到现在应该很清楚，美国必须摆脱对石油的依赖。我们再也无法承受对石油的依赖给我们的国家安全、经济安全或环境安全带来的危险。然而，文明不会停止前进的步伐，因此我们必须发明一种新的方式来为世界交通运输提供动力。纤维素生物燃料——用植物不可食用的部分制成的液体燃料——为石油提供了在环境方面最具吸引力、在技术上最可行的近期替代方案。
生物燃料可以由任何现在是或曾经是植物的东西制成。第一代生物燃料来源于可食用的生物质，主要是玉米和大豆（在美国）和甘蔗（在巴西）。考虑到将这些原料转化为燃料的技术已经存在（美国目前有180家炼油厂将玉米加工成乙醇），它们是潜在生物燃料森林中的低垂果实。然而，第一代生物燃料并非长久之计。可用的农田根本不足以满足发达国家超过10%的液体燃料需求。额外的作物需求提高了动物饲料的价格，从而使一些食品更加昂贵——尽管远不及去年媒体歇斯底里的程度。一旦将种植、收获和加工玉米的总排放量纳入考量，就很明显，第一代生物燃料并不像我们希望的那样环保。
用纤维素材料制成的第二代生物燃料——俗称“草汽油”——可以避免这些缺陷。草汽油可以由几十种，甚至数百种来源制成：从木屑和建筑垃圾等木材残渣，到玉米秸秆和小麦秸秆等农业残渣，再到“能源作物”——专门种植的速生草类和木本材料，作为草汽油的原料。这些原料价格低廉（相当于每桶石油能源当量约10至40美元），储量丰富，且不干扰粮食生产。大多数能源作物可以在原本不会用作农田的边际土地上生长。有些，如短轮伐期柳树，在生长过程中可以净化被废水或重金属污染的土壤。
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可以可持续地收获大量的纤维素生物质来生产燃料。美国农业部和能源部的一项研究表明，美国每年至少可以生产13亿吨干纤维素生物质，而不会减少可用于我们的食品、动物饲料或出口的生物质数量。如此大量的生物质每年可以生产超过1000亿加仑的草汽油——约占美国目前汽油和柴油年消耗量的一半。类似的预测估计，全球纤维素生物质的供应量相当于每年340亿至1600亿桶石油的能源含量，这些数字超过了世界目前每年300亿桶石油的消耗量。纤维素生物质也可以转化为任何类型的燃料——乙醇、普通汽油、柴油，甚至航空燃料。
科学家们仍然更擅长发酵玉米粒，而不是分解坚韧的纤维素茎秆，但他们最近取得了爆炸性的进展。量子化学计算模型等强大的工具使化学工程师能够构建可以在原子水平上控制反应的结构。研究的目的是快速将转化技术扩大到炼油厂规模。尽管该领域仍处于起步阶段，但许多示范工厂已经上线，第一批商业炼油厂计划于2011年完工。草汽油时代可能即将到来。
能源锁
这要归咎于进化。自然界设计纤维素是为了赋予植物结构。这种材料由刚性的互锁分子支架构成，为垂直生长提供支撑，并顽固地抵抗生物分解。为了释放其中的能量，科学家们必须首先解开进化创造的分子结。
一般来说，这个过程首先包括将固体生物质解构成更小的分子，然后将这些产物提炼成燃料。工程师通常按温度对解构方法进行分类。低温方法（50至200摄氏度）产生糖类，这些糖类可以像现在加工玉米或糖料作物一样发酵成乙醇和其他燃料。在较高温度（300至600摄氏度）下解构会产生生物原油或生物油，可以将其提炼成汽油或柴油。极高温解构（高于700摄氏度）产生气体，可以将其转化为液体燃料。
到目前为止，没有人知道哪种方法能够以最低的成本将最大量的储存能量转化为液体生物燃料。也许不同的纤维素生物质材料需要不同的途径。例如，高温处理可能最适合木材，而低温可能更适合草类。
热燃料
高温合成气方法是技术最成熟的生物燃料生产方法。合成气——一氧化碳和氢气的混合物——可以由任何含碳材料制成。它通常通过费托合成（FTS）工艺转化为柴油、汽油或乙醇，该工艺由德国科学家在20世纪20年代开发。在第二次世界大战期间，第三帝国利用费托合成从德国的煤炭储备中生产液体燃料。大多数主要的石油公司仍然拥有合成气转化技术，如果汽油变得过于昂贵，他们可能会引进这种技术。
