Pojęcie alternatywnych źródeł energii powiązane jest z pojęciem odnawialnych (czy nawet niewyczerpywalnych) źródeł energii. Czasami jednak pod pojęciem tym rozumie się produkcję energii przez małych, lokalnych producentów (również gospodarstwa domowe), nie zaś duże instytucje (stąd np. dużych elektrowni wodnych często nie zalicza się do producentów energii ze źródeł alternatywnych).
Najważniejsze alternatywne źródła energii to:
- energia wodna – energia mechaniczna płynącej wody, jej wykorzystaniem zajmuje się hydroenergetyka (elektrownie przepływowe, elektrownie zbiornikowe i elektrownie szczytowo-pompowe),
- energia wiatru, czyli energia kinetyczna poruszających się mas powietrza (pozyskiwana przez turbiny wiatrowe),
- energia słoneczna (przekształcana w energię elektryczną przez ogniwa fotowoltaiczne i w ciepło przez kolektory słoneczne),
- energia geotermalna,
- biomasa.
Potencjalnymi źródłami energii są również: energia pływów morskich i ciepła oceanu (elektrownia maretermiczna) – istnieją próbne instalacje oraz energia falowania i prądów morskich.
Najpowszechniej wykorzystywanym alternatywnym źródłem energii jest energia wodna.
Jest ona wykorzystywana od dawna – np. umieszczane w nurcie strumienia lub rzeki koła wodne napędzały maszyny w młynach, foluszach (zakładach przeróbki sukna wełnianego np. na filc), kuźniach i pierwszych zakładów przemysłowych w połowie XVIII wieku.
W XIX wieku koło wodne zostało zastąpione przez turbinę wodną, czyli silnik przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy wirnika z łopatkami. Energia ta służy do napędu prądnic.
Zakład przemysłowy przekształcający (z pomocą turbin wodnych i prądnic) energię potencjalną płynącej lub spadającej z wysoka wody na energię elektryczną to elektrownia wodna (hydroelektrownia). W 2012 roku elektrownie wodne dostarczyły na świecie ponad 3,6 tys. TWh energii elektrycznej (ok. 16%) wyprodukowanej w tym roku elektryczności.
Rozróżniamy dwa podstawowe typy hydroelektrowni:
- elektrownie przepływowe – nie wymagające tworzenia zalewów i nie piętrzące wody, ich moc wynika z mocy płynącej naturalnie wody, największą elektrownią przepływową na świecie jest Tama Wodza Józefa (Chief Joseph Dam) na rzece Kolumbii w USA, o mocy 2,6 MW;
- elektrownie zbiornikowe (regulacyjne) - wyposażone w zbiornik wodny znajdujący się powyżej zapory piętrzącej wodę, zwiększa to ciśnienie hydrostatyczne i spad wody a w efekcie też energię wody, zbiornik uniezależnia elektrownię od zmian dopływu wody, regulując ilość wody, która przepływa przez turbiny, decyduje się o ilości wytwarzanej energii, zbiorniki obok znaczenia w wytwarzaniu elektryczności pełnia też zwykle funkcję przeciwpowodziową,
wśród elektrowni wodnych zbiornikowych są elektrownie o największej na świecie mocy, należą do nich: Zapora Trzech Przełomów na rzece Jangcy w Chinach z turbinami o mocy 22,5 tys. MW, Zapora Itaipu (wysoka na 196 m) na rzece Parana na granicy Brazylii i Paragwaju z elektrownia o mocy 14 tys. MW i Zapora Guri na rzece Caroni w Wenezueli z turbinami o mocy ponad 10 tys. MW.
Odmianą elektrowni zbiornikowych są elektrownie szczytowo-pompowe. W elektrowniach tych na przemian zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji wpompowując wodę ze zbiornika dolnego do zbiornika górnego a następnie energię potencjalną na energię elektryczną spuszczając wodę w dół i napędzając turbiny wodne. Elektrownia taka w sumie nie produkuje prądu, a jedynie pozwala go zakumulować w okresie, gdy zapotrzebowanie na prąd elektryczny oraz jego cena są mniejsze (np. w nocy) i dostarcza go do sieci energetycznych w czasie, gdy zapotrzebowanie na prąd i jego cena są największe (dzienny „szczyt” zapotrzebowania). Elektrownie szczytowo-pompowe stanowią uzupełnienie dla produkcji energii elektrycznej w elektrowniach cieplnych (np. węglowych), w których wielkość produkcji energii nie jest tak elastyczna.
Zalety elektrowni wodnych to:
- wykorzystanie odnawialnego źródła energii,
- możliwość szybkiego uruchamiania i zatrzymywania (woda nie jest kierowana na turbiny tylko na urządzenia upustowe) elektrowni,
- niskie koszty wytwarzania energii,
- mała emisja zanieczyszczeń powietrza i dwutlenku węgla (chociaż wzrasta emisja innego gazu szklarniowego - metanu),
- możliwość wykorzystania zbiornika wodnego w innych celach poza energetycznym: przeciwpowodziowym, wypoczynkowym lub jako rezerwuar wody pitnej oraz wody dla przemysłu.
