生物燃料是一种由生物物质通过现代过程生产的燃料，而不是由石油等化石燃料形成过程中非常缓慢的地质过程生产的燃料。由于从技术上讲，生物质可以直接用作燃料(如原木)，有些人互换使用生物质和生物燃料这两个术语。但往往不是这样，生物质一词通常只是指燃料所用的生物原料，或某种形式的热/化学变化的固体最终产品，如未经腐蚀的颗粒或煤球。生物燃料一词通常是指用于运输的液体或气体燃料。美国能源信息管理局遵循这一命名惯例。[1] 如果用于生产生物燃料的生物质能快速再生，燃料通常被认为是一种可再生能源。
生物燃料可以由植物(即能源作物)或农业、商业、家庭和/或工业废物(如果废物具有生物来源)生产。[2] 可再生生物燃料通常涉及当代固碳，例如那些通过光合作用过程出现在植物或微藻中的固碳。
一些人认为生物燃料可以是碳中性的，因为所有的生物质作物都会在一定程度上隔离碳——基本上所有的作物都会将二氧化碳从地上循环转移到地下，储存在根部和周围的土壤中。例如，麦克蒙特等人发现，芒属奇岗能源作物下土壤的地下碳累积量为每年每公顷0.42至3.8吨，平均累积率为1.84吨(每年每英亩0.74吨)，[芒属能源作物下土壤的地下碳累积率为每年总收获碳的20%。[3]
地上产量(对角线)、土壤有机碳(X轴)和土壤成功/失败固碳潜力(Y轴)之间的关系。基本上，产量越高，就越多的土地可用作GHG减排工具(包括碳含量相对较高的土地)。
然而，生物燃料几乎从定义上来说是碳中性的简单提议已经被更微妙的提议所取代，即对于一个特定的生物燃料项目来说是碳中性的，由能源作物根系固存的总碳必须补偿所有地面排放(与这个特定的生物燃料项目相关)。这包括直接或间接土地利用变化造成的任何排放。鉴于这些需求，许多第一代生物燃料项目不是碳中性的。一些国家的GHG总排放量甚至高于一些化石燃料替代品。[4][5][6]
有些是碳中性的，甚至是负的，尤其是多年生作物。封存的碳量和排放的GHG(温室气体)量将决定生物燃料项目的GHG生命周期总成本是正的、中性的还是负的。如果地下总碳积累超过地面总生命周期GHG排放量的补偿，碳负生命周期是可能的。换句话说，要实现碳中和，产量应该高，排放量应该低。
因此，高产能源作物是碳中和的主要参与者。右图显示了两个负CO2芒草奇岗生产途径，以每兆焦耳的克CO2当量表示。黄色菱形代表平均值。[7]此外，成功的固存取决于种植地点，因为固存的最佳土壤是目前碳含量低的土壤。图表中显示的各种结果突出了这一事实。[8] 对英国来说，由于已经富含碳的土壤(现有林地)加上较低的产量，预计英格兰和威尔士大部分地区的可耕地封存成功，苏格兰部分地区封存不成功，由于已经富含碳的土壤和较低的产量。富含碳的土壤包括泥炭地和成熟森林。草原也可以富含碳，然而米尔纳等人认为，英国最成功的碳封存发生在改良的草原之下。[9]下图显示了补偿相关生命周期GHG排放所需的估计产量。产量越高，二氧化碳越有可能变成负值。
两种最常见的生物燃料是生物乙醇和生物柴油。
生物乙醇是一种通过发酵制成的酒精，主要由糖或淀粉作物如玉米、甘蔗或甜高粱中产生的碳水化合物制成。源自树木和草类等非食物来源的纤维素生物质也正在被开发为乙醇生产的原料。乙醇可以以纯的形式(E100)用作车辆燃料，但它通常被用作汽油添加剂来增加辛烷值和改善车辆排放。生物乙醇在美国和巴西被广泛使用。
生物柴油由油脂通过酯交换反应生产，是欧洲最常见的生物燃料。它可以以纯形式(B100)用作车辆燃料，但通常用作柴油添加剂，以降低柴油动力车辆中的微粒、一氧化碳和碳氢化合物含量。
2018年，全球生物燃料产量达到1520亿升(400亿加仑美国)，比2017年增长7%，[10]生物燃料为道路运输提供了全球3%的燃料。国际能源机构希望到2050年，生物燃料能够满足超过四分之一的世界运输燃料需求，以减少对石油的依赖。[10] 然而，生物燃料的生产和消费没有走上符合国际能源机构可持续发展设想的轨道。从2020年到2030年，全球生物燃料产量必须每年增长10%，才能达到国际能源署的目标。预计年增长率仅为3%。[10]
与生物燃料生产和使用有关的各种社会、经济、环境和技术问题已经在大众媒体和科学期刊上进行了辩论。
“第一代”或传统生物燃料是由种植在可耕地上的粮食作物制成的生物燃料。随着这一代生物燃料的产生，粮食作物显然是为了生产燃料而种植的，而不是其他任何东西。从农作物中获得的糖、淀粉或植物油通过酯交换或酵母发酵转化为生物柴油或乙醇。[11]
第二代生物燃料是由各种生物质制造的燃料。生物质是一个广泛的术语，意味着任何有机碳的来源，它作为碳循环的一部分被迅速更新。生物质来源于植物材料，但也可以包括动物材料。
第一代生物燃料由可耕种作物中的糖和植物油制成，而第二代生物燃料由木质纤维素生物质或木质作物、农业残留物或废弃植物材料(来自已经达到其食物目的的粮食作物)制成。[12][13][14][15][16] 因此，用于生产第二代生物燃料的原料要么生长在可耕地上，但只是实际收获(主要作物)的副产品，要么生长在无法有效种植粮食作物的土地上[17] 在某些情况下，没有额外的水或肥料施用于它们。非人类食物第二代原料来源包括草、麻风树和其他种子作物、废弃植物油、城市固体废物等。[18]
这既有优点也有缺点。其优势在于，与常规粮食作物不同，没有可耕地被占用完全用于生产燃料。缺点是与普通粮食作物不同，提取燃料可能相当困难。例如，可能需要一系列物理和化学处理来将木质纤维素生物质转化为适于运输的液体燃料。[19][20]
从1978年到1996年，美国NREL在水生物种计划中试验使用藻类作为生物燃料来源。[21] UNH生物燃料集团的迈克尔·布里格斯(Michael Briggs)自己发表的一篇文章估计，通过使用天然含油量超过50%的藻类，所有车用燃料都可以被生物燃料替代，布里格斯建议，这种藻类可以生长在污水处理厂的藻类池上。[22] 这种富含油的藻类然后可以从系统中提取出来，加工成生物燃料，剩下的干的再加工成乙醇。为获取生物燃料用油而生产藻类的工作尚未进行商业规模，但已经进行了可行性研究，以得出上述产量估计。除了预计的高产之外，与基于作物的生物燃料不同，藻类养殖并不意味着粮食产量下降，因为它既不需要农田，也不需要淡水。许多公司都在为各种目的开发藻类生物反应器，包括将生物燃料生产扩大到商业水平。[23][24] 亨茨维尔阿拉巴马大学的罗德里戈·特谢拉教授演示了利用离子液体中简单经济的反应从湿藻类中提取生物燃料脂质。[25]
