Tảo được nghiên cứu lần đầu tiên với vai trò là nguồn nhiên liệu tiềm năng thay thế cho nhiên liệu từ dầu mỏ vào những năm 1970 trong thời kỳ khủng hoảng về khí đốt. Tuy nhiên, do giá thành sản xuất cao cùng với những hạn chế khác đã ngăn cản việc sản xuất nhiên liệu từ tảo ở quy mô thương mại. Những nghiên cứu sau đó đã tiếp tục được thực hiện vào những năm 1980 và đặc biệt là trong 15 năm sau đó, đã cho thấy rằng việc phát triển các nghiên cứu về tảo trong lĩnh vực NLSH có khả năng làm cho tảo từ chỗ hầu như chỉ được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản, khai thác các sản phẩm thứ cấp và làm thực phẩm chức năng trở thành một đối tượng đầy tiềm năng để sản xuất NLSH.
Như trên đã nói, từ sinh khối tảo có thể sản xuất ra một số loại NLSH khác nhau, song quan trọng nhất vẫn là biodiesel. Biodiesel sản xuất từ tảo có những đặc tính đốt cháy tương tự như diesel (Marchetti và cs., 2007) và hiện nay đã được sản xuất ở một số quốc gia trên một số loài tảo tiềm năng. Những tiến bộ đáng kể về công nghệ đã đạt được để tối ưu hóa quá trình ester hóa đối với nhiều loại nguyên liệu, trong đó có dầu tảo. Ví dụ, các nhà nghiên cứu người Canada ở Khoa Công nghệ hóa học thuộc Đại học Ottawa đã phát triển một thiết bị phản ứng màng hai
pha mới (two-phase membrane reactor) (Dube và cs., 2007) cho phép khai thác tính chất không trộn lẫn của dầu canola trong methanol để có thể phân tách các sản phẩm (biodiesel/glycerol) ra khỏi phần dầu dư thừa sau phản ứng. Loại thiết bị này thực sự hữu ích trong việc loại bỏ phần dầu không phản ứng ra khỏi sản phẩm để thu được biodiesel có độ tinh sạch cao và làm cho cân bằng phản ứng ester hóa dịch chuyển theo hướng tạo ra sản phẩm. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong sản xuất biodiesel vẫn là giá thành cao của nguyên liệu. Hiện nay, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật. Tuy nhiên, các loại nguyên liệu này không có tính cạnh tranh cao. Chẳng hạn, người ta ước tính rằng để sản xuất ra 5,54 Mtoe (Million tons of oil equivalent, tương đương một triệu tấn dầu) biodiesel tiêu thụ cho giao thông vận tải vào năm 2003 ở 25 quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu (EU- 25) sẽ cần đến 9,3 Mha đất để trồng cải dầu và hướng dương. Con số này tương đương với 150% diện tích đất đang sử dụng để trồng cây nông nghiệp ở EU-25 (diện tích này khoảng 6,4 Mha) (Kondili và cs., 2007). Trong khi đó, một số loài vi tảo có khả năng tích lũy lipid với hàm lượng đáng kể trong sinh khối của chúng được coi là nguồn cung cấp lipid đầy hứa hẹn để sản xuất biodiesel (Miao và cs., 2006; Tornabene và cs., 1983; Xu và cs., 2006).
Christi (2007) đã phân tích khía cạnh kinh tế và những yêu cầu về chất lượng của biodiesel được sản xuất từ vi tảo. Tác giả đã chỉ ra rằng cần phải giảm giá thành của việc nuôi trồng vi tảo cho sản xuất biodiesel để có thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng truyền thống. Mặt khác cũng cần phải quan tâm đến vấn đề vừa nuôi trồng tảo để sản xuất biodiesel nhưng đồng thời vừa có thể khai thác được những vai trò khác của tảo. Chẳng hạn như một hệ thống nuôi trồng vi tảo ở quy mô thương mại (2 ha) kết hợp giữa hai hệ thống photobioreactor và bể hở sử dụng quy trình 2 pha để sản xuất Haematococcus pluvialis làm nguyên liệu sản xuất biodiesel đã được vận hành với năng suất dầu tảo trung bình hằng năm đạt 420 GJ/ha/năm, vượt qua những đánh giá lạc quan nhất về biodiesel được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu thực vật khác. Tốc độ sản xuất cực đại có thể đạt đến 3200 GJ/ha/năm khi sử dụng Chlorella được nuôi trồng dưới những điều kiện tối ưu. Với hiệu suất
này hoàn toàn có thể thay thế được việc sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ như hiện nay, đồng thời làm hạn chế đáng kể sự phát thải CO2từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (Huntley và cs., 2007). Một số quy trình sản xuất biodiesel từ tảo, như quy trình được tiến hành ở Đại học Utah, có khả năng cạnh tranh về giá thành với diesel truyền thống vào năm 2009 (Seefeldt, 2007). Ở Trung Quốc, Xiufeng và cs. (2007) đã công bố về biodiesel được sản xuất từ vi tảo Chlorella protothecoides ở quy mô 11.000 Lít. Ngoài ra, các tác giả cũng thừa nhận tiềm năng của việc nuôi trồng tảo theo phương thức dị dưỡng vì phương thức này không cần phải đáp ứng những yêu cầu như đối với nuôi trồng vi tảo quang tự dưỡng để biến đổi năng lượng mặt trời thành NLSH. Thay vào đó, các nguồn carbon hữu cơ như glucose sẽ được sử dụng để sản xuất nhiên liệu.
Nhìn chung, hầu hết các công trình nghiên cứu đều chứng minh vi tảo có khả năng tạo ra dầu cho sản xuất biodiesel. Tuy nhiên, không có quy trình sản xuất biodiesel nào là tối ưu có thể áp dụng được cho tất cả các loại nguyên liệu, trong đó có vi tảo. Vì mỗi loại nguyên liệu đều có những tính chất vật lý và hóa học riêng nên đòi hỏi phải có những quy trình thích hợp để có thể khai thác được tối đa tiềm năng của các nguồn năng lượng tái sinh này.