到現在應該很清楚，美國必須擺脫對石油的依賴。我們再也無法承受對石油的依賴給我們的國家安全、經濟安全或環境安全帶來的危險。然而，文明不會停止前進的步伐，因此我們必須發明一種新的方式來為世界交通運輸提供動力。纖維素生物燃料——用植物不可食用的部分製成的液體燃料——為石油提供了在環境方面最具吸引力、在技術上最可行的近期替代方案。
生物燃料可以由任何現在是或曾經是植物的東西製成。第一代生物燃料來源於可食用的生物質，主要是玉米和大豆（在美國）和甘蔗（在巴西）。考慮到將這些原料轉化為燃料的技術已經存在（美國目前有180家煉油廠將玉米加工成乙醇），它們是潛在生物燃料森林中的低垂果實。然而，第一代生物燃料並非長久之計。可用的農田根本不足以滿足發達國家超過10%的液體燃料需求。額外的作物需求提高了動物飼料的價格，從而使一些食品更加昂貴——儘管遠不及去年媒體歇斯底里的程度。一旦將種植、收穫和加工玉米的總排放量納入考量，就很明顯，第一代生物燃料並不像我們希望的那樣環保。
用纖維素材料製成的第二代生物燃料——俗稱“草汽油”——可以避免這些缺陷。草汽油可以由幾十種，甚至數百種來源製成：從木屑和建築垃圾等木材殘渣，到玉米秸稈和小麥秸稈等農業殘渣，再到“能源作物”——專門種植的速生草類和木本材料，作為草汽油的原料。這些原料價格低廉（相當於每桶石油能源當量約10至40美元），儲量豐富，且不干擾糧食生產。大多數能源作物可以在原本不會用作農田的邊際土地上生長。有些，如短輪伐期柳樹，在生長過程中可以淨化被廢水或重金屬汙染的土壤。
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可以可持續地收穫大量的纖維素生物質來生產燃料。美國農業部和能源部的一項研究表明，美國每年至少可以生產13億噸幹纖維素生物質，而不會減少可用於我們的食品、動物飼料或出口的生物質數量。如此大量的生物質每年可以生產超過1000億加侖的草汽油——約佔美國目前汽油和柴油年消耗量的一半。類似的預測估計，全球纖維素生物質的供應量相當於每年340億至1600億桶石油的能源含量，這些數字超過了世界目前每年300億桶石油的消耗量。纖維素生物質也可以轉化為任何型別的燃料——乙醇、普通汽油、柴油，甚至航空燃料。
科學家們仍然更擅長髮酵玉米粒，而不是分解堅韌的纖維素莖稈，但他們最近取得了爆炸性的進展。量子化學計算模型等強大的工具使化學工程師能夠構建可以在原子水平上控制反應的結構。研究的目的是快速將轉化技術擴大到煉油廠規模。儘管該領域仍處於起步階段，但許多示範工廠已經上線，第一批商業煉油廠計劃於2011年完工。草汽油時代可能即將到來。
能源鎖
這要歸咎於進化。自然界設計纖維素是為了賦予植物結構。這種材料由剛性的互鎖分子支架構成，為垂直生長提供支撐，並頑固地抵抗生物分解。為了釋放其中的能量，科學家們必須首先解開進化創造的分子結。
一般來說，這個過程首先包括將固體生物質解構成更小的分子，然後將這些產物提煉成燃料。工程師通常按溫度對解構方法進行分類。低溫方法（50至200攝氏度）產生糖類，這些糖類可以像現在加工玉米或糖料作物一樣發酵成乙醇和其他燃料。在較高溫度（300至600攝氏度）下解構會產生生物原油或生物油，可以將其提煉成汽油或柴油。極高溫解構（高於700攝氏度）產生氣體，可以將其轉化為液體燃料。
到目前為止，沒有人知道哪種方法能夠以最低的成本將最大量的儲存能量轉化為液體生物燃料。也許不同的纖維素生物質材料需要不同的途徑。例如，高溫處理可能最適合木材，而低溫可能更適合草類。
熱燃料
高溫合成氣方法是技術最成熟的生物燃料生產方法。合成氣——一氧化碳和氫氣的混合物——可以由任何含碳材料製成。它通常透過費託合成（FTS）工藝轉化為柴油、汽油或乙醇，該工藝由德國科學家在20世紀20年代開發。在第二次世界大戰期間，第三帝國利用費託合成從德國的煤炭儲備中生產液體燃料。大多數主要的石油公司仍然擁有合成氣轉化技術，如果汽油變得過於昂貴，他們可能會引進這種技術。
