Combustibles de caña de azúcar para avión son una perspectiva realista

La industria de la aviación produce el 2 por ciento de las emisiones mundiales de dióxido de carbono inducidas por el hombre. Esta participación puede parecer relativamente pequeña -para la perspectiva, la generación de electricidad y la calefacción doméstica representan más del 40 por ciento- , pero la aviación es una de las fuentes de gases de efecto invernadero de crecimiento más rápido del mundo. Se proyecta que la demanda de viajes aéreos se duplicará en los próximos 20 años.

Las aerolíneas están bajo presión para reducir sus emisiones de carbono y son altamente vulnerables a las fluctuaciones mundiales del precio del petróleo. Estos desafíos han suscitado un gran interés en los combustibles para reactores derivados de la biomasa. El combustible bio-jet puede producirse a partir de diversos materiales vegetales, incluidos cultivos oleaginosos, cultivos de azúcar, plantas amiláceas y biomasa lignocelulósica, a través de diversas rutas químicas y biológicas. Sin embargo, las tecnologías para convertir petróleo en combustible para aviones se encuentran en una etapa más avanzada de desarrollo y producen una mayor eficiencia energética que otras fuentes.

Estamos diseñando caña de azúcar, la planta más productiva del mundo, para producir petróleo que se puede convertir en combustible bio-jet. En un estudio reciente, descubrimos que el uso de esta caña de azúcar diseñada podría producir más de 2.500 litros de combustible bio-jet por hectárea de tierra. En términos simples, esto significa que un Boeing 747 podría volar durante 10 horas con combustible bio-jet producido en solo 54 acres de tierra. En comparación con dos fuentes vegetales competidoras, la soja y la jatropha, la lípido produciría entre 15 y 13 veces más combustible por unidad de tierra, respectivamente.

Los combustibles bio-jet derivados de materias primas ricas en petróleo, como camelina y algas , se han probado con éxito en vuelos de prueba de concepto . La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales ha aprobado una mezcla 50:50 de combustible de aviación a base de petróleo y combustible de aviación renovable hidroprocesado para vuelos comerciales y militares.

Sin embargo, incluso después de importantes esfuerzos de investigación y comercialización, los volúmenes actuales de producción de combustible bio-jet son muy pequeños. Hacer estos productos en una escala mayor requerirá más mejoras tecnológicas y abundantes materias primas de bajo costo (cultivos utilizados para producir el combustible).

La caña de azúcar es una fuente conocida de biocombustible: Brasil ha estado fermentando jugo de caña de azúcar para hacer combustible a base de alcohol durante décadas. El etanol de la caña de azúcar rinde un 25 por ciento más de energía que la cantidad utilizada durante el proceso de producción, y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 12 por ciento en comparación con los combustibles fósiles.

Nos preguntamos si podríamos aumentar la producción de petróleo natural de la planta y utilizar el petróleo para producir biodiesel, lo que proporciona beneficios ambientales aún mayores. El biodiesel produce un 93 por ciento más de energía de la que se requiere para producirlo y reduce las emisiones en un 41 por ciento en comparación con los combustibles fósiles. El etanol y el biodiésel pueden utilizarse en el combustible de bioreacción, pero las tecnologías para convertir el aceite derivado de las plantas en combustible para aviones se encuentran en una etapa avanzada de desarrollo, producen una alta eficiencia energética y están listas para una implementación a gran escala.

Cuando propusimos la ingeniería de la caña de azúcar para producir más petróleo, algunos de nuestros colegas pensaron que estábamos locos. Las plantas de caña de azúcar contienen solo 0,05 por ciento de aceite, que es demasiado poco para convertirlo en biodiesel. Muchos científicos de plantas teorizaron que aumentar la cantidad de petróleo al 1 por ciento sería tóxico para la planta, pero nuestros modelos de computadora predijeron que podríamos aumentar la producción de petróleo al 20 por ciento.

Con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Departamento de Energía, lanzamos un proyecto de investigación llamado Plantas diseñadas para reemplazar petróleo en caña de azúcar y sorgo , o PETROSS, en 2012. Desde entonces, a través de la ingeniería genética hemos aumentado la producción de petróleo y ácidos grasos para obtener un 12 por ciento de aceite en las hojas de la caña de azúcar.

