全球經(jīng)濟嚴重依賴于能源，能源供應我們的食物生產(chǎn)、建造我們的家園并驅(qū)動我們的交通工具。沒有能源，我們所熟悉的許多事物將會停止運轉(zhuǎn)。隨著中國和印度等國家經(jīng)歷快速經(jīng)濟增長，能源需求以及化石燃料的成本持續(xù)上升。為了滿足這一增長的需求，開發(fā)替代能源來源變得越來越重要。

研究與開發(fā)對于此過程至關重要，需要最高等級的設備來獲得準確可靠的結果。Teledyne ISCO 注塞泵是開發(fā)替代燃料的纟色佳工具，從實驗室規(guī)模到試驗工廠都能派上用場。

能源來源或用于燃料和化學品的原材料可以分為兩類：傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的。傳統(tǒng)能源來源是通過現(xiàn)有技術獲得的，例如石油（原油）、煤炭和天然氣，而非傳統(tǒng)來源則需要更新和/或更復雜的技術，通常需要更大的投資。非傳統(tǒng)能源過去在成本上不具備競爭力，但隨著能源價格的上漲，現(xiàn)在可能成為一種可行的替代品。

非傳統(tǒng)能源來源包括：

• 頁巖油（美國）

• 油砂/重油（委內(nèi)瑞拉-加拿大）

• 生物質(zhì)（任何植物或動物材料）

• 甲烷水合物

替代性或非傳統(tǒng)燃料可以從任何傳統(tǒng)來源中提取，例如煤炭，而不是石油。然而，這一術語通常更多地用于指代來自可再生能源的可再生燃料，如生物質(zhì)。

可再生燃料包括：

• 乙醇

• 生物柴油

• 非化石甲烷

• 氫氣

自 1858 年在加拿大安大略省的石油泉首冫欠鉆探油井以來，石油的使用已大大擴展。如今，90% 的車輛使用的燃料都源自石油，全球的需求預計還將上升，這將給石油生產(chǎn)帶來更大的壓力。油井的生產(chǎn)壽命在達到某個高點后會開始下降。在這一點上，可以采用如增強型石油回收（EOR）等技術來維持石油生產(chǎn)水平。評估可能的技術需要復制油藏條件（如溫度和壓力）進行測試。這種稱為巖心驅(qū)替的測試，能確定巖石對各種流體的滲透性，并需要使用高性能注射泵等精密設備。

我們每天使用的物品都來自常規(guī)和非常規(guī)石油。世界對原油的依賴遠遠超出汽油和其他燃料等更明顯的需求。來自石油的其他產(chǎn)品包括許多藥物和軟膏、塑料、化妝品和洗滌劑。橡膠制品、防腐劑、密封劑和鋪路材料也來自石油。世界的石油供應以及我們獲取石油的能力，對這些以及其他許多日常產(chǎn)品的成本和可用性產(chǎn)生了深遠的影響。

油頁巖含有干酪根，一種沉積巖中發(fā)現(xiàn)的復雜有機化合物混合物，從中可以提取液態(tài)烴。干酪根不是原油，但可以被加工成原油替代品，或稱為合成原油（syncrude），然后進一步加工成常用的石油產(chǎn)品。這一過程本身需要能源投入，這影響了其與原油的成本競爭力。

油頁巖礦床遍布全球，但世界上已知儲量的 64% 集中在美國。隨著世界能源價格上漲，油頁巖將受到更多關注。

油砂主要位于加拿大和委內(nèi)瑞拉，由類似糖漿的石油（瀝青）組成，其開采和加工難度遠大于傳統(tǒng)石油。因此，需要采用非常規(guī)技術進行提取，如露天開采和原位開采。最常見的原位過程涉及用蒸汽加熱瀝青，降低粘度，使其能以更傳統(tǒng)的方式被泵送出來。

提取后，必須將瀝青升級為較輕的合成原油，以便通過標準管道運輸并進一步精煉。

由于技術上更具挑戰(zhàn)性、能源密集度更高，因此成本也更高，使得油砂成為一種非常規(guī)石油來源。

將煤炭轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品使用的最常見過程是煤制液體（CTL）和氣化（合成氣）。CTL 創(chuàng)造了一種合成原油，可以通過傳統(tǒng)方式進一步加工。合成氣，也稱為水煤氣，可以直接替代天然氣，或通過費托合成過程進一步加工成其他燃料、化學品或塑料。

盡管煤炭目前是二氧化碳排放的主要來源，但目前正在進行研究，通過從發(fā)電廠或轉(zhuǎn)化過程中捕獲二氧化碳，并將其封存在地質(zhì)構造中來減少這些排放。由于在轉(zhuǎn)化過程中二氧化碳始終被包含，因此移除相對容易，從而成本效率高。全球范圍內(nèi)，采用減排/封存技術的公司可以通過稅收節(jié)省和/或減排積分來抵消其成本。然后，二氧化碳可以被封存或用作提高石油或天然氣采收率的技術，這具有雙重好處，即提高采收率和進一步減少二氧化碳排放。

煤制液體

煤制液體（CTL）可以是一種直接技術，使用溶劑在熱量和壓力下溶解粉狀煤炭，從而創(chuàng)造出一種合成原油，這種原油可以進一步加工成燃料和化學品。合成原油具有使用現(xiàn)有煉油廠和分配系統(tǒng)的潛力優(yōu)勢。

