Na świecie istnieje ciągły obieg materii i przepływ energii, to znaczy że pochodząca od Słońca energia cieplna może przemieniać się w różne formy, przy każdym jednak takim procesie, następuje jej strata. Energia jest niezbędna do życia Wszechświata. Jej brak odczuwają rośliny, - jeśli nie docierają do nich promienie słoneczne, nie możliwa jest ich wegetacja, nie mogą żyć bez energii ludzie, jeśli nawet jednego dnia nie dostarczymy organizmowi odpowiedniej liczby kalorii, opadamy z sił, szybciej się męczymy, gorzej pracuje nasz organizm. Bez energii nie mogłyby pracować żadne maszyny, dla których niezbędna jest energia elektryczna, albo bezpośrednia energia z paliw.

Energia może przybierać różnorodne formy. Może to być energia świetlna i cieplna, czyli inaczej radiacyjna. Inna formą jest energia chemiczna, która mieści się w pokarmach oraz paliwach. Może się ona wyzwolić podczas spalania paliw albo w czasie reakcji chemicznych zachodzących w żywych organizmach.

Z jednej strony bardzo korzystna, a drugiej - niebezpieczna jest energia atomowa, pochodząca z rozszczepiania jąder atomów. Można produkować w ten sposób bardzo przyjazną środowisku energię elektryczną albo bardzo groźne bomby atomowe.

Energię można czerpać z wielu źródeł. Najpopularniejszym są paliwa kopalne, czyli węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, z których podczas spalania wyzwala się energia cieplna, dająca się później przetworzyć w inne formy energii, np. elektryczną. Energia zgromadzona w tych paliwach jest związana z energią słoneczną zgromadzoną w roślinach, żyjących miliony lat temu. Z tych roślin powstały kopaliny.

Istnieją również odnawialne źródła energii, których zapasy nie wyczerpią się, ponieważ są nieustannie zasilane energią pochodzącą od Słońca. Do tego typu należy między innymi energia wód rzecznych i energia wiatru. Są one przekształcane w energię mechaniczną.

Najważniejszym źródłem energii jest Słońce.

Niezależne od Słońca są jedynie pływy mórz wyzwalające się na skutek działanie Księżyca, energia wulkaniczna (pochodzi z wnętrza Ziemi), energia atomowa. Są one jednak bardzo rzadko wykorzystywane, jedynie energia jądrowa staje się ostatnio coraz bardziej popularna, ze względu na dużą opłacalność i bezpieczeństwo dla środowiska. Obecnie wykorzystuje się ją np. jako paliwo do łodzi podwodnych, do ogrzewania domów oraz dla energochłonnego przemysłu.

Przez wiele lat wykorzystywania paliw kopalnych, trzeba być świadomym, że zapasy niedługo się wyczerpią. Choć obecnie nadal złoża węgla i ropy naftowej są bardzo duże, to należy już teraz szukać rozwiązań w energetyce alternatywnej. Według naukowców, tradycyjne źródła energii starczą na kilkadziesiąt lat przy obecnym stopniu rozwoju, a trzeba wliczyć w to jeszcze bardzo szybki wzrost gospodarczy krajów słabo rozwiniętych, które już teraz zaczynają stosować bardzo energochłonne gałęzie przemysłu. Jedynym rozwiązaniem dla świata może stać się niedługo energia słoneczna. Nie jest jeszcze dokładnie poznane jak działa produkcja energii na Słońcu. Najprawdopodobniej związane jest to z syntezą jąder atomów wodoru, które łączą się w atomy helu. Dzieje się to za pomocą różnych reakcji chemicznych. Ich skutkiem jest energia cieplna, która wydzielana jest podczas tych procesów. Słońce traci każdego dnia ogromne ilości energii, jednak nie należy się martwic o szybkie jej wyczerpanie, ponieważ stanowi to bardzo niewielki ułamek całej energii zmagazynowanej w tej gwieździe.

Podstawową jednostką energii jest dżul.

