Растущий спрос на энергию и осознание ограниченности запасов ископаемого топлива стимулируют активный поиск и развитие возобновляемых ресурсов. Широкое распространение получила гидроэлектроэнергия, на долю которой в таких странах, как Норвегия и Бразилия, приходится свыше 90% общей генерации. Нефтяной кризис 1970-х годов возродил интерес к энергии ветра, что привело к масштабному строительству ветропарков в Германии, США, Дании и Индии.
Гидроэлектроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях (ГЭС), которые используют кинетическую энергию падающей воды для вращения турбин, соединенных с генератором. Сооружения возводят на природных водопадах или создают искусственные перепады уровня воды с помощью плотин. В регионах с переменным суточным потреблением электроэнергии применяют гидроаккумуляторные станции. В периоды низкого спроса избыточная энергия направляется на перекачку воды в верхний резервуар, который затем используется для генерации в часы пиковой нагрузки.
К преимуществам гидроэнергетики относят низкие эксплуатационные расходы и отсутствие вредных выбросов. Сооружаемые плотины помогают регулировать паводки и обеспечивают водными ресурсами для ирригации. Однако к недостаткам причисляют высокие капитальные затраты на строительство и возможное затопление обширных территорий, что ведет к нарушению локальных экосистем. Крупнейшей действующей ГЭС долгое время являлась станция «Итайпу» на реке Парана (граница Бразилии и Парагвая) мощностью 12 600 МВт.
Энергия приливов и волн представляет собой перспективное направление океанической энергетики. Приливные электростанции используют силу прилива с помощью плотин, перекрывающих устья рек (эстуарии). Во время прилива вода проходит через турбины, а при отливе направляется обратно, вырабатывая электроэнергию. Волновые электростанции преобразуют энергию океанских волн, например, через сжатие воздуха в специальных камерах. Данная технология пока находится преимущественно на экспериментальной стадии.
Главным преимуществом приливной и волновой энергетики является использование неисчерпаемого источника без образования вредных отходов. Однако существенными ограничениями служат необходимость высокой амплитуды прилива (от 6 метров), непостоянство генерации и потенциальное воздействие на прибрежные экосистемы. Крупнейшей приливной электростанцией является эстуарий Ране во Франции мощностью 240 МВт, а самой большой волновой установкой — станция «Азоры» в Португалии (1 МВт).
Энергия ветра преобразуется с помощью ветряных турбин, большинство из которых имеют трехлопастной пропеллер диаметром до 100 метров, соединенный с генератором. Компьютерные системы автоматически ориентируют лопасти против ветра и регулируют их положение. Мощность современных генераторов может достигать 4 МВт, хотя типичный диапазон составляет 250-500 кВт. Турбины часто объединяют в «ветряные фермы», располагаемые на возвышенностях, равнинах, побережьях или на шельфе.
С 1997 года мировое производство ветроэнергетики ежегодно росло более чем на 25%. К 2000 году общая мощность достигла 10 000 МВт, что в десять раз превысило показатели 1990 года, и продолжает увеличиваться. Эксплуатационные расходы современных ветряных ферм сравнимы с затратами лучших угольных электростанций, при этом они не производят вредных выбросов. Однако генерация непостоянна и зависит от силы ветра, а сами турбины создают шум, занимают большие площади и могут представлять опасность для птиц.
К альтернативным источникам энергии также относят солнечную, геотермальную энергию и биомассу. В Греции солнечные установки широко применяются для нагрева воды, а в Исландии более 85% домов отапливаются за счет геотермальных источников. Энергия биомассы, получаемая из органических отходов, обеспечивает около 15% энергопотребления на внутреннем рынке скандинавских стран.
Солнечная энергетика развивается по двум основным направлениям: термальному и фотовольтаическому (PV). Термальные электростанции используют зеркала (гелиостаты) для фокусировки солнечных лучей на нагревателе, где производится пар для вращения турбин. Фотовольтаические системы преобразуют солнечный свет в электричество непосредственно в солнечных панелях благодаря фотоэлектрическому эффекту.
Ключевое преимущество солнечной энергии — ее неисчерпаемость и экологическая чистота процесса генерации. Однако крупные солнечные станции требуют значительных территорий, производство энергии ограничено световым днем, а эффективность сильно зависит от географического расположения. Крупнейшим комплексом долгое время была установка в пустыне Мохаве (Калифорния, США) с параболическими зеркалами на площади 400 га и общей мощностью 354 МВт.
Геотермальная энергия использует тепло горных пород и подземных вод в регионах с высокой вулканической активностью. Природный пар направляется по трубам к турбинам, либо вода закачивается в пробуренные до горячих пластов скважины для образования пара. По состоянию на 1998 год общая мировая мощность геотермальных электростанций достигала 8240 МВт. Их преимущества включают компактность и возможность работы в базовом режиме 24 часа в сутки.
Недостатками являются редкость пригодных для коммерческого использования источников, а также риск истощения геотермального резервуара в масштабе человеческой жизни. Кроме того, станции могут создавать шум, а оборудование подвержено коррозии из-за минералов в воде. Крупнейшей разработанной геотермальной областью являются «Гейзеры» в Калифорнии (США) с потенциальной мощностью до 1900 МВт.
Биомасса как источник энергии включает органические вещества и отходы. Процессы ее преобразования включают: анаэробное сбраживание с получением биогаза (метана), прямое сжигание отходов для генерации тепла и электричества, спиртовое брожение для производства биоэтанола, а также переработку растительных масел в биодизель. Эти технологии способствуют утилизации отходов и снижению зависимости от ископаемого топлива.
Основные преимущества биоэнергетики — возобновляемость сырья и снижение объемов отходов. Однако сжигание биомассы может сопровождаться выбросами загрязняющих веществ, а метан является мощным парниковым газом, утечки которого усугубляют глобальное потепление. США и Германия лидируют в сжигании отходов для генерации энергии, Бразилия — в производстве биоэтанола, а Индия реализовала масштабную программу по установке бытовых биогазовых установок.
Таким образом, развитие возобновляемой энергетики является комплексным ответом на экологические и ресурсные вызовы современности. Каждое из направлений — гидроэнергетика, ветроэнергетика, солнечная, геотермальная энергия и биоэнергетика — имеет уникальные преимущества, технические ограничения и область оптимального применения, что требует взвешенного подхода при интеграции в общую энергосистему.