Растущая озабоченность в связи с постоянно растущими энергетическими потребностями в мире и перспектива быстрого истощения ископаемого топлива, газа и уранового топлива побудили предпринять усилия по разработке жизнеспособных альтернативных источников энергии. Волатильность и неопределенность поставок нефтяного топлива резко проявились во время энерго кризиса 1970-х годов, вызванного резким сокращением поставок нефти с Ближнего Востока во многие высокоразвитые промышленно развитые страны мира. Было также признано, что сильная зависимость от ископаемых видов топлива оказала негативное влияние на экологию. Бензиновые двигатели и паротурбинные электростанции, сжигающие уголь или природный газ, выбрасывают в атмосферу значительные количества диоксида серы и оксидов азота. Когда эти газы соединяются с атмосферным водяным паром, они образуют серную кислоту и азотную кислоту, что приводит к выпадению высококислотныхосадков. После сжигания ископаемых видов топлива выделяется также двуокись углерода. Количество этого газа в атмосфере неуклонно растет с середины 1800-х годов во многом благодаря растущему потреблению нефти, газа и угля. Все больше ученых полагают, что накопление углекислого газа в атмосфере (наряду с другими промышленными газами, такими как метан и хлорфторуглероды) может вызвать парниковый эффект, повышая температуру поверхности Земли за счет увеличения количества тепла, удерживаемого в нижних слоях атмосферы. Это условие может привести к климатическим изменениям с серьезными последствиями для природных и сельскохозяйственных экосистем. (Подробное обсуждение кислотных дождей и парникового эффекта см. в статьях "Глобальное потепление", "Изменение и изменение климата" и "Гидросфера": Кислотные дожди и накопление парниковых газов).
Многие страны инициировали программы по разработке технологий использования альтернативных источников энергии позволяющие им сократить потребление ископаемого топлива и связанные с этим проблемы. Считается, что термоядерные устройства являются лучшим долгосрочным вариантом, поскольку их основным источником энергии будет изотоп дейтерия водорода, в изобилии присутствующий в обычной воде. Активно внедряются и другие технологии, направленные на более широкое и эффективное использование солнечной и ветроэнергии, движущейся воды и земного тепла (т.е. геотермальной энергии). Количество энергии в таких возобновляемых и практически незагрязненных источниках велико по отношению к мировым энергетическим потребностям, однако в настоящее время лишь небольшая ее часть может быть преобразована в электрическую энергию по разумной цене.
Для более эффективного использования энергии в солнечном свете были созданы различные устройства и системы. Среди наиболее эффективных - фотоэлектрические системы, которые преобразуют лучистую энергию Солнца непосредственно в электричество с помощью солнечных батарей на основе кремния или арсенида галлия. Большие массивы, состоящие из тысяч этих полупроводниковых элементов, могут функционировать в качестве центральных электростанций. Другие системы, которые все еще находятся в стадии разработки, предназначены для концентрации солнечного излучения не только для выработки электроэнергии, но и для производства высокотемпературного технологического тепла для различных применений. В этих системах используется ряд различных компонентов, включая большие параболические концентраторы и тепловые двигатели типа двигателя Стирлинга (см. выше). Другой подход заключается в использовании плоских солнечных коллекторов для обеспечения отопления помещений коммерческих и жилых зданий.
Хотя ветер является прерывистым и рассеянным, он содержит огромное количество энергии. Для преобразования этой энергии в электрическую были разработаны сложные ветряные турбины. Использование ветроэнергетических систем заметно возросло в 1980-х годах. Например, в настоящее время на Гавайях и в Калифорнии на специально отобранных площадках эксплуатируется более 15 000 ветряных турбин. Их суммарная мощность в 1500 мегаватт примерно равна мощности обычной паротурбинной электростанции.
Преобразование энергии при перемещении воды в электричество является давней технологией. Тем не менее, по оценкам, гидроэлектростанции обеспечивают лишь около 2 процентов мировых потребностей в энергии. Технология достаточно проста: гидравлические турбины преобразуют энергию быстро текущей или падающей воды в механическую энергию, которая приводится в движение электрогенераторами, вырабатывающими электроэнергию. Однако гидроэлектростанции, как правило, требуют строительства дорогостоящих плотин. Еще одним фактором, ограничивающим любой значительный рост производства гидроэлектроэнергии, является нехватка подходящих площадок для дополнительных установок, за исключением некоторых регионов мира.
В некоторых прибрежных районах мира, как, например в Бретани (Франция), гидротурбинные установки используются для использования большого количества энергии при океанских приливах. Однако в большинстве таких объектов капитальные затраты на строительство плотинных сооружений, с помощью которых можно улавливать и накапливать воду, непомерно высоки.