Energia słoneczna

Jak już zostało wspomniane, energia Słońca jest niezbędna dla życia i funkcjonowania wszelkich organizmów i zachodzenia wielu procesów na powierzchni Ziemi. Ilość energii, która dociera do Ziemi w ciągu niecałej godziny, pozwoliłaby na zaspokojenie całorocznych potrzeb energetycznych jednego człowieka.

Słońce produkuje energię w postaci promieniowania. Dzienne promieniowanie słoneczne wynosi 8,33x1024 kWh. Do granic atmosfery dociera o wiele większa ilość energii niż wynosi na nią zapotrzebowanie. Bardzo duża jej część odbija się od atmosfery i wypromieniowana jest w Kosmos. Ta część, która zdolna jest przeniknąć w atmosferę jest między innymi zamieniana na wiatry (wywołując ruch powietrza), które potem są wykorzystywane jako źródła energii, a także inne zjawiska meteorologiczne, takie jak deszcz czy śnieg. Część energii dociera do powierzchni Ziemi i jest pochłaniana przez lądy i oceany (dzięki temu powstają np. fale morskie oraz prądy). Część energii uwięzionej w oceanach można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Pomimo ciągłego dopływu energii słonecznej do Ziemi oraz energii geotermalnej (pochodzącej z wnętrza ziemi) i energii pływów, mającej swe źródło w przyciąganiu Księżyca, na powierzchni planety temperatura nie wzrasta z czasem , ze względu na ciągłe wypromieniowywanie energii w przestrzeń kosmiczną. Na skutek procesów fotosyntezy, energia magazynowana jest w roślinach i jest możliwe jej wykorzystanie (energia biomasy) podczas spalania. Stąd tak duże właściwości energetyczne paliw kopalnych, (które wytworzyły się przecież z materii organicznej). Energia słoneczna jest w roślinach przetwarzana do postaci, którą może wykorzystać człowiek. Jest to związane z produkcją glukozy, zachodzącej w chloroplastach, dzięki chlorofilowi MgN4C55H72O5. Glukoza jest składnikiem wszystkich niezbędnych do życia substancji - cukrów, tłuszczów oraz białek. Magazynowanie energii za pomocą wiązań chemicznych w komórkach roślinnych jest bardzo skuteczne.

Biomasa może być wykorzystywana do produkcji energii również na szerszą skalę niż tylko dla zaspokojenia potrzeb energetycznych pojedynczych organizmów. Coraz bardziej popularne staja się uprawy roślin, które dają bardzo dużo energii, na specjalnie do tego celu przeznaczonych plantacjach. Mogą to być różnorakie rośliny - zarówno wodne jak i gruntowe, drzewa i krzewy.

Innym sposobem produkcji energii jest przetwarzanie odpadów roślinnych - np. z lasu lub pól uprawnych, czy też pozostałości przemysłu drzewnego oraz śmieci. Często do tego celu wykorzystuje się odchody zwierząt i ludzi.

Istnieje jeszcze możliwość wycinania drzew, jednak jest ona kontrowersyjna z punktu widzenia ochrony środowiska. Problem ten praktycznie nie istnieje w krajach wysoko rozwiniętych gdzie świadomość ekologiczna ludzi jest duża, ale w krajach biednych jest to główne , a niejednokrotnie jedyne źródło energii. Biorąc pod uwagę fakt, że często kraje te znajdują się w najcieplejszych obszarach na Ziemi, prowadzi to do olbrzymiej degradacji krajobrazu i wzmaga procesy pustynnienia. W związku z tym zagrożeniem wprowadza się różnego rodzaje programy, zmniejszające zagrożenie, które planują tworzenie specjalnych hodowli wysokoenergetycznych roślin, takich jak eukaliptus, topola, olsza, bawełnica. Powinny być one uprawiane na gorszych glebach niż rośliny spożywcze.