与第三代生物燃料相似，第四代生物燃料是利用非耕地制成的。然而，与第三代生物燃料不同，它们不需要破坏生物质。这类生物燃料包括电燃料和光生物太阳能燃料。[26] 其中一些燃料是碳中性的。
可以使用第一、第二、第三或第四代生物燃料生产程序生产下列燃料。其中大部分甚至可以使用两三种不同的生物燃料生产程序来生产。[27]
沼气是由厌氧菌厌氧消化有机物质过程产生的甲烷。[28] 它既可以由可生物降解的废料生产，也可以通过使用送入厌氧消化器的能源作物来补充气体产量。固体副产品消化物可以用作生物燃料或肥料。
沼气可以从机械生物处理废物处理系统中回收。填埋气体是一种不太清洁的沼气，通过自然发生的厌氧消化在填埋场产生。如果它逃逸到大气中，它是一种潜在的温室气体。
农民可以利用厌氧消化器从他们的牲畜粪便中生产沼气。[29]
合成气是一氧化碳、氢气和其他碳氢化合物的混合物，由生物质部分燃烧产生，即，用不足以将生物质完全转化为二氧化碳和水的氧气量燃烧。[30] 在部分燃烧之前，生物质被干燥，有时被热解。生成的气体混合物合成气比原始生物燃料的直接燃烧更有效；燃料中包含的更多能量被提取出来。
合成气可以直接在内燃机、涡轮机或高温燃料电池中燃烧。[31] 木质气体发生器是一种木质气化反应器，可以连接到内燃机上。
合成气可用于生产甲醇、二甲醚和氢气，或通过费托反应转化以生产柴油替代品，或可混合成汽油的醇混合物。气化通常依赖于高于700℃的温度。
在同时产生物炭时，低温气化是可取的，但会导致合成气被焦油污染。
生物产生的醇是由微生物和酶通过糖或淀粉(最容易)或纤维素(更难)的发酵作用产生的，最常见的是乙醇，不太常见的是丙醇和丁醇，。生物丁醇(也称为生物汽油)通常被认为是汽油的直接替代品，因为它可以直接用于汽油发动机。
乙醇燃料是世界上最常见的生物燃料，尤其是在巴西。酒精燃料是由来自小麦、玉米、甜菜、甘蔗、糖蜜和任何可制成酒精饮料的（如威士忌）糖或淀粉（如马铃薯和水果废料等）发酵而成，。使用的乙醇生产方法是酶消化(从储存的淀粉中释放糖)、糖发酵、蒸馏和干燥。蒸馏过程需要大量的热能输入(有时是不可持续的天然气化石燃料，但纤维素生物质如甘蔗渣是巴西最常见的燃料，甘蔗渣是甘蔗压榨榨出汁液后留下的废物，而球团、木屑和废热在欧洲更常见)废蒸汽燃料乙醇厂[32]–工厂产生的废热也用于区域供热网。
乙醇可以用在汽油发动机中代替汽油；它可以和汽油混合到任何百分比。大多数现有的汽车汽油发动机可以使用高达15%的生物乙醇与石油/汽油的混合物运行。乙醇的能量密度比汽油小；这意味着生产同样数量的功需要更多的燃料(体积和质量)。乙醇的优点(CH3CH2OH)是它具有比路边加油站可用的无乙醇汽油更高的辛烷值，这允许发动机的压缩比增加以提高热效率。在高海拔(稀薄空气)地区，一些州要求汽油和乙醇混合作为冬季氧化剂，以减少大气污染排放。
乙醇也被用来为生物乙醇壁炉提供燃料。由于生物乙醇不需要烟囱，而且是“无烟的”，[33] 乙醇灶火对于新建的没有烟道的住宅和公寓非常有用。这些壁炉的缺点是它们的热量输出略低于电热或燃气，而且必须采取预防措施避免一氧化碳中毒。
玉米制乙醇和其他食物储备导致了纤维素乙醇的发展。根据美国能源部实施的联合研究议程，纤维素乙醇、玉米乙醇和汽油的化石能源比率(FER)分别为10.3、1.36和0.81。[34][35][36]
乙醇每单位体积的能量含量比汽油低大约三分之一。这在一定程度上被乙醇使用效率的提高所抵消(在超过210万公里的长期测试中，BEST项目发现FFV汽车的能效比汽油车高1-26%，但是体积消耗增加了大约30%，因此需要更多的停止加油)。
在目前的补贴下，乙醇燃料在美国的每次行驶稍微便宜一点。
甲醇目前是由天然气生产的，天然气是一种不可再生的化石燃料。在未来，它有望以生物乙醇的形式从生物质中生产出来。这在技术上是可行的，但是由于担心经济可行性仍然悬而未决，生产目前被推迟。[37] 与今天天然气制氢相比，甲醇经济是氢经济的替代方案。
丁醇(C4H9OH)是通过ABE发酵(丙酮、丁醇、乙醇)形成的，并且该反应的实验改进显示丁醇作为唯一的液体产物具有潜在的高净能量增益。丁醇将产生更多的能量，据称可以在现有的汽油发动机中“直燃”(无需改装发动机或汽车)，[38] 并且比乙醇腐蚀性更小，水溶性更低，可以通过现有的基础设施进行分配。杜邦公司和英国石油公司正在合作开发丁醇。大肠杆菌菌株也已经成功地通过改变其氨基酸代谢来生产丁醇。[39] 在大肠杆菌中生产丁醇的一个缺点仍然是营养丰富的培养基的高成本，然而，最近的研究表明，大肠杆菌可以用最少的营养补充来生产丁醇。[40]
生物柴油是欧洲最常见的生物燃料。它是用酯交换法从油或脂肪中生产出来的，是一种成分类似化石/矿物柴油的液体。化学上，它主要由脂肪酸甲酯(或乙酯)组成。生物柴油的原料包括动物脂肪、植物油、大豆、油菜籽、麻风树、马华、芥末、亚麻、向日葵、棕榈油、大麻、油棕、羽扇豆和藻类。与柴油第二代B100相比，纯生物柴油(B100，也称为“纯”生物柴油)目前可减少高达60%的排放。[41]
生物柴油与矿物柴油混合后可用于任何柴油发动机。它也可以以纯形式(B100)用于柴油发动机，但是在冬季使用期间可能会出现一些维护和性能问题，因为燃料在较低温度下会变得有些粘稠，这取决于所使用的原料。[42]
在一些国家，制造商为使用B100的柴油发动机提供保修，尽管德国大众汽车公司要求司机在切换到B100之前通过电话与大众环境服务部核实。在大多数情况下，从1994年起，生物柴油与柴油发动机兼容，后者在机械燃油喷射系统中使用“维通”(杜邦公司)合成橡胶。但是，请注意，在2014年之前，没有车辆获得使用纯生物柴油的认证，因为在此日期之前，没有生物柴油排放控制协议。
从20世纪90年代末开始，电控“共轨”和“单体喷油器”型系统只能使用与常规柴油混合的生物柴油。这些发动机具有精细计量和雾化的多级喷射系统，这些系统对燃油粘度非常敏感。许多当代柴油发动机的制造使得它们可以在不改变发动机本身下使用B100上运行，尽管这取决于燃料轨的设计。由于生物柴油是一种有效的溶剂，可以清除矿物柴油沉积的残留物，因此可能需要更频繁地更换发动机过滤器，因为生物燃料会溶解燃油箱和管道中的旧沉积物。它还能有效清洁发动机燃烧室的积碳，有助于保持效率。在许多欧洲国家，5%的生物柴油混合物被广泛使用，并可在数千个加油站买到。[43][44] 生物柴油也是一种含氧燃料，这意味着它比化石柴油含碳量更少，氢氧含量更高。这改善了生物柴油的燃烧，减少了未燃烧碳的微粒排放。然而，使用纯生物柴油可能会增加氮氧化物排放。[45]
