Forskjellige typer av fornybare energkilder: Vindturbiner i Minnesota, USA (øverst), geotermisk kraftstasjon på Island (midten) og kraftstasjon med solceller i Kofu, Japan (nederst).

Fornybar energi

Vindkraft

Vannkraft

Solkraft

Geotermisk energi

Bioenergi

Havenergi

v d r

Fornybar energi er nyttbar energi produsert fra ressurser som på naturlig vis fornyes, eller etterfylles, i en hastighet som er lik eller overgår menneskelig bruk. Blant fornybare energikilder regnes karbonnøytrale kilder som vindkraft, vannkraft, solenergi, geotermisk energi, bioenergi og havenergi. Disse energikildene står i kontrast til fossilt brensel, som blir forbrukt langt raskere enn de blir oppfylt. De fleste fornybare energikilder er bærekraftige, med noen unntak. Fornybar energi distribueres som oftest til følgende formål: elektrisitet, romoppvarming, varmtvann, kjøling, transport og energibruk som ikke er knyttet til noe distribusjonsnett (for eksempel solcellepaneler for fritidshus).

I 2019 bidro fornybar energi med 11 % av det globale primære energiforbruket, av dette kom 60,3 % fra vannkraft, vind bidro med 20,2 %, 10,0 % kom fra solenergi og andre kilder stod for 9,4 %. I 2017 utgjorde verdens investeringer i fornybar energi 279,8 milliarder US dollar, der Kina stod for 45 %, mens USA og Europas bidrag var rundt 15 % for hver av dem. Globalt var det anslagsvis 10,5 millioner arbeidsplasser tilknyttet fornybar energi, med solcellebransjen som den største arbeidsgiveren. Fornybar energi utvikles raskt til å få høyere virkningsgrad, samtidig som kostnadene reduseres. Dens andel av totalt energiforbruk er økende. I 2019 ble mer enn to tredjedeler av ny elektrifisering utført med kilder fra fornybar energi. Per 2020 er solenergi og vindkraft de billigste former for nye energikilder i de fleste land.

Fornybare energiressurser finnes over et vidt geografisk område, i motsetning til fossilt brensel, som er konsentrert i et begrenset antall land. Økt bruk av fornybar energi og energieffektiv teknologi, gir mer energisikkerhet, reduksjon av klimaendringer, og økonomiske fordeler. Det er sider ved mange av de fornybare energikildene som gjør storskala energiutnyttelse komplisert. Varierende effekt gir ustabil energiproduksjon. For eksempel vil sol og vind variere i løpet av døgnet, i tillegg til å være væravhengig. Dermed kan en i perioder få mindre energiproduksjon enn det samfunnet etterspør. Et annet problem er at noen kilder kun tilbyr lavverdig energi.

Energikilder som brukes i verden kan klassifiseres i fornybare og ikke-fornybare. Energikilder som ikke er fornybare er særlig kull, råolje og naturgass. Det er ni hovedtyper av fornybare energikilder:^[1][2]

• Solstråling, som også er driver for seks andre energikilder:

• Vannkraft
• Vindkraft
• Bølgekraft skapt av vind
• Havstrømmer
• Havvarmekraft, der en kan utnytte temperaturforskjeller mellom overflate og dyphav
• Bioenergi, der en utnytter biomassens opplagrede energi fra fotosyntesen

• Geotermisk energi
• Tidevannskraft

Fornybar energi kan gi energikilder på en bærekraftig måte og begrense klimaendringer.^[3] Fornybar energi omfatter alle energiformer fra solen, geofysiske og biologiske kilder som fornyes, eller etterfylles, ved naturlige prosesser i en hastighet som er lik eller overgår menneskelig bruk. Bioenergi og geotermisk energi er det mulig å utnytte hurtigere enn de kan regenerere seg selv. Motsatt er solenergi som treffer jorden umulig å «bruke for mye av».^[2]

Primærenergi er et begrep for energiformene slik en finner dem i naturen, før de på noen måte er benyttet ved energiomforming.^[4] Primærenergi blir omformet til energitjenester på forskjellige måter. Primærenergikilder er bioenergi, vannkraft eller geotermisk energi, disse blir så omgjort til energibærere, for eksempel biodiesel eller elektrisk kraft. Deretter konverteres de til varme- eller bevegelsesenergi for å bli energitjenester som fjernvarme, romoppvarming og belysning, elektrisitetsforsyning eller mekanisk energi.^[2]

