Pod względem fizycznym energię definiuje się jako wielkość, która charakteryzuje stan danego układu. Jest to wielkość skalarna i zachowywalna. Energia nie może powstawać z niczego i podobnie nie może zanikać. Może tylko być przekształcana z jednej formy w drugą. Na energię całkowitą układu składa się jego energią kinetyczna, energia potencjalna oraz energia wewnętrzna. Energia kinetyczna związana jest z ruchem układu jako całości. Energia potencjalna wynika z przebywania układu w polu sił np. grawitacyjnych. Natomiast na energię wewnętrzną składają się różnego rodzaju energie drobin tworzących układ.

Rozmaite sektory energetyki wykorzystują różnego rodzaju formy energii w celu uzyskania energii elektrycznej niezbędnej nam do życia.

Człowiek przez wieki nauczył się korzystać z różnego rodzaju surowców dostarczanych nam przez naturę w celu pozyskania energii. I tak na początku wykorzystywano głównie drewno. Był to surowiec najbardziej powszechny a jednocześnie zaspokajający zapotrzebowanie na światło i energię cieplną. Jednak w miarę rozwoju cywilizacji zapotrzebowanie na energię stopniowo wzrastało. Drewno przestało już wystarczać i rozpoczął się etap poszukiwania nowych źródeł. I tak człowiek nauczył się wykorzystywać energię wody rzecznej do napędzania kół młyńskich czy energię wiatru.

Młyny napędzane energią wiatru pojawiły się prawdopodobnie po raz pierwszy na terenie Persji. Ich konstrukcja obejmowała pionowy pal, który utrzymywał ruchome skrzydła przymocowane w płaszczyźnie poziomej. Dolny koniec pala połączony był z kamieniem młyńskim. Tak napędzany kamień rozcierał ziarno na mąkę. Proces ten nie wymagał więc wkładu pracy człowieka. Wiatraki, które zaczęto budować na terenie krajów europejskich zbudowane były nieco inaczej. Mianowicie skrzydła były mocowane w taki sposób, że ich położenie można było dostosowywać do kierunku aktualnie wiejącego wiatru. Do regulacji pozycji skrzydeł służył drąg, który od tyłu był przytwierdzony do słupa, stanowiącego podstawę konstrukcji wiatraka.

Tak więc początkowo energia kinetyczna ruchów powietrza była wykorzystywana do przemiału ziarna. Potem zaczęto projektować specjalne konstrukcje , które ułatwiały przenoszenie ciężkich worków z mąką.

Krajem, a którego krajobrazem identyfikowany jest wiatrak jest niewątpliwie Holandia. Tam nauczono się wykorzystywać wiatraki jeszcze do innych celów. Mianowicie pomagały one przy osuszaniu terenów nadmorskich.

Dużo później zaczęły powstawać pierwsze elektrownie wiatrowe, które zamieniały energię kinetyczną wiatru na energię elektryczną. Pierwsza taka elektrownia powstała w latach 1887-88. Za jej konstruktora uchodzi Amerykanin Charles Brush.

Jedyną wadą elektrowni wiatrowych jest to, że do swojej pracy potrzebuje niestety określonych warunków atmosferycznych. Warunki te dotyczą siły wiatru. Minimalna prędkość wiatru to około 4 m/s. Przy czym należy zauważyć, że również gwałtowne podmuchy wiatru nie sprzyjają pracy elektrowni wiatrowej.

Jednak na terenach dogodnych pod względem warunków atmosferycznych elektrownie wiatrowe być bardzo wydajnym producentem energii elektrycznej. I opłacalna jest budowa zarówno dużych elektrowni wiatrowych jak i całkiem małych konstrukcji pracujących jedynie na potrzeby kilku czy kilkunastu gospodarstw. Jest to szczególnie ważne na terenach gdzie dostarczenie energii elektrycznej produkowanej tradycyjną drogą może być trudne a niekiedy wręcz niemożliwe.

Mimo niewątpliwych zalet elektrowni wiatrowych wzmogły się w ostatnich latach protesty ekologów przeciwko budowie tego typu konstrukcji. Zwracają oni uwagę na duży poziom hałasu emitowanego przez wiatraki wchodzące w skład elektrowni a także na niekorzystne zmiany krajobrazu.

Niewątpliwie, gdyby elektrownia wiatrowa miała zastąpić tradycyjnie pracującą elektrownię to wymagałoby to budowy około 1000 pojedynczych generatorów wiatrowych, tak aby łączna moc wynosiła około 1 MW.

