Растущая озабоченность постоянно увеличивающимися потребностями мира в энергии и перспектива быстрого истощения запасов нефти, природного газа и уранового топлива послужили толчком к разработке жизнеспособных альтернативных источников энергии. Нестабильность и неопределенность поставок нефтяного топлива резко проявились во время энергетического кризиса 1970-х годов, вызванного резким прекращением поставок нефти с Ближнего Востока во многие высокоразвитые страны мира. Также было признано, что сильная зависимость от ископаемого топлива оказывает негативное влияние на окружающую среду. Бензиновые двигатели и паротурбинные электростанции, сжигающие уголь или природный газ, выбрасывают в атмосферу значительное количество диоксида серы и оксидов азота. Соединяясь с водяным паром в атмосфере, эти газы образуют серную и азотную кислоты, что приводит к выпадению высококислотных осадков. При сжигании ископаемого топлива также выделяется углекислый газ. Количество этого газа в атмосфере неуклонно растет с середины 1800-х годов, в основном в результате растущего потребления угля, нефти и природного газа. Все больше ученых считают, 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, задерживаемого в нижних слоях атмосферы. Это может привести к климатическим изменениям с серьезными последствиями
Многие страны инициировали программы по разработке технологий возобновляемой энергетики, которые позволили бы им сократить потребление ископаемого топлива и сопутствующие ему проблемы. Устройства термоядерного синтеза считаются лучшим долгосрочным вариантом, поскольку их основным источником энергии будет изотоп водорода дейтерий, в изобилии содержащийся в обычной воде. Среди других активно разрабатываемых технологий — те, что призваны более широко и эффективно использовать энергию солнечного света, ветра, движущейся воды и земного тепла (геотермальной энергии). Количество энергии в таких возобновляемых и практически не загрязняющих окружающую среду источниках велико по сравнению с мировыми энергетическими потребностями, однако в настоящее время лишь небольшая ее часть может быть преобразована в электрическую энергию по разумной цене.
Для более эффективного использования энергии солнечного света было создано множество устройств и систем. Одними из самых эффективных являются фотоэлектрические системы, которые преобразуют лучистую энергию Солнца непосредственно в электричество с помощью солнечных элементов из кремния или арсенида галлия. Большие массивы, состоящие из тысяч таких полупроводниковых элементов, могут служить центральными электростанциями. Другие системы, находящиеся в стадии разработки, предназначены для концентрации солнечного излучения не только для выработки электроэнергии, но и для производства высокотемпературного технологического тепла для различных применений. В таких системах используется ряд различных компонентов, включая большие параболические концентраторы и тепловые двигатели типа двигателя Стирлинга (см. выше). Другой подход предполагает использование плоских солнечных коллекторов для отопления помещений коммерческих и жилых зданий.
Хотя ветер непостоянен и рассеян, он содержит огромное количество энергии. Для преобразования этой энергии в электрическую были разработаны сложные ветряные турбины. Использование ветроэнергетических систем заметно выросло в 1980-х годах. Например, на Гавайях и в Калифорнии в специально отведенных местах сейчас работает более 15 000 ветряных турбин. Их суммарная мощность в 1 500 мегаватт примерно равна мощности обычной паротурбинной электростанции.
Преобразование энергии движущейся воды в электричество — давняя технология. 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 приводит в движение электрогенераторы, вырабатывающие электричество. Однако гидроэлектростанции, как правило, требуют строительства дорогостоящих плотин. Еще одним фактором, ограничивающим значительное увеличение производства гидроэлектроэнергии, является нехватка подходящих мест для строительства дополнительных установок, за исключением некоторых регионов мира.
В некоторых прибрежных районах мира, например, в эстуарии реки Ранс в Бретани (Франция), для использования огромного количества энергии океанских приливов используются гидравлические турбогенераторы. Однако в большинстве таких мест капитальные затраты на строительство плотиноподобных сооружений для улавливания и хранения воды являются непомерно высокими.
Геотермальная энергия поступает из горячих недр Земли на поверхность в виде пара или горячей воды, чаще всего в районах активного вулканизма. Геотермальные резервуары с температурой 180 °C и выше подходят для выработки электроэнергии. Самая ранняя коммерческая геотермальная электростанция была построена в 1904 году в Лардерелло, Италия. Сегодня пар из скважин, пробуренных на глубине сотен метров, приводит в действие турбогенераторы станции, вырабатывающие около 190 мегаватт электроэнергии. Геотермальные станции были построены в ряде других стран, включая Сальвадор, Японию, Мексику, Новую Зеландию и Соединенные Штаты. Главная американская станция, расположенная в Гейзерах к северу от Сан-Франциско, может вырабатывать до 1900 мегаватт, хотя производство может быть ограничено, чтобы продлить срок службы парового месторождения.