Tidligere brukte en begrepet alternative energikilder, som samlebetegnelse på energikilder som ikke utnyttes, eller i liten grad brukes. Begrepet kunne også omfatte kjernekraft og fossile energikilder. Begrepet er erstattet av nye fornybare energikilder, som er energikilder som støtter opp under en bærekraftig utvikling. Med det blir jordens ressurser forvaltet på en slik måte at livsbetingelsene ikke blir dårligere for fremtidige mennesker.^[5]

Begreper som høyverdig og lavverdig energi brukes når forskjellige energiformer skal sammenlignes. Høyverdig energi kan lett omgjøres til mekanisk arbeid eller andre nyttige formål. Eksempler på høyverdig energi er elektrisk energi, stillingsenergi og kjemisk energi.^[6] Lavverdig energi, er energiformer med en liten andel nyttbar energi. Lavverdig energi er for eksempel varmeenergi med temperatur som avviker lite fra omgivelsene.^[7] En bruker også begreper som høy- og lavkvalitetsenergi.

Teknisk potensial er andelen av en energikilde som teknisk kan utnyttes. Økonomisk potensial er andelen av teknisk potensial som er økonomisk lønnsomt å utnytte.

Fornybar energi og mulighetene for energieffektivisering finnes over det meste av jordkloden, i motsetning til andre energikilder, som er konsentrert i et begrenset antall land i verden. Rask overgang til fornybar energi og energieffektivisering, samt bruk av mange forskjellige energikilder, vil gi betydelig økt energisikkerhet og økonomiske fordeler.^[8] Det vil også redusere forurensning, for eksempel luftforurensning forårsaket av forbrenning av fossilt brensel, bedre folkehelsen og redusere barnedødelighet på grunn av mindre forurensning, og spare helsekostnader på flere hundre milliarder dollar årlig bare i USA. Flere analyser av amerikanske strategier for utfasing av fossile energikilder har funnet at helsefordelene i betydelig grad kan oppveie kostnadene med overgang til andre energikilder. Fornybare energikilder, som henter sin energi fra solen, enten direkte eller indirekte, som for eksempel vannkraft og vind, er forventet å være i stand til å forsyne menneskeheten med energi for én milliard år fremover i tid.^[9][10]

Summen av alle fossile energikilder benyttet i 2015 var rundt 475 EJ (ExaJoule), tilsvarende en effekt på 15 TW (TerraWatt) avgitt over hele året. Solenergien inn mot biosfæren utgjør 3,8 YJ (YottaJoule) noe som tilsvarer 180 PW kontinuerlig (PetaWatt), eller omtrent 10 000 ganger mer enn årlig forbruk av fossile energikilder. Om en bare ser på energimengden som treffer landjorden og trekker fra polare og subpolare områder, samt arealer som er vanskelig tilgjengelig (som fjellsider og myr), er denne solinnstrålingen på rundt 474 ZJ (ZettaJoule) (tilsvarer en kontinuerlig effekt på 15 PW), eller 1000 ganger årlig forbruk av fossile energikilder.^[1]

Det totale tekniske globale potensialet for fornybare energikilder er mye høyere enn dagens og prognosert fremtidig energibehov. Teknisk potensial for solenergi er det høyeste, men også de andre kildene har stort teknisk potensial.^[2]

Vindkraft har vært brukt av mennesker langt tilbake i historien. Vinden ble utnyttet for å drive seilskip på lange reiser, kanskje så langt tilbake som for 3000 år siden. Vindmøller har senere blitt benyttet til maling av korn og til drift av pumper.^[13] Historikere har spekulert på om kineserne hadde oppfunnet vindmøller allerede rundt tidspunktet for Kristi fødsel.^[14]

Moderne installasjoner for utnyttelse av vindkraft kalles vindturbiner.^[13] Fra 1970-årene av begynte man å benytte elektriske vindturbiner i større skala,^[15] og mengden energi generert på denne måten har siden vokst eksponensielt.^[11] Ved slutten av 2020 var kapasiteten i verdens samlede anlegg for vindkraft på 733 GW. Som enkeltland hadde Kina høyeste totale ytelse, nemlig 282 GW, dernest fulgte USA med 117 GW og Tyskland med 62 GW.^[16]Vindkraftsanlegg er per 2017 mye større enn solenergianlegg, og gir tilsvarende større ytelse per enhet, samlet ytelse per prosjekt og total energiproduksjon.^[17]