Energia atomowa

Jedną z najbardziej kontrowersyjnych form energii jest energia jądrowa, która w swej pierwotnej formie jest głównym źródłem energii we Wszechświecie. Jest ona wyzwalana podczas rozszczepiania jąder atomów, kiedy to wyzwalają się ogromne ilości energii cieplnej. Reakcja ta jest łańcuchowa, to znaczy, że rozszczepienie jednego jądra powoduje to samo u kolejnych, wyzwalając przy tym coraz więcej energii. Ta właściwość jest wykorzystywana do produkcji bomb atomowych, gdzie możliwe jest pełne rozwinięcie łańcucha, co prowadzi do eksplozji. W elektrowniach natomiast nie zachodzi pełna reakcja łańcuchowa, gdyż część neutronów wychwytywana jest przez kadm albo bor, które mają właściwości pochłaniające neutrony.

Energia wodna

Bardzo częstą formą energii alternatywnej jest energia wodna, w której wykorzystywany jest nieustanny ruch wód w rzekach oraz w postaci prądów morskich. Jest to niewyczerpalne źródło energii, ponieważ woda zawsze będzie płynąć, wykorzystując naturalne spadki terenu.

Najpopularniejszą formą wykorzystania energii wodnej jest energia spadku wód. Ich potencjalna moc wynosi około 3TW. Obecnie wykorzystywane jest z tego około 10%. Nie jest możliwe pełni wykorzystanie potencjalnej mocy energii spadku wód, ponieważ trzeba by było poświecić zbyt duże obszary i zalać je wodą. Jest to niekorzystne i ze względów potrzeb rolnictwa - zniszczone zostałyby tereny o bardzo żyznych glebach i ze względu samego środowiska naturalnego, które zostałoby w znacznym stopniu przekształcone i zdegradowane. Powinno się natomiast inwestować w niewielkie elektrownie wodne, zaspokajające potrzeby lokalne. Najbardziej tego typu rozwiązanie są przydatne w krajach słabo rozwiniętych.

Plusem tego rodzaju energetyki jest zlikwidowanie problemu strat energii, ponieważ łatwo można ją magazynować, wykorzystując np. elektrownie szczytowo - pompowe. Bardzo duża jest wydajność hydroelektrowni - wynosi ona około 85%.

Energia pływów morskich

Innym rodzajem energii wodnej możliwej do wykorzystania przez człowieka jest energia pływów morskich. Są to specyficzne ruchy wody morskiej, spowodowane wzajemnym przyciąganiem Słońca, Księżyca i Ziemi - z tym, że Księżyc odgrywa tu większa rolę, ze względu na swoją niedaleką odległość od Ziemi. Powoduje to podnoszenie się poziomu wód w częściach Ziemi zwróconych w kierunku Księżyca oraz po jej przeciwnej stronie. W tym samym czasie na pozostałych obszarach następuję obniżenie poziomu wód. Ruch obrotowy Ziemi powoduje zmianę położenia obszarów, w których następują przypływy i odpływy. W ciągu doby w jednym miejscu dochodzi do dwukrotnego powtórzenia tego cyklu. Nie w każdym miejscu na Ziemi sytuacja przedstawia się podobnie, jest bowiem zakłócana przez wzajemne położenie Słońca i Księżyca oraz nieregularny kształt kuli ziemskiej. Różne są wysokości pływów w zależności od miejsca na Ziemi. W zasadzie na otwartym oceanie wysokości wód są niewielkie, zazwyczaj mniejsze niż metr, a na obszarach płytkich, szelfowych dochodzi do większych różnic w poziomie wód - nawet około 20 metrów. Największe średnie pływy notowane są w kanadyjskiej Zatoce Fundy. Tak duża przemieszczająca się masa wody wytwarza ogromną energię. Wynosi ona około 2,4 x104 TWh. Obecnie na świecie istnieją już elektrownie zasilane energią z tego źródła. Najbardziej efektywne są te położone w miejscach, gdzie wysokości pływów przekraczają pięć metrów. Wymogiem jest również lejkowate ujście rzek, tak zwane estuarium, na którym budowana jest tama. Niestety, optymalne warunki do budowy tego typu elektrowni istnieją tylko w trzydziestu miejscach na świecie. Szacuje się, że energia wyprodukowana tam może mieć znaczenie lokalne. Ich moc prawdopodobnie może wynieść 32 GW. Dużym utrudnieniem jest okresowość występowania pływów morskich. Nie zawsze pokrywa się ona z okresami zapotrzebowania na energię.