製造合成氣的第一步稱為氣化。生物質被送入反應器並加熱到700攝氏度以上。然後將其與蒸汽或氧氣混合，生成含有CO、氫氣和焦油的氣體。必須清除焦油，並將氣體壓縮至20至70個大氣壓的壓力。然後，壓縮後的合成氣流經專門設計的催化劑——一種固體材料，可以容納單個反應物分子，並優先促進特定的化學反應。石油化學主要開發了合成氣轉化催化劑，用於將天然氣和煤衍生合成氣轉化為燃料，但它們對生物質也同樣有效。
儘管這項技術已廣為人知，但反應器非常昂貴。卡達在2006年建造的一座將天然氣轉化為每天34000桶液體燃料的費託合成工廠耗資16億美元。如果一座生物質工廠要花費這麼多錢，它將不得不每天、每天消耗大約5000噸生物質，持續15到30年，才能生產出足夠償還投資的燃料。由於將如此大量的生物質運送到單個地點存在重大的後勤和經濟挑戰，因此合成氣技術的研究重點是降低資本成本的方法。
生物油
億萬年的地下壓力和熱量將寒武紀浮游動物和藻類變成了今天的油田。一個類似的技巧——在大大縮短的時間尺度上——可以將纖維素生物質轉化為生物原油。在這種情況下，煉油廠在無氧環境中將生物質加熱到300至600攝氏度。熱量將生物質分解為類似木炭的固體和生物油，在此過程中釋放出一些氣體。這種方法產生的生物油是當今市場上最便宜的液體生物燃料，可能為每加侖汽油能量當量0.50美元（此外還要加上原始生物質的成本）。
該過程也可以在靠近生物質收穫地點的相對較小的工廠中進行，從而限制了生物質運輸的費用。不幸的是，這種原油具有高酸性，不溶於石油基燃料，並且僅含有汽油能量含量的一半。儘管您可以直接在柴油發動機中燃燒生物原油，但只有當您不再需要發動機時才應該嘗試這樣做。
然而，煉油廠可以將這種生物原油轉化為可用的燃料，許多公司正在研究如何調整其現有硬體以適應這項任務。一些公司已經在生產另一種形式的綠色柴油燃料，這表明煉油廠也可以處理纖維素生物原油。目前，這些設施將植物油和動物脂肪與石油直接共同進料到其煉油廠中。康菲石油公司最近在德克薩斯州博格的一家煉油廠展示了這種方法，每天用從附近泰森食品屠宰場運來的牛脂肪生產超過12000加侖的生物柴油。
研究人員還在研究使用化學工程等效的“一鍋煮”的兩階段工藝的方法——在一個反應器內將固體生物質轉化為油，然後將油轉化為燃料。我們中的一位（Huber）和他的同事正在開發一種稱為催化快速熱解的方法。“快速”這個名稱來自初始加熱——一旦生物質進入反應器，它會在一秒鐘內被烹飪到500攝氏度，這會將大分子分解成小分子。就像雞蛋在雞蛋盒中一樣，這些小分子現在的大小和形狀非常適合裝入催化劑的表面。
一旦被包裹在催化劑的孔隙內，分子就會經歷一系列反應，將其轉變為汽油——特別是汽油的高價值芳烴成分，這些成分可以提高辛烷值[參見第55頁的方框]。（高辛烷值燃料允許發動機在更高的內部壓力下執行，從而提高效率。）整個過程僅需2到10秒。初創公司Anellotech已經嘗試將此工藝從實驗室規模擴大到商業規模。它預計到2014年將建成一家商業設施。
糖溶液
迄今為止吸引了最多公共和私人投資的路線依賴於更傳統的機制——釋放植物中的糖，然後將這些糖發酵成乙醇或其他生物燃料。科學家們已經研究了數十種可能的方法來分解抗消化的纖維素和半纖維素——將纖維素結合在一起的細胞內纖維——分解成其組成糖。您可以加熱生物質，用伽馬射線照射，將其研磨成細漿，或對其進行高溫蒸汽處理。您可以對其噴灑濃酸或濃鹼，或將其浸泡在溶劑中。您甚至可以對微生物進行基因工程改造，使其能夠吞噬和降解纖維素。
