Hàng năm, các máy bay bay ngang bầu trời Hoa Kỳ đốt cháy 23 tỷ gallon nhiên liệu, để lại vệt khói và 8% lượng khí thải nhà kính (GHG) liên quan đến giao thông vận tải của quốc gia. Một nghiên cứu gần đây được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia của các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) ( Phòng thí nghiệm Berkeley) và Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia tiết lộ nguyên liệu thô dựa trên cây trồng nào mang lại tiềm năng lớn nhất cho sự thay thế dồi dào, cạnh tranh về chi phí, có thể tái tạo cho nhiên liệu máy bay làm từ dầu mỏ, đồng thời tối đa hóa việc loại bỏ carbon trong khí quyển. Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu cho Viện Năng lượng sinh học chung (JBEI), Trung tâm nghiên cứu năng lượng sinh học DOE do Phòng thí nghiệm Berkeley quản lý.
Tổng quan về hệ thống sản xuất từ mỏ đến 1,4-dimethylcyclooctane (DMCO). DMCO là một ankan tuần hoàn có nhiệt đốt cháy theo thể tích cao hơn tới 9,2% so với Jet A. Người cung cấp tín dụng: Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2023 ). DOI: 10.1073/pnas.2312667120
Trong khi ô tô điện đang thay thế các phương tiện chạy bằng xăng trên đường phố Hoa Kỳ, hiện chỉ có nhiên liệu máy bay phản lực lỏng mới có thể đẩy những chiếc máy bay cần thiết để vận chuyển hàng trăm hành khách và hàng tấn hàng hóa trên không một cách đáng tin cậy. Người ta ước tính rằng việc thay thế đội bay gồm hơn 167.000 máy bay hiện tại của quốc gia bằng công nghệ hàng không mới sẽ mất từ 20–30 năm, dựa trên tuổi thọ trung bình của máy bay. Việc sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) từ sinh khối tái tạo có thể giúp đạt được mục tiêu quốc gia đầy tham vọng là cắt giảm một nửa lượng khí thải nhà kính của ngành hàng không vào năm 2050 và sẽ cung cấp năng lượng cho các động cơ máy bay hiện có.
Cây trồng sinh khối không chỉ cần sản xuất số lượng lớn nhiên liệu đốt sạch, hiệu suất cao mà còn phải chứng minh tính khả thi về mặt kinh tế đối với người sản xuất, nhà máy lọc sinh học và người tiêu dùng. Ngoài ra, nguyên liệu thô được chọn phải tối đa hóa khả năng tích lũy carbon trong đất và hiệu quả sử dụng đất, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường của việc bón phân và tiêu thụ nước.
Có một số ứng cử viên được coi là nhà máy khởi đầu cho sản xuất SAF. Phân tích của JBEI xem xét tiềm năng của ba loại cây trồng sinh khối có năng suất cao—Miscanthus, lúa miến và cỏ switchgrass—để cung cấp nguyên liệu cho sản xuất SAF ở quy mô thương mại. Mô phỏng và mô hình hóa đã khám phá sự tương tác và đánh đổi giữa năng lượng sinh học, khối lượng sản xuất, loại bỏ carbon và giá nhiên liệu. Các nhà khoa học đã chọn nguyên liệu cho nghiên cứu vì cả ba loại này đều có thể được trồng mà không cần tưới tiêu tại các trang trại trên khắp Hoa Kỳ và có thể dễ dàng chuyển đổi thành nhiên liệu phản lực dimethylcyclooctane hiệu suất cao.
"Việc xác định các ứng cử viên nguyên liệu SAF hứa hẹn nhất cho một địa điểm cụ thể đòi hỏi phải đánh giá mọi thứ từ đặc tính đất đến mô hình thời tiết, cơ sở hạ tầng và các yếu tố thị trường,”" Sagar Gautam thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
"Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã đánh giá việc sản xuất sinh khối và tác động ở nhiều địa điểm khác nhau, nhưng chúng vẫn chưa phân tích đầy đủ các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và môi trường ở cấp quốc gia—cho đến nay,”" Corinne Scown, tác giả cấp cao của nghiên cứu, phó chủ tịch Ban Kinh tế và Vòng đời của JBEI, đồng thời là phó phòng nghiên cứu tại Phòng Phân tích Năng lượng và Tác động Môi trường tại Phòng thí nghiệm Berkeley, cho biết.
Nhóm đã tích hợp mô hình hệ sinh thái nông nghiệp, kinh tế-kỹ thuật và vòng đời để xác định các địa điểm có khả năng canh tác sinh khối và ước tính chi phí của hệ thống sản xuất SAF, lượng phát thải khí nhà kính trong vòng đời và trọng số tích lũy carbon trong đất có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn cây trồng. Trong thời gian tới, Miscanthus dường như là một lựa chọn mạnh mẽ cho SAF, với tiềm năng cho năng suất gấp hai đến ba lần so với cỏ switchgrass và lúa miến. Tương tự, Miscanthus có thể cô lập nhiều carbon hơn, dẫn đến phát thải khí nhà kính ít hơn và sản xuất ít tốn kém hơn—tùy thuộc vào khu vực đang phát triển, thị trường nhiên liệu và các biện pháp khuyến khích loại bỏ carbon.
"Chúng tôi phát hiện ra rằng nó có thể hơi bập bênh," khinh miệt nói. "Khi chúng tôi đánh giá cao sự tích tụ carbon trong đất và giá dầu vẫn tương đối thấp, Miscanthus có vẻ là sự lựa chọn hiển nhiên. Nhưng nếu giá dầu tăng mạnh hơn, lúa miến và cỏ switchgrass sẽ trở thành những lựa chọn thay thế có chi phí cạnh tranh hơn.”
Thông qua quá trình quang hợp, thực vật có thể thu giữ carbon dioxide từ khí quyển và chuyển carbon vào đất qua rễ của chúng. Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu chính xác cách carbon tương tác với vi khuẩn trong đất để thúc đẩy quá trình cô lập. Cây trồng có một số loại hệ thống rễ sâu nhất định có thể dễ dàng tích lũy và lưu trữ lượng carbon lớn hơn trong đất. Điều này cải thiện sức khỏe của đất và giúp chống lại biến đổi khí hậu.
Ngoài việc trả tiền cho nông dân để tích lũy carbon trong đất ngoài việc cung cấp nguyên liệu, còn có thêm động lực để tăng sinh khối nhưng cũng tác động đến chi phí sản xuất, giá nhiên liệu và khả năng tồn tại của thị trường.
"Nông dân thường chọn một loại cây trồng để trồng trọt phần lớn dựa trên việc trồng trọt ở khu vực của họ có mang lại lợi nhuận hay không. Tín dụng loại bỏ carbon có thể nâng cao quy mô, giúp việc sản xuất cây trồng năng lượng sinh học trở nên sinh lợi hơn và từ đó tạo ra hàng tỷ gallon nhiên liệu máy bay sạch hiệu suất cao”. Nawa Baral, đồng tác giả và trưởng nhóm khoa học của JBEI về phân tích vòng đời và kinh tế công nghệ cho biết.
Theo Scown, "Nếu chúng ta suy nghĩ kỹ về cách tăng quy mô sản xuất và giám sát tác động của carbon trong đất, thì SAF từ sinh khối có tiềm năng mang lại lợi ích đôi bên cùng có lợi cho cộng đồng nông nghiệp và khí hậu."
