Fossiiliset polttoaineet ovat luonnonvaroja, jotka syntyvät kuolleiden organismien pitkäaikaisesta hajoamisesta ja poltetaan energian tuottamiseksi. Tämän tyyppiselle polttoaineelle on tyypillisesti ominaista korkea hiili- ja hiilivetypitoisuus. Kivihiili, öljy ja maakaasu edustavat suurinta osaa maailmanlaajuisesti käytetyistä fossiilisista polttoaineista. Fossiilisten polttoaineiden polttaminen vapauttaa ilmaan hiilidioksidin biotuotteen, joka tunnetaan kasvihuonekaasuna ja jonka epäillään aiheuttavan maapallon pintalämpötilojen nousua. Fossiiliset polttoaineet ovat vähenevä hyödyke, jolla on suuri kysyntä; Esimerkiksi yli 85% Yhdysvaltojen käyttämästä energiasta tulee fossiilisten polttoaineiden polttamisesta. Vaihtoehtoiset fossiiliset polttoaineet ovat myös hiilipohjaisia polttoaineita, mutta ne saadaan eri resursseista, kuten öljyhiekasta ja hiilen muuttamisesta nesteeksi. Vaihtoehtoisilla polttoaineilla on sama kyky tuottaa energiaa polttamalla, mutta ne voivat olla helpommin saatavilla.
Yleisimpiä vaihtoehtoisia fossiilisia polttoaineita voivat olla öljyhiekka, joka tunnetaan myös nimellä raskas öljy, ja hiili-nesteet. Raskas öljy tai öljyhiekka on hiekan, saven ja öljyn seos. Se kuumenee ja nostaa sisälämpötilan riittävän korkeaksi erottaakseen seoksen eri komponentit. Jalostamo ottaa sitten öljyn, joka tunnetaan alalla yleisesti kevyenä raakaöljynä. Hiili nesteiksi on nesteytysprosessi, joka muuttaa hiilen tuotteeksi, joka on samanlainen kuin kevyt raakaöljy. Etelä-Afrikassa on yksi maailman suurimmista hiilestä nesteeseen jalostusteollisuudesta, ja se voi polttaa jopa 30% bensiinitarpeestaan käyttämällä tätä vaihtoehtoista fossiilista polttoainetta. Hiili-nesteistä on lisäetu, koska ne eivät tuota yhtä paljon hiilidioksidia kuin perinteinen öljy.
Yksi vaihtoehtoisten fossiilisten polttoaineiden eduista voi olla polttoainekustannusten alentaminen. Fossiilisten polttoaineiden haittana on, että resurssit ovat rajalliset ja niiden uudistuminen vaatii tuhansia vuosia. Globaalit energiakustannukset kasvavat edelleen, kun taas nykyinen fossiilisten polttoaineiden tarjonta laskee tasaisesti. Vaihtoehtoiset fossiiliset polttoaineet voivat tarjota uusia lähteitä vastaaville energialähteille, ja niitä on saatavilla monissa maissa, joissa ei ehkä ole sisäistä kevyen raakaöljyn tai hiilen lähdettä. Lisäksi maat, joissa on paljon hiiltä, voivat muuttaa luonnonvaransa hiilestä nesteeksi vaihtoehtoiseksi fossiiliseksi polttoaineeksi, mikä voi alentaa tuonti- ja käyttökustannuksia. Samoin maat, joilla ei ole kevyen raakaöljyn saatavuutta, mutta joilla on suuret raskaan öljyn kentät, voivat investoida jalostustekniikkaan ja muuttaa raskaan öljyn käyttökelpoiseksi kevyeksi raakaöljyksi.
Näiden polttoaineiden ympäristövaikutus ja vaadittavat korkeat investointikustannukset voivat muodostaa suurimmat haitat perinteisestä fossiiliseen polttoaineeseen siirtymisestä. Raskas öljy ja hiili nesteestä vapauttavat tuotannon aikana ilmaan 20–50% enemmän hiilidioksidia kuin perinteinen öljy ja hiili todellisessa käytössä. Raskaan öljyn uuttaminen ja jalostaminen voi myös aiheuttaa saastumisvaaran paikallisille vesihuoltoille, ja se voi myös aiheuttaa suuria häiriöitä nykyisiin elinympäristöihin. Se vaatii tyypillisesti myös suuria taloudellisia investointeja raskaan öljyn talteenotto- ja jalostuslaitteiden luomiseksi luonnollisilta kentiltä, jotta ne voidaan käyttää öljy- ja bensiinikäyttöisissä koneissa. Toisin kuin kevyt raakaöljy, raskas öljy ei nouse maasta valmistajien heti käyttökelpoisessa muodossa.