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在地質熱和壓力的作用下，深埋在地下的頁岩中的甲烷分子被水力壓裂釋放出來，迅速衝向地面。被捕獲並送入管道後，這種最小的碳氫化合物被輸送到新澤西州的一個辦公園區，那裡覆蓋著磚砌建築。其中一棟建築後面隱藏著一臺大型機器——一系列金屬圓筒，甲烷分子的各個部分很快將被轉化為汽油。
如果由 Primus Green Energy 製造的這臺測試機器的轉化效率與早期結果顯示的一樣高，那麼甲烷——石油公司經常將其燒掉或直接排放到大氣中，從而加劇全球變暖——可能會成為更有價值的資源：液體燃料。化學工程師和生物學家正在這個和其他測試設施和實驗室取得進展，但目前尚不清楚他們嘗試的這些過程是否會產生大量的自身排放，或者需要比它們價值更高的能量。
一旦甲烷分子到達新澤西州的測試工廠，它們就會被蒸汽衝擊，分解成氫氣和由碳、氧和氫各一個原子組成的小分子。這種合成氣體，或稱合成氣，然後被送入第一個圓筒，在那裡，更多的熱量和壓力，加上催化的黑暗藝術，將其轉化為甲醇。這種氣體流向另一個腔室，在那裡，另一種催化劑幫助將其轉化為二甲醚（DME），一種略大的分子，混合了碳、氧和氫的原子。這可以用作燃料，但不如汽油或柴油有價值，因此二甲醚流向另一個反應器，在那裡，另一種催化劑將其轉化為構成普通駕駛員所知的液體湯的各種碳氫化合物，即汽油。汽油流入最後一個反應圓筒，該圓筒去除不需要的分子——總共四個反應器。它的最終停止點是一個分離器，汽油在那裡冷凝，任何多餘的甲烷和其他剩餘氣體流回以重新開始該過程。
透過這種方式，流到新澤西州希爾斯伯勒的 Primus Green Energy 的 70% 的甲烷分子最終變成液體燃料。這就是為什麼和藹可親的地質學家喬治·博亞吉安（George Boyajian）是 Primus 的副總裁兼主要銷售員，他的牆上貼著北美每個頁岩層的地圖——巴肯（Bakken）、鷹福特（Eagle Ford）、馬塞勒斯（Marcellus）等等。Primus 使用當地公用事業公司提供的天然氣，將甲烷轉化為有價值的無硫汽油。而且這正是美國環境保護署 3 月 3 日授權的低硫汽油，使其作為銷售汽油的公司的混合成分具有價值。Primus 汽油的辛烷值也恰好很高，對基礎設施和發動機的腐蝕性較小，並且不含致癌物苯，以及其他理想的特性。
“世界充滿了頁岩，”博亞吉安指出，他穿著能源企業家的制服：襯衫搭配牛仔褲和安全帽，站在他的辦公桌後面。也許更重要的是，Primus 希望有一天能夠擁有足夠小的系統，可以位於油氣井處，這將把原本會被浪費的氣體轉化為每天 500 桶有價值的化學品或燃料，包括用於在油田上下轟鳴的卡車的柴油。
事實上，Primus 是眾多公司之一，這些公司希望將美國的頁岩氣繁榮轉化為新的液體燃料來源，為交通運輸提供動力。在此過程中，潛在的科學解決方案可能會解決水力壓裂最大的問題之一：所謂的無組織排放——從井口或管道中洩漏，或故意釋放或燃燒到大氣中的天然氣，因為對於更關心石油的公司來說，這是最簡單的處置解決方案。甲烷洩漏導致大氣中強大的溫室氣體數量不斷增加，如果得不到解決，可能會抵消使用天然氣作為燃料替代較髒的石油甚至更髒的煤炭的好處。美國能源部長歐內斯特·莫尼茲（Ernest Moniz）認為，這種天然氣轉化技術“可以以分散式方式使用”，以解決油井的天然氣燃燒問題，“我們知道這既是一個問題也是一個機會。”燃燒變得如此普遍，以至於在衛星影像中，北達科他州的大片地區現在被一個像芝加哥一樣明亮的龐大油田照亮了夜空。
