W dzisiejszych czasach coraz szybciej wyczerpują się źródła energii, z których dotychczas czerpała ludzkość, czyli paliwa kopalne - węgiel i ropa naftowa. Są to zasoby powstające tak powoli w skali Ziemi, że są praktycznie nieodnawialne. Dlatego należy zwrócić się w stronę zasobów odnawialnych - Słońce, wiatr, pływy morskie, biomasa - i korzystając z nich, oszczędzić to, co jeszcze pozostało ze złóż kopalnych. Na świecie alternatywne źródła energii są wykorzystywane na coraz szerszą skalę.

Energia słoneczna

Zamiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną odbywa się przy użyciu metody fotowoltaicznej. W Polsce prace takie prowadzone są już od 1973r. Istotą tej metody jest powstawanie w półprzewodniku siły elektromotorycznej pod wpływem napromieniowania go promieniami słonecznymi. Służące do tego kolektory słoneczne składają się z zestawu ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa są połączone szeregowo - w celu uzyskania odpowiedniego napięcia, oraz równolegle - w celu uzyskania odpowiedniej mocy. W skład kolektora wchodzi również urządzenie, które przekształca powstający prąd stały w prąd zmienny oraz system umożliwiający gromadzenie wytworzonej energii. Ponadto znajdują się tu też układy sterujące ruchem kolektora oraz systemy regulacyjno-kontrolne.

Instalacje fotowoltaiczne:

  • nie wymagają żadnego paliwa, a więc jego transport i magazynowanie nie stanowią problemu
  • nie wymagają silnego chłodzenia, a więc nie muszą być lokalizowane w pobliżu rzek (jeśli chodzi o duże elektrownie)
  • przekształcają również promieniowanie rozproszone, czyli działają w czasie zachmurzenia
  • są tak samo wydajne przez cały okres funkcjonowania
  • funkcjonują bezproblemowo przez 20-30 lat

W latach 1984-92 powstał kompleks 13 elektrowni słonecznych o różnej mocy w Kalifornii, na pustyni Mojave - 200 km na północny-wschód od Los Angeles. W 1984r., również w Kalifornii, uruchomiona została elektrownia helioelektryczna Carissa Plain. Zastosowana w niej metoda helioelektryczna polega na przemianie bezpośredniej energii promieni słonecznych w energię elektryczną. Stosuje się specjalne ogniwa fotoelektryczne. Mają one zdolność wytwarzania elektryczności również podczas zachmurzenia, a więc wykorzystują też promieniowanie rozproszone, docierające przez chmury. Elektrownie słoneczne w Europie znajdują się m.in. na wyspie Pellworm na Morzu Północnym (Niemcy) oraz we Włoszech. Elektrownia niemiecka pracuje od 1983r. i ma moc 300 kW. Elektrownia włoska jest największą w Europie - osiąga moc 3,3 MW. 

Niestety, koszty eksploatacji dużych elektrowni słonecznych są bardzo wysokie, więc raczej nie będą one stanowiły przyszłości energetyki. Zastosowanie kolektorów słonecznych jest znacznie korzystniejsze w niewielkich instalacjach domowych. Baterie słoneczne umieszczone na dachu pozwalają na podgrzanie wody do 40°C. Przy zastosowaniu ogrzewania podłogowego wystarcza to na ogrzanie całego domu. Pierwszy dom ogrzewany w całości energią słoneczną powstał niedawno w Szwajcarii, w miejscowości Oberbüren. W Stanach Zjednoczonym instalowane są jeszcze większe kolektory, podgrzewające wodę do 65°C. Stosowane są one do ogrzewania wody w basenach kąpielowych, w rolnictwie oraz tam, gdzie brak jest systemów ciepłowniczych.