W zależności od mocy można wyróżnić następujące instalacje wykorzystujące energię wiatrową:

* o mocy sięgającej kilkuset kW, 

* o mocy z przedziału 1-5 MW.

W naszym kraju ilość energii elektrycznej produkowanej w elektrowniach wiatrowych to około 0.8 GWh na rok.

Równie popularna jak energia wiatru była energia wody. Na początku była wykorzystywana głównie do napędzania kół młyńskich. Jednak szybko zaczęła być wykorzystywana także w kowalstwie. A wraz z rozwojem przemysłu stała się wręcz niezastąpiona.

Obecnie elektrownie wodne można podzielić ze względu na ich moc na trzy grupy. Tak wyróżnia się:

- duże elektrownie , których moc przekracza 10 MW

- elektrownie o mocy z zakresu: 200 kW do 10 MW

- małe elektrownie zwane mikroelektrowniami - o mocy do 200 kW.

Inny podział elektrowni uwzględnia miejsce jej budowy a co za tym idzie sposób działania. I tak jedną z grup stanowią elektrownie z naturalnym dopływem wody. Są to z reguły elektrownie przepływowe. Ale niektóre elektrownie posiadają dodatkowo sztuczne zbiorniki wodne, które uniezależniają elektrownię np. od obniżenia się poziomu wody w rzece.

Elektrownie przepływowe bazują na fakcie, że źródła rzek są położone wyżej niż ich ujście . W związku z tym woda przemieszcza się od wyższej do niższej energii potencjalnej. Część energii potencjalnej wody ulega więc zamianie na energię kinetyczną. Właśnie z tej energii korzystają elektrownie przepływowe.

Inny rodzaj elektrowni to elektrownie szczytowo - pompowe. Na miejsce budowy takiej elektrowni wybiera się teren między dwoma zbiornikami wodnymi. Ważne jest aby różnica poziomów między tymi zbiornikami była jak największa. Dzięki takiemu usytuowaniu w elektrowni takiej zachodzi możliwość magazynowania energii elektrycznej w okresach zmniejszonego zapotrzebowania. Konstrukcja elektrowni szczytowo - pompowej obejmuje szereg turbin i prądnic. W momencie gdy następuje spływ wody ze zbiornika położonego niżej woda napędza turbiny i prądnice generują prąd elektryczny. Gdy jednak zachodzi potrzeba przepompowania wody ze zbiornika niżej położonego do zbiornika na wyższym poziomie wtedy prądnice obejmują funkcję silników napędzających turbiny. Dzięki temu możliwy jest przepływ wody wbrew grawitacji.

W naszym kraju wykorzystanie energii wodnej nie jest zjawiskiem powszechnym. W ten sposób produkuje się jedynie około 2.7 % energii. Największa z elektrowni wodnych pracuje na Wiśle, we Włocławku. Jej moc to jedynie 160 MW.

Oprócz energii rzecznej możliwe jest także wykorzystanie energii pływów morskich. Takie elektrownie to jednak rzadkość na nadbrzeżach światowych. Wymagają bowiem specyficznych warunków dotyczących m.in. ukształtowania brzegu morskiego a także odpowiedniej różnicy poziomu morza miedzy odpływami i przypływami. Jedna z takich elektrowni pracuje obecnie na terenie Francji.

Kolejnym źródłem energii znanym i wykorzystywanym od wieków jest energia słoneczna. Używali jej m.in. do rozniecania ognia starożytni Grecy a także mieszkańcy Chin.

Energia słoneczna może być i dla nas pewną alternatywą w stosunku do tradycyjnych źródeł energii. Ma jedną podstawowa zaletę, a mianowicie jak na razie jest niewyczerpywalna.

Do powierzchni naszej planety dociera promieniowanie słoneczne o wartości około 1.9W. Nie całe jednak dostaje się na Ziemię. W atmosferze bowiem ulega rozpraszaniu oraz pochłanianiu. W rzeczywistości więc do powierzchni naszej planety dociera tylko około 40 % pierwotnego promieniowania słonecznego. Jednak i tak jest to bardzo duża moc. Na terenie Polski gęstość padającego promieniowania słonecznego wynosi około 780-1050 kWh/mna rok.

