Podria el combustible jet a partir de la canya de sucre la clau per a un vol més net?

La indústria aeronàutica produeix el 2% de les emissions globals de diòxid de carboni induïdes per l’home. Aquesta proporció pot semblar relativament petita: per a la perspectiva, la generació d’electricitat i la calefacció per a llars suposen més del 40%, però l’aviació és una de les fonts de gasos d’efecte hivernacle de més ràpid creixement del món. Es preveu que la demanda de viatges aeris duplicarà en els propers 20 anys.

Les companyies aèries estan pressionades per reduir les seves emissions de carboni i són molt vulnerables a les fluctuacions mundials del preu del petroli. Aquests desafiaments han suscitat un fort interès pels combustibles de raigs derivats de la biomassa. El combustible de bio-jet es pot produir a partir de diversos materials vegetals, inclosos els cultius oleaginosos, els cultius de sucre, les plantes midó i la biomassa lignocel·lulòsica a través de diverses rutes químiques i biològiques. No obstant això, les tecnologies per convertir l'oli al combustible per avions es troben en una fase de desenvolupament més avançada i ofereixen una eficiència energètica superior a la d'altres fonts.

Estem fent enginyeria de la canya de sucre, la planta més productiva del món, per produir oli que es pot convertir en combustible de bio-jet. En un estudi recent, vam trobar que l’ús d’aquesta canya de sucre dissenyada podria produir més de 2.500 litres de combustible de reacció biològica per acre de terra. En termes simples, això significa que un Boeing 747 podria volar durant 10 hores en combustible de bio-jet produït en tan sols 54 acres de terra.En comparació de dues fonts competents, la soja i la jatropha, el lipidcane produiria aproximadament 15 i 13 vegades més de combustible per unitat de terra, respectivament.

Creació de canya de suc de doble propòsit

Els combustibles bio-jet derivats de matèries primeres riques en petroli, com la camelina i les algues, han estat provats amb èxit a prova de vols conceptuals. ASTM International, una organització global per al desenvolupament d'estàndards, ha aprovat una barreja de 50:50 de combustible a base de petroli i combustible per aviació renovable hidroprocès per a vols comercials i militars.

No obstant això, fins i tot després d’una important tasca d’investigació i comercialització, els volums de producció actuals del combustible de bio-jet són molt petits. La fabricació d’aquests productes a gran escala requerirà millores tecnològiques addicionals i abundants matèries primeres de baix cost (cultius utilitzats per fabricar combustible).

La canya de sucre és una font de biocombustibles ben coneguda: durant dècades el Brasil ha fermentat suc de canya de sucre. L’etanol procedent de la canya de sucre representa un 25% més d’energia que la quantitat utilitzada durant el procés de producció i redueix les emissions de gasos d’efecte hivernacle en un 12% en comparació amb els combustibles fòssils.

Ens vam preguntar si podríem augmentar la producció d’oli natural de la planta i utilitzar el petroli per produir biodièsel, la qual cosa proporciona beneficis ambientals encara més grans. El biodièsel produeix un 93% més d’energia del necessari per aconseguir-ho i redueix les emissions del 41% en comparació amb els combustibles fòssils. L’etanol i el biodièsel es poden utilitzar en combustibles de bio-jet, però les tecnologies per convertir l’oli derivat de les plantes en combustible per avions es troben en un estadi avançat de desenvolupament, ofereixen una alta eficiència energètica i estan preparats per al desplegament a gran escala.

Quan vam proposar l’enginyeria de la canya de sucre per produir més petroli, alguns dels nostres companys van pensar que estàvem bojos. Les plantes de canya de sucre contenen només un 0,05 per cent de petroli, que és massa petit per convertir-se en biodièsel. Molts científics de plantes van teoritzar que l'augment de la quantitat de petroli a l'1 per cent seria tòxic per a la planta, però els nostres models informàtics preveien que podríem augmentar la producció de petroli al 20 per cent.

Amb el suport de l'Agència-Energia dels Projectes de Recerca Avançats del Departament d'Energia, el 2012 vam llançar un projecte de recerca anomenat Plants Engineered per reemplaçar l'oli a la canya de sucre i al sorgo o PETROSS el 2012. Des de llavors, a través de l'enginyeria genètica hem augmentat la producció de petroli i àcids grassos per aconseguir un 12 per cent d’oli en les fulles de canya de sucre.