生物柴油处理和运输也是安全的，因为它无毒且可生物降解，并且与闪点为125℉(52℃)的石油柴油燃料相比，具有约300℉(148℃)的高闪点。[46]
在美国，超过80%的商用卡车和城市公交车使用柴油。据估计，从2004年到2005年，新兴的美国生物柴油市场增长了200%。到2006年底，生物柴油产量估计比2004年增加了四倍，达到“10亿美国加仑(380万立方米)”。[47]
在法国，所有法国柴油车辆使用的燃料中，生物柴油的比例为8%。[48] 艾薇儿集团以双酯品牌生产的生物柴油占欧盟每年消费的1100万吨生物柴油的五分之一。[49] 它是欧洲领先的生物柴油生产商。[48]
绿色柴油是通过加氢裂化生物油原料生产的，如植物油和动物脂肪。[50][51] 加氢裂化是一种炼油方法，在催化剂存在下使用升高的温度和压力将较大分子(如植物油中的分子)分解成柴油发动机中使用的较短烃链。[52] 它也可以称为可再生柴油，加氢处理植物油[57]或氢衍生可再生柴油。[52][51] 与生物柴油不同，绿色柴油具有与石油基柴油完全相同的化学性质。[52][53] 它不需要新的发动机、管道或基础设施来分配和使用，但其生产成本并没有与石油竞争。[51] 汽油版本也在开发中。[54] 康菲石油公司、内斯特石油公司、瓦莱罗公司、动力燃料公司和霍尼韦尔[公司以及瑞典哥德堡的普瑞姆公司正在路易斯安那州和新加坡开发绿色柴油，创造了所谓的“进化柴油”。[55]
纯的未改性的食用植物油通常不被用作燃料，但是低质量的油已经被用于这一目的。用过的植物油越来越多地被加工成生物柴油，或者(更少)被清除水和微粒，然后用作燃料。
与100%生物柴油(B100)一样，为了确保喷油器以正确的模式雾化植物油以实现高效燃烧，必须加热植物油燃料以电加热线圈还是热交换器形式将其粘度降低至柴油粘度，这在温暖或温带气候下更容易。曼·B&W柴油公司、瓦特西拉公司和多伊兹公司以及埃尔贝特公司等一些较小的公司都提供与纯的植物油兼容的发动机，而无需进行售后改装。
植物油也可用于许多不使用共轨或单元喷射电子柴油喷射系统的旧柴油发动机。由于间接喷射发动机燃烧室的设计，这些发动机是使用植物油的最佳发动机。这个系统允许相对较大的油分子有更多的时间燃烧。一些较旧的发动机，尤其是梅赛德斯，是由发烧友在没有任何改装的情况下试验性地驱动的，少数驾驶员在早期的“泵杜丝”大众TDI发动机和其他类似的直喷式发动机上取得了有限的成功。埃尔斯贝特(Elsbett)或沃尔夫(Wolf)等几家公司开发了专业改装套件，并在过去几十年成功安装了数百套。
油和脂肪可以氢化得到柴油替代品。所得产物是一种直链烃，十六烷值高，芳烃和硫含量低，不含氧。氢化油可以与柴油以各种比例混合。与生物柴油相比，它们有几个优势，包括低温性能好、无储存稳定性问题和不易受微生物侵袭。[30]
生物醚(也称为燃料醚或氧化燃料)是具有成本效益的化合物，可以作为辛烷值增强剂。“生物醚是由反应性异烯烃反应生成的，如异丁烯与生物乙醇。”[57] 生物醚是由小麦或甜菜制成的。[58] 它们还能提高发动机性能，同时显著降低发动机磨损和有毒废气排放。尽管生物醚在英国有可能取代石油醚，但由于能量密度低，生物醚本身不太可能成为燃料。[59] 通过大幅减少地面臭氧排放量，它们有助于提高空气质量。[60][61]
在运输燃料方面，有六种醚添加剂:二甲醚(二甲醚)、乙醚(二甲醚)、甲基叔丁基醚(甲基叔丁基醚)、乙基叔丁基醚(ETBE)、叔戊基甲醚(TAME)和叔戊基乙醚(TAEE)。[62]
欧洲燃料氧化物协会(EFOA)确定甲基叔丁基醚和乙基叔丁基醚(ETBE)是燃料中最常用的替代铅的醚。醚在20世纪70年代被引入欧洲以取代剧毒化合物。[63] 尽管欧洲人仍然使用生物醚添加剂，但美国不再需要含氧化合物，因此生物醚不再被用作主要燃料添加剂。[64]
所谓的“插入式”生物燃料可以定义为“功能上等同于石油燃料并与现有石油基础设施完全兼容的液态生物碳氢化合物”。[65] 插入式生物燃料不需要对车辆进行（发动机）改造。[66]
插入式生物燃料的一些例子包括生物丁醇、生物柴油、合成石蜡煤油、 [67][68] ]和其他合成燃料。
根据一份2014年7月国际能源署生物能源任务39发表的题为"插入式生物燃料的潜力和挑战"的报告，有几种方法可以生产功能相当于石油衍生运输燃料混合物的插入式生物燃料。这些将在报告全文的三个主要部分中讨论，包括:
还简要描述了第四类，包括“混合”热化学/生化技术，例如合成气发酵和糖/碳水化合物的催化重整。
报告最后指出：
在过去几年里，开发和商业化水和陆上原料生物燃料的巨大创业活动已经发生。然而，尽管做出了这些努力，插入式生物燃料仅占全球生物燃料市场的一小部分(约2%)。...由于与传统生物燃料相比，制造插入式生物燃料所需的加工和资源需求(例如氢气和催化剂)增加，预计在近期至中期不会大规模生产具有成本竞争力的插入式生物燃料。相反，在这些燃料成为全球生物燃料生产的重要贡献者之前，需要专门的政策来促进这些燃料的开发和商业化。目前，没有任何政策(如减税、补贴等)。)将新的、更易替代的和基础设施就绪的插入式生物燃料与基础设施不太兼容的氧化生物燃料区分开来。...因此，虽然在开发和改进各种投放燃料的途径方面取得了巨大的技术进步，但可能需要专门针对进一步开发投放生物燃料的支持性政策，以确保其未来的商业成功。[70]
经合组织国际能源机构(能源机构)于1978年成立了国际组织，如IEA生物能源，其目的是改善国家生物能源研究、开发和部署方案之间的合作和信息交流。联合国国际生物燃料论坛由巴西、中国、印度、巴基斯坦、南非、美国和欧盟委员会组成。[71]生物燃料开发和使用的世界领导者是巴西、美国、法国、瑞典和德国。俄罗斯也拥有世界森林的22%，[72]是一个大型生物质(固体生物燃料)供应商。2010年，俄罗斯纸浆和造纸制造商维堡斯卡娅纤维素公司(Vyborgskaya Cellulose)表示，他们将在年底前从位于维堡的工厂生产可用于供热和发电的球团。[73] 该工厂最终将每年生产约90万吨球团，一旦投入运营，将成为世界上最大的球团生厂商。