Et vindkraftverk består av én eller flere vindturbiner som omdanner vindens bevegelsesenergi til elektrisk kraft. Vindturbiner består som regel av et tårn, turbinhjul med blader og et maskinhus med gear og generator. Vinden driver turbinen rundt og bevegelsesenergien overføres til generatoren via akslingen og giret. Fra generatoren går det kabler og ledninger ut til overliggende kraftsystem. En vindturbin kan produsere energi når vindhastigheten er mellom 4 og 25 m/s, altså fra bris til full storm. I sterkere vind vil driften oftest stanses. Maksimal teoretisk virkningsgrad er rundt 60 %, men i praksis bygges anleggene for å ha en virkningsgrad på 0 %. Effekten produsert av en vindturbin er proporsjonal med vindhastigheten i tredje potens. Områder med høy gjennomsnittlig vindhastighet er derfor attraktive, for eksempel vil et område med årlig gjennomsnittlig vindhastighet på 8 m/s gi dobbelt så stor energiproduksjon som et område med 6 m/s.^[13] I 1990-årene var vindturbiner typisk i størrelsen 500–750 KW og har senere kommet opp i ytelser på over 1 MW (Mega eller 1 000 000). Per 2021 har verdens kraftigste vindturbin (GEs Haliade-X 12) en ytelse på 12 MW.^[18] Danmark var det første landet som bygde vindturbiner til havs.^[17]

Opp til 2 % av all innstrålt solenergi mot jorden går med til å sette atmosfærens luftmasser i bevegelse.^[1] For hele verden tilsvarer det en energimengde på 100 ganger mer enn all verdens energiforbruk (2007).^[19] Det er ikke enighet om en måte for å estimere verdens tekniske potensial for vindenergi. Anslagene spriker fra 180 EJ per år (50 PWh/år) for potensialet på landjorden, til 450 EJ per år (125 PWh/år) på land og nær kysten. Det laveste estimatet tilsvarer en produksjon tilsvarende hele verdens elektrisitetsproduksjon i 2008, og det høyeste seks ganger større. Estimatene for vindenergi til havs ligger i intervallet 15–130 EJ per år (4–37 PWh/år), forutsatt installasjoner nært land. Flytende installasjoner lengre til havs vil kunne ha et enda større teknisk potensial.^[20]

Vindkraftpotensialet er ofte stort på avsidesliggende områder langt fra forbrukere og eksisterende kraftledninger. Det kan derfor bli nødvendig med bygging av nye linjer for slike prosjekter.^[21] Vindkraft på land kan også ha utfordringer med miljøproblemer og konflikter i forbindelse med arealbruk. Dessuten kan tilgjengelig vindkraft på land variere, der lange perioder med lite vind gir lav brukstid. En ser blant annet derfor også på muligheten for å utnytte vindkraft til havs, særlig i havområder grunnere enn 50 meter.^[19]

Vindkraft er en moden teknologi som kan konkurrere med andre energikilder hva gjelder kostnad, miljøpåvirkning og anvendbarhet. Bare vannkraft er mer kommersielt lønnsomt enn vindkraft, når en sammenligner alle de forskjellige fornybare energikildene. Miljøpåvirkninger av vindkraftverk er vanligvis forbundet med arealbruksendringer, støy, synlige endringer i landskapet og virkning på dyrelivet.^[21][22] For eksempel kan fugler og flaggermus skades eller dø hvis de kolliderer med vindturbinene.^[23] Forskning tyder likevel på at det er et lite antall fugler som dør på denne måten, sammenlignet med andre konstruksjoner. 0,01–0,02 % av alle drepte fugler i USA døde etter kollisjon med vindturbiner i 2001, mens en andel på 55 % døde etter kollisjon med andre bygninger og vinduer.^[24] Vindkraft til havs fører også med seg usikkerhet omkring en rekke potensielle miljøproblemer som støy, vibrasjoner, elektromagnetiske felt, og fysisk ødeleggelse av leveområder. Positive virkninger kan også oppstå, for eksempel ved at nye installasjoner kan tilby ly og gode gyteforhold for fisk.^[22]

Teknologien for å bygge ut vindkraftverk til havs er mindre utviklet enn den er for vindkraftverk på land. Kostnadene for vindkraft til havs er større, både når det gjelder investeringer og vedlikehold. Årsakene er utfordringer med logistikk (transport av personell og materialer) og vanskelig vedlikehold. Til tross for disse vanskene er det satt inn store ressurser på forskning og utvikling, motivert av mulighetene for større energiproduksjon, i form av energiressurser med høyere kvalitet. Fordeler med vindmøller til havs er at turbinbladene kan ha større diameter, samt at vindturbiner på land ofte er i konflikt med andre interesser. Selve vindturbinene som benyttes til havs er lik de på land, slik at den største forskjellen er fundamenteringen. Vindturbinene bygges stadig lengre fra land i takt med teknologiutviklingen.^[25] Konsepter med flytende vindturbiner blir også testet.^[26]

