Pour la fabrication des biocarburants liquides, trois types de matières premières sont utilisés.

L’éthanol est obtenu à la suite d’une fermentation qui nécessite, au préalable, une glycolyse impliquant des sucres simples à six atomes de carbone (glucose et fructose). Lorsque la matière première est de l’amidon ou du saccharose, ces molécules doivent être hydrolysées par voie enzymatique, l’hydrolyse de l’amidon conduisant au glucose, celle du saccharose, au glucose et au fructose.

La fermentation est réalisée par des micro-organismes comme les levures (champignons).

L’alcool obtenu est qualifié de bioéthanol. Il peut être incorporé dans l’essence (super sans plomb 95) des voitures ordinaires à la hauteur de 15 %, et jusqu’à 85 %dans des moteurs adaptés (flex-fuel). Ce dernier mélange est appelé superéthanol E 85.

Les premières espèces utilisées ont été, pour le saccharose, des plantes saccharifères comme la canne à sucre (tige) et la betterave à sucre (tubercule), et pour l’amidon, des plantes amylifères comme les semences de maïs et de blé.

Elles sont extraites, soit de graines par broyage, soit de micro-algues, puis transformées en biodiesel par un procédé chimique basé sur une estérification (réaction entre acides gras constituants des huiles, et un alcool). On obtient des esters particuliers (biodiesels) dont les molécules sont plus petites que celles des huiles extraites. Ces esters sont utilisés dans les moteurs diesel, mélangés à hauteur de 15 % à du carburant classique (gazole). Toutefois, certains types de moteurs peuvent fonctionner avec une huile végétale pure, non transformée et de viscosité élevée.

Les premières espèces concernées ont été le colza, le tournesol, et le palmier à huile. D’autres espèces sont en cours d’évaluation. Le ricin, par exemple, qui présente l’avantage de pousser sur des terrains pauvres. Une autre plante est très étudiée en Inde et au Brésil : le jatropha). C’est un arbuste des zones semi-arides qui produit 2 à 3 kg/an de fruits, donnant environ 0,5 litre de biocarburant.

Dans ce cas, toute la plante est concernée, mais seules la cellulose et la lignine sont exploitées. La cellulose (polymère du glucose) est à la base des transformations conduisant à l’éthanol. Il faut y ajouter la lignine, constituant fondamental du bois. Ces deux substances doivent être dégradées en sucres simples par hydrolyse, ceux-ci étant ensuite transformés en éthanol.

De nombreux essais sont réalisés pour trouver des espèces qui permettraient d’obtenir beaucoup plus d’énergie qu’il n’en est consommé pour leur culture et la transformation de la cellulose en carburant. Un rapport de six à un, entre l’énergie fournie par le biocarburant et celle consommée pour sa production, peut être considéré comme très bon.

Les peupliers semblent notamment être de bons candidats pour alimenter cette filière. Par ailleurs, des plantes buissonnantes à croissance rapide que l’on cultiverait sur les terres en jachère pourraient être intéressantes d’un point de vue écologique, car sans compétition avec les cultures vivrières.

L’objectif de ces recherches est d’obtenir des plantes permettant de produire plus de bioéthanol, par croisement ou par transgenèse (OGM).

Une variété de maïs possède des enzymes qui provoquent, à la récolte, la transformation de la cellulose en glucose. Ce premier travail de dégradation de la matière organique étant fait « naturellement », la fermentation industrielle peut alors être entreprise avec un gain important de productivité. D’autres programmes de transgenèse sont mis en œuvre sur des micro-organismes (cf. ci-dessous : Évolution dans le domaine des biocarburants).

On distingue quatre générations de mise au point industrielle, correspondant à quatre étapes d’évolutions technologiques relatives à la nature du matériel végétal utilisé.

• La première génération est celle du bioéthanol et du biodiesel issus de produits alimentaires (graines de colza, grains de maïs et tige de canne à sucre). Le Brésil s’est engagé dans cette voie dès 1970. Le premier choc pétrolier de 1973 a accéléré le développement de cette filière ;
• La deuxième est constituée de biocarburants issus d’une biomasse non alimentaire (cellulose et lignine) : produits de cultures destinées spécifiquement aux biocarburants, comme les taillis à croissance rapide fournissant des tiges et des feuilles, restes de cultures (paille de blé, par exemple) et de filières bois (produits d’élagage ou sciure. Ces biocarburants seront en production industrielle et sur le marché vers 2020.