生物燃料目前占英国道路运输燃料总量的3.1%，即14.4亿升。到2020年，英国公路和铁路运输中10%的能源必须来自可再生能源——这相当于每年替换430万吨化石石油。传统生物燃料可能产生公路和铁路运输所需的3.7%至6.6%的能源，而先进生物燃料到2020年可能达到英国可再生运输燃料目标的4.3%。[74]
生物燃料与化石燃料相似，因为生物燃料会造成空气污染。燃烧产生二氧化碳、空气中的碳微粒、一氧化碳和一氧化二氮。[75] 世卫组织估计，2012年全球有370万人因空气污染而过早死亡。[76] 巴西燃烧大量乙醇生物燃料。对巴西圣保罗的环境空气进行了气相色谱研究，并与不燃烧乙醇燃料的日本大阪进行了比较。巴西的大气甲醛含量高出160%，乙醛含量高出260%。[72]
环境保护署在2007年4月承认，生物乙醇使用的增加将导致空气质量的恶化。由于越来越多地使用生物乙醇，氮氧化物等空气污染物的总排放量将会增加。燃烧化石燃料生产生物燃料产生的二氧化碳和土壤中的一氧化二氮都在增加，而土壤中的一氧化二氮很可能已经用氮肥处理过了。众所周知，与全球变暖相关，一氧化二氮对大气的影响更大，因为它也是臭氧的破坏者。[77]
生物燃料的生产和使用涉及各种社会、经济、环境和技术问题，这些问题已在大众媒体和科学期刊上讨论过。这些因素包括:石油价格放缓的影响、“粮食对燃料”的辩论、粮食价格、减贫潜力、能源比率、能源需求、碳排放水平、可持续生物燃料生产、森林砍伐和土壤侵蚀、生物多样性丧失、[78] 对水资源的影响、运行生物燃料发动机所需的可能修改，以及能源平衡和效率。[79] 国际资源小组就各种资源相关主题提供独立的科学评估和专家咨询，在其第一份报告《实现资源的可持续生产和利用:评估生物燃料》中评估了与生物燃料使用有关的问题。[80]“评估生物燃料”概述了在决定追求一种生物燃料相对于另一种生物燃料的优点时需要考虑的更广泛和相互关联的因素。报告的结论是，并非所有生物燃料在对气候、能源安全和生态系统的影响方面表现平等，并建议需要在整个生命周期评估环境和社会影响。
生物燃料使用和生产的另一个问题是，美国多次改变了指令，因为生产时间比预期的要长。国会为2010年制定的可再生燃料标准被推迟到最多2012年，以生产1亿加仑纯乙醇(不与化石燃料混合)。[81]
在欧盟，修订后的可再生能源指令呼吁到2030年全面禁止第一代生物燃料。特别是由棕榈油和豆油等油类制成的燃料成为目标。[82][83][84]
因其对自然环境、粮食安全和土地使用的不利影响，2008年供应的许多生物燃料(使用第一代生物燃料生产流程)受到批评。[85][86] 008年，诺贝尔奖获得者化学家保罗·克鲁岑发表了一项发现，即生物燃料生产过程中一氧化二氮(N2O)的排放意味着，总的来说，它们对全球变暖的贡献大于它们所替代的化石燃料。[87]2008年，面临的挑战是支持生物燃料的发展，包括开发新的纤维素技术，制定负责任的政策和经济手段，帮助确保生物燃料商业化的可持续性。负责任的生物燃料商业化为非洲、拉丁美洲和亚洲增强可持续经济前景提供了机会。[85][86][88]源自植物材料的液体燃料形式的生物燃料已经进入市场，其驱动力是人们认为生物燃料减少了气候气体排放，还有油价飙升和提高能源安全的需要等因素。
根据落基山研究所，健全的生物燃料生产实践不会妨碍粮食和纤维生产，也不会造成水或环境问题，而且会提高土壤肥力。[89] 选择种植原料的土地是生物燃料提供可持续解决方案能力的关键组成部分。一个关键的考虑是尽量减少生物燃料对优质农田的竞争。[90][91]
一些科学家表达了对土地用途改变的担忧，以应对农作物用于生物燃料的更大需求以及随之而来的碳排放。[92] 偿还期，即生物燃料偿还因土地使用变化而产生的碳债务所需的时间，根据土地用途变化的具体情况和地点，估计在100至1000年之间。然而，免耕法结合覆盖作物法可以将草地转化的偿还期减少到3年，森林转化的偿还期减少到14年。[93]
在巴西北部托坎斯州进行的一项研究发现，许多家庭正在砍伐森林，以培育两个油料作物集团，即J. curcas (JC集团) 和 R. communis (RC 集团)。该地区由15%生物多样性高的亚马逊雨林和80%生物多样性低的塞拉多森林组成。在研究期间，种植JC公司的农民释放了超过2193毫克的CO2，同时由于砍伐森林而损失了53-105毫克的CO2封存；RC公司的农民排放了562毫克二氧化碳，同时由于森林砍伐损失了48-90毫克二氧化碳。[94] 这类生物燃料的生产不仅导致二氧化碳排放量增加，而且降低了森林吸收这些农场排放气体的效率。这与燃料作物生产所涉及的化石燃料的数量有关。此外，单一作物农业的集约化利用需要大量的水灌溉，以及化肥、除草剂和杀虫剂。这不仅导致有毒化学物质分散在径流中，还导致作为肥料副产品的一氧化二氮(NO2)的排放，其产生温室效应的效率是二氧化碳(CO2)的三百倍。[95]
巴西、东南亚和美国将雨林、泥炭地、稀树草原或草原改造为以粮食作物为基础的生物燃料，产生了“生物燃料碳债务”， 这些生物燃料释放的二氧化碳是它们替代化石燃料每年减少温室气体(GHG)的17至420倍。由废弃生物质或废弃农田上生长的生物质制成的生物燃料几乎不会产生碳债务。[96]
除了作物生长需要水之外，生物燃料设施还需要大量的工艺用水。[97]
特别培育的芥菜品种可以产生相当高的油产量，在谷物轮作中非常有用，还有一个额外的好处是榨油后剩下的食物可以作为一种有效的、可生物降解的杀虫剂。[98]
位于圣巴巴拉的生物柴油产业的非正规教育科学委员会正在为美国海军和军方开发生物燃料技术，美国海军和军方是世界上最大的柴油用户之一。[99]一群为一家名为Ecofasa的公司工作的西班牙开发商宣布了一种由垃圾制成的新生物燃料。这种燃料是由普通城市垃圾产生的，这些垃圾经过细菌处理后产生脂肪酸，可用于制造生物燃料。[100] 在关闭之前，焦耳无限公司试图用转基因光合细菌制造廉价的乙醇和生物柴油。
截至2017年，箭牌环境研究所正在测试卡特琳娜岛附近的海带养殖，通过热化学液化创造生物燃料。[101]
作为北美生物燃料的主要来源，许多组织正在乙醇生产领域进行研究。美国国家玉米乙醇研究中心(NCERC)是南伊利诺伊大学爱德华斯维尔分校的一个研究部门，专门从事基于乙醇的生物燃料研究项目。[102]在联邦层面，美国农业部对美国乙醇生产进行了大量研究。这项研究主要针对乙醇生产对国内食品市场的影响。[103]美国能源部下属的国家可再生能源实验室(NREL)也开展了各种乙醇研究项目，主要是在纤维素乙醇领域。[104]