制造合成气的第一步称为气化。生物质被送入反应器并加热到700摄氏度以上。然后将其与蒸汽或氧气混合，生成含有CO、氢气和焦油的气体。必须清除焦油，并将气体压缩至20至70个大气压的压力。然后，压缩后的合成气流经专门设计的催化剂——一种固体材料，可以容纳单个反应物分子，并优先促进特定的化学反应。石油化学主要开发了合成气转化催化剂，用于将天然气和煤衍生合成气转化为燃料，但它们对生物质也同样有效。
尽管这项技术已广为人知，但反应器非常昂贵。卡塔尔在2006年建造的一座将天然气转化为每天34000桶液体燃料的费托合成工厂耗资16亿美元。如果一座生物质工厂要花费这么多钱，它将不得不每天、每天消耗大约5000吨生物质，持续15到30年，才能生产出足够偿还投资的燃料。由于将如此大量的生物质运送到单个地点存在重大的后勤和经济挑战，因此合成气技术的研究重点是降低资本成本的方法。
生物油
亿万年的地下压力和热量将寒武纪浮游动物和藻类变成了今天的油田。一个类似的技巧——在大大缩短的时间尺度上——可以将纤维素生物质转化为生物原油。在这种情况下，炼油厂在无氧环境中将生物质加热到300至600摄氏度。热量将生物质分解为类似木炭的固体和生物油，在此过程中释放出一些气体。这种方法产生的生物油是当今市场上最便宜的液体生物燃料，可能为每加仑汽油能量当量0.50美元（此外还要加上原始生物质的成本）。
该过程也可以在靠近生物质收获地点的相对较小的工厂中进行，从而限制了生物质运输的费用。不幸的是，这种原油具有高酸性，不溶于石油基燃料，并且仅含有汽油能量含量的一半。尽管您可以直接在柴油发动机中燃烧生物原油，但只有当您不再需要发动机时才应该尝试这样做。
然而，炼油厂可以将这种生物原油转化为可用的燃料，许多公司正在研究如何调整其现有硬件以适应这项任务。一些公司已经在生产另一种形式的绿色柴油燃料，这表明炼油厂也可以处理纤维素生物原油。目前，这些设施将植物油和动物脂肪与石油直接共同进料到其炼油厂中。康菲石油公司最近在德克萨斯州博格的一家炼油厂展示了这种方法，每天用从附近泰森食品屠宰场运来的牛脂肪生产超过12000加仑的生物柴油。
研究人员还在研究使用化学工程等效的“一锅煮”的两阶段工艺的方法——在一个反应器内将固体生物质转化为油，然后将油转化为燃料。我们中的一位（Huber）和他的同事正在开发一种称为催化快速热解的方法。“快速”这个名称来自初始加热——一旦生物质进入反应器，它会在一秒钟内被烹饪到500摄氏度，这会将大分子分解成小分子。就像鸡蛋在鸡蛋盒中一样，这些小分子现在的大小和形状非常适合装入催化剂的表面。
一旦被包裹在催化剂的孔隙内，分子就会经历一系列反应，将其转变为汽油——特别是汽油的高价值芳烃成分，这些成分可以提高辛烷值[参见第55页的方框]。（高辛烷值燃料允许发动机在更高的内部压力下运行，从而提高效率。）整个过程仅需2到10秒。初创公司Anellotech已经尝试将此工艺从实验室规模扩大到商业规模。它预计到2014年将建成一家商业设施。
糖溶液
迄今为止吸引了最多公共和私人投资的路线依赖于更传统的机制——释放植物中的糖，然后将这些糖发酵成乙醇或其他生物燃料。科学家们已经研究了数十种可能的方法来分解抗消化的纤维素和半纤维素——将纤维素结合在一起的细胞内纤维——分解成其组成糖。您可以加热生物质，用伽马射线照射，将其研磨成细浆，或对其进行高温蒸汽处理。您可以对其喷洒浓酸或浓碱，或将其浸泡在溶剂中。您甚至可以对微生物进行基因工程改造，使其能够吞噬和降解纤维素。