Ara estem treballant per aconseguir un 20 per cent de petroli: el límit teòric, segons els nostres models informàtics, i orientar aquesta acumulació de petroli a la tija de la planta, on és més accessible que a les fulles. La nostra investigació preliminar ha demostrat que, tot i que les plantes fabricades produeixen més petroli, segueixen produint sucre. Anomenem a aquestes plantes d'enginyeria lipidcane.

Diversos productes del lipidcane

Lipidcane ofereix molts avantatges per als agricultors i el medi ambient. Calculem que el creixement de lipidcà que conté un 20 per cent d’oli seria cinc vegades més rendible per hectàrea que la soja, el principal aliment que s’utilitza actualment per produir biodièsel als Estats Units, i el doble de rendible per acre que el blat de moro.

Per ser sostenibles, el combustible de bio-jet també ha de ser econòmic per processar i té rendiments de producció elevats que minimitzen l'ús de terres de cultiu. Es calcula que, en comparació amb la soja, el lipidcane que conté un 5% d’oli podria produir quatre vegades més de combustible per avió per acre de terra. El lipidcane amb un 20 per cent d’oli podria produir més de 15 vegades més combustible per acre.

I el lipidcane ofereix altres avantatges energètics. Les parts de les plantes que queden després de l’extracció del suc, conegudes com a bagàs, es poden cremar per produir vapor i electricitat. Segons la nostra anàlisi, això generaria més que suficient electricitat per alimentar la biorefineria, de manera que es podria vendre de nou la potència sobrant a la xarxa elèctrica, desplaçant l'electricitat produïda als combustibles fòssils, una pràctica que ja es va utilitzar en algunes plantes del Brasil per produir etanol de la canya.

Un cultiu potencial de bioenergia als EUA

La canya de sucre es desenvolupa en terres marginals que no són adequades per a molts cultius alimentaris. Actualment es cultiva principalment a Brasil, Índia i Xina. També estem estudiant lipidcane per ser més tolerants al fred, de manera que es pugui augmentar més àmpliament, especialment al sud-est dels Estats Units en terres subutilitzades.

Si dedicàvem 23 milions d’acres al sud-est dels Estats Units a lipidcane amb un 20 per cent d’oli, estimem que aquest cultiu podria produir el 65 per cent del subministrament de combustible per avions dels EUA. Actualment, en dòlars actuals, aquest combustible costaria a les companyies aèries de 5,31 dòlars EUA per galó, que és menor que el combustible de bio-jet produït a partir d'algues o d'altres cultius d'oli, com ara la soja, la canola o l'oli de palma.

El lipidcane també es pot cultivar al Brasil i a altres zones tropicals. Com es va informar recentment a Nature Climate Change, la producció significativa d’una canya de sucre o de lipidcane al Brasil podria reduir fins a un 5,6% les emissions actuals de diòxid de carboni. Això es podria aconseguir sense afectar les àrees que el govern brasiler va designar com a sensibles al medi ambient, com ara la selva tropical.

A la recerca de l’energia energètica

La nostra investigació sobre lipidcane inclou també l’enginyeria genètica de la planta per fer-la fotosíntesi de manera més eficient, la qual cosa es tradueix en un major creixement. En un article publicat el 2016 a Science, un de nosaltres (Stephen Long) i els companys d'altres institucions van demostrar que millorar l'eficiència de la fotosíntesi al lipidcane va augmentar el seu creixement en un 20 per cent. La investigació preliminar i els assajos de camp paral·lels suggereixen que hem millorat l'eficiència fotosintètica de la canya de sucre en un 20 per cent i en gairebé un 70 per cent en condicions de fred.

Ara, el nostre equip està començant a treballar per dissenyar una varietat de canya de sucre de major rendiment que anomenem "energia energètica" per aconseguir més producció de petroli per acre. Tenim més terreny per cobrir abans de poder-se comercialitzar, però el desenvolupament d’una planta viable amb suficient oli per produir econòmicament biodièsel i combustible de bio-jet és un primer pas important.

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation de Deepak Kumar, investigador postdoctoral; Stephen P. Long, professor de ciències de la collita i biologia vegetal; Vijay Singh, professor d'enginyeria agrícola i biològica i director del Laboratori de recerca integrada en bioprocessos de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign. Llegiu l'article original aquí.