Aufgrund der geringen energetischen Ausbeute pro Hektar Anbaufläche, der Nahrungsmittelkonkurrenz sowie der nicht notwendigerweise positiven Kohlenstoffdioxid-Bilanz der Biokraftstoffe der ersten Generation, konzentriert sich die Forschung verstärkt auf die Biokraftstoffe der zweiten Generation (auch fortgeschrittene Biokraftstoffe [UBA22a]). Zu den Biokraftstoffen der zweiten Generation zählen Biokraftstoffe im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium, welche in Pilotanlagen erprobt werden und langsam erste ökonomische Erfolge erzielen [WeSc17, S.571].

Im Gegensatz zu Biokraftstoffen der ersten Generation werden bei der Herstellung von Biokraftstoffen der zweiten Generation nicht nur Teile, sondern fast die ganze Pflanze zur Kraftstoffherstellung genutzt [Pflan22]. Darüber hinaus werden insbesondere Materialien eingesetzt, welche nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen [UBA22a]. Dies führt zu einem deutlich höheren Kraftstoffertrag bezogen auf die Anbaufläche sowie zu einer weiteren potenziellen Absenkung der Kohlenstoffdioxid -Emissionen im Vergleich zu Kraftstoffen der ersten Generation. Als Energiepflanzen eignen sich vor allem schnell wachsende Bäume und Getreideganzpflanzen, es können jedoch auch diverse Rest- und Abfallstoffe (zum Beispiel Stroh, Industrierestholz, Altholz) in diverse, maßgeschneiderte Kraftstoffe umgewandelt werden [FNR06]. Diese Kraftstoffe, die aus Nebenprodukten der Land- und Forstwirtschaft gewonnen werden, stehen somit in geringerer Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, was die politische und gesellschaftliche Akzeptanz sowie das technische Potential der Biokraftstoffe deutlich erhöht. So wird beispielsweise zur Herstellung der so genannten Biomass-to-Liquid-Kraftstoffe (BtL-Kraftstoffe) im Gegensatz zum Biodiesel der ersten Generation der Kraftstoff im Allgemeinen aus fester Biomasse (zum Beispiel Brennholz, Stroh, Bioabfall, Tiermehl, Schilf) hergestellt und nicht nur aus Ölfrüchten (Pflanzenöl), was zu einer deutlichen Steigerung der Produktion und Effizienz führt.

Ein weiterer Kraftstoff der zweiten Generation ist Biogas, wobei die Biogaserzeugung bereits heute eine etablierte Technologie ist. Biogas entsteht bei der anaeroben (sauerstofffreien) Vergärung organischen Materials, das heißt von Anbaubiomasse oder Reststoffen (zum Beispiel Maissilage, Gras, Gülle, Abfall) in Biogasanlagen [FNR16]. Lange wurde Biogas insbesondere im Stromsektor genutzt. Seit der Anpassung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzt [EEG] im Jahr 2014 stagniert das Wachstum in diesem Bereich. Dahingegen ist die Relevanz im Verkehrssektor zuletzt stark gestiegen. [dena21, S.11 ff.]

Weiterhin kann Bioethanol auf Basis von Zellulose den Biokraftstoffen der zweiten Generation zugeordnet werden. Die Verwertung von zellulosehaltigen Pflanzen bei der Bioethanolherstellung zählt zu den teuersten und aufwendigsten Verarbeitungsverfahren im Bereich der Bioethanole und befindet sich noch in der Entwicklung. [WeSc17, S.585ff.]

Insgesamt ist die Produktion von Biokraftstoffen der zweiten Generation zwar technisch realisierbar, dennoch ist der breite Einsatz aufgrund ökonomischer Aspekte noch nicht möglich. Bis 2050 könnten Biokraftstoffen der zweiten Generation 13 bis 19 Exajoule Energie und somit einen wichtigen Beitrag im Verkehrssektor liefern [MPG20].