Könnte Düsentreibstoff aus Zuckerrohr der Schlüssel zu einem saubereren Flug sein?

Die Luftfahrtindustrie produziert 2 Prozent der vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen. Dieser Anteil mag relativ klein erscheinen - aus Sicht der Perspektiven machen die Stromerzeugung und die Heizung für Haushalte mehr als 40 Prozent aus. Die Luftfahrt ist jedoch eine der am schnellsten wachsenden Treibhausgasquellen der Welt. Die Nachfrage nach Flugreisen wird sich in den nächsten 20 Jahren voraussichtlich verdoppeln.

Fluggesellschaften stehen unter dem Druck, ihre CO2-Emissionen zu reduzieren, und sind sehr anfällig für globale Ölpreisschwankungen. Diese Herausforderungen haben ein starkes Interesse an Düsenkraftstoffen aus Biomasse hervorgerufen. Bio-Jet-Kraftstoff kann aus verschiedenen Pflanzenmaterialien hergestellt werden, einschließlich Ölpflanzen, Zuckerpflanzen, stärkehaltigen Pflanzen und Lignocellulose-Biomasse auf verschiedenen chemischen und biologischen Wegen. 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 produzieren Zuckerrohr, die produktivste Anlage der Welt, um Öl herzustellen, das in Bio-Jet-Kraftstoff umgewandelt werden kann. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben wir herausgefunden, dass die Verwendung dieses konstruierten Zuckerrohrs mehr als 2.500 Liter Bio-Jet-Kraftstoff pro Hektar Land bringen kann. In einfachen Worten bedeutet dies, dass eine Boeing 747 mit Bio-Jet-Kraftstoff, der auf nur 54 Hektar Land produziert wird, 10 Stunden fliegen kann.Verglichen mit zwei konkurrierenden Pflanzenquellen, Sojabohnen und Jatropha, würde Lipidcan etwa 15- bzw. 13-mal mehr Düsentreibstoff pro Landeinheit produzieren.

Doppelzuckerrohr herstellen

Bio-Jet-Kraftstoffe aus ölhaltigen Rohstoffen wie Camelina und Algen wurden erfolgreich zum Nachweis von Konzeptflügen getestet. ASTM International, eine globale Organisation zur Entwicklung von Standards, hat eine 50: 50-Mischung aus auf Mineralölbasis hergestelltem Düsentreibstoff und erneuerbaren Düsentreibstoff auf Wasserstoffbasis für kommerzielle und militärische Flüge genehmigt.

Selbst nach erheblichen Forschungs- und Vermarktungsbemühungen sind die derzeitigen Produktionsmengen an Bio-Jet-Kraftstoff jedoch sehr gering. Die Herstellung dieser Produkte in einem größeren Maßstab wird weitere technologische Verbesserungen und reichlich kostengünstige Rohstoffe (Pflanzen, die zur Herstellung des Brennstoffs verwendet werden) erfordern.

Zuckerrohr ist eine bekannte Quelle für Biokraftstoffe: Brasilien fermentiert Zuckerrohrsaft zu Alkohol auf Alkoholbasis. 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.

Wir fragten uns, ob wir die natürliche Ölproduktion der Anlage steigern und das Öl zur Herstellung von Biodiesel verwenden könnten, was noch größere Umweltvorteile bietet. Biodiesel liefert 93 Prozent mehr Energie, als zu seiner Herstellung benötigt wird, und senkt die Emissionen um 41 Prozent im Vergleich zu fossilen Brennstoffen. Ethanol und Biodiesel können beide in Bio-Jet-Kraftstoff eingesetzt werden, aber die Technologien zur Umwandlung von Öl aus Pflanzenöl in Jet-Kraftstoff befinden sich in einem fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung, bieten eine hohe Energieeffizienz und sind für den Einsatz im großen Maßstab geeignet.

Als wir zum ersten Mal vorgeschlagen hatten, Zuckerrohr zu produzieren, um mehr Öl zu produzieren, hielten uns einige Kollegen für verrückt. Zuckerrohranlagen enthalten nur 0,05 Prozent Öl, was viel zu wenig ist, um es in Biodiesel umzuwandeln. Viele Pflanzenwissenschaftler stellten die Theorie auf, 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 Agentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte der Energiebehörde des Energieministeriums starteten wir 2012 ein Forschungsprojekt namens Plants Engineered, um Öl in Zuckerrohr und Sorghum oder PETROSS zu ersetzen. Seitdem haben wir durch die Gentechnik die Produktion von Öl und Öl erhöht Fettsäuren, um 12 Prozent Öl in den Blättern des Zuckerrohrs zu erreichen.

