Соединенные Штаты являются крупнейшим источником авиационных выбросов углекислого газа в мире и несут ответственность за более чем четверть всего углекислого газа, выбрасываемого при полетах.

Но что, если бы мы могли сделать все авиаперелеты в США практически свободными от выбросов?

Что, если бы мы могли заменить углеродоемкое ископаемое топливо для реактивных двигателей более чистой альтернативой: биоструйным топливом, получаемым из дождевой травы, выращенной в США?

Новое исследование опубликовано 14 ноября в журнале Устойчивость природы показан путь к полной декарбонизации использования авиационного топлива в США путем замены обычного реактивного топлива устойчиво производимым биотопливом.

Исследование, проведенное группой исследователей из Университета штата Аризона, показало, что посадка травы мискантус на 23,2 миллиона гектаров существующих маргинальных сельскохозяйственных угодий - земель, которые часто залегают под паром или имеют низкое качество почвы - по всей территории Соединенных Штатов обеспечит достаточное количество сырья из биомассы для удовлетворения потребностей авиации США в жидком топливе. сектор полностью зависит от биотоплива, объем которого, как ожидается, достигнет 30 миллиардов галлонов в год к 2040 году.

"Мы демонстрируем, что Соединенные Штаты могут обезуглероживать топливо, используемое коммерческой авиацией, не дожидаясь электрификации силовых установок самолетов", - сказала Назли Улудере Арагон, соавтор исследования и недавний аспирант АГУ по географии.

"Если мы серьезно настроены на достижение чистого нуля выбросов парниковых газов, нам нужно иметь дело с выбросами от авиаперевозок, которые, как ожидается, будут расти при обычном сценарии ведения бизнеса. Ключом к этому является поиск альтернативных, более устойчивых источников жидкого топлива для авиации".

Интеграция экосистемного, атмосферного и экономического опыта

В исследовании исследователи использовали комплексную систему оценки земель, моделирования гидроклимата, моделирования экосистем и экономического моделирования, чтобы оценить, где и при каких условиях в Соединенных Штатах можно устойчиво выращивать энергетические культуры, используемые для производства биоструйного топлива, с использованием критериев, которые оценивают как экологические, так и экономические показатели.

Критерии были обширными. Команда сначала определила и оценила, где в США уже существуют оптимальные маргинальные сельскохозяйственные угодья, а затем оценила, можно ли выращивать на земле правильные энергетические культуры без использования дополнительной воды.

Затем команда проанализировала, окажет ли выращивание энергетических культур на этих землях негативное воздействие на окружающий климат или влажность почвы, и предсказала потенциальную продуктивность урожаев двух разных трав - мискантуса и подорожника - в качестве подходящего энергетического сырья из биомассы. Наконец, команда подсчитала количество и стоимость биоструйного топлива, которое будет производиться и распространяться в масштабах всей страны.

"Нынешний способ производства экологически чистого авиатоплива очень неэффективен на суше и не используется в больших масштабах", - сказал Натан Паркер, автор исследования и доцент Школы устойчивого развития. "Существует очень ограниченное количество способов, с помощью которых авиация может стать низкоуглеродистой с соответствующим низким воздействием на климат, и это один из способов, который, как мы показали, осуществим и может привести авиационную промышленность к углеродно-нейтральной с помощью сельского хозяйства".

Ученые подчеркнули, что эта интегрированная системная перспектива имеет решающее значение для исследования. В прошлом исследования, связанные с потенциалом биотоплива, в основном состояли из отдельных оценок, которые не были хорошо интегрированы, например, не учитывали ключевые данные о том, как изменение растительного покрова влияет на окружающий климат.

"Когда вы сажаете сельскохозяйственные культуры на стратегически спроектированных территориях, посадка этих культур оказывает влияние на климат", - сказал Матей Георгеску, соавтор исследования и доцент Школы географических наук и городского планирования и директор Центра исследований городского климата при АГУ. "Если происходит изменение в лежащем в основе ландшафте, например, увеличение или уменьшение количества растительности, это может иметь последствия для климата местного или регионального масштаба, включая большее или меньшее количество осадков или более высокие или более низкие температуры".

Чтобы учесть эти взаимодействия между сушей и атмосферой, исследовательская группа использовала результаты своей модели гидроклимата для обоснования своей экосистемной модели. Затем команда оценила экономическую целесообразность выращивания этих трав фермерами.

Реальные решения

Для любого использования альтернативного энергетического пути решения должны иметь экономический смысл.

Исследователи в своем анализе сравнили финансовую отдачу от существующего использования земель, которые они определили - некоторые уже используются для выращивания кукурузы, сои или различных других культур, а другие используются в качестве пастбищ - с доходностью от выращивания мискантуса или подорожника в качестве сырья для биомассы.

Выращивание мискантуса или подорожника должно было быть более выгодным, чтобы заменить существующее использование земли в каждом районе.

"Эти земли, которые мы идентифицировали, принадлежат реальным людям и эксплуатируются ими для различных сельскохозяйственных целей", - сказал Улудере Арагон, который в настоящее время является аспирантом Фонда защиты окружающей среды. "На рентабельный потенциал производства биотоплива из сырья из биомассы в значительной степени влияют альтернативные издержки использования земель".

В конце концов, исследователи пришли к выводу, что мискантус является более перспективным сырьем, и биоструйное топливо, получаемое из мискантуса, может достичь целевого показателя в 30 миллиардов галлонов в год при средней стоимости 4,10 доллара за галлон.

Хотя это выше, чем средняя цена на обычное авиатопливо - обычно около 2 долларов за галлон, - команда пришла к выводу, что это разумно, учитывая потенциал biojet по сокращению выбросов. Примечательно, что в 2022 году цены на авиатопливо варьировались от 2 до 5 долларов за галлон (не путать с розничным бензином) из-за изменений спроса и предложения, что показывает, что цены выше 4 долларов за галлон вполне возможны.

Шаблон для будущего

Исследователи говорят, что при поиске дальнейших решений климатического кризиса Земли важно, чтобы научное сообщество объединило дисциплины и преодолело постепенное сокращение выбросов. Скорее, исследователи подчеркивают важность реалистичных решений, которые масштабируются.

"Это была междисциплинарная команда с опытом в области наук об экосистемах, моделирования климата, атмосферных наук и экономики", - сказал Джорджеску, который признал, что это исследование стало кульминацией восьмилетней работы по моделированию и сотрудничеству. "Чтобы действительно решать проблемы устойчивого развития, вам нужны экспертные навыки в самых разных областях".

"Как ученые, мы должны помнить, что экономика определяет решения людей на местах. Жизненно важно найти обстоятельства, при которых эти решения также согласуются с желаемыми экологическими результатами".

Исследовательская группа состояла из Назли Улудере Арагон, Натана К. Паркера, Мэн Вана и Матея Георгеску (Университет штата Аризона), Энди Ванлоке (Университет штата Айова) и Джастина Бэгли (Onpeak Energy). Исследование финансировалось Национальным научным фондом в рамках инициативы по устойчивому использованию водных ресурсов и изменению климата