Nikolaus August Otto verwendete 1860 Äthylalkohol (Ethanol) als Kraftstoff in den Prototypen seines Verbrennungsmotors. Der Automobilhersteller Henry Ford konzipierte sein ab 1908 gebautes T-Modell, mit dem er die Serienproduktion von Autos revolutionierte, auf der Grundlage, dass Agraralkohol (Bioethanol) der eigentliche Kraftstoff für dieses „Volks-Auto“ sei. Ford glaubte, dass Ethanol der Treibstoff der Zukunft sei, der zugleich der Landwirtschaft neue Wachstumsimpulse bringen würde: „The fuel of the future is going to come from fruit like that sumach out by the road, or from apples, weeds, sawdust – almost anything.“

Aufgrund der Versorgungslage bei Benzin gab es in Deutschland mit der 1925 gegründeten Reichskraftsprit (RKS) einen Hersteller von Spiritus (Kartoffelschnaps) zur Verwendung als Ottokraftstoff. Allerdings diente der Einsatz weniger als Mittel zur Erhöhung der Klopffestigkeit, sondern vielmehr zur Unterstützung der anbauenden Landwirtschaft. Die RKS vertrieb ihr Benzin-Gemisch mit einem ca. 25-prozentigen Anteil Spiritus unter dem Markennamen Monopolin. 1930 trat in Deutschland die Bezugsverordnung von Spiritus zu Treibstoffzwecken für alle Treibstofffirmen in Kraft. Jeweils 2,5 Gewichtsprozente der produzierten oder eingeführten Treibstoffmenge waren von der Reichsmonopolverwaltung zu beziehen und dem Benzin beizumischen. Diese Quote erhöhte sich bis Oktober 1932 schrittweise auf 10 %.

In den folgenden Jahrzehnten wurde Erdöl zur vorrangigen Energiequelle. Erst mit den Ölkrisen der 1970er Jahre fand Ethanol als Kraftstoff neues Interesse. Ausgehend von Brasilien und USA wurde die Nutzung von Ethanol aus Zuckerrohr und Getreide als Treibstoff für Autos ebenso wie andere alternative Kraftstoffe auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe zunehmend durch Regierungsprogramme unterstützt. Eine globale Ausweitung dieser Bestrebungen entstand infolge des Kyoto-Protokolls.

Hauptartikel: Ethanol

Wie herkömmlicher Alkohol wird Bioethanol durch Fermentation (alkoholische Gärung) aus Zucker (Glucose) mit Hilfe von Mikroorganismen gewonnen und anschließend durch thermische Trennverfahren aufgereinigt. Für den Einsatz als Treibstoffzusatz wird Bioethanol zusätzlich bis zu einer Reinheit von mehr als 99 % „getrocknet“.

Stärke, Zucker

Als herkömmliche Rohstoffe kommen meist die lokal verfügbaren Pflanzen mit hohen Gehalten an Zucker oder Stärke zum Einsatz: in Lateinamerika Zuckerrohr bzw. die daraus gewonnene Zuckerrohr-Melasse, in Nordamerika Mais, in Europa Weizen und Zuckerrüben. Weitere Pflanzen, die für die Bioethanolproduktion eingesetzt werden können, sind zum Beispiel Triticale, Zuckerhirse (Sorghum), in Asien auch Cassava (Maniok).

Cellulose

Angestrebt wird zunehmend die Nutzung von kostengünstigen pflanzlichen Reststoffen wie Stroh, Holzresten und Landschaftspflegegut oder von Energiepflanzen wie Rutenhirse (auch Switchgrass, Panicum virgatum) oder Chinaschilf (Miscanthus sinensis), die keiner intensiven landwirtschaftlichen Bewirtschaftung bedürfen und auch auf minderwertigen Böden wachsen. (siehe Cellulose-Ethanol)

Um die Glucose für die Ethanolproduktion zu gewinnen, muss der Rohstoff je nach Art aufbereitet werden:

• Stärkehaltige Rohstoffe wie Getreide werden vermahlen. Durch enzymatische Zerlegung wird in der Verflüssigung/Verzuckerung die Stärke in Zucker umgewandelt.

• Zuckerhaltige Rohstoffe wie Melasse können direkt fermentiert werden.

• Cellulosehaltige Rohstoffe wie Stroh müssen ebenfalls durch Säuren und Enzyme aufgespalten werden.

Das Produkt der Rohmaterialaufbereitung ist eine zuckerhaltige Maische, die in der Fermentation mit Hefe (Saccharomyces cerevisiae) versetzt wird. Es entsteht eine alkoholische Maische mit etwa 12 % Ethanolgehalt. Diese wird in der Destillation/Rektifikation bis zu einer Konzentration von 94,6 % zu sogenanntem Rohalkohol gereinigt (ein Azeotrop, das sich nicht mehr durch Destillation trennen lässt). In der Dehydratisierung (umgangssprachlich Dehydrierung) wird der verbliebene Wasseranteil von rund 5 % in einem Adsorptionsprozess mittels Molekularsieb entfernt. Das Endprodukt hat eine Reinheit von bis zu 99,95 %.