Vannkraft har vært utnyttet i lang tid, blant annet kjenner en til at de gamle grekerne benyttet vannhjul til maling av korn før Kristi fødsel. I middelalderen spredte kunnskapen om vannhjul seg utover i Europa. Vannkraft var også en viktig drivkraft for den industrielle revolusjon på slutten av 1700-tallet i Storbritannia. Rundt 1870 ble vannkraft tatt i bruk for elektrisitetsproduksjon, og frem til rundt 1950 var vannkraft den viktigste kilden til elektrisk kraftproduksjon. I 2006 stod vannkraft for rundt 16 % av verdens totale elektrisitetsproduksjon. For noen land i verden er vannkraft den dominerende kilden til elektrisk kraft, blant annet i Norge.^[27] Vannkraft er energikilden med høyest virkningsgrad, omtrent 90 % fra vanndam til kraftnett. Tilbakebetalingsgraden (avkastningen) er også høy, dessuten er levetiden for et vannkraftverk lang, normalt helt opp til 80 år.^[28]

Solenergi driver vannets kretsløp på jorden, der solens oppvarming sørger for at vann fra havet og landjorden fordamper og driver inn over land som skyer. Når skyene driver inn over land, stiger de opp i høyere luftlag der vannet kondenserer og faller ned som nedbør. Gravitasjonen sørger for at vannet renner mot laveste punkt, via elver og bekker tilbake i havet.^[27]

Ved utgangen av 2020 var hele verdens kapasitet for fornybar vannkraft 1332 GW. Kina hadde størst installert ytelse med 370 GW, dernest følger Brasil med 109 GW og USA med 103 GW.^[16] I 2005 ble en energimengde på 2645 TWh/år produsert i verdens vannkraftverk, noe som dekker 2,2 % av verdens energiproduksjon og 16 % av verdens elektriske energibehov. Dermed stod vannkraft for 90 % av verdens fornybare elektrisitetsproduksjon og 16,2 % av verdens totale fornybare energiproduksjon.^[29][30]

Et vannkraftverk tar opp strømmende vann og benytter det til å drive vannturbiner. For å samle opp vann bygges det demninger, fra disse går det tunneler og rør som leder vannet til turbinene som igjen driver generatorer som produserer elektrisk kraft. Demningene former i noen tilfeller store vannmagasiner som kan lagre vannets energi til senere bruk. Mange av vannkraftverkene i Norge har magasiner som samler opp vann i løpet av sommer og høst, til bruk om vinteren når behovet er stort.^[27]

Vannkraftverk deles inn i tre hovedkategorier: elve-, magasin- og pumpekraftverk. Den første kategorien kjennetegnes av en mindre inntaksdam uten lagringskapasitet. Kraftproduksjonen er dermed avhengig av vannføringen, men om elven er meget stor kan kraftverket levere elektrisk kraft for grunnlast (jevn produksjon). Magasinkraftverk kjennetegnes av store dammer som kan samle opp og lagre vann over lang tid. Disse kan levere elektrisk kraft for både grunn- og topplast (topplast betyr høy produksjon som stiger og avtar hurtig), samt lagre energi slik at kraftverket representerer en regulator for andre typer kraftverk. Pumpekraftverk er lik magasinkraftverk, men har i tillegg pumper slik elektrisk kraft kan tas fra nettet og lagres for senere behov.^[28] Hvis for eksempel vindkraftverkene i et kraftsystem produserer mye energi, men behovet er lite, kan pumpekraftverkene lagre energien til senere bruk.

Globalt er det anslått at det totale vannkraftpotensialet som teknisk er mulig å bygge ut, er rundt 1,8 TW (56 EJ),^[1] imidlertid er det økonomiske utbyggbare potensialet 8 PWh/år. Potensialet for videre utbygging finner en i Afrika, der uutnyttede resurser er estimert til 92 %, samt Asia og Sør-Amerika.^[29][30]

Vannkraftverk har egenskaper som avhjelper utfordringer med noen av de fornybare energikilder har, som variabel produksjon. Et eksempel er Danmark, der mye energi produseres fra vindturbiner (rundt 20 % av årlig energibehov), men via sjøkabler mellom Norge og Danmark, kan vannkraft fra Norge delvis balansere ut over- og underskudd i forholdet mellom produksjon og forbruk.^[31]