Jetzt arbeiten wir daran, 20 Prozent Öl zu erreichen - die theoretische Grenze laut unseren Computermodellen - und diese Ölansammlung auf den Stamm der Pflanze abzustimmen, wo sie besser zugänglich ist als in den Blättern. Unsere Voruntersuchungen haben gezeigt, dass selbst wenn die technischen Anlagen mehr Öl produzieren, sie weiterhin Zucker produzieren. Wir bezeichnen diese künstlichen Pflanzen als Lipidcane.

Mehrere Produkte aus Lipidcan

Lipidcane bietet viele Vorteile für Landwirte und die Umwelt. Wir rechnen damit, dass der Anbau von Lipidcan mit 20 Prozent Öl pro Hektar fünfmal so rentabel ist wie Sojabohnen, der derzeit wichtigste Rohstoff zur Herstellung von Biodiesel in den Vereinigten Staaten, und doppelt so viel Gewinn pro Hektar wie Mais.

Um nachhaltig zu sein, muss Bio-Jet-Kraftstoff auch wirtschaftlich verarbeitet werden können und hohe Produktionserträge aufweisen, die die Nutzung von Ackerland minimieren. Wir schätzen, dass Lipidcan, das 5 Prozent Öl enthält, im Vergleich zu Sojabohnen viermal mehr Düsentreibstoff pro Hektar Land produzieren könnte. Lipidcan mit 20 Prozent Öl könnte mehr als 15-mal mehr Düsentreibstoff pro Hektar produzieren.

Und Lipidcan bietet andere Energievorteile. Die nach der Saftgewinnung verbleibenden Anlagenteile, Bagasse genannt, können zur Erzeugung von Dampf und Strom verbrannt werden. Nach unserer Analyse würde dies mehr als genug Strom für die Bioraffinerie erzeugen, so dass überschüssiger Strom wieder an das Stromnetz abgegeben werden könnte, wodurch der Strom aus fossilen Brennstoffen verdrängt werden sollte - ein Verfahren, das bereits in einigen Anlagen in Brasilien zur Herstellung von Ethanol aus Zuckerrohr verwendet wird.

Eine potenzielle US-Bioenergiepflanze

Zuckerrohr gedeiht auf Randgebieten, die für viele Nahrungsmittelpflanzen nicht geeignet sind. Derzeit wird es hauptsächlich in Brasilien, Indien und China angebaut. Wir entwickeln auch Lipidkane so, dass sie kältetoleranter sind, so dass sie weiter ausgebaut werden kann, insbesondere in den südöstlichen Vereinigten Staaten von Amerika auf ungenutztem Land.

Wenn wir in den südöstlichen Vereinigten Staaten 23 Millionen Hektar für Lipidcane mit 20 Prozent Öl verwenden würden, schätzen wir, dass diese Ernte 65 Prozent des US-amerikanischen Treibstoffangebots ausmachen könnte. Gegenwärtig würde dieser Treibstoff in laufenden Dollars 5,31 USD pro Gallone kosten, was weniger ist als der aus Algen oder anderen Ölpflanzen wie Sojabohnen, Canola oder Palmöl erzeugte Bio-Jet-Treibstoff.

Lipidcane kann auch in Brasilien und anderen tropischen Gebieten angebaut werden. Wie wir kürzlich in Nature Climate Change berichtet haben, könnte die deutliche Ausweitung der Zuckerrohr- oder Lipidcan-Produktion in Brasilien die derzeitigen globalen Kohlendioxidemissionen um bis zu 5,6 Prozent reduzieren. Dies könnte erreicht werden, ohne Auswirkungen auf Gebiete zu haben, die die brasilianische Regierung als umweltsensibel eingestuft hat, z. B. Regenwald.

Auf der Suche nach "Energiekanälen"

Unsere Lipidcan-Forschung umfasst auch die gentechnische Entwicklung 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 aus anderen Institutionen gezeigt, dass die Verbesserung der Effizienz der Photosynthese in Lipidcan sein Wachstum um 20 Prozent gesteigert hat. Vorläufige Untersuchungen und Feldstudien nebeneinander legen nahe, dass wir die Photosyntheseeffizienz von Zuckerrohr um 20 Prozent und unter kühlen Bedingungen um fast 70 Prozent verbessert haben.

Jetzt beginnt unser Team mit der Entwicklung eines ertragreicheren Zuckerrohrs, das wir „Energiekanister“ nennen, um eine höhere Ölproduktion pro Hektar zu erreichen. Wir haben noch einen größeren Grund vor seiner Kommerzialisierung, aber die Entwicklung einer lebensfähigen Anlage mit ausreichend Öl für die wirtschaftliche Herstellung von Biodiesel und Bio-Jet-Kraftstoff ist ein wichtiger erster Schritt.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Deepak Kumar, Postdoctoral Researcher, veröffentlicht. Stephen P. Long, Professor für Nutzpflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie; Vijay Singh, Professor für Agrar- und Biowissenschaften und Direktor des Integrierten Bioprozessforschungslabors der University of Illinois in Urbana-Champaign. Lesen Sie hier den Originalartikel.