Ahora estamos trabajando para lograr un 20 por ciento de petróleo -el límite teórico, de acuerdo con nuestros modelos de computadora- y dirigir esta acumulación de petróleo al tallo de la planta, donde es más accesible que en las hojas. Nuestra investigación preliminar ha demostrado que incluso cuando las plantas modificadas producen más petróleo, continúan produciendo azúcar. Llamamos a estas plantas modificadas lipidcane.

Lipidcane ofrece muchas ventajas para los agricultores y el medio ambiente. Calculamos que el crecimiento de lípidos con un 20 por ciento de aceite sería cinco veces más rentable por hectárea que la soja, la principal materia prima actualmente utilizada para producir biodiesel en los Estados Unidos, y el doble de rentable por hectárea que el maíz.

Para ser sostenible, el combustible bio-jet también debe ser económico de procesar y tener altos rendimientos de producción que minimicen el uso de tierras cultivables. Estimamos que, en comparación con la soja, la lípidcane que contiene un 5 por ciento de petróleo podría producir cuatro veces más combustible por acre de tierra. El lípido con un 20 por ciento de aceite podría producir más de 15 veces más combustible por acre.

Y la lípidcane ofrece otros beneficios energéticos. Las partes de la planta que quedan después de la extracción del jugo, conocido como bagazo, se pueden quemar para producir vapor y electricidad. Según nuestro análisis, esto generaría electricidad más que suficiente para alimentar la biorrefinería, por lo que la energía excedente podría venderse a la red, desplazando la electricidad producida a partir de combustibles fósiles, una práctica que ya se utiliza en algunas plantas de Brasil para producir etanol a partir de la caña de azúcar.

La caña de azúcar prospera en tierras marginales que no se adaptan a muchos cultivos alimentarios. Actualmente se cultiva principalmente en Brasil, India y China. También estamos diseñando Lipidcane para que sea más tolerante al frío, de manera que pueda aumentarse más, especialmente en el sureste de los Estados Unidos, en terrenos subutilizados.

Si dedicamos 23 millones de acres en el sudeste de los Estados Unidos a la lípidcane con un 20 por ciento de petróleo, estimamos que este cultivo podría producir el 65 por ciento del suministro de combustible para aviones de los Estados Unidos . Actualmente, en dólares actuales, ese combustible costaría a las aerolíneas US $ 5,31 por galón, que es menos que el combustible bio-jet producido a partir de algas u otros cultivos oleaginosos como soja, canola o aceite de palma.

Lipidcane también podría cultivarse en Brasil y otras áreas tropicales. Como se informó recientemente en Nature Climate Change , ampliando significativamente la producción de caña de azúcar o lipidcane en Brasil podría reducir globales actuales emisiones de dióxido de carbono por hasta un 5,6 por ciento . Esto podría lograrse sin afectar áreas que el gobierno brasileño ha designado como ambientalmente sensibles, como la selva tropical.

Nuestra investigación sobre lípidos también incluye la ingeniería genética de la planta para que se realice la fotosíntesis de forma más eficiente, lo que se traduce en un mayor crecimiento. En un artículo de 2016 en Science, uno de nosotros (Stephen Long) y colegas de otras instituciones demostraron que la mejora de la eficacia de la fotosíntesis en la lípidcane aumentaba su crecimiento en un 20 por ciento. La investigación preliminar y las pruebas de campo paralelas sugieren que hemos mejorado la eficiencia fotosintética de la caña de azúcar en un 20 por ciento y casi un 70 por ciento en condiciones frías.

Ahora nuestro equipo está empezando a trabajar para diseñar una variedad de caña de azúcar de mayor rendimiento que llamamos “caña de energía” para lograr más producción de petróleo por acre. Tenemos más camino por recorrer antes de que pueda ser comercializado, pero el desarrollo de una planta viable con suficiente aceite para producir biodiesel y económicamente bio- combustible de avión es un importante primer paso. (Mundo Agropecuario)

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