Energia słoneczna może być wykorzystywana i do innych celów. W Szwajcarii zastosowano tą metodę do podgrzewania jezdni! W okolicy Interlaken pod szosą umieszczono wężownicę, którą przepływa mieszanka wody i glikolu. Latem powierzchnia drogi nagrzewa się pod wpływem promieniowania słonecznego - ciepło to jest zbierane przez ciecz pod jezdnią i odprowadzane do pobliskich gór. Tam ciepło oddawane jest do skał poprzez 91 sond polietylenowych. W ten sposób asfalt rozgrzany często do temperatury ponad 60°C powoduje wzrost temperatury skał do 20°C. Cała góra jest w stanie zgromadzić nawet 200 tys. kWh ciepła! Zimą z kolei skały oddają zgromadzone ciepło, co powoduje podgrzanie powierzchni jezdni, dzięki czemu nie ulega ona oblodzeniu.

Energia wiatru

Energia pochodząca z wiatru jest stosowana zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w dużych elektrowniach. Jest to metoda prosta i mało kosztowna, ponieważ urządzenia są mało skomplikowane, a ich eksploatacja tania.

Zastosowanie elektrowni wiatrowych jest jednak ograniczone do miejsc, w których silny wiatr występuje w miarę stale. Prędkość wiatru jest istotna, ponieważ wymiarów łopatek nie można zwiększać w nieskończoność - wielkość ich średnicy jest ograniczona konstrukcyjnie do 100m. Wiatr odpowiedni do elektrowni wiatrowej powinien mieć prędkość większą niż 6 m/s. Od tego, jak często wieje silny wiatr, zależy ilość energii uzyskanej w skali roku - a to jest wyznacznikiem opłacalności elektrowni. Dlatego szczególnie opłacalne do takich inwestycji są obszary nadmorskie oraz podgórskie. Oprócz tych ograniczeń, elektrownie wiatrowe mają inne wady: potrzebne są duże powierzchnie pod ich budowę, szpecą krajobraz, powodują hałas i przeszkadzają w przelotach ptaków. Elektrownia o mocy 300kW powinna być oddalona od budynków mieszkalnych o ponad 300m.

Na świecie powstało mnóstwo tego typu elektrowni od czasu kryzysu energetycznego w 1973r. Ze względu na ograniczenia meteorologiczne, nie każdy kraj może pozwolić sobie na ten sposób pozyskiwania energii. W Europie szczególnie korzystną sytuację mają: Niemcy, Szwecja, Dania i Wielka Brytania. W Danii pracuje ponad 5 tysięcy wiatraków - na rok 1997 stanowiły one aż 6,5% całkowitego zapotrzebowania kraju na prąd. Rządowa uchwała przewiduje, że do 2008r. energia wiatru będzie stanowiła 15% całkowitego zapotrzebowania - w związku z tym mają stanąć kolejne elektrownie - 5 kompleksów, liczących razem 500 wiatraków. Elektrownie wiatrowe od dawna stanowią element krajobrazu w niemieckim landzie Schleswig-Holstein. Działa tam 1000 elektrowni, które zaspokajają 6% zapotrzebowania tego regionu na energię elektryczną (wg. danych z 1996r.). Duża elektrownia wiatrowa znajduje się też w Szwecji, koło Malmö, a największą w Europie jest działająca od 1996r. elektrownia walijska, w pobliżu miejscowości Carno. Posiada on 56 wiatraków, wytwarzających łącznie energię o mocy 30 MW.

Energia wodna

Korzystanie z energii płynącej wody jest korzystne pod względem ekologicznym oraz ekonomicznym. Reguluje bowiem stosunki wodne i zwiększa retencję wody. To z kolei jest korzystne dla roślinności - zarówno naturalnej, jak i upraw - oraz dla zaopatrywania w wodę ludności i przemysłu.

