Um sogenannte Bioenergie zu gewinnen, muss zunächst Biomasse erzeugt oder gewonnen werden. Als Biomasse können verschiedene organische Materialien dienen. Zur Zeit werden in der Regel Holz bzw. Holzabfälle, verschiedene Getreidesorten, Mais, Zuckerrüben, Raps und andere Ölpflanzen (Bio-Diesel) sowie Algen verwendet. Aber es existieren auch technische Ansätze und Anlagen, um tierische und menschliche Exkremente, organisch belastete Abwässer und andere Rohstoffe zu verwerten. Aufgeschlossen wird die Biomasse dann durch Verbrennung, Pyrolyse sowie alkoholische Gärung oder Methangärung. Oft kann die endgültige Nutzung dann später in bereits bestehenden Anlagen für fossile Brennstoffe erfolgen. Beispiele hierfür sind Biogas für Gasherde und Biodiesel für Automotoren. Oft wird bei dieser Art der Energiegewinnung also Pflanzenmaterial als Biomasse verwendet. In den Pflanzen wurde dabei zuvor durch Photosynthese die Energie der Sonneneinstrahlung auf die Erde in Form von energiehaltigen organischen Substanzen wie Stärke, Zucker, Eiweißen, Fetten und Ölen gespeichert. Dabei haben die Pflanzen während der Photosynthese atmosphärisches CO² gebunden.
Darauf beruht der ökologische Hauptvorteil dieses Ansatzes der Energiegewinnung verglichen mit der Nutzung fossiler Energieträger. Denn auch Kohle, Erdöl und Erdgas entstanden zwar aus organischem Material. Dies geschah unter Luftabschluss und hohem Druck über Jahrmillionen hinweg aus abgestorbenen Wäldern und totem Plankton der Urmeere. Das in diesen Energieträgern gebundene Kohlendioxid war jedoch dem atmosphärischen Kreislauf entzogen. Seit die Industrialisierung begann, wird es in den Industriestaaten und heute zunehmend auch in den wirtschaftlich erstarkenden Schwellenstaaten (China, Indien) durch Verbrennung von Öl, Kohle und Gas in stark steigenden Mengen in die Atmosphäre freigesetzt. Es gibt deutliche Indizien dafür, dass Kohlendioxid als sogenanntes Treibhausgas zu einem Anstieg der durchschnittlichen Lufttemperatur und damit zur weltweiten Klimaveränderung beiträgt.
Die günstige CO²-Bilanz wird also als Vorteil der Gewinnung von Bioenergie aus nachwachsenden Rohstoffen angesehen. Als ihre Hauptnachteile gelten zum einen ihr geringer Wirkungsgrad, denn letztlich werden nur 0,1- 0,3% der ursprünglich eingestrahlten Sonnenenergie genutzt. Zum anderen ihr ausgesprochen großer Flächenbedarf. Sie ist in die Kritik geraten, weil sogar in Entwicklungsländern, in denen die Nahrungsversorgung Vorrang haben müsste, landwirtschaftliche Flächen für den Anbau von Energiepflanzen umgenutzt wurden. Auch wurden schon unberührte Naturflächen (Regenwald) dafür abgeholzt. Dabei ist der Anbau nur deshalb lukrativ, weil in einigen Industrieländern Subventionen für Bioenergie-Nutzung eingeführt wurden. Außerdem wird die Umwelt zusätzlich und teilweise erheblich durch Pestizide und Fungizide, Wasserverbrauch und Bodenerosion belastet. Eine Ausweitung des Anbaus von Energiepflanzen erscheint daher ökologisch und ökonomisch wenig sinnvoll.
Dagegen ist die Öko-Bilanz von Bioenergie-Anwendungen dann besser, wenn dabei ohnehin anfallende Reststoffe oder organisch belastete Abwässer verwertet werden. Diese müssten sonst unter Umständen mit großem Fremdenergie-Aufwand nachbehandelt werden. Auch diese Variante der Bioenergie-Gewinnung aus Abfall oder Exkrementen wird schon vielfach erfolgreich praktiziert. Sie funktioniert in Großanlagen ebenso wie in kleineren Anlagen zur Versorgung von Mietwohnungs-Blöcken oder auch Einfamilienhäusern. Einer weiterer Vorteil ist dabei, dass der teure Bau von Kanalisationen oder zentralen Kläranlagen überflüssig wird oder zumindest in der Größe reduziert werden kann.