纤维素乙醇商业化是通过将含纤维素的有机物转化为燃料的方法建立一个工业的过程。Iogen、PETER和Abengoa等公司正在建造炼油厂，可以加工生物质并将其转化为生物乙醇。迪沃夫萨、诺维信和迪雅迪奇等公司正在生产能够使纤维素乙醇的未来成为可能的酶。从粮食作物原料到废渣和本地草的转变为从农民到生物技术公司，从项目开发商到投资者等一系列参与者，提供了重要的机会。[105]
截至2013年，首批生产纤维素生物燃料的商业规模工厂已经开始运营。不同生物燃料原料的转化采用多种途径。在接下来的几年里，这些技术在商业规模上运行的成本数据以及它们的相对性能将会变得可用。吸取的经验教训将降低相关工业流程的成本。[106]
在干旱地区占主导地位的亚洲和非洲部分地区，甜高粱被视为食物、饲料和燃料的潜在来源。这种作物特别适合在干旱条件下生长，因为它只提取甘蔗所用水分的七分之一。在印度和其他地方，甜高粱茎秆被用来压榨汁液，然后发酵成乙醇，从而生产生物燃料。[107]
国际半干旱热带作物研究所(ICRISAT)的研究人员进行的一项研究发现，种植甜高粱而不是谷物高粱可以使农民每公顷作物增加40美元的收入，因为除了食物和动物饲料之外，它还可以提供燃料。目前亚洲种植的粮食高粱超过1100万公顷，非洲种植的粮食高粱超过2340万公顷，改用甜高粱可能会产生相当大的经济影响。[108]
不同部门的几个小组正在对麻疯树进行研究，麻疯树是一种有毒的灌木状树，其种子被许多人认为是生物燃料原料油的可行来源。[109] 这项研究的大部分集中在通过遗传学、土壤科学和园艺实践的进步来提高麻风树的每英亩总产油量。
总部位于圣地亚哥的麻风树开发商SG Biofuels利用分子育种和生物技术生产出优秀的杂交种子，这些种子比第一代品种的产量显著提高。[110] SG生物燃料公司还声称，这种菌株还带来了额外的好处，包括提高开花同步性，增强对病虫害的抵抗力，以及增强对寒冷天气的耐受性。[111]
荷兰瓦赫宁根大学和研究中心的一个系——植物研究国际组织(Plant Research International)维持着一个正在进行的麻风树评估项目，该项目通过田间和实验室实验来审查大规模种植麻风树的可行性。[112]可持续能源农业中心是一个总部位于洛杉矶的非营利研究组织，致力于植物科学、农学和园艺领域的麻疯树研究。这些学科的成功探索预计将在未来10年内使麻风树农场产量增加200-300%。[113]
莫斯科俄罗斯科学院的一个小组在2008年的一篇论文中称，他们已经从单细胞真菌中分离出大量脂质，并以经济高效的方式将其转化为生物燃料。对这种真菌物种——日本坎宁安氏菌和其他真菌的更多研究可能在不久的将来出现。[114]最近发现了一种真菌玫瑰胶质枝菌变种(后来改名为肌状子囊菌)，这表明从纤维素生产所谓的分枝杆菌柴油。这种生物最近在巴塔哥尼亚北部的热带雨林中被发现，具有将纤维素转化为柴油中常见的中等长度碳氢化合物的独特能力。[115] 许多其他能够降解纤维素和其他聚合物而产生分子的真菌已经被观察到，这些分子目前正在使用来自其他国家的生物体进行工程改造，这表明真菌在未来燃料的生物生产中可能发挥重要作用。[116]
各种动物的微生物胃肠菌群显示出生产生物燃料的潜力。最近的研究表明，在斑马粪便中发现的梭菌菌株TU-103可以将几乎任何形式的纤维素转化为丁醇燃料。[117] 熊猫粪便中的微生物正在被调查，以了解它们在利用竹子和其他植物材料制造生物燃料中的用途。[118] 还对利用以木材为食的昆虫的肠道微生物群将木质纤维素材料转化为生物燃料的技术进行了大量研究。[119]
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^Given the EU average yield of 18.8 tonnes dry matter per hectare per year (see Clifton-Brown, above), and 48% carbon content (see Kahle et al,, above)..
^«The environmental costs and benefits of bioenergy have been the subject of significant debate, particularly for first‐generation biofuels produced from food (e.g. grain and oil seed). Studies have reported life‐cycle GHG savings ranging from an 86% reduction to a 93% increase in GHG emissions compared with fossil fuels (Searchinger et al., 2008; Davis et al., 2009; Liska et al., 2009; Whitaker et al., 2010). In addition, concerns have been raised that N2O emissions from biofuel feedstock cultivation could have been underestimated (Crutzen et al., 2008; Smith & Searchinger, 2012) and that expansion of feedstock cultivation on agricultural land might displace food production onto land with high carbon stocks or high conservation value (i.e. iLUC) creating a carbon debt which could take decades to repay (Fargione et al., 2008). Other studies have shown that direct nitrogen‐related emissions from annual crop feedstocks can be mitigated through optimized management practices (Davis et al., 2013) or