Diese hohe Reinheit ist für die Mischung mit Benzin erforderlich, da sich andernfalls das Wasser absetzt. In Fahrzeugen, die mit reinem Alkohol betrieben werden (wie in den Anfängen in Brasilien) kann auch wasserhaltiger, also nicht vollständig dehydrierter Rohalkohol eingesetzt werden.

Als Nebenprodukt entsteht Schlempe, welche die Reststoffe der Maische abhängig vom Rohmaterial enthält. Getreideschlempe ist nährstoffreich und wird getrocknet als Futtermittel mit hohem Proteingehalt vermarktet (Trockenschlempe, auch DDGS = „dried distillers grains and solubles“). Vinasse, die bei der Melassevergärung zurückbleibt, wird agrartechnisch z. B. ebenfalls als Tierfutterzusatz oder als Düngemittel genutzt.

Eine weitere Möglichkeit für die Verwendung der Schlempe ist die Energiegewinnung durch thermische Verwertung, d. h. die Verbrennung zwecks Dampferzeugung für die Ethanolanlage. Neben einer Senkung der Produktionskosten wird dadurch die Treibhausgasbilanz der Produktion verbessert.

Bagasse, die Faserstoffe aus der Zuckerrohrvergärung, wird aufgrund des geringen Nährwertes nicht direkt als Futtermittel für die Tierernährung eingesetzt. Die Restenergie der Bagasse wird stattdessen häufig über eine teils mehrstufige Methanvergärung in den Energiekreislauf der Destillerie zurückgeführt, wodurch die Kosten je Einheit produzierten Ethanols reduzierbar sind. Schwachpunkt dieses Ansatzes und auch der bisher sehr konkurrenzfähigen lateinamerikanischen, auf Zuckerrohr basierenden Biokraftstoffproduktion ist die alleinige Ausrichtung auf die produzierte Menge Ethanol. Trotz mangelnder Flexibilität liegt der große Vorteil der Zuckerrohrnutzung jedoch in der günstigeren Rohstoffbasis, dem deutlichen Standortvorteil und dem geringeren Kapitalaufwand durch den Verzicht auf großvolumige Trocknungsanlagen. Derzeit sind Unternehmungen dieser Art die günstigsten Anbieter von Ethanol auf dem Weltmarkt und stellen das Modell dar, das Neueinsteiger wie Indien und Thailand wählen.

Abhängig von der Prozessführung sind weitere Nebenprodukte möglich (z. B. Maiskeimöl, Kohlendioxid).

Hauptartikel: Cellulose-Ethanol

Die Produktion aus Stärke und Zuckerrohr wird potentiell den langfristig steigenden Bedarf an Bioethanol nicht decken können. Die nur begrenzt zur Verfügung stehenden landwirtschaftlichen Anbauflächen, ökologische Probleme bei der notwendigen Intensivierung der Landwirtschaft und die Konkurrenz zum Lebensmittelmarkt begrenzen die Produktion von Bioethanol auf diesem herkömmlichen Wege. Eine Alternative besteht darin, für die menschliche Ernährung ungeeignete Nutzpflanzen oder Pflanzenabfälle zu nutzen. Diese hauptsächlich aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin bestehenden Materialien fallen in hohen Mengen an und sind billiger als stärke- oder zuckerreiche Agrarrohstoffe. Zudem sind die potentiell nutzbare Biomasse pro Flächeneinheit höher, die CO₂-Bilanz positiver und der Anbau teilweise deutlich umweltschonender.

Ethanol, der aus pflanzlichen Abfällen hergestellt wird, wird als Cellulose-Ethanol oder Lignocellulose-Ethanol bezeichnet. Im Gegensatz zum herkömmlichen Bioethanol besitzt Cellulose-Ethanol eine bessere CO₂-Bilanz und konkurriert nicht mit der Lebensmittelindustrie. Allerdings befinden sich die Verfahren zur Herstellung von Lignocellulose-Ethanol noch in der Entwicklung.

Angestrebt wird dabei, in sogenannten Bioraffinerien die Cellulose und Hemicellulose in vergärbare Zucker umzuwandeln und von Hefen direkt in Ethanol zu vergären. Das Lignin könnte als Brennstoff zum Antreiben des Prozesses benutzt werden. Allerdings verhindern zur Zeit noch einige technische Schwierigkeiten den Einsatz dieses Verfahrens. Zum einen ist der Abbau von Cellulose und Hemicellulose zu vergärbaren Zuckern aufgrund der komplexen Struktur dieser Verbindungen im Gegensatz zur Verzuckerung von Stärke schwierig und langsam. Zum anderen können die meisten der zur Ethanolproduktion verwendeten Mikroorganismen nicht alle aus der Hemicellulose freigesetzten Zuckerarten vergären. Für einen wirtschaftlich ausgereiften Prozess ist dies jedoch eine wichtige Voraussetzung. Für Forschungszwecke werden weltweit etwa 15 Versuchsanlagen betrieben (2008). In den USA sind, gestützt durch massive staatliche Förderung, weitere rund 20 Pilotanlagen in Planung bzw. im Bau.