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在地质热和压力的作用下，深埋在地下的页岩中的甲烷分子被水力压裂释放出来，迅速冲向地面。被捕获并送入管道后，这种最小的碳氢化合物被输送到新泽西州的一个办公园区，那里覆盖着砖砌建筑。其中一栋建筑后面隐藏着一台大型机器——一系列金属圆筒，甲烷分子的各个部分很快将被转化为汽油。
如果由 Primus Green Energy 制造的这台测试机器的转化效率与早期结果显示的一样高，那么甲烷——石油公司经常将其烧掉或直接排放到大气中，从而加剧全球变暖——可能会成为更有价值的资源：液体燃料。化学工程师和生物学家正在这个和其他测试设施和实验室取得进展，但目前尚不清楚他们尝试的这些过程是否会产生大量的自身排放，或者需要比它们价值更高的能量。
一旦甲烷分子到达新泽西州的测试工厂，它们就会被蒸汽冲击，分解成氢气和由碳、氧和氢各一个原子组成的小分子。这种合成气体，或称合成气，然后被送入第一个圆筒，在那里，更多的热量和压力，加上催化的黑暗艺术，将其转化为甲醇。这种气体流向另一个腔室，在那里，另一种催化剂帮助将其转化为二甲醚（DME），一种略大的分子，混合了碳、氧和氢的原子。这可以用作燃料，但不如汽油或柴油有价值，因此二甲醚流向另一个反应器，在那里，另一种催化剂将其转化为构成普通驾驶员所知的液体汤的各种碳氢化合物，即汽油。汽油流入最后一个反应圆筒，该圆筒去除不需要的分子——总共四个反应器。它的最终停止点是一个分离器，汽油在那里冷凝，任何多余的甲烷和其他剩余气体流回以重新开始该过程。
通过这种方式，流到新泽西州希尔斯伯勒的 Primus Green Energy 的 70% 的甲烷分子最终变成液体燃料。这就是为什么和蔼可亲的地质学家乔治·博亚吉安（George Boyajian）是 Primus 的副总裁兼主要销售员，他的墙上贴着北美每个页岩层的地图——巴肯（Bakken）、鹰福特（Eagle Ford）、马塞勒斯（Marcellus）等等。Primus 使用当地公用事业公司提供的天然气，将甲烷转化为有价值的无硫汽油。而且这正是美国环境保护署 3 月 3 日授权的低硫汽油，使其作为销售汽油的公司的混合成分具有价值。Primus 汽油的辛烷值也恰好很高，对基础设施和发动机的腐蚀性较小，并且不含致癌物苯，以及其他理想的特性。
“世界充满了页岩，”博亚吉安指出，他穿着能源企业家的制服：衬衫搭配牛仔裤和安全帽，站在他的办公桌后面。也许更重要的是，Primus 希望有一天能够拥有足够小的系统，可以位于油气井处，这将把原本会被浪费的气体转化为每天 500 桶有价值的化学品或燃料，包括用于在油田上下轰鸣的卡车的柴油。
事实上，Primus 是众多公司之一，这些公司希望将美国的页岩气繁荣转化为新的液体燃料来源，为交通运输提供动力。在此过程中，潜在的科学解决方案可能会解决水力压裂最大的问题之一：所谓的无组织排放——从井口或管道中泄漏，或故意释放或燃烧到大气中的天然气，因为对于更关心石油的公司来说，这是最简单的处置解决方案。甲烷泄漏导致大气中强大的温室气体数量不断增加，如果得不到解决，可能会抵消使用天然气作为燃料替代较脏的石油甚至更脏的煤炭的好处。美国能源部长欧内斯特·莫尼兹（Ernest Moniz）认为，这种天然气转化技术“可以以分布式方式使用”，以解决油井的天然气燃烧问题，“我们知道这既是一个问题也是一个机会。”燃烧变得如此普遍，以至于在卫星图像中，北达科他州的大片地区现在被一个像芝加哥一样明亮的庞大油田照亮了夜空。
这个想法是帮助美国摆脱对石油的依赖，同时由于投入的天然气成本低廉而获得可观的利润。与此同时，这种转化可以使燃烧问题——燃烧或释放离现有基础设施太远而无法将气态燃料输送到发电厂等地方的天然气——转化为有价值的商品的新来源：液体燃料，甚至是可混入石油本身的碳氢化合物。“我们有很多廉价的天然气，”材料科学家戴恩·博伊森（Dane Boysen）说，他是能源高级研究计划署（ARPA–E）的甲烷汽车能源机会（MOVE）项目的负责人。MOVE项目。“问题是：我们应该如何处理它？”利润的一个重要想法是，将每升能量密度为 0.04 兆焦的天然气转化为每升能量密度至少为 35 兆焦的汽油——这是当今汽车长途旅行的最佳液体燃料。
成功的步骤
Primus 有自己的机械车间，由首席机械师奥雷尔·贝尔科维奇（Aurel Bercovici）运营，他关闭了自己的独立车间，全职来到 Primus 工厂工作。构成Primus 天然气制汽油机器的各种反应器和管道需要不断的维护和定制零件。“我希望看到这个项目成功，这个天然气制汽油的项目成功，”他在用抹布擦拭手上油污时说。
成功将需要首席科学家霍华德·方（Howard Fang）的催化见解，他曾在大型石油公司和大型发动机制造商工作过。他将二甲醚通过特定的沸石矿物，将碳串在一起，制成统称为汽油的碳氢化合物分子的混合物。一个更复杂版本的工艺已被证明有效：埃克森公司在 20 世纪 80 年代在新西兰建立了一个甲醇制汽油转化厂，尽管这家石油巨头在 20 世纪 90 年代油价下跌时关闭了它。
