמח בכדי להפוך אותו לפוטוסינתזה בצורה יעילה יותר, מה שמתרגם לצמיחה רבה יותר. במאמר שנערך בכתב העת Science ב -2016, אחד מאיתנו (סטיבן לונג) ועמיתיו במוסדות אחרים הדגימו כי שיפור היעילות של הפוטוסינתזה בטבק העלה את צמיחתו ב -20 אחוזים. נכון לעכשיו, מחקרים ראשוניים ובדיקות שדה זו לצד זו מראים כי שיפרנו את היעילות הפוטוסינתטית של קנה הסוכר בכ -20 אחוז, ובכמעט 70 אחוז בתנאים קרירים.
קנה סוכר רגיל (משמאל) גדל לצד קנה סוכר מהונדס PETROSS, שהוא גבוה וגדול יותר בבירור, בניסויי שדה באוניברסיטת פלורידה. (Fredy Altpeter / אוניברסיטת פלורידה, CC BY-ND) כעת הצוות שלנו מתחיל לעבוד בהנדסת מגוון קנים סוכר מניב גבוה יותר, שאנו מכנים "אנרג'ייקן" כדי להשיג יותר ייצור נפט לדונם. יש לנו עוד אדמה לכסות לפני שניתן יהיה למסחור אותה, אך פיתוח מפעל בר-קיימא עם מספיק שמן לייצור כלכלי ביו-דיזל ודלק ביו-סילון הוא הצעד הראשון העיקרי.
הערת העורך: מאמר זה עודכן כדי להבהיר כי המחקר שערך סטיבן לונג ואחרים שפורסם ב- Science בשנת 2016 כלל שיפור היעילות של הפוטוסינתזה בצמחי טבק.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
דיפאק קומאר, חוקר פוסט-דוקטורט, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין
סטיבן פ. לונג, פרופסור למדעי יבול וביולוגיה מהצומח, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין
ויג'יי סינג, פרופסור להנדסה חקלאית וביולוגית ומנהל מעבדת מחקר משולבת לחקר ביו-מעבדות, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.