Wady elektrowni wodnych to:
- uzależnienie od warunków naturalnych (gł. ilości opadów, np. susza w Brazylii w 2001 roku spowodowała spadek produkcji elektryczności przez tamtejsze elektrownie wodne i w rezultacie spadek produkcji przemysłowej),
- konieczność zalania dużych obszarów i przesiedleń ludzi,
- duże koszty budowy elektrowni wodnej,
- zmiany krajobrazu,
- zmiany mikroklimatu wokół zbiornika,
- zmiany stosunków wodnych (zmiany temperatury wody, częstości występowania zjawisk lodowych, duża zmienność poziomu wody w rzece poniżej zbiornika w efekcie spustów wody, zmiana położenia zwierciadła wód podziemnych wokół zbiornika),
- zmiany warunków życia zwierząt (pojawiają się biocenozy typowe dla wód stojących zamiast biocenoz wód płynących, problemy mają ryby wędrowne, np. łososie),
- zamulanie zbiornika (trzeba go pogłębiać lub utraci swoją przydatność, w Egipcie budowa Zbiornika Nasera odcięło pola w dolinie i w delcie Nilu od namułów rzecznych, które wcześniej użyźniały je przez tysiące lat),
- groźba zalania obszarów położonych poniżej zbiornika w sytuacji uszkodzenia tamy (np. przez trzęsienie ziemi).
W Europie duże znaczenie wśród alternatywnych źródeł energii ma obok energii wodnej wykorzystanie energii wiatru. W przeszłości energię wiatru stosowano w transporcie (era statków żaglowych) oraz w wiatrakach jako napęd pomp w systemach odwadniających (np. w Holandii), czy w młynarstwie. Współcześnie energię wiatru wykorzystują elektrownie wiatrowe produkujące z pomocą turbin wiatrowych (zamieniają energię kinetyczną wiatru na energię mechaniczną ruchu obrotowego wirnika) energię elektryczną. Jako określenie elektrowni wiatrowej skupiającej szereg turbin wiatrowych często można spotkać pojęcie farma wiatrowa. Buduje się je zarówno na lądzie (pierwsza tak farma powstała w 1980 roku w stanie New Hampshire na wschodnim wybrzeżu USA), jak i na przybrzeżnych obszarach morskich (z reguły panują tam lepsze warunki wietrzne). Najwięcej elektryczności z wiatru pozyskują Chiny, największa farma wiatrowa o łącznej mocy ponad 1,3 tys. MW znajduje się jednak w Kalifornii w USA, gdzie Centrum Energii Wietrznej Alta położone na Przełęczy Tehachapi skupia 490 turbin wietrznych na powierzchni prawie 40 km2.
Wśród zalet energetyki wiatrowej zazwyczaj wspomina się jej ekologiczność (brak emisji zanieczyszczeń powietrza oraz dwutlenku węgla), wykorzystanie odnawialnego źródła energii oraz niskie koszty eksploatacji turbin wiatrowych.
Główne wady elektrowni wiatrowych to:
- wysokie koszty budowy,
- zajmowanie dużych obszarów i znaczne zmiany krajobrazu,
- duża zależność od bardzo zmiennych warunków wietrznych (w trakcie fal upałów turbiny często nie obracają się, zaś w trakcie pogody wietrznej produkują zbyt dużo energii elektrycznej – stąd duża zmienność wielkości produkcji, co stanowi problem dla administratorów sieci energetycznych i odbiorców i zmusza do utrzymania rezerwy w postaci elektrowni cieplnych),
- stosunkowo mała wydajność w produkcji energii (cena energii jest wyższa niż w przypadku energii pochodzącej z elektrowni cieplnych),
- zakłócenia odbioru fal radiowych,
- hałas i niebezpieczeństwo dla ptaków migracyjnych, na których szlakach znajdują się farmy wiatrowe.
W ostatnich latach niezwykle dynamicznie w skali globu (zwłaszcza w krajach o klimacie gorącym i suchym) wzrasta wykorzystanie energii słonecznej. Na powierzchni Ziemi moc promieniowania słonecznego wynosi 86 petawatów (1015 watów), jest więc najobfitszym odnawialnym źródłem energii. Promieniowanie słoneczne jest też jednak najbardziej rozproszonym alternatywnym źródłem energii. Kolektory i ciepłownie słoneczne dostarczają ciepłej wody zarówno dla pojedynczych budynków, jak i całych miasteczek. Z kolei panele zbudowane z ogniw słonecznych (półprzewodnikowe, najczęściej krzemowe) bezpośrednio zamieniają energię słoneczną na energie elektryczną. Ich sprawność wynosi kilkanaście %. (najczęściej krzemowych). Instalacje produkujące ciepło mają obecnie moc nie przekraczającą stu kilkudziesięciu MW, zaś instalacje fotowoltaiczne, produkujące prąd elektryczny nie większą niż kilkadziesiąt MW – najwięcej ich znajduje się w USA i Hiszpanii.
Główne zalety energetyki słonecznej to:
- ekologiczny charakter produkcji energii – odnawialne źródło energii, brak emisji zanieczyszczeni powietrza i gazów szklarniowych,
- niezawodność ogniw i wydajność, która nie zmniejsza się z biegiem lat,
- niskie koszty eksploatacji instalacji,
- mogą powstawać w miejscach trudno dostępnych.
Główne wady energetyki słonecznej to:
- zależne są od pogody – zachmurzenia nieba,
- czas magazynowania energii jest krótki,
- zajmują duże obszary,
- w ogniwach zawarte są liczne związki toksyczne, np. tellur, kadm i in.
Lokalnie tylko znaczenie w wytwarzaniu ciepła i w mniejszym stopniu energii elektrycznej ma energia geotermalna (pozyskiwana z wód termalnych lub wód wtłoczonych pod powierzchnię Ziemi) – w Islandii, Nowej Zelandii, Filipinach.
Do zalet energetyki geotermalnej należą:
- czysta produkcja energii,
- brak odpadów
Do wad należą:
- wysokie koszty budowy i eksploatacji instalacji,
- możliwość zanieczyszczenia otoczenia substancjami toksycznymi, np. arsenem.