Vannkraft er en moden teknologi, det vil si at det ikke trengs noe videre forskning og utvikling for å ta den i bruk.^[32] Det er ingen skadelige utslipp fra vannkraftverk, men inngrepene i naturen kan være store om vide landarealer blir oppdemt, det kan bli endret vannføring i elver og det er nødvendig med annen infrastruktur som veier og kraftledninger. Oppdemning av landarealer kan skade det biologiske mangfoldet i området. Endret vannføring i elver kan påvirke fiskebestandene, faktorer som endret vannstand, vannhastighet, skjulesteder og mattilgang spiller inn, samt at gyteplasser kan bli dårligere.^[33]

Direkte eller indirekte er solenergi drivkraften bak alle andre fornybare energikilder, unntatt geotermisk energi og tidevann. De fossile energikildene er også lagret solenergi. Bruk av solenergi skjer ved produksjon og tørking av landbruksprodukter, romoppvarming, belysning, elektrisk kraftproduksjon og andre former.^[35]

Øverst i jordens atmosfære er effekten av solinnstrålingen 1367 W/m² ± 3 %. Endringer skyldes jordens varierende bane rundt solen, samt indre prosesser i solen. Rundt 30 % av solstrålingen reflekteres i atmosfæren før den når bakken. I tillegg spres lyset, og enkelte bølgelengder dempes ned gjennom atmosfæren. For utnyttelse av solstråling nede på bakken spiller det stor rolle om en er nært eller langt fra ekvator. Det er dessuten store variasjoner for solinnstrålingen gjennom året når en kommer langt nord eller sør. For en horisontal flate i Norge utgjør den årlige energimengden i solinnstrålingen 600-1000 kWh/m².^[35] Som et gjennomsnitt for jorden sier en at solstrålingen er 1000 kWh/m² noen timer midt på dagen ved havnivå, med solen rett over bakken og klar himmel.^[36]

Teknologier for solenergi defineres bredt som enten passiv solenergi eller aktiv solenergi, avhengig av måten en tar opp, konverterer og distribuerer energien på. Passiv solenergi kan utnyttes i bygninger som står slik at de får mye sollys, har massive materialer som varmes opp eller har lysspredende egenskaper. En tenker også på utforming av bygninger og rom som setter luften i naturlig sirkulasjon. Aktiv solenergi er teknologier som solfangere for oppvarming og utnyttelse av solenergi og konvertering av sollys til elektrisitet. Slik konvertering kan enten være enten direkte, ved å bruke solceller, eller indirekte, ved hjelp av termisk solkraft.

Ved slutten av 2020 var verdens installerte effekt for anlegg som fanger opp solenergi 714 GW. Kina med sine 254 GW var enkeltlandet med størst kapasitet, deretter kom USA med 76 GW og Japan med 67 GW.^[16]

Systemer for passiv solenergi, er systemer der varmeenergi fanges opp naturlig. Det kan skje så enkelt som at sollyset varmer opp en bygningskropp ved absorpsjon.^[37] En typisk måte å utnytte sollyset på er at det skinner gjennom vinduer og absorberes av vegger, gulv, møbler og tak. Når disse flatene varmes opp avgis langbølget stråling som vinduene ikke slipper ut av bygningen.^[38]

Systemer for aktiv solenergi går ut på at en «solfanger» varmer opp et medium som vann eller luft. Mediet kan sirkuleres slik at energien både kan transporteres og lagres. Typisk er det snakk om installasjoner for bygninger og hus, der solfangere er montert på taket og der rør, ventiler, pumper, tanker og andre innretninger transporterer energien for romoppvarming eller oppvarming av tappevann.^[38] Solfangere kan være en integrert del av taket på en bygning.^[38]

Solenergi kan brukes for å drive turbiner, som igjen driver generatorer for elektrisk kraftproduksjon, kjent som termisk solkraft. Dette kan sammenlignes med det som skjer i et varmekraftverk. Det meste av verdens elektriske kraftproduksjon foregår i varmekraftverk, der energikilden, ofte kull eller gass, produserer damp med høy temperatur og trykk, som driver en dampturbin, som igjen driver en generator. Vanligvis benyttes regulerbare speil og solfangere som varmer opp vann til damp. På en stor flate settes det opp speil som konsentrerer sollyset og sender det mot en såkalt solfanger.^[38] Solfangeren utformes for høy absorpsjonsevne, høy transmittans og høy varmeledningsevne.^[39]

