Con una domanda giornaliera stimata di carburante di oltre 5 milioni di barili al giorno, il settore dell'aviazione globale è incredibilmente ad alta intensità energetica e dipende quasi interamente da combustibili a base di petrolio. A differenza di altri settori energetici come il trasporto terrestre o gli edifici residenziali e commerciali, l'industria aeronautica non può passare facilmente alle fonti di energia rinnovabile utilizzando le tecnologie esistenti.

Però, una nuova analisi degli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia mostra che i bio-jet fuel sostenibili a base vegetale potrebbero fornire un'alternativa competitiva ai combustibili petroliferi convenzionali se le attuali iniziative di sviluppo e scale-up continueranno ad andare avanti con successo .

"Analisi tecnico-economica e costi di mitigazione dei gas serra del ciclo di vita di cinque percorsi verso miscele di carburanti per bio-jet, " pubblicato di recente sulla rivista Scienze energetiche e ambientali , fornisce prove promettenti che l'ottimizzazione della pipeline di produzione di biocarburanti, prendendo materiale vegetale ricco di carboidrati e utilizzando batteri geneticamente modificati per digerire gli zuccheri isolati in molecole ad alta densità energetica che vengono poi convertite chimicamente in un prodotto combustibile, vale la pena.

"È difficile elettrificare l'aviazione utilizzando batterie o celle a combustibile in parte a causa delle restrizioni di peso sugli aerei, quindi i biocarburanti liquidi hanno il potenziale per svolgere un ruolo importante nella riduzione delle emissioni di gas serra, " ha detto l'autore principale Corinne Scown, un ricercatore nell'area delle tecnologie energetiche del Berkeley Lab e nel Joint BioEnergy Institute (JBEI) del DOE. "Il team di JBEI ha lavorato su percorsi biologici per miscele avanzate di carburante per biojet che non sono solo derivate da zuccheri a base vegetale, ma hanno anche proprietà attraenti che potrebbero effettivamente fornire un vantaggio rispetto ai carburanti per jet convenzionali".

Come ottenere carburante da materiale vegetale

Attualmente, team multidisciplinari con sede a JBEI sono focalizzati sull'ottimizzazione di ogni fase del processo di produzione di carburante per biojet. Alcuni ricercatori sono specializzati nell'ingegneria di piante di origine ideale, denominate biomasse, che creano un'alta percentuale di carboidrati e una bassa percentuale di lignina, un tipo di materiale che, al momento, è più difficile da rendere utile. Nel frattempo, altri stanno sviluppando metodi per isolare in modo efficiente i carboidrati nella biomassa non alimentare e romperli in molecole di zucchero che i batteri possono digerire, o "bioconvertire, " in una molecola di combustibile. Per ottenere la massima resa possibile dalla bioconversione, ancora altri ricercatori JBEI stanno esaminando quali fattori genetici e ambientali rendono i batteri modificati più efficienti.

Una volta ottimizzate queste fasi, Gli scienziati JBEI possono trasferire le tecnologie a partner commerciali che possono quindi modificare e miscelare i combustibili in prodotti pronti per l'uso e ideare strategie per industrializzare la scala di produzione. Data la grande quantità di sperimentazione e innovazione necessarie per realizzare tutto questo, Scown e i suoi coautori hanno utilizzato metodi di analisi innovativi per valutare se l'impresa potesse effettivamente raggiungere il traguardo di un'alternativa al carburante per aerei che le compagnie aeree vorranno utilizzare.

"La nostra speranza è che nelle prime fasi della ricerca, possiamo almeno simulare come pensiamo sarebbe se sviluppassi questi percorsi di produzione di carburante fino alla maturità, " Scown ha detto. "Se dovessi spingerli al punto di riferimento dell'etanolo, la tecnologia per creare etanolo da materiale vegetale come gli steli di mais, fogliame, e le pannocchie sono in circolazione da molto tempo, e possiamo fermentare gli zuccheri con un'efficienza del 90%:quanto ci avvicineremmo al prezzo di mercato dei combustibili petroliferi? È importante saperlo ora.

"Per fortuna, la risposta è che possono essere vitali. E abbiamo identificato miglioramenti che devono avvenire durante tutto il processo di conversione per far sì che ciò accada".

Immaginare il processo di produzione su larga scala

Grazie alle tecnologie di decostruzione della biomassa e di sintesi del combustibile sviluppate presso JBEI, il costo teorico del carburante per bio-jet è diminuito costantemente negli ultimi anni ed è attualmente a partire da $ 16 per gallone, rispetto a $ 300, 000 per gallone quando JBEI è stato istituito, secondo il co-autore e borsista postdottorato JBEI Nawa Baral. Il costo del carburante standard è di circa $ 2,50 per gallone.

Per esplorare come il carburante per biojet potrebbe colmare il divario di prezzo rimanente, il team di ricerca ha utilizzato complesse simulazioni al computer che hanno modellato la tecnologia necessaria e i successivi costi di completa, percorsi di produzione in scala a diversi livelli di efficienza e con una gamma di biomasse e input chimici. Gli autori hanno simulato un totale di cinque diversi percorsi di produzione per quattro distinte molecole di combustibile.

I risultati hanno mostrato che tutti e cinque i percorsi potrebbero effettivamente creare prodotti combustibili al prezzo target di $ 2,50 per gallone se i produttori sono in grado di convertire la lignina rimanente in una sostanza chimica di valore, qualcosa su cui i ricercatori JBEI stanno attualmente lavorando, che potrebbe essere venduta per compensare il costo di biocarburanti. Il prezzo netto di un gallone di biocarburante potrebbe essere ulteriormente abbassato se alle compagnie aeree fosse offerto anche un modesto credito finanziario per la riduzione delle emissioni.

A seguito di alcune ricerche di settore, il team ha anche scoperto che le compagnie aeree potrebbero essere disposte a pagare un premio fino a cinquanta centesimi per gallone perché tutti e quattro i biocarburanti forniscono più energia per unità di volume, il che significa che un aereo potrebbe volare più lontano su un serbatoio della stessa dimensione.

"Lo sviluppo di composti a base vegetale che hanno un vantaggio in termini di prestazioni rispetto alle loro controparti a base di petrolio è un fattore importante nel determinare la loro redditività sul mercato, "ha detto Blake Simmons, coautore e Chief Science and Technology Officer di JBEI.

Però, per quanto promettenti siano questi risultati, portare la tecnologia di produzione di biocarburanti ai rendimenti del gold standard ipotizzati in queste simulazioni richiederà ulteriori progressi.

"E' chiaro che, per portare questi combustibili alla redditività commerciale, abbiamo bisogno di tutte le mani sul ponte, " Scown ha osservato. "Ma questa analisi mette in evidenza l'importanza della multi-istituzionale, centri di ricerca integrativi come JBEI perché nessun gruppo che lavora su una sola fase del processo può realizzarlo."