方认为他可以使汽油比埃克森公司以往的汽油便宜得多，方法是消除过程中的步骤。进一步改进的一种可能性是找到一种催化剂，可以直接从单分子碳、氧和氢转化为二甲醚。“有很多催化剂可以做到这一点，”方说，他在实验室工作，寻找正确的工艺来生产更有价值的柴油。
为了测试这些方案，有 1,500 对电缆连接到并离开后方的演示机器，以监测热化学过程。最近的一项测试连续运行了 720 小时，生产出汽油——其中一些汽油已用于公司的汽车，包括首席执行官的本田雅阁——并提供数据来改进机器。“我们的催化剂的寿命是（科学）文献中发表的寿命的五倍，”博亚吉安声称，这可能会节省资金。
该公司目前正在寻找合作伙伴，以建造一家每天能够生产约 10,000 桶液体燃料的更大的工厂，并希望今年晚些时候在休斯顿地区与一家“主要炼油厂”合作破土动工，据博亚吉安说。就目前而言，测试机器已经可以每小时从天然气中生产超过 50 升的汽油。“我们没有满负荷运转，”他补充说。“我们现在将在下一组运行中测试产量。”
但是，所有这些仍然需要一个相对较大且昂贵的机器，配备多个化学反应器。有没有一种更便宜的将天然气转化为汽油的方法？
通过生物学获得更好的汽油
微生物可能是利用滞留或逸散甲烷的另一种更便宜的方法。“微生物是化学物质，”ARPA–E 减少排放的甲烷营养生物运输能源计划（REMOTE）的计划主管拉蒙·冈萨雷斯（Ramon Gonzalez）说。“它们是酶的小袋子。”而它们自包含“袋子”中的那些酶可以在一个储罐中将甲烷转化为液体燃料，就像将大麦转化为啤酒或将葡萄汁转化为葡萄酒的发酵罐一样。此外，微生物需要相对温和的条件——无需腐蚀性物质，无需像 Primus 工厂那样的高压或高温。
这些优势意味着使用生物学可能会花费更少。将玉米中的糖发酵成乙醇燃料的工厂花费数百万美元，而最大的天然气转化厂花费数十亿美元。因此，像 LanzaTech 这样的公司使用像拜氏甲烷氧化菌这样的微生物来探索将天然气发酵成液体燃料，或者使用各种梭菌从工业废气中制造乙醇。LanzaTech 甚至正在上海郊区与宝钢合作建造一个中试工厂，仅用钢铁生产的尾气每年就可能生产多达 380,000 升的乙醇。
这种方法也有缺点：首先，生物反应速度慢。微生物需要数小时甚至数天才能完成的事情，在化学反应器中只需几分钟甚至几秒钟即可完成。而且，发酵罐的规模无法无限扩大：生物学原理决定了啤酒或葡萄酒桶无法扩大到体育场大小。“微生物不具规模性，”博雅吉安认为。
微生物也可能像最终使用的发动机一样造成污染，在吞噬甲烷时会释放二氧化碳，从而损失原始气体化学键中嵌入的一半能量。冈萨雷斯和他的同事们希望通过改造微生物用于转化的各种途径并消除低效率来解决这个问题。但冈萨雷斯承认，微生物生产的燃料要出现在加油站还需要数年时间。
但热化学公司也有机会开发一步法工艺，将天然气转化为有价值的产品。例如，Ceramatec公司正在利用ARPA-E的资助，仅在一个圆筒内将甲烷转化为苯。这种苯可以作为其他产品（如塑料）的原料。Ceramatec公司负责燃料处理的项目经理S. Elangovan也在尝试缩小一种近一个世纪以来广为人知的气转液化学转化工艺，尽管该公司目前在犹他州实验室的迭代版本每天只能生产四分之一桶液态燃料。
污染解决方案
包括Primus在内的许多此类技术的最初承诺不是将天然气转化为液态燃料，而是将废木材或能源作物（如柳枝稷）转化为清洁、可再生的液态燃料，以取代石油。事实上，方先生在公司早年就完善了将生物质转化为富含能量的气体的工艺，然后可以将其输入到Primus气转汽油机的改进版本中。“天然气不是真正的绿色能源，”方先生承认，“它在温室气体方面没有任何好处。”这是因为燃烧天然气制成的汽油最终仍然会变成大气中的二氧化碳，从而捕获热量并加剧气候变化。
当然，生物质制汽油仍然有可能实现，但前提是原料必须与天然气一样便宜或更便宜。“如果你有合成气，我们想和你谈谈，”博雅吉安说，无论是来自气化的城市垃圾还是水力压裂产生的廉价天然气。“我们认为天然气是实现生物燃料的绝佳机会。”
其他公司，如SunDrop Fuels，希望将这两种想法结合起来，使用天然气与生物质结合来制造最终燃料。还有一些公司对原料不设限制，甚至探索使用煤炭。毕竟，如果天然气被大规模转化为液态燃料，那么按照目前的消耗速度，预计可以使用一个世纪的供应量可能会在几十年甚至更短的时间内耗尽。“不要爱上一种原料，”LanzaTech首席执行官Jennifer Holmgren警告说，“它们会让你伤心的。”
目前，天然气制成的汽油可以用来稀释从石油中提取的含硫量较高或污染较严重的汽油，从而帮助满足美国环保署新的防污染法规。但一旦燃料被燃烧，从气候变化的角度来看，它与在井口燃烧天然气并无差别，尽管在此期间它为车辆提供了动力。
而且，像中国这样的国家已经有了从煤炭到合成气再到汽油的计划。“你不能使用煤炭，”方先生争辩说，他发誓要放弃将丰富但最肮脏的化石燃料转化为液态燃料的转化过程——以及更大比例的温室气体污染。方先生指出，从气候变化的角度来看，这种煤制汽油“无异于自杀”。