that payback times are less significant than proposed (Mello et al., 2014). However, there are still significant concerns over the impacts of iLUC, despite policy developments aimed at reducing the risk of iLUC occurring (Ahlgren & Di Lucia, 2014; Del Grosso et al., 2014).» Whitaker, J. , Field, J. L., Bernacchi, C. J., Cerri, C. E., Ceulemans, R. , Davies, C. A., DeLucia, E. H., Donnison, I. S., McCalmont, J. P., Paustian, K. , Rowe, R. L., Smith, P. , Thornley, P. and McNamara, N. P. (2018), Consensus, uncertainties and challenges for perennial bioenergy crops and land use. GCB Bioenergy, 10: 150-164. https://doi.org/10.1111/gcbb.12488 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
^«The impact of growing bioenergy and biofuel feedstock crops has been of particular concern, with some suggesting the greenhouse gas (GHG) balance of food crops used for ethanol and biodiesel may be no better or worse than fossil fuels (Fargione et al., 2008; Searchinger et al., 2008). This is controversial, as the allocation of GHG emissions to the management and the use of coproducts can have a large effect on the total carbon footprint of resulting bioenergy products (Whitaker et al., 2010; Davis et al., 2013). The potential consequences of land use change (LUC) to bioenergy on GHG balance through food crop displacement or ‘indirect’ land use change (iLUC) are also an important consideration (Searchinger et al., 2008).» Milner, S. , Holland, R. A., Lovett, A. , Sunnenberg, G. , Hastings, A. , Smith, P. , Wang, S. and Taylor, G. (2016), Potential impacts on ecosystem services of land use transitions to second‐generation bioenergy crops in GB. GCB Bioenergy, 8: 317-333. https://doi.org/10.1111/gcbb.12263 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
^«While the initial premise regarding bioenergy was that carbon recently captured from the atmosphere into plants would deliver an immediate reduction in GHG emission from fossil fuel use, the reality proved less straightforward. Studies suggested that GHG emission from energy crop production and land-use change might outweigh any CO2 mitigation (Searchinger et al., 2008; Lange, 2011). Nitrous oxide (N2O) production, with its powerful global warming potential (GWP), could be a significant factor in offsetting CO2 gains (Crutzen et al., 2008) as well as possible acidification and eutrophication of the surrounding environment (Kim & Dale, 2005). However, not all biomass feedstocks are equal, and most studies critical of bioenergy production are concerned with biofuels produced from annual food crops at high fertilizer cost, sometimes using land cleared from natural ecosystems or in direct competition with food production (Naik et al., 