這個想法是幫助美國擺脫對石油的依賴，同時由於投入的天然氣成本低廉而獲得可觀的利潤。與此同時，這種轉化可以使燃燒問題——燃燒或釋放離現有基礎設施太遠而無法將氣態燃料輸送到發電廠等地方的天然氣——轉化為有價值的商品的新來源：液體燃料，甚至是可混入石油本身的碳氫化合物。“我們有很多廉價的天然氣，”材料科學家戴恩·博伊森（Dane Boysen）說，他是能源高階研究計劃署（ARPA–E）的甲烷汽車能源機會（MOVE）專案的負責人。MOVE專案。“問題是：我們應該如何處理它？”利潤的一個重要想法是，將每升能量密度為 0.04 兆焦的天然氣轉化為每升能量密度至少為 35 兆焦的汽油——這是當今汽車長途旅行的最佳液體燃料。
成功的步驟
Primus 有自己的機械車間，由首席機械師奧雷爾·貝爾科維奇（Aurel Bercovici）運營，他關閉了自己的獨立車間，全職來到 Primus 工廠工作。構成Primus 天然氣制汽油機器的各種反應器和管道需要不斷的維護和定製零件。“我希望看到這個專案成功，這個天然氣制汽油的專案成功，”他在用抹布擦拭手上油汙時說。
成功將需要首席科學家霍華德·方（Howard Fang）的催化見解，他曾在大型石油公司和大型發動機製造商工作過。他將二甲醚透過特定的沸石礦物，將碳串在一起，製成統稱為汽油的碳氫化合物分子的混合物。一個更復雜版本的工藝已被證明有效：埃克森公司在 20 世紀 80 年代在紐西蘭建立了一個甲醇制汽油轉化廠，儘管這家石油巨頭在 20 世紀 90 年代油價下跌時關閉了它。
方認為他可以使汽油比埃克森公司以往的汽油便宜得多，方法是消除過程中的步驟。進一步改進的一種可能性是找到一種催化劑，可以直接從單分子碳、氧和氫轉化為二甲醚。“有很多催化劑可以做到這一點，”方說，他在實驗室工作，尋找正確的工藝來生產更有價值的柴油。
為了測試這些方案，有 1,500 對電纜連線到並離開後方的演示機器，以監測熱化學過程。最近的一項測試連續運行了 720 小時，生產出汽油——其中一些汽油已用於公司的汽車，包括執行長的本田雅閣——並提供資料來改進機器。“我們的催化劑的壽命是（科學）文獻中發表的壽命的五倍，”博亞吉安聲稱，這可能會節省資金。
該公司目前正在尋找合作伙伴，以建造一家每天能夠生產約 10,000 桶液體燃料的更大的工廠，並希望今年晚些時候在休斯頓地區與一家“主要煉油廠”合作破土動工，據博亞吉安說。就目前而言，測試機器已經可以每小時從天然氣中生產超過 50 升的汽油。“我們沒有滿負荷運轉，”他補充說。“我們現在將在下一組執行中測試產量。”
但是，所有這些仍然需要一個相對較大且昂貴的機器，配備多個化學反應器。有沒有一種更便宜的將天然氣轉化為汽油的方法？
透過生物學獲得更好的汽油
微生物可能是利用滯留或逸散甲烷的另一種更便宜的方法。“微生物是化學物質，”ARPA–E 減少排放的甲烷營養生物運輸能源計劃（REMOTE）的計劃主管拉蒙·岡薩雷斯（Ramon Gonzalez）說。“它們是酶的小袋子。”而它們自包含“袋子”中的那些酶可以在一個儲罐中將甲烷轉化為液體燃料，就像將大麥轉化為啤酒或將葡萄汁轉化為葡萄酒的發酵罐一樣。此外，微生物需要相對溫和的條件——無需腐蝕性物質，無需像 Primus 工廠那樣的高壓或高溫。