不幸的是，許多在實驗室中有效的方法在商業實踐中沒有成功的機會。為了在商業上可行，預處理必須以高產率和高濃度產生易於發酵的糖，並且以適度的資本成本實施。它們不應使用有毒物質，也不應需要過多的能量輸入才能工作。它們還必須能夠以可以與汽油競爭的價格生產草汽油。
最有希望的方法包括將生物質置於極端pH值和溫度下。我們正在我們的一個實驗室（Dale's）開發一種使用氨——一種強鹼——的策略。在這種氨纖維膨脹（AFEX）工藝中，纖維素生物質在100攝氏度下用濃氨在壓力下烹飪。當壓力釋放時，氨氣蒸發並被回收。隨後，酶將90%或更多的處理過的纖維素和半纖維素轉化為糖。產率如此之高，部分原因是該方法最大限度地減少了通常在酸性或高溫環境中發生的糖降解。AFEX工藝是“幹進幹出”：生物質開始時是大部分乾燥的固體，處理後仍然是乾燥的，未用水稀釋。因此，它可以提供大量高濃度、高純度的乙醇。
AFEX還具有非常便宜的潛力：最近的一項經濟分析表明，假設生物質可以以每噸約50美元的價格運送到工廠，AFEX預處理，結合稱為整合生物加工的先進發酵工藝，可以生產纖維素乙醇，價格約為每加侖汽油能量當量1美元，在加油站的售價可能低於2美元。
變革的成本
當然，成本將是決定草汽油使用增長速度的主要因素。它的主要競爭對手是石油，而石油工業已經從一個多世紀的專門研究專案中獲得了技術優勢。此外，目前使用的大多數煉油廠都已經償還了其初始資本成本；草汽油煉油廠將需要數億美元的投資，這筆成本將必須透過多年來融入其生產的燃料價格中。
另一方面，草汽油比石油燃料和其他石油替代品（如油砂和液化煤）具有幾個主要優勢。首先，原材料比原油便宜得多，一旦該行業開始運轉，這將有助於降低成本。草汽油將在國內生產，具有國家安全效益。而且，它比任何化石燃料替代品都更環保。
此外，新的分析工具和計算機建模技術將使研究人員能夠以石油工程師在十年前無法企及的速度構建更好、更高效的生物煉油廠運營。我們正在不斷深入瞭解我們的原材料的特性以及我們可以用來以越來越快的速度將其轉化為燃料的過程。美國政府對替代能源形式研究的支援應有助於進一步加快這一程序。美國總統巴拉克·奧巴馬今年早些時候簽署成為法律的經濟刺激法案包含了8億美元的能源部生物質計劃資金，該計劃將加速先進生物燃料的研發，併為商業規模的生物煉油廠專案提供資金。此外，該法案還包含60億美元的貸款擔保，用於“領先的生物燃料專案”，這些專案將於2011年10月開始建設。
的確，如果美國保持其目前對生物燃料的承諾，該行業目前面臨的後勤和轉化挑戰應該很容易克服。在未來5到15年內，生物質轉化技術將從實驗室走向市場，由纖維素生物燃料驅動的汽車數量將急劇增加。向草汽油的轉變可以從根本上改變世界。這是一個早就應該採取的行動。
脂肪問題
目前有一種新的推動力，即利用陸地上的脂肪製造燃料。今年4月，High Plains Bioenergy在俄克拉荷馬州蓋蒙的一家豬肉加工廠旁邊開設了一家生物煉油廠。該煉油廠利用豬油——工業屠宰過程中豐富且低價值的副產品——以及植物油，將其轉化為生物柴油。該工廠預計每年將3000萬磅豬油轉化為3000萬加侖生物柴油。2010年，Dynamic Fuels將在路易斯安那州蓋斯馬開設一家工廠，該公司是泰森食品公司和能源公司Syntroleum的合資企業。該工廠將利用泰森的牛肉、雞肉和豬肉業務產生的脂肪，每年生產7500萬加侖生物柴油和航空燃料。
然而，生物柴油行業最近受到了打擊，許多工廠因需求不足而閒置。低油價使得石油基柴油燃料比生物柴油便宜，而生物柴油在美國通常由大豆和植物油製成。每加侖1美元的生物柴油聯邦稅收抵免有助於緩解衝擊，但該抵免將於年底到期。一些製造商擔心，如果抵免消失，他們的業務也會消失。泰森此前曾與康菲石油公司合作，在德克薩斯州博格的一家現有康菲石油公司煉油廠生產生物柴油。但對稅收減免狀況的不確定性使該專案擱置。
注：本文最初印刷時的標題為“加油站的草汽油”。