2010). Dedicated perennial energy crops, produced on existing, lower grade, agricultural land, offer a sustainable alternative with significant savings in greenhouse gas emissions and soil carbon sequestration when produced with appropriate management (Crutzen et al., 2008; Hastings et al., 2008, 2012; Cherubini et al., 2009; Don- dini et al., 2009a; Don et al., 2012; Zatta et al., 2014; Rich- ter et al., 2015).» McCalmont, J. P., Hastings, A. , McNamara, N. P., Richter, G. M., Robson, P. , Donnison, I. S. and Clifton‐Brown, J. (2017), Environmental costs and benefits of growing Miscanthus for bioenergy in the UK. GCB Bioenergy, 9, page 490. https://doi.org/10.1111/gcbb.12294 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
^«A life‐cycle perspective of the relative contributions and variability of soil carbon stock change and nitrogen‐related emissions to the net GHG intensity (g CO2‐eq MJ−1) [gram CO2-equivalents per megajoule] of biofuel production via select production pathways (feedstock/prior land‐use/fertilizer/conversion type). Positive and negative contributions to life‐cycle GHG emissions are plotted sequentially and summed as the net GHG intensity for each biofuel scenario, relative to the GHG intensity of conventional gasoline (brown line) and the 50% and 60% GHG savings thresholds (US Renewable Fuel Standard and Council Directive 2015/1513); orange and red lines, respectively. Default life‐cycle GHG source estimates are taken from Wang et al. (2012) and Dunn et al. (2013); direct N2O emissions from Fig. 1; and soil carbon stock change (0–100 cm depth) from Qin et al. (2016). See Appendix S1 for detailed methods.» Whitaker, J. , Field, J. L., Bernacchi, C. J., Cerri, C. E., Ceulemans, R. , Davies, C. A., DeLucia, E. H., Donnison, I. S., McCalmont, J. P., Paustian, K. , Rowe, R. L., Smith, P. , Thornley, P. and McNamara, N. P. (2018), Consensus, uncertainties and challenges for perennial bioenergy crops and land use. GCB Bioenergy, 10: 150-164. https://doi.org/10.1111/gcbb.12488 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
^«Whilst these values represent the extremes, they demonstrate that site selection for bioenergy crop cultivation can make the difference between large GHG savings or losses, shifting life‐cycle GHG [green house gas] emissions above or below mandated thresholds. Reducing uncertainties in ∆C [carbon increase or decrease] following LUC [land use change] is therefore more important than refining N2O [nitrous oxide] emission estimates (Berhongaray et al., 2017). Knowledge on initial soil carbon stocks could improve GHG savings achieved through targeted deployment of perennial bioenergy crops on low carbon soils (see section 2). […] The assumption that annual cropland provides greater potential for soil carbon sequestration than grassland appears to be over‐simplistic, but there is an opportunity to improve predictions of soil carbon sequestration potential using information on the initial soil carbon stock as a stronger predictor of ∆C [change in carbon amount] than prior land use.» Whitaker, J. , Field, J. L., Bernacchi, C. J., Cerri, C. E., Ceulemans, R. , Davies, C. A., DeLucia, E. H., Donnison, I. S., McCalmont, J. P., Paustian, K. , Rowe, R. L., Smith, P. , Thornley, P. and McNamara, N. P. (2018), Consensus, uncertainties and challenges for perennial bioenergy crops and land use. GCB Bioenergy, 10: 150-164. https://doi.org/10.1111/gcbb.12488 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
^«Fig. 3 confirmed either no change or a gain of SOC [soil organic carbon] (positive) through planting Miscanthus on arable land across England and Wales and only a loss of SOC (negative) in parts of Scotland. The total annual SOC change across GB in the transition from arable to Miscanthus if all nonconstrained land was planted with would be 3.3 Tg C yr−1 [3.3 million tonnes carbon per year]. The mean changes for SOC for the different land uses were all positive when histosols were excluded, with improved grasslands yielding the highest Mg C ha−1 yr−1 [tonnes carbon per hectare per year] at 1.49, followed by arable lands at 1.28 and forest at 1. Separating this SOC change by original land use (Fig. 4) reveals that there are large regions of improved grasslands which, if planted with bioenergy crops, are predicted to result in an increase in SOC. A similar result was found when considering the transition from arable land; however for central eastern England, there was a predicted neutral effect on SOC. Scotland, however, is predicted to have a decrease for all land uses, particularly for woodland due mainly to higher SOC and lower Miscanthus yields and hence less input.» Milner, S. , Holland, R. A., Lovett, A. , Sunnenberg, G. , Hastings, A. , Smith, P. , Wang, S. and Taylor, G. (2016), Potential impacts on ecosystem services of land use transitions to second‐generation bioenergy crops in GB. GCB Bioenergy, 8: 317-333. https://doi.org/10.1111/gcbb.12263 本条目含有以下来源的文本，此来源以CC BY 4.0授权条款释出。 (The CC BY 4.0 licence means that everyone have the right to reuse the text that is quoted here, or other parts of the original article itself, if they credit the authors. More info: https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license).
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^First, second, third and fourth generation biofuels explained.
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