Kraftverk for å utnytte termisk solkraft har vært bygget, men få har greid å bli så vellykkede at de har kunnet produsere elektrisk kraft kommersielt. Etter at det ble opprettet offentlig støtte til slike kraftverk i 2007, har det blitt bygget 40 termisk solkraftverk i Spania og noen flere er også bygget i USA.^[39] Termisk solkraft har potensial til å levere store energimengder. Om bare 1 % av verdens potensial for termisk solkraft blir utnyttet, anslås det at klimamålene som FNs klimapanel (engelsk: Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) anbefaler kan oppnås. Tilbakebetalingstiden for den energien som går med til å bygge et anlegg, er mindre enn ett år. Anleggene kan også bygges med lagringskapasitet for termisk energi, dermed kan de produsere elektrisitet selv i perioder uten sol.^[39] Konseptene bygger på energilagring i medier som smeltet salt, keramiske partikler, grafitt og betong som tåler høy temperatur.^[40]

Elektriske solceller omdanner solenergi direkte til elektrisk energi ved hjelp av fotoelektrisk effekt.^[38] Solcelleanlegg er robuste og krever lite vedlikehold. En annen fordel er at de kan være en integrert del av tak og vegger. Produksjonen av solceller øker hvert år, med en gjennomsnittlig årlig produksjonsøkning på 43 % per år fra 2000 til 2012.^[41] Virkningsgraden for solceller er lav, med en teoretisk beste virkningsgrad under 30 % (2016).^[41]

Solenergi er tilgjengelig overalt på jorden, noe som ikke er tilfelle med andre fornybare energikilder. Solinnstrålingen på et gitt sted er imidlertid variabel, dermed vil systemer for lagring av energien forbedre mulighetene for utnyttelse av solenergi.^[35] Om bare 1 % av den innstrålte solenergien mot jordoverflaten ble omformet til elektrisk energi med en virkningsgrad på 10 %, ville det gitt en effekt på 105 TW i året. Dette tilsvarer en mye større energimengde enn noen prognoser for fremtidig energibehov, for eksempel for år 2040 med et behov på rundt 9 TW. Imidlertid er virkningsgraden mye bedre enn 10 % for moderne systemer for utnyttelse av solenergi.^[42][43]

Det teoretiske potensialet for solenergi er anslått til 3,9 YJ per år. Det tekniske potensialet, estimert til 1575–49 837 EJ per år, er mer interessant. Denne energimengden er omtrent 3 til 100 ganger større enn hele verdens forbruk av primærenergi i 2008.^[36]

Fremtidige konsepter for solkraft dreier seg om å unngå bruk av en varmekraftmaskin (dampturbin eller Stirlingmotor). En ser da på muligheter som utnyttelse av termoelektrisk, termionisk og magnetohydrodynamsiske effekter, kan gi. Solkraft fra verdensrommet har også blitt foreslått, der solfangere i verdensrommet sender mikrobølger ned mot en mottakerantenne på bakken.^[44]

Miljøpåvirkningene fra utnyttelse av solenergi er beskjedne. Det kan oppstå konflikter rundt arealbruksendringer for installasjoner som krever stor plass. Et annet problem dreier seg om bruk av miljøskadelige stoffer ved produksjon av solceller, som må tas hånd om forsvarlig. Etter bruk må dessuten anleggene destrueres og gjenvinnes.^[45][46]

Geotermisk energi er utnyttelse av termisk energi som både skapes og lagres i jordens indre. Jordens geotermiske energi stammer fra den tiden planeten ble dannet og fra radioaktiv nedbryting av mineraler (fordelingen er usikker,^[47] men muligens er andelen omtrent lik fra de to delene.^[48]) Temperaturforskjellen mellom jordens indre og overflaten fører til at det går en kontinuerlig varmestrøm opp til jordens overflate. Denne naturlige energiavgivelsen er anslått til 31 TW for hele jorden.^[49] Imidlertid er denne energistrømmen for liten til å kunne utnyttes kommersielt de fleste steder i verden.^[50]

Gjennomsnittlig øker temperaturen med 25–30 °C per km innover fra jordoverflaten, dog kan temperaturstigningen i noen området være ti ganger større. For geotermiske kilder som avgir damp med temperatur over 175 °C kan energistrømmen benyttes direkte i en turbin for elektrisk kraftproduksjon. Om temperaturen er lavere kan det benyttes varmevekslere med et arbeidsmedium med lavt kokepunkt for å drive en turbin. I slike tilfeller kan en utnytte kilder med temperatur ned til 100 °C. For temperaturer i området 40–100 °C kan kilden benyttes direkte til oppvarmingsformål.^[49] For enda lavere temperaturer kan det benyttes varmepumper.^[51]

Ved utgangen av 2020 var den totale ytelsen for geotermiske anlegg i verden 14 GW. USA med sine 2,6 GW var enkeltlandet med størst kapasitet, dernest følger Indonesia med 2,1 GW og Filippinene med 1,9 GW.^[16]