Możliwość wykorzystania energii słonecznej jest uzależniona od warunków panujących na danym terenie. Wiadomo bowiem, że powierzchnia kuli ziemskiej nie jest oświetlana w jednakowym stopniu. Zależy to od szerokości geograficznej a także pory roku no i oczywiście pory dnia.

Energia słoneczna może być zamieniona na energię cieplną w kolektorach słonecznych lub na energię elektryczną w elektrowniach słonecznych.

Elektrownie słoneczne stanowią olbrzymie skupiska baterii słonecznych. Baterie te z kolei składają się z dużej ilości ogniw, w których następuje przetwarzanie energii słonecznej w energię elektryczną. Ponieważ prąd wytwarzany przez pojedyncze ogniwo jest niewielki, dlatego zachodzi konieczność łączenia dużej ilości takich ogniw. Ogniwa słoneczne buduje się z krzemu krystalicznego, zwykle domieszkowanego.

Baterie słoneczne mogą być wykorzystywane zarówno w dużych elektrowniach słonecznych jak i produkować energię elektryczną tylko na użytek jednego gospodarstwa. Malutkie bateryjki słoneczne posiadają również zegarki i kalkulatory.

Innym źródłem energii jest dzisiaj coraz bardziej doceniana a znana również od wieków energia geotermalna. Na podstawie licznych prac archeologicznych wiadomo, że energia geotermalna była bardzo cenionym, wykorzystywanym w różny sposób źródłem. Przede wszystkim korzystano z jej własności leczniczych.

Oczywiście energia geotermalna jako potencjalne źródło energii elektrycznej i cieplnej to pomysł pochodzący dopiero z ubiegłego wieku. Ciągle jednak ten sektor energetyki się rozwija i przewiduje się , ze wraz z rozwojem techniki udział energii geotermalnej w produkcji energii elektrycznej będzie rósł.

Energia geotermalna to inaczej energia wnętrza Ziemi. Ciepło zgromadzone jest w skałach znajdujących się pod powierzchnią ziemi. Powodują one nagrzewanie się wód znajdujących się szczelinach skalnych i w pobliżu skał. Warto wspomnieć, że temperatura warstwy znajdującej się pod skorupą ziemską wynosi aż 1000 stopni C, a temperatura jądra Ziemi to około 4500 stopni C. Ze środka kuli ziemskiej odbywa się zatem transport ciepła do warstw powierzchniowych.

Jednak wykorzystanie tych zasobów energetycznych jest opłacalne jedynie w niektórych rejonach na świecie. Na terenie naszego kraju opłaca się wydobywać tylko płycej zgromadzone wody termalne. Ich temperatura nie pozwala jednak na wykorzystanie wód do produkcji energii elektrycznej. Dlatego też używa się ich jedynie w ciepłownictwie.

W Polsce wody takie występują na obszarze między Szczecinem a Łodzią, a także w rejonie grudziądzko - warszawskim i na Podkarpaciu. Obecnie pracują trzy ciepłownie bazujące na wodach geotermalnych: w Pyrzycach koło Szczecina, na Podhalu i w Mszczonowie. Powstają też nowe plany dotyczące budowy kolejnych ciepłowni.

Innym rodzajem energii, która wydaje się być energią przyszłości jest energia jądrowa. Energetyka jądrowa opiera się na produkcji energii elektrycznej z energii uwalnianej podczas rozszczepienia jąder atomowych niektórych izotopów promieniotwórczych. W reaktorach jądrowych przeprowadza się procesy kontrolowanej reakcji jądrowej. Aby utrzymać procesy rozszczepiania na stałym poziomie konieczne jest stosowanie specjalnych systemów regulujących. Elektrownia jądrowa wymaga także budowy odpowiedniego sytemu zabezpieczeń, aby uniemożliwić przedostawanie się do środowiska substancji promieniotwórczych. Wszystko to powoduje , że sam rozruch generatora atomowego jest bardzo kosztowny. Jednak później koszty produkcji energii elektrycznej są porównywalne z kosztami produkcji energii drogą tradycyjną.

Od czasu budowy pierwszego reaktora na terenie Stanów Zjednoczonych, czyli od roku 1942 ten sektor energetyki rozwijał się dosyć prężnie. Tak było do czasu pamiętnej katastrofy elektrowni w Czarnobylu. Wydarzenie to na wiele lat zastopowało rozwój energetyki jądrowej. Jednak obecnie wraca się do koncepcji budowy nowych elektrowni atomowych i wydaje się , że w przyszłości będzie to główne źródło energii elektrycznej.