Elles utilisent des micro-algues (algues unicellulaires) riches en huiles. On sait les cultiver en systèmes artificiels avec une bonne productivité de biomasse. Elles présentent certains avantages, dont celui de pouvoir être cultivées dans une eau même saumâtre inutilisable autrement. De plus, pour favoriser leur photosynthèse, et donc la production de biomasse, l’eau est enrichie en dioxyde carbone (CO₂). On peut utiliser, par exemple, celui provenant de centrales thermiques, ceci étant un avantage par rapport aux efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

En outre, les installations peuvent être situées dans des zones non utilisables par l’agriculture, comme d’anciens marais salants ou des zones semi-arides, voire arides, la production de biomasse n’étant alors pas en compétition avec des cultures vivrières.

En 2012, tous les procédés de production à partir de micro-algues sélectionnées sont à l’état de prototypes, même si certains sont déjà performants :

• la troisième génération développe des procédés relativement simples techniquement. Les micro-algues sont cultivées en bassins à l’air libre. Sur la base des prototypes existants, les développeurs de ce type de procédé estiment pouvoir obtenir une biomasse qui permettrait de produire jusqu’à 10 000 litres de biodiesel par hectare de bassins et par an ; 
• la quatrième génération se distingue de la précédente par le fait qu’elle met en œuvre un procédé exigeant une technicité élevée et que l’on obtient un produit, le biopétrole, équivalent au pétrole fossile (1 million de litres par hectare). Toutefois, les investissements étant importants, cette technique exige un ensoleillement élevé pour être rentable.

Les hydrocarbures sont produits avec des micro-organismes transgéniques (bactéries et levure) chez lesquelles des chaînes métaboliques artificielles sont créées artificiellement pour qu’elles dégradent les sucres de mélasse de betterave ou de canne à sucre, de glucose extrait d’amidon de blé ou de maïs ou de déchets agricoles ou forestiers.

Le pouvoir calorifique du superéthanol (mélange à hauteur de 85 % utilisé dans des moteurs flex-fuel) est plus faible que celui du SP 95 (carburant classique). Le faible rendement du superéthanol entraîne une surconsommation d’environ 20 à 25 %.

La combustion d’un certain volume de biocarburant émet, dans l’atmosphère, autant de CO₂ que celui qui a été fixé par la plante au cours de la photosynthèse à l’origine de la biomasse nécessaire pour produire ce biocarburant. C’est là que réside un de ses avantages par rapport aux énergies fossiles, puisque si l’on prend en considération le cycle fixation (libération, fixation, etc,), le bilan de l’émission de CO₂ peut être considéré comme nul. Si fixation et libération s’équilibrent totalement, le bioéthanol et le biodiesel sont alors des ressources parfaitement renouvelables.

Pour être rentable, la production de biocarburants nécessite une agriculture intensive. Une quantité importante d’engrais azotés doit être apportée. Une partie en est dégradée en N₂O (protoxyde d’azote), gaz nettement plus générateur d’effet de serre (296 fois) que le CO₂.

Au total, le développement des biocarburants pourrait donc générer plus d’effet de serre que les combustibles fossiles, surtout dans le cas des plantes exigeantes en engrais azotés.

L’importation de biomasse ligneuse provenant des forêts tropicales ou d’Amérique du Nord (sous forme de granulés de bois) ne sont pas des sources d’énergie durable et pourtant ces filières se développent.

La production de biocarburants nécessite des surfaces agricoles importantes et entre ainsi en compétition avec l’agriculture classique à vocation vivrière. Dans ces conditions, pourra-t-on nourrir 9 milliards d’humains en augmentant toujours plus la production des biocarburants ? Par contre, dans le cas de la production de biopétrole, il n’y a pas compétition pour les surfaces utilisées. En outre, au lieu de consommer des surfaces cultivables (et des forêts), on pourrait aussi développer la valorisation énergétique des déchets.