這些優勢意味著使用生物學可能會花費更少。將玉米中的糖發酵成乙醇燃料的工廠花費數百萬美元，而最大的天然氣轉化廠花費數十億美元。因此，像 LanzaTech 這樣的公司使用像拜氏甲烷氧化菌這樣的微生物來探索將天然氣發酵成液體燃料，或者使用各種梭菌從工業廢氣中製造乙醇。LanzaTech 甚至正在上海郊區與寶鋼合作建造一個中試工廠，僅用鋼鐵生產的尾氣每年就可能生產多達 380,000 升的乙醇。
這種方法也有缺點：首先，生物反應速度慢。微生物需要數小時甚至數天才能完成的事情，在化學反應器中只需幾分鐘甚至幾秒鐘即可完成。而且，發酵罐的規模無法無限擴大：生物學原理決定了啤酒或葡萄酒桶無法擴大到體育場大小。“微生物不具規模性，”博雅吉安認為。
微生物也可能像最終使用的發動機一樣造成汙染，在吞噬甲烷時會釋放二氧化碳，從而損失原始氣體化學鍵中嵌入的一半能量。岡薩雷斯和他的同事們希望透過改造微生物用於轉化的各種途徑並消除低效率來解決這個問題。但岡薩雷斯承認，微生物生產的燃料要出現在加油站還需要數年時間。
但熱化學公司也有機會開發一步法工藝，將天然氣轉化為有價值的產品。例如，Ceramatec公司正在利用ARPA-E的資助，僅在一個圓筒內將甲烷轉化為苯。這種苯可以作為其他產品（如塑膠）的原料。Ceramatec公司負責燃料處理的專案經理S. Elangovan也在嘗試縮小一種近一個世紀以來廣為人知的氣轉液化學轉化工藝，儘管該公司目前在猶他州實驗室的迭代版本每天只能生產四分之一桶液態燃料。
汙染解決方案
包括Primus在內的許多此類技術的最初承諾不是將天然氣轉化為液態燃料，而是將廢木材或能源作物（如柳枝稷）轉化為清潔、可再生的液態燃料，以取代石油。事實上，方先生在公司早年就完善了將生物質轉化為富含能量的氣體的工藝，然後可以將其輸入到Primus氣轉汽油機的改進版本中。“天然氣不是真正的綠色能源，”方先生承認，“它在溫室氣體方面沒有任何好處。”這是因為燃燒天然氣製成的汽油最終仍然會變成大氣中的二氧化碳，從而捕獲熱量並加劇氣候變化。
當然，生物質制汽油仍然有可能實現，但前提是原料必須與天然氣一樣便宜或更便宜。“如果你有合成氣，我們想和你談談，”博雅吉安說，無論是來自氣化的城市垃圾還是水力壓裂產生的廉價天然氣。“我們認為天然氣是實現生物燃料的絕佳機會。”
其他公司，如SunDrop Fuels，希望將這兩種想法結合起來，使用天然氣與生物質結合來製造最終燃料。還有一些公司對原料不設限制，甚至探索使用煤炭。畢竟，如果天然氣被大規模轉化為液態燃料，那麼按照目前的消耗速度，預計可以使用一個世紀的供應量可能會在幾十年甚至更短的時間內耗盡。“不要愛上一種原料，”LanzaTech執行長Jennifer Holmgren警告說，“它們會讓你傷心的。”
目前，天然氣製成的汽油可以用來稀釋從石油中提取的含硫量較高或汙染較嚴重的汽油，從而幫助滿足美國環保署新的防汙染法規。但一旦燃料被燃燒，從氣候變化的角度來看，它與在井口燃燒天然氣並無差別，儘管在此期間它為車輛提供了動力。
而且，像中國這樣的國家已經有了從煤炭到合成氣再到汽油的計劃。“你不能使用煤炭，”方先生爭辯說，他發誓要放棄將豐富但最骯髒的化石燃料轉化為液態燃料的轉化過程——以及更大比例的溫室氣體汙染。方先生指出，從氣候變化的角度來看，這種煤制汽油“無異於自殺”。