De mest høyverdige geotermiske ressursene er de som kan produsere tørr damp, som kan drive en dampturbin for kraftproduksjon. Det er to hovedtyper av slike kraftverk, der den ene typen kan utnytte naturlige varme kilder og den andre typen går ut på å lage kunstige vannstrømmer i undergrunnen. I en injeksjonsbrønn (borehull) pumpes vann ned mot det geotermiske reservoaret, damp stiger opp i en produksjonsbrønn i nærheten og denne utnyttes videre i en dampturbin. Produksjonsmønsteret for denne typen kraftproduksjon vil være stabilt, slik at den kan levere en jevn energimengde. Virkningsgraden er lav, men om spillvarmen kan benyttes til fjernvarme kan den termiske virkningsgraden bli høy, opptil 97 %.^[52][53]

For å utnytte den geotermiske energien i et område, er permeabiliteten, altså hvor porøs berggrunnen er, viktig. Mange steder er ikke berggrunnen særlig porøs, men en har forsøkt å skape små åpninger i berggrunnen. En metode går ut på å lage en borebrønn, for deretter å pumpe ned vann med svært høyt trykk. Hensikten er å få fjellet til å sprekke opp slik at vann og damp kan trenge gjennom. Testene som har vært gjort har ikke vært lovende, men der berggrunnen var mer porøs fra før har utfallet vært mer heldig.^[54] Avhengig av lokale forhold kan det være nødvendig å bore ned til 3000–5000 m.^[55]

Grunnvarme er et begrep for utnyttelse av termisk energi i grunnen med lav temperatur. Denne energien hentes ut fra fjell, grunnvann, løsmasser eller jordsmonn, der kilden kan være både solenergi og geotermisk energi lagret i grunnen. En benytter varmepumper for dette formålet.^[51] Slike anlegg for oppvarmingsformål i bygninger kan bestå av en såkalt energibrønn 80–150 m ned i bakken (borehull). En rørsløyfe med væske som sirkulerer, overfører energi i en lukket krets mellom energibrønnen og varmepumpen. Anleggene kan skaleres opp til å forsyne store bygninger og industri, og desto større anlegg, desto bedre lønnsomhet.^[56]

Det globale potensialet for geotermisk energi er enormt, og et estimat er at 42 PWh per år er tilgjenngelig for fremtidig utvikling.^[51] Dog er mer detaljerte studier for å få sikrere estimater nødvendig (2010).^[57]

Selv om geotermiske prosjekter har store investeringskostnader, er en motivasjon at driftskostnadene vil være små. En annen fordel er jevn energiproduksjon.^[58] For geotermisk kraftproduksjon (høytemperatur geotermisk energi) har en store forhåpninger om å lykkes med billig og meget stor energitilgang. Ved å bore så langt ned at vannet vil være i form av superkritisk væske kan kostnadene reduseres, samt at en kan forvente å produsere fem til ti ganger så mye energi som i konvensjonelle geotermiske brønner. Det foregår forskning der en forsøker å bore ned på dyp med temperatur på 500–600 °C og med svært høyt trykk. Under disse forholdene vil vannet være svært korroderende. Korrosjon skaper store vansker med å lage brønnvegger, vanligvis bestående av en foring (rør) av stål og betong. Brønnveggen skal beskytte brønnen og holde den stabil i mange år, samt at den skal beskytte utstyr (sensorer og boreutstyr).^[59]

Geotermisk energi er generelt en miljøvennlig energikilde, med håndterbare utfordringer relatert til mulige farlige gasser og mineraler.^[55][60] Andre fordeler er jevn produksjon gjennom døgnet. På Island produseres rundt 17 % av all elektrisk kraft fra geotermiske kraftstasjoner, og hele 54 % av den totale produksjonen av primærenergi.^[61] Verdens totale installerte effekt av geotermisk energi var i 2020 på 14 GW. USA med 2,6 GW var enkeltlandet med størst installert ytelse.^[16] Et problem med geotermisk energi er at varmestrømmen reduseres over lang tid. En diskuterer derfor om energikilden virkelig er en fornybar og bærekraftig kilde. Dog kan energiutbytte være konstant i flere hundre år.^[62]