不幸的是，许多在实验室中有效的方法在商业实践中没有成功的机会。为了在商业上可行，预处理必须以高产率和高浓度产生易于发酵的糖，并且以适度的资本成本实施。它们不应使用有毒物质，也不应需要过多的能量输入才能工作。它们还必须能够以可以与汽油竞争的价格生产草汽油。
最有希望的方法包括将生物质置于极端pH值和温度下。我们正在我们的一个实验室（Dale's）开发一种使用氨——一种强碱——的策略。在这种氨纤维膨胀（AFEX）工艺中，纤维素生物质在100摄氏度下用浓氨在压力下烹饪。当压力释放时，氨气蒸发并被回收。随后，酶将90%或更多的处理过的纤维素和半纤维素转化为糖。产率如此之高，部分原因是该方法最大限度地减少了通常在酸性或高温环境中发生的糖降解。AFEX工艺是“干进干出”：生物质开始时是大部分干燥的固体，处理后仍然是干燥的，未用水稀释。因此，它可以提供大量高浓度、高纯度的乙醇。
AFEX还具有非常便宜的潜力：最近的一项经济分析表明，假设生物质可以以每吨约50美元的价格运送到工厂，AFEX预处理，结合称为整合生物加工的先进发酵工艺，可以生产纤维素乙醇，价格约为每加仑汽油能量当量1美元，在加油站的售价可能低于2美元。
变革的成本
当然，成本将是决定草汽油使用增长速度的主要因素。它的主要竞争对手是石油，而石油工业已经从一个多世纪的专门研究项目中获得了技术优势。此外，目前使用的大多数炼油厂都已经偿还了其初始资本成本；草汽油炼油厂将需要数亿美元的投资，这笔成本将必须通过多年来融入其生产的燃料价格中。
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）具有几个主要优势。首先，原材料比原油便宜得多，一旦该行业开始运转，这将有助于降低成本。草汽油将在国内生产，具有国家安全效益。而且，它比任何化石燃料替代品都更环保。
此外，新的分析工具和计算机建模技术将使研究人员能够以石油工程师在十年前无法企及的速度构建更好、更高效的生物炼油厂运营。我们正在不断深入了解我们的原材料的特性以及我们可以用来以越来越快的速度将其转化为燃料的过程。美国政府对替代能源形式研究的支持应有助于进一步加快这一进程。美国总统巴拉克·奥巴马今年早些时候签署成为法律的经济刺激法案包含了8亿美元的能源部生物质计划资金，该计划将加速先进生物燃料的研发，并为商业规模的生物炼油厂项目提供资金。此外，该法案还包含60亿美元的贷款担保，用于“领先的生物燃料项目”，这些项目将于2011年10月开始建设。
的确，如果美国保持其目前对生物燃料的承诺，该行业目前面临的后勤和转化挑战应该很容易克服。在未来5到15年内，生物质转化技术将从实验室走向市场，由纤维素生物燃料驱动的汽车数量将急剧增加。向草汽油的转变可以从根本上改变世界。这是一个早就应该采取的行动。
脂肪问题
目前有一种新的推动力，即利用陆地上的脂肪制造燃料。今年4月，High Plains Bioenergy在俄克拉荷马州盖蒙的一家猪肉加工厂旁边开设了一家生物炼油厂。该炼油厂利用猪油——工业屠宰过程中丰富且低价值的副产品——以及植物油，将其转化为生物柴油。该工厂预计每年将3000万磅猪油转化为3000万加仑生物柴油。2010年，Dynamic Fuels将在路易斯安那州盖斯马开设一家工厂，该公司是泰森食品公司和能源公司Syntroleum的合资企业。该工厂将利用泰森的牛肉、鸡肉和猪肉业务产生的脂肪，每年生产7500万加仑生物柴油和航空燃料。
然而，生物柴油行业最近受到了打击，许多工厂因需求不足而闲置。低油价使得石油基柴油燃料比生物柴油便宜，而生物柴油在美国通常由大豆和植物油制成。每加仑1美元的生物柴油联邦税收抵免有助于缓解冲击，但该抵免将于年底到期。一些制造商担心，如果抵免消失，他们的业务也会消失。泰森此前曾与康菲石油公司合作，在德克萨斯州博格的一家现有康菲石油公司炼油厂生产生物柴油。但对税收减免状况的不确定性使该项目搁置。
注：本文最初印刷时的标题为“加油站的草汽油”。