非常規(guī)天然氣

典型情況下，非常規(guī)天然氣包括那些不使用先進技術難以開采的沉積物。非常規(guī)天然氣包括：

• 深層氣（深度在15,000英尺或以下的沉積物）

• 致密氣（被限制在不透水的地質(zhì)構造中，如非多孔巖石）

• 含氣頁巖

• 煤層甲烷

• 甲烷水合物

煤層

煤層通常包含被困的天然氣，這些氣體曾經(jīng)通過焚燒處理，但現(xiàn)在有許多用途。

甲烷水合物

甲烷水合物由被困在冰凍水晶體中的甲烷（天然氣）組成。它們存在于海底沉積物中，以及加拿大和俄羅斯的永·久凍土區(qū)域。也被稱為“燃燒的冰”，如果能夠開發(fā)出恢復這種能源的方法，這個潛在的燃料來源可能為世界提供大量的能源。

氣化是一種將含碳原料（如煤或生物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為合成氣的過程，合成氣由一氧化碳和氫氣組成。合成氣，曾被稱為“水煤氣”，在 20 世紀 50 年代前的美國和 70 年代的英國常被用于烹飪和供暖。與天然氣相似，合成氣可以直接用作相對清潔的燃料，或通過費托催化轉(zhuǎn)化過程進一步加工成液體形式。

煤或生物質(zhì)的氣化是通過以下吸熱“水煤氣”反應實現(xiàn)的：

C + H₂O → H₂ + CO

合成氣的形成也可能是天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣的中間步驟：

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

除了 CO 和 H₂，合成氣還可能含有二氧化碳和氮氣，因此必須進一步凈化才能用于生產(chǎn)化學品和燃料。一氧化碳和 H₂ 可以加工成甲醇和其他化學品。液態(tài)氣化的一個缺點是，凈化和轉(zhuǎn)化過程能源密集，因此涉及額外的成本，以轉(zhuǎn)化為燃料。

費托合成過程

費托合成過程涉及一氧化碳的氫還原反應，通過催化化學反應將氣化得到的合成氣轉(zhuǎn)化為各種液態(tài)烴：

(2n+1)H₂ + nCO → CnH(2n+2) + nH₂O

（其中n是正整數(shù)）

這些液態(tài)烴隨后可以進一步加工成合成油或燃料。

生物質(zhì)氣化（BG）與費托合成（FT）過程的結合因其在生產(chǎn)可再生生物燃料方面的巨大潛力而備受關注。

乙醇，或稱谷物酒精，主要用作燃料或燃料添加劑。乙醇通過特定類型的酵母發(fā)酵生產(chǎn)，這些酵母將糖代謝為乙醇和二氧化碳，反應如下：

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

在巴西，大多數(shù)乙醇由甘蔗制成，而在美國，乙醇由玉米制成，玉米也是一種相對供應不足的食品。目前，正在研究從木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇，木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。這種類型的乙醇，稱為纖維素乙醇，可以由非食品來源生產(chǎn)，如柳枝稷和木屑。

甲醇可以是各種化學和燃料產(chǎn)品的原料。它也可以直接用作燃料或作為汽油添加劑，類似于乙醇。目前，大多數(shù)甲醇是由化石燃料（如煤和天然氣）衍生的合成氣生產(chǎn)的。它也可以很容易地擴展到非常規(guī)來源，如油砂、油頁巖、煤層甲烷、致密氣、甲烷水合物和生物質(zhì)。

通過以下反應，生物質(zhì)替代方案將使甲醇成為一種可再生資源：

生物質(zhì) → 合成氣（CO，H₂）→ CH₃OH

生物柴油是一種通過將植物油或動物脂肪化學轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯（酯交換）制成的生物燃料，可以單獨使用或與傳統(tǒng)柴油混合使用。

雖然生產(chǎn)生物柴油有幾種方法，但最常見的是涉及甲醇和氫氧化鈉的間歇過程：

生物柴油的廣泛使用導致了全球甘油過剩，甘油是植物油酯交換反應的一種副產(chǎn)品。

甘油有許多常見用途，包括化妝品、藥品、食品和飲料、溶劑、肥皂、潤滑劑和紡織品。然而，正在進行研究以確定其他用途，如氫氣和乙醇生產(chǎn)以及燃料添加劑。甘油的其他轉(zhuǎn)化方法包括：氧化、氫化、氫解、醚化和縮合。

熱解是在沒有氧氣的情況下加熱和分解有機材料的過程。快速熱解，涉及非常快速的加熱，是這個過程的更高效版本。碳氧鍵分解成更熱力學穩(wěn)定的二氧化碳，從而產(chǎn)生碳氫化合物。熱解相比氣化的一個優(yōu)勢是它需要較少的熱量，因此能量消耗更少。一個缺點是高水分含量，必須在進一步處理前去除。

加氫是指分子氫的催化反應，以去除氧鍵，從而產(chǎn)生碳氫化合物。

這兩個過程都產(chǎn)生了最終結果為更簡單的化合物，然后可以進一步精煉成可再生的生物燃料，以及精細化學品和脂肪。

1) U.S. Department of Energy. 2008.

2) Oil Sands Discovery Centre. “The Oil Sands Story.” Feb.2008

3) Hagenbaugh, Barbara. June 2006 “High Cost of Oil CouldPut Many Jobs at Risk.” USA Today. June 2008.