Bioenergi er energiutnyttelse av biomasse fra døde organismer, opprinnelig fra celler som fikk sin energi fra sollys via fotosyntese.^[63] Som oftest menes planter, trær og alger, men også treavfall, papir, våtorganisk avfall og kloakkslam.^[64] Biomasse kan brukes som energikilde direkte via forbrenning for å produsere varme eller indirekte ved konvertering til ulike former for biodrivstoff. Konvertering til biodrivstoff kan oppnås ved ulike metoder som er grovt klassifisert i: termiske, kjemiske og biokjemiske metoder. Trevirke er fortsatt den største energikilden til biomasse (2012);^[65] eksempler er døde trær, grener og stubber, hageavfall og flis. Biomasse omfatter også plante- eller dyrerester som kan omgjøres til fibre eller industrielle kjemikalier, for eksempel biodrivstoff. Industriell biomasse kan dyrkes fra mange vekster, som gress, hamp, mais, poppel, vier, durra, sukkerrør og bambus,^[66] samt en rekke treslag som eukalyptus og oljepalme (palmeolje). Bioenergi kan også fås fra avlinger dyrket til bruk som drivstoff, hvor en benytter vekster som gir stor biomasseproduksjon per arealenhet med lav innsats.^[67] En stor fordel med bioenergi er at noen former av den kan benyttes i eksisterende teknologier, som bilmotorer og fyrkjeler.^[68]

Ved utgangen av 2020 var verdens globale kapasitet for bioenergi 127 GW. Kina med sine 18,7 GW var enkeltlandet med størst kapasitet, dernest følger Brasil med 15,6 GW og USA med 12,3 GW.^[16]

Energien i biomasse benyttes til oppvarmingformål ved forbrenning (fyringsved). Varmeenergien kan brukes til en rekke formål som romoppvarming, tørkeprosesser og elektrisk kraftproduksjon, samt dampproduksjon for prosessvarme til industri.^[69] Biomasse brukt i form av fast brensel har ulemper som lavt energiinnhold og høyt fuktighetsnivå.^[70]

Flytende brensel har store fordeler fremfor faste og gassformige. Årsaken er lettvint lagring, transport og omlastning, i praksis har de også større energitetthet. Typisk har utviklingen gått mot å finne alternativer til diesel og bensin, som ikke bidrar til global oppvarming. Viktige råstoffer er alkoholer, prosesserte vegetabilske eller animalske oljer, pyrolyseoljer og forskjellige syntetiske stoffer fra gassifisert biomasse. Alkoholer som benyttes som biodrivstoff, er etanol og metanol som fremstilles gjennom gjæring av sukkerarter. Det benyttes planter som sukkerrør, sukkerroer, poteter, mais, hvete og alle typer frukt. I mange land, inkludert USA og EU, benyttes biodrivstoff blandet inn i bensin.^[71]

Ved anaerob gjæring av fuktige organiske materialer i en reaktor kan det utvikles gass, ved at mikroorganismer bryter ned materialet i fravær av oksygen. Gassen en da får, er kjent som biogass og kan brukes som drivstoff. Den består av metan (55–75 %) og andre gasser. Biogass kan benyttes som drivstoff i kjøretøyer.^[71]

Av den solenergien som slipper ned gjennom atmosfæren og ned til bakken er det bare en meget liten del som kan omgjøres til biomasse.^[72] Bioenergi er for tiden (2012) den største fornybare energikilden, noe den sannsynligvis vil fortsette å være frem til 2050.^[73] Det tekniske potensialet er estimert til 8–13 TW eller 270–450 EJ/år.^[74][75] Energiressurser fra biomasse er meget komplekse og gjør beregninger for totalt teknisk potensial vanskelige. Noen mener at det tekniske potensialet er null, fordi det ikke er noe biomasse tilgjengelig for energiproduksjon (fordi landarealer enten må brukes til matproduksjon eller må være uberørt natur), mens de mest optimistiske anslagene sier at det maksimale teoretiske potensialet for hele jorden er rundt 1500 EJ per år.^[76]

Solcellepaneler og vindturbiner kan produsere 12–20 ganger mer energi enn den energien som ble brukt til å produsere dem. Avlinger for biodrivstoff gir derimot mye mindre energi tilbake. Etanol basert på dyrkning av mais fordrer gjerne bruk av fossile energikilder så vel som elektrisitet, med en energigevinst på knapt det dobbelte av det som brukes til dyrking og produksjon. Biodiesel baser på soyabønner gir 2,5 til 5,6 ganger mer tilbake enn den energi som ble brukt. Det har også blitt produsert rapsfrø til biodiesel med et netto energitap.^[77]

Selv om det teoretisk er stort potensial for biomasseproduksjon, blant annet med hurtigvoksende trær eller andre vekster på ubrukte arealer, så må vanning, gjødsling og giftsprøyting kontrolleres nøye. Store plantasjer for biomasseproduksjon vil kunne redusere biodiversitet, føre til jorderosjon og kunne forsterke, heