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能源危机不是什么新名词。但不断挫败的新能源试验让学界意识到，无论太阳能还是生物质能，并不是原理不管用，而是效率欠佳（或者副作用明显），无法真正替代原油。
最近，普林斯顿大学一个研究小组发现，使用煤、天然气和非粮食作物混合在一起制造的合成燃料可以帮助美国消除对原油的依赖。
该研究认为，合成燃料不但具有经济利益，同时对环境保护也有好处，如果美国可以通过使用非粮食作物生产液体燃料，由于植物生长过程中吸收二氧化碳，由此将会减少高达50%的由汽车导致的温室气体排放。
合成燃料就是化学能，是把数种能源通过化学变化合成的新燃料。合成燃料不需要汽油和柴油发电机做任何改动即可直接使用，这一点与许多生物燃料都有所不同。比如乙醇。乙醇需要与普通汽油混合或者需要特殊的发动机才能运转。
在普林斯顿提出合成燃料之前，生物乙醇已经投入商业运用，这种以农作物（甘蔗、玉米）为原料的生物燃料，间接推高了粮食价格—经合组织估计，到2017年，欧盟、美国和加拿大耕地的14%将用于种植生产生物燃料的植物，会挤占更多粮食作物的种植面积。
弗洛达斯（Christodoulos Floudas）是普林斯顿大学化学与生物工程学教授，他领导的研究小组在去年发表的一系列学术文章中，对美国的燃料状况做了评估，他们认为美国的汽车可以抛弃石油改用合成燃料。
其核心内容是利用煤和柳枝稷（switchgrass，一种在北美常见的本土草种）之类的高碳原料并借助高温和化学手段生产汽油和其他液体燃料的技术。
这种称为“费托法”（Fischer-Tropsch）的技术，上世纪20年代由德国开发，用来把煤转化为液体燃料。整个化学反应过程很复杂：原料被加热到1000-3000℃，气化得到碳和氢。通过费托法生产工艺，气体被转化为烃分子链。这些烃分子链在镍或铁的作用下进行催化反应，并最终生成包括燃料、蜡和润滑油在内的各种产品。上述产品通常都是以原油为原料生产出来的。
此前，美国普渡大学的研究人员已开发出一种设备，可精确地确定在反应器中煤和生物质是如何分解的，这被称为气化炉项目—将大量的农业废弃物和其他生物质或煤变成气体，然后转换成液体燃料。通过向反应器中加入氢，可增加成品产量且减少二氧化碳的排放，创造一个可持续发展的合成燃油。这是普渡大学的化学工程的教授阿格拉沃尔首创的技术。
在技术层面，普林斯顿研究小组则增加了循环使用CO2的步骤，从而减少工厂排放的废气量。研究者之一巴里班（Richard Baliban）说，多年来，工程师为了提高费托法的生产效率已经做了大量的改进工作。但基于合成燃料工厂建厂成本较高，合成燃料价高而限制了大规模推广应用。但随着石油价格的上涨，合成燃料正在变得越来越具有可操作性。
普林斯顿研究小组在发表于《美国化学工程师学会期刊》7月号的一篇文章中指出，建立130座合成燃料工厂可满足全美对汽车燃料的需求。论文首席作者约瑟芬·伊利亚（Josephine Elia）对煤、天然气和生物质这三种原料做了评估。
为了避免在农田上生产燃料作物而放弃粮食生产（这种做法会损害粮食供应），研究人员只把多年生牧草、农业废弃物和林业弃物囊括在研究范围之内。在其规划方案中，工厂布局要靠近原料供应地和燃料市场。该方案还将水资源供应和工厂设备运转所需要的电能等外部成本因素考虑在内。通过分析，研究小组推荐建设9座小型、74座中型和47座大型工厂，分别生产1%、28%和71%的合成燃料。大部分工厂都将聚集在美国的中部和东南部地区。
研究人员还发现，合成燃料成本构成中最大份额来自建厂成本，其次是非粮食作物的采购成本和电能。他们估算出合成燃料的全国平均生产成本相当于原油95.11美元一桶时的价格，当然该成本在地区间是存在差异的。合成燃料产业大户堪萨斯州的生产成本大致相当于原油83.58美元一桶时的价格。
弗洛达斯说，如果原料不使用生物质，只用煤和天然气，则成本会明显降低，不过这样做会对环境产生不利的影响。“如果你希望把碳排放量降低50%，那么你必须部分使用非粮食作物。”
合成燃料在许多方面都比石油燃料更清洁。在合成燃料工厂，石油燃料中的重金属和硫污染物可以在产品出厂前被提取出来。弗洛达斯说，合成燃料还会减少上路机动车的碳排放。如果使用合成燃料，虽然不能完全消除，但还是有机会减少这部分汽车的碳排放。
弗洛达斯的研究小组也发现，由于生产原料的经济差别，合成燃料在与汽油、柴油和航空燃料对比时具有竞争力，但这种竞争力也取决于原油价格。根据美国能源情报署（EIA）提供的数据，美国消费的原油中有2/3用于交通运输业。EIA说，美国每年原油消费量的45%依靠进口。
“我们的目标是生产充足的燃料并减少大约50%的CO2排放。问题不仅仅是合成燃料能否生产，也在于合成燃料的生产是否合算。无论从哪个方面讲，我们的回答都是肯定的。”
弗洛达斯说，上述问题解决起来既不容易也不会太快。一个现实的方法是逐渐推广应用合成燃料技术。根据他的推断，美国要花三四十年的时间才会完全接受合成燃料，而且它未必是一种便宜的燃料。但是，至少合成燃料不用和粮食抢夺耕地—像柳枝稷这样的富碳原料，野火烧不尽，春风吹又生。
