Med ett uppskattat dagligt bränslebehov på mer än 5 miljoner fat per dag, den globala flygsektorn är otroligt energiintensiv och nästan helt beroende av petroleumbaserade bränslen. Till skillnad från andra energisektorer som marktransport eller bostads- och kommersiella byggnader, flygindustrin kan inte lätt gå över till förnybara energikällor med hjälp av befintlig teknik.

Dock, en ny analys av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) visar att hållbara växtbaserade biojetbränslen kan vara ett konkurrenskraftigt alternativ till konventionella petroleumbränslen om nuvarande utvecklings- och uppskalningsinitiativ fortsätter att driva framåt framgångsrikt .

"Teknisk-ekonomisk analys och livscykelkostnader för minskning av växthusgaser för fem vägar till biojetbränsleblandningar, " publicerades nyligen i tidskriften Energi- och miljövetenskap , ger lovande bevis på att det är väl värt ansträngningen att optimera biobränsleproduktionsledningen – att ta kolhydratrikt växtmaterial och använda genetiskt modifierade bakterier för att smälta det isolerade sockret till energitäta molekyler som sedan kemiskt omvandlas till en bränsleprodukt.

"Det är utmanande att elektrifiera flyget med batterier eller bränsleceller, delvis på grund av viktbegränsningarna för flygplan, så flytande biobränslen har potential att spela en stor roll för att minska utsläppen av växthusgaser, " sa huvudförfattaren Corinne Scown, en forskare inom Berkeley Labs Energy Technologies Area samt DOE:s Joint BioEnergy Institute (JBEI). "Teamet på JBEI har arbetat på biologiska vägar till avancerade biojetbränsleblandningar som inte bara härrör från växtbaserade sockerarter utan också har attraktiva egenskaper som faktiskt kan ge en fördel jämfört med konventionella jetbränslen."

Hur man får bränsle från växtmaterial

För närvarande, multidisciplinära team baserade på JBEI är fokuserade på att optimera varje steg i produktionsprocessen för biojetbränsle. Vissa forskare är specialiserade på att tillverka idealiska källväxter – kallade biomassa – som skapar en hög andel kolhydrater och en låg andel lignin, en typ av material som, från och med nu, är mer utmanande att göra användbar. Under tiden, andra utvecklar metoder för att effektivt isolera kolhydraterna i icke-livsmedelsbiomassa och bryta upp dem till sockermolekyler som bakterier kan smälta, eller "biokonvertera, " till en bränslemolekyl. För att få högsta möjliga utbyte från bioomvandling, Ännu andra JBEI-forskare undersöker vilka genetiska och miljömässiga faktorer som gör de modifierade bakterierna mer effektiva.

När dessa steg är optimerade, JBEI-forskare kan överföra tekniken till kommersiella partner som sedan kan modifiera och blanda bränslena till färdiga att använda produkter och utarbeta strategier för att industrialisera produktionens skala. Med tanke på den enorma mängd experiment och innovation som krävs för att åstadkomma allt detta, Scown och hennes medförfattare använde innovativa analysmetoder för att bedöma om företaget faktiskt kunde nå slutspelet för ett flygbränslealternativ som flygbolagen kommer att vilja använda.

"Vår förhoppning är att tidigt i forskningsstadiet, vi kan åtminstone simulera hur vi tror att det skulle se ut om du utvecklar dessa bränsleproduktionsvägar till mognad, " sa Scown. "Om du skulle driva dem till etanolriktmärket - tekniken för att skapa etanol från växtmaterial som majsstjälkar, löv, och kolvar har funnits länge, och vi kan jäsa sockerarter med en effektivitet på 90 procent – ​​hur nära skulle detta komma oss till marknadspriset på petroleumbränslen? Det är viktigt att veta nu.

"Tack och lov, svaret är att de kan vara livskraftiga. Och vi har identifierat förbättringar som måste ske under hela konverteringsprocessen för att få det att hända."

Att föreställa sig produktionsprocessen i stor skala

På grund av biomassadekonstruktion och bränslesyntesteknologier som utvecklats vid JBEI, den teoretiska kostnaden för biojetbränsle har sjunkit stadigt de senaste åren och är för närvarande så låg som 16 USD per gallon, jämfört med $300, 000 per gallon när JBEI etablerades, enligt medförfattare och JBEI postdoktor Nawa Baral. Kostnaden för standard jetbränsle är cirka 2,50 USD per gallon.

För att utforska hur biojetbränsle kan överbrygga det återstående prisgapet, forskargruppen använde komplexa datorsimuleringar som modellerade den nödvändiga tekniken och efterföljande kostnader för komplett, uppskalade produktionsvägar på olika effektivitetsnivåer och med en rad biomassa och kemiska insatser. Författarna simulerade totalt fem olika produktionsvägar till fyra distinkta bränslemolekyler.

Resultaten visade att alla fem vägar verkligen skulle kunna skapa bränsleprodukter till riktpriset på 2,50 USD per gallon om tillverkarna kan omvandla överblivet lignin till en värdefull kemikalie - något som JBEI-forskare för närvarande arbetar mot - som skulle kunna säljas för att kompensera för kostnaden av biobränslen. Nettopriset på en liter biobränsle skulle kunna sänkas ytterligare om flygbolagen erbjöds ens en blygsam ekonomisk kredit för att minska utsläppen.

Efter en del industriundersökningar, teamet fann också att flygbolagen kan vara villiga att betala en premie på så mycket som femtio cent per gallon eftersom alla fyra biobränslen levererar mer energi per volymenhet, vilket betyder att ett plan kan flyga längre på en tank av samma storlek.

"Utvecklingen av växtbaserade föreningar som har en prestandafördel jämfört med sina petroleumbaserade motsvarigheter är en viktig faktor för att bestämma deras marknadsplatsöverlevnad, sa Blake Simmons, en medförfattare och Chief Science and Technology Officer på JBEI.

Dock, lika lovande som dessa fynd är, att få biobränsleproduktionstekniken till de guldstandardavkastningar som antas i dessa simuleringar kommer att kräva ytterligare framsteg.

"Det är klart att för att få dessa bränslen till kommersiell lönsamhet, vi behöver alla händer på däck, "Scown noterade. "Men denna analys belyser vikten av multiinstitutionella, integrerade forskningscentra som JBEI eftersom ingen grupp som arbetar med en fas av processen ensam kan få det att hända."