Energia falowa

Kolejnym sposobem wykorzystania ruchów wody morskiej jest energia falowa. Woda morska ma olbrzymią energię potencjalna. Jej siłę można obserwować np. podczas sztormów, kiedy potrafi niszczyć statki, wybrzeża, a niekiedy nawet całe miasta. Cząsteczki wody uderzają w sąsiednie, przekazując im energię i wzbudzając ich energię kinetyczną. Energia kinetyczna i energia potencjalna ciągle przemieniają się jedna w drugą. Pierwotnym źródłem energii fal morskich jest energia słoneczna, która powoduje ruch powietrza, wiatry zaś popychają wodę, powodując falowanie. Energia falowa również może być wychwytywana i wykorzystywana przez ludzi.

Energia wiatrowa

Jedną z najstarszych form energii wykorzystywanej przez człowieka jest energia wiatrowa. Wiatr powstaje na skutek nierównomiernego nagrzewania stref na kuli ziemskiej. Już w starożytności pojawiały się pierwsze wiatraki, np. w starożytnej Persji, które pomagały w mieleniu ziarna i pompowaniu wody. Energia wiatru od najdawniejszych czasów była wykorzystywana też do poruszania żaglowców. Tego typu rozwiązania stosowano już w starożytnym Egipcie około pięciu tysięcy lat temu. W Europie tego typu energetyka rozwijała się dobrze aż do pierwszej wojny światowej. Później nastąpił rozwój energetyki wodnej oraz opartej na paliwach nieodnawialnych. Energetyka wiatrowa przeżywała regres, ale wciąż trwały badania nad jej rozwojem. Związek Radziecki skonstruował pierwsza prądnicę napędzaną silnikiem wiatrowym, miało to miejsce w 1931 roku. Dziesięć lat później udało się ulepszyć prądnice wiatrową do mocy 1,25 MW. W Wielkiej Brytanii powstały w latach pięćdziesiątych dwie turbiny wiatrowe.

Kryzys naftowy z lat siedemdziesiątych postawił ludzkość przed koniecznością rozwoju alternatywnych źródeł energii, w tym energetyki wiatrowej. Zaczęto rozwijać ten rodzaj energetyki na szeroką skalę. Technologia tworzyła coraz to nowsze rozwiązania, pozwalające uzyskiwać stosunkowo tanią energię. Dzięki temu powstały np. elektrownie wiatrowe współpracujące z wodnymi. Ten rodzaj energii jest dużo tańszy niż tradycyjna energetyka. Pojawiają się jednak problemy związane np. z hałasem wiatraków. Można je rozwiązać budując elektrownie z dala od osiedli ludzkich, a nawet na morzu. Kolejnym problemem jest duża nieregularność wiatrów i pogoda bezwietrzna. Nie jest możliwa praca elektrowni wiatrowych cały czas na jednym poziomie, ponieważ nie można tak sterować wiatrem, aby wiał z optymalną prędkością. A nie może być ona ani za duża ani za mała.

Energia geotermalna

Bardzo perspektywicznym źródłem energii może okazać się energia geotermalna, czyli energia cieplna pochodząca z wnętrza Ziemi. Jest ona najprawdopodobniej bardzo duża, a dociera na powierzchnię za pomocą przewodnictwa cieplnego skał, oraz gorących źródeł. Niewykorzystane ciepło ucieka do atmosfery. Jego szacunkowa moc wynosi około 32,3 TW. Pomimo tej straty temperatura Ziemi nie obniża się ze względu na stały dopływ ciepła związanego z rozpadem promieniotwórczych atomów. Energię geotermalną można pozyskiwać w dwojaki sposób. Po pierwsze, na obszarach o wzmożonych procesach wulkanicznych, po drugie w miejscach, gdzie skały o dużej porowatości znajdują się do trzech kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Zbiera się w nich gorąca para i woda, którą za pomocą odpowiednich instalacji można dostarczać do elektrowni i wykorzystywać jako źródło energii.