Die Luftfahrtindustrie erzeugt 2 Prozent der weltweiten vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen. Dieser Anteil mag relativ gering erscheinen - für die Perspektive machen Stromerzeugung und Heizung mehr als 40 Prozent aus -, aber die Luftfahrt ist eine der am schnellsten wachsenden Treibhausgasquellen der Welt. Die Nachfrage nach Flugreisen wird sich in den nächsten 20 Jahren voraussichtlich verdoppeln.
Die Fluggesellschaften stehen unter dem Druck, ihre CO2-Emissionen zu senken, und sind stark anfällig für globale Ölpreisschwankungen. Diese Herausforderungen haben ein starkes Interesse an aus Biomasse gewonnenen Düsentreibstoffen geweckt. Bio-Jet-Kraftstoff kann auf verschiedenen chemischen und biologischen Wegen aus verschiedenen Pflanzenmaterialien hergestellt werden, darunter Ölpflanzen, Zuckerpflanzen, stärkehaltige Pflanzen und Lignocellulose-Biomasse. Die Technologien zur Umwandlung von Öl in Düsentreibstoff befinden sich jedoch in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium und führen zu einer höheren Energieeffizienz als andere Quellen.
Wir entwickeln Zuckerrohr, die produktivste Anlage der Welt, um Öl zu produzieren, das in Bio-Jet-Kraftstoff umgewandelt werden kann. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben wir festgestellt, dass die Verwendung dieses technischen Zuckerrohrs mehr als 2.500 Liter Bio-Jet-Kraftstoff pro Hektar Land liefern kann. In einfachen Worten bedeutet dies, dass eine Boeing 747 10 Stunden mit Bio-Jet-Kraftstoff fliegen könnte, der auf nur 54 Morgen Land produziert wird. Im Vergleich zu zwei konkurrierenden Pflanzenquellen, Sojabohnen und Jatropha, würde Lipidcane etwa das 15- bzw. 13-fache an Düsentreibstoff pro Landeinheit produzieren.
Zuckerrohr mit doppeltem Verwendungszweck herstellen
Bio-Jet-Kraftstoffe aus ölreichen Rohstoffen wie Kamelina und Algen wurden im Rahmen von Proof-of-Concept-Flügen erfolgreich getestet. Die American Society for Testing and Materials hat eine 50: 50-Mischung aus Jet Fuel auf Erdölbasis und hydroprozessiertem, erneuerbarem Jet Fuel für kommerzielle und militärische Flüge genehmigt.
Trotz erheblicher Forschungs- und Vermarktungsbemühungen ist das derzeitige Produktionsvolumen von Biotreibstoff sehr gering. Die Herstellung dieser Produkte in größerem Maßstab erfordert weitere technologische Verbesserungen und eine Fülle von kostengünstigen Rohstoffen (Pflanzen, die zur Herstellung des Kraftstoffs verwendet werden).
Zuckerrohr ist eine bekannte Quelle für Biokraftstoffe: Brasilien vergärt Zuckerrohrsaft seit Jahrzehnten zu alkoholischem Kraftstoff. Ethanol aus Zuckerrohr liefert 25 Prozent mehr Energie als die Menge, die während des Produktionsprozesses verbraucht wird, und reduziert die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen um 12 Prozent.
Zuckerrohrernte in Brasilien (Jonathan Wilkins, CC BY-SA) Wir fragten uns, ob wir die natürliche Ölproduktion der Pflanze steigern und das Öl zur Herstellung von Biodiesel verwenden könnten, was noch größere Umweltvorteile mit sich bringt. Biodiesel liefert 93 Prozent mehr Energie als benötigt und reduziert die Emissionen um 41 Prozent im Vergleich zu fossilen Brennstoffen. Ethanol und Biodiesel können beide in Biotreibstoffen verwendet werden. Die Technologien zur Umwandlung von aus Pflanzen gewonnenem Öl in Düsentreibstoff befinden sich jedoch in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium, weisen eine hohe Energieeffizienz auf und sind für den großtechnischen Einsatz bereit.
Als wir zum ersten Mal vorgeschlagen haben, Zuckerrohr zu verarbeiten, um mehr Öl zu produzieren, hielten einige unserer Kollegen uns für verrückt. Zuckerrohrpflanzen enthalten nur 0, 05 Prozent Öl, was viel zu wenig ist, um in Biodiesel umgewandelt zu werden. Viele Pflanzenwissenschaftler vermuteten, dass eine Erhöhung der Ölmenge auf 1 Prozent für die Pflanze toxisch wäre, aber unsere Computermodelle sagten voraus, dass wir die Ölproduktion auf 20 Prozent steigern könnten.
Mit Unterstützung der Energieagentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte haben wir im Jahr 2012 ein Forschungsprojekt mit dem Titel Plant Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum (PETROSS) gestartet. Seitdem haben wir durch Gentechnik die Produktion von Öl und Öl erhöht Fettsäuren erreichen 12 Prozent Öl in den Blättern des Zuckerrohrs.
Eine Flasche Öl aus PETROSS Lipidcane (Claire Benjamin / Universität Illinois, CC BY-ND) Jetzt arbeiten wir daran, 20 Prozent Öl zu erreichen - die theoretische Grenze nach unseren Computermodellen - und diese Ölansammlung auf den Stamm der Pflanze zu lenken, wo sie leichter zugänglich ist als in den Blättern. Unsere vorläufigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die technischen Pflanzen auch dann noch Zucker produzieren, wenn sie mehr Öl produzieren. Wir nennen diese technischen Pflanzen Lipidcane.