最近，普林斯顿大学一个研究小组发现，使用煤、天然气和非粮食作物混合在一起制造的合成燃料可以帮助美国消除对原油的依赖。
该研究认为，合成燃料不但具有经济利益，同时对环境保护也有好处，如果美国可以通过使用非粮食作物生产液体燃料，由于植物生长过程中吸收二氧化碳，由此将会减少高达50%的由汽车导致的温室气体排放。
合成燃料无需更改汽车发动机
合成燃料就是化学能，是把数种能源通过化学变化合成的新燃料。合成燃料不需要汽油和柴油发电机做任何改动即可直接使用，这一点与许多生物燃料都有所不同。比如乙醇。乙醇需要与普通汽油混合或者需要特殊的发动机才能运转。
在普林斯顿提出合成燃料之前，生物乙醇已经投入商业运用，这种以农作物（甘蔗、玉米）为原料的生物燃料，间接推高了粮食价格—经合组织估计，到2017年，欧盟、美国和加拿大耕地的14%将用于种植生产生物燃料的植物，会挤占更多粮食作物的种植面积。
弗洛达斯（Christodoulos Floudas）是普林斯顿大学化学与生物工程学教授，他领导的研究小组在去年发表的一系列学术文章中，对美国的燃料状况做了评估，他们认为美国的汽车可以抛弃石油改用合成燃料。
其核心内容是利用煤和柳枝稷（switchgrass，一种在北美常见的本土草种）之类的高碳原料并借助高温和化学手段生产汽油和其他液体燃料的技术。
这种称为“费托法”（Fischer-Tropsch）的技术，上世纪20年代由德国开发，用来把煤转化为液体燃料。整个化学反应过程很复杂：原料被加热到1000-3000℃，气化得到碳和氢。通过费托法生产工艺，气体被转化为烃分子链。这些烃分子链在镍或铁的作用下进行催化反应，并最终生成包括燃料、蜡和润滑油在内的各种产品。上述产品通常都是以原油为原料生产出来的。
此前，美国普渡大学的研究人员已开发出一种设备，可精确地确定在反应器中煤和生物质是如何分解的，这被称为气化炉项目—将大量的农业废弃物和其他生物质或煤变成气体，然后转换成液体燃料。通过向反应器中加入氢，可增加成品产量且减少二氧化碳的排放，创造一个可持续发展的合成燃油。这是普渡大学的化学工程的教授阿格拉沃尔首创的技术。
在技术层面，普林斯顿研究小组则增加了循环使用CO2的步骤，从而减少工厂排放的废气量。研究者之一巴里班（Richard Baliban）说，多年来，工程师为了提高费托法的生产效率已经做了大量的改进工作。但基于合成燃料工厂建厂成本较高，合成燃料价高而限制了大规模推广应用。但随着石油价格的上涨，合成燃料正在变得越来越具有可操作性。
普林斯顿研究小组在发表于《美国化学工程师学会期刊》7月号的一篇文章中指出，建立130座合成燃料工厂可满足全美对汽车燃料的需求。论文首席作者约瑟芬·伊利亚（Josephine Elia）对煤、天然气和生物质这三种原料做了评估。
“我们的目标是生产充足的燃料并减少大约50%的二氧化碳排放，问题不仅仅是合成燃料能否生产，也在于合成燃料的生产是否合算。”
成本近似原油95美元/桶
为了避免在农田上生产燃料作物而放弃粮食生产（这种做法会损害粮食供应），研究人员只把多年生牧草、农业废弃物和林业弃物囊括在研究范围之内。在其规划方案中，工厂布局要靠近原料供应地和燃料市场。该方案还将水资源供应和工厂设备运转所需要的电能等外部成本因素考虑在内。通过分析，研究小组推荐建设9座小型、74座中型和47座大型工厂，分别生产1%、28%和71%的合成燃料。大部分工厂都将聚集在美国的中部和东南部地区。
研究人员还发现，合成燃料成本构成中最大份额来自建厂成本，其次是非粮食作物的采购成本和电能。他们估算出合成燃料的全国平均生产成本相当于原油95.11美元一桶时的价格，当然该成本在地区间是存在差异的。合成燃料产业大户堪萨斯州的生产成本大致相当于原油83.58美元一桶时的价格。
弗洛达斯说，如果原料不使用生物质，只用煤和天然气，则成本会明显降低，不过这样做会对环境产生不利的影响。“如果你希望把碳排放量降低50%，那么你必须部分使用非粮食作物。”
合成燃料在许多方面都比石油燃料更清洁。在合成燃料工厂，石油燃料中的重金属和硫污染物可以在产品出厂前被提取出来。弗洛达斯说，合成燃料还会减少上路机动车的碳排放。如果使用合成燃料，虽然不能完全消除，但还是有机会减少这部分汽车的碳排放。
弗洛达斯的研究小组也发现，由于生产原料的经济差别，合成燃料在与汽油、柴油和航空燃料对比时具有竞争力，但这种竞争力也取决于原油价格。根据美国能源情报署（EIA）提供的数据，美国消费的原油中有2/3用于交通运输业。EIA说，美国每年原油消费量的45%依靠进口。
“我们的目标是生产充足的燃料并减少大约50%的CO2排放。问题不仅仅是合成燃料能否生产，也在于合成燃料的生产是否合算。无论从哪个方面讲，我们的回答都是肯定的。”
弗洛达斯说，上述问题解决起来既不容易也不会太快。一个现实的方法是逐渐推广应用合成燃料技术。根据他的推断，美国要花三四十年的时间才会完全接受合成燃料，而且它未必是一种便宜的燃料。但是，至少合成燃料不用和粮食抢夺耕地—像柳枝稷这样的富碳原料，野火烧不尽，春风吹又生。