C’est un autre aspect de cette compétition. Au Mexique, les farines à base de maïs sont très utilisées pour l’alimentation et leur prix a augmenté dès 2007, les États-Unis réorientant la culture du maïs vers la production d’agrocarburants. De façon plus globale, la forte demande d’agrocarburants a fait monter les prix des farines.

La production de biocarburants fait peser de sérieux risques d’érosion de la biodiversité, en raison de la reconversion en surfaces cultivées (agrosystèmes) d’écosystèmes jusque-là naturels. C’est ainsi que les forêts brésiliennes et indonésiennes sont menacées par le développement des cultures de canne à sucre et de palmier à huile.

Par ailleurs, en termes de productivité, créer des OGM adaptés à la filière de production des biocarburants peut paraître séduisant, mais cela soulève, comme pour tout OGM, la crainte de transferts de gènes aux cultures voisines.

Le contexte des changements climatiques nous conduit à limiter l’utilisation des carburants issus des énergies fossiles, moins chers à produire, mais plus polluants (idée aujourd’hui contestée) que les biocarburants, ou encore d’autres formes d’énergies renouvelables.

Afin de compenser le surcoût de production des biocarburants par rapport aux carburants d’origine fossile et d’inciter à l’adition des biocarburants dans le gazole et les essences, les biocarburants bénéficient, dans certains pays, d’une exonération partielle de taxes les rendant, du point de vue des consommateurs, concurrentiels par rapport aux carburants issus du pétrole.

Plus le prix du baril sera élevé, plus les coûts de production de l’essence ou du diesel se rapprocheront de ceux des biocarburants. Dans ce cas, les aides fiscales aux biocarburants seront moins justifiées, sauf si l’on est convaincu, pour des raisons environnementales, qu’il faut les favoriser. Toutefois, les quantités de pétrole disponibles sont importantes (exploitation des schistes bitumineux, etc.) et la demande pétrolière continue de croître.

L’Europe a prévu, en 2008, d’augmenter le volume d’oléagineux destinés à la production des biocarburants, pour atteindre, en 2020, 10 % d’agrocarburants (carburants issus de l’agriculture à vocation alimentaire) dans la consommation d’énergie par les transports. Malgré cet enthousiasme, il convient d’être prudent quant à la capacité des agrocarburants à couvrir une part importante des besoins énergétiques, sans amener plus de problèmes, en termes de développement durable, qu’ils n’en résolvent. D’ailleurs en 2012, estimant que les agrocarburants contribuent à la hausse du prix des matières premières agricoles, à l’insécurité alimentaire et à la déforestation en région tropicale, l’Europe a commencé à revoir les données de la question des agrocarburants. La Commission européenne a décidé de limiter à 5 %, à l’horizon 2020, le taux d’incorporation des biocarburants de première génération (colza, betterave, tournesol et maïs) dans l’essence et le diesel destinés aux transports.

La question des énergies renouvelables et donc des biocarburants est abordée dans l’ODD :

• 7- Énergie propre et d’un coût abordable : Garantir l’accès de tous à des services énergétiques fiables, durables et modernes, à un coût abordable.

La cible plutôt concernée est la :

• 7.2 - Énergies renouvelables : D’ici à 2030, accroître nettement la part de l’énergie renouvelable dans le bouquet énergétique mondial.

Comme l’indique le suffixe -carburant, les biocarburants et agrocarburants sont des combustibles adaptés aux moteurs à explosion. En revanche, le charbon, la bûche de bois, et le charbon de bois, sont bien des combustibles, mais pas des carburants.

La nuance est peu utilisée ou même comprise et la synonymie d’agrocarburant et de biocarburant est souvent proposée. Toutefois, il semble judicieux de considérer que les agrocarburants sont issus de l’agriculture à vocation alimentaire.

Par ailleurs, certains réservent le terme de biocarburant aux carburants qui ont un bon bilan pour les GES, « bio » étant pris au sens de « vert » ou encore « d’écologique », voire même de « bon pour la nature ». Ce choix de sens pour biocarburant vise à exclure certains agrocarburants ayant un mauvais bilan pour les GES ou entrant en compétition avec les cultures vivrières. Définir les biocarburants devient alors beaucoup plus difficile. Biocarburant devrait conserver le sens général qu’il avait vers 1990, c’est-à-dire de carburant issu de la biomasse renouvelable, incluant donc tous les agrocarburants.