Mehrere Produkte aus Lipidcane
Lipidcane bietet viele Vorteile für Landwirte und die Umwelt. Wir rechnen damit, dass der Anbau von 20 Prozent Öl enthaltendem Lipidcane pro Morgen fünfmal rentabler ist als Sojabohnen, das derzeit in den USA als Hauptrohstoff für die Herstellung von Biodiesel verwendet wird, und doppelt so rentabel pro Morgen wie Mais.
Um nachhaltig zu sein, muss Bio-Jet-Kraftstoff auch wirtschaftlich zu verarbeiten sein und hohe Produktionserträge aufweisen, die die Nutzung von Ackerland minimieren. Wir schätzen, dass Lipidcane mit 5 Prozent Öl im Vergleich zu Sojabohnen viermal mehr Düsentreibstoff pro Hektar Land produzieren kann. Lipidcane mit 20 Prozent Öl könnte mehr als 15-mal mehr Düsentreibstoff pro Morgen produzieren.
Und Lipidcane bietet andere energetische Vorteile. Die nach der Saftgewinnung verbleibenden Pflanzenteile, Bagasse genannt, können zur Erzeugung von Dampf und Strom verbrannt werden. Nach unserer Analyse würde dies mehr als genug Strom erzeugen, um die Bioraffinerie mit Strom zu versorgen, sodass überschüssiger Strom an das Stromnetz zurückgespeist werden könnte, um Strom aus fossilen Brennstoffen zu verdrängen - eine Praxis, die in einigen brasilianischen Anlagen bereits zur Herstellung von Ethanol aus Zuckerrohr eingesetzt wird.
Eine potenzielle US-Bioenergieernte
Zuckerrohr gedeiht auf Randflächen, die für viele Nahrungspflanzen nicht geeignet sind. Derzeit wird es hauptsächlich in Brasilien, Indien und China angebaut. Wir entwickeln außerdem Lipidcane, das kältetoleranter ist, damit es auf unterausgenutztem Land in größerem Umfang angebaut werden kann, insbesondere im Südosten der Vereinigten Staaten.
Eine Karte der Anbauregion von kältetolerantem Lipidcane (PETROSS) Wenn wir im Südosten der Vereinigten Staaten 23 Millionen Morgen Lipidcane mit 20 Prozent Öl verwenden, können wir davon ausgehen, dass diese Ernte 65 Prozent der US-amerikanischen Versorgung mit Düsentreibstoff produzieren kann. Gegenwärtig würde dieser Treibstoff in aktuellen Dollars die Fluggesellschaften 5, 31 US-Dollar pro Gallone kosten, was weniger ist als Bio-Jet-Treibstoff, der aus Algen oder anderen Ölpflanzen wie Sojabohnen, Raps oder Palmöl hergestellt wird.
Lipidcane könnte auch in Brasilien und anderen tropischen Gebieten angebaut werden. Wie wir kürzlich in Nature Climate Change berichtet haben, könnte eine deutliche Ausweitung der Zuckerrohr- oder Lipidrohrproduktion in Brasilien die derzeitigen globalen Kohlendioxidemissionen um bis zu 5, 6 Prozent senken. Dies könnte erreicht werden, ohne auf Gebiete einzuwirken, die von der brasilianischen Regierung als umweltsensibel eingestuft wurden, wie zum Beispiel den Regenwald.
Auf der Suche nach "Energycane"
Unsere Lipidcane-Forschung umfasst auch die gentechnische Veränderung der Pflanze, um die Photosynthese effizienter zu gestalten, was zu mehr Wachstum führt. In einem Artikel in Science aus dem Jahr 2016 haben einer von uns (Stephen Long) und Kollegen an anderen Instituten gezeigt, dass die Verbesserung der Effizienz der Photosynthese in Tabak das Wachstum um 20 Prozent steigerte. Derzeit deuten vorläufige Untersuchungen und Feldversuche darauf hin, dass wir die photosynthetische Effizienz von Zuckerrohr unter kühlen Bedingungen um 20 Prozent und um fast 70 Prozent verbessert haben.
Normales Zuckerrohr (links) wächst neben technisch hergestelltem PETROSS-Zuckerrohr, das sichtbar höher und buschiger ist, in Feldversuchen an der Universität von Florida. (Fredy Altpeter / Universität von Florida, CC BY-ND) Jetzt beginnt unser Team mit der Entwicklung einer ertragreicheren Zuckerrohrsorte, die wir "Energycane" nennen, um eine höhere Ölproduktion pro Morgen zu erzielen. Wir müssen mehr Boden abdecken, bevor es kommerzialisiert werden kann, aber die Entwicklung einer rentablen Anlage mit genug Öl, um Biodiesel und Bio-Jet-Kraftstoff wirtschaftlich zu produzieren, ist ein wichtiger erster Schritt.
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um zu verdeutlichen, dass die Studie von Stephen Long und anderen, die 2016 in Science veröffentlicht wurde, die Effizienz der Photosynthese in Tabakpflanzen verbessert.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Deepak Kumar, Postdoktorand an der Universität von Illinois bei Urbana-Champaign
Stephen P. Long, Professor für Pflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign
Vijay Singh, Professor für Agrar- und Biotechnik und Direktor des Integrated Bioprocessing Research Laboratory der Universität von Illinois in Urbana-Champaign