Działanie elektrowni wodnych opiera się na wykorzystaniu prostej zamiany energii potencjalnej w kinetyczną. Źródła rzeki położone są na terenach wysokich - w górach lub na wyżynach. Woda bijące ze źródła posiada więc energię potencjalną i spływa korytem w dół, na niziny, zamieniając energię potencjalną w energię kinetyczną ruchu. Ta właśnie energia kinetyczna napędza turbiny elektrowni, przez które przepływa rzeka.

Energia morza

Morze wykorzystywane jest do produkcji energii w trojaki sposób: wykorzystuje się pływy morskie, fale oraz różnicę temperatur na różnych głębokościach. Planuje się też wprowadzić wykorzystanie prądów morskich.

We Francji w ujściu rzeki La Rance do Kanału La Manche działa największa na świecie elektrownia pływowa. Powstała w roku 1967. Jej moc osiąga 240 MW (24 turbiny wodne po 10 MW każda). Elektrownie pływowe znajdują się również w Chinach, Rosji i Kanadzie. W najbliższym czasie planuje się uruchomić je także w Wielkiej Brytanii, Indiach i Korei Południowej.

Elektrownie, w których turbiny napędzane są przez fale morskie, pracują w Skandynawii - m.in. na wyspie Toftestallen (Norwegia) oraz na wyspie Islay (Szwecja).

Energia produkowana dzięki różnicy temperatur na powierzchni oceanu oraz w jego głębi wykorzystywana jest głównie w okolicach równikowych, gdzie różnice te są największe. Na powierzchni oceanu woda ma temperaturę około 30°C, a na głębokości 300-500m około 7°C. Stosuje się instalację, wypełnioną amoniakiem, freonem lub propanem. Temperatura na powierzchni wody powoduje parowanie tych substancji, które są następnie skraplane przez wodę czerpaną z głębokości 300-500m. Całość umieszczona jest na pływającej platformie. Określa się to mianem elektrowni maretermicznej. Powstający prąd przesyłany jest na ląd podmorskim kablem. Z tego typu źródła energii korzystają m.in. wyspy: Bali (Indonezja - 5MW), japońskie (10MW), Tahiti (5MW) i Hawaje (40MW).

Energia biomasy

Wykorzystanie biomasy roślinnej do celów energetycznych odbywa się najczęściej poprzez jej spalanie, gdyż jest to sposób najszybszy. Biomasa - w przeciwieństwie do węgla - zawiera niewielkie ilości siarki, a więc jej spalanie nie powoduje zanieczyszczenia powietrza. Wydzielony CO2 zostaje w całości absorbowany przez fotosyntetyzujące rośliny, toteż obieg substancji jest zamknięty. 1 tona suchej biomasy ma taką samą wartość opałową, co 0,7 tony węgla kamiennego. Najczęściej spalane są słoma, drewno opałowe oraz drewno odpadowe. W gminie Grabowiec (Zamojszczyzna) od 1997r. działa duża kotłownia opalana właśnie słomą.

Innym sposobem wykorzystania biomasy jest fermentacja metanowa. Zachodzi ona w biomasie wilgotnej, nie nadającej się do spalenia. Powstający w wyniku fermentacji biogaz może być wykorzystywany do produkcji ciepła. Przykładem może być instalacja na wysypisku śmieci w Toruniu. Jest ona skomputeryzowana i zautomatyzowana, wytwarza 550 kW energii elektrycznej na godzinę i 800 kW ciepła, używanego do ogrzewania mieszkań. Roczna produkcja energii odpowiada spaleniu 2,6 tysiąca ton węgla. Biomasę można również kompostować, a następnie zbierać wydzielane ciepło.

W Szwecji został opracowany program produkcji biomasy przeznaczonej do celów energetycznych (opałowych). Coraz szerzej jest on stosowany również w Polsce. Z powierzchni 1 ha plantacji wierzby energetycznej otrzymuje się 50-70 m3 drewna na rok. Oprócz drewna pozyskuje się też 4-7 ton biomasy liści i korzeni. Koszt założenia takiej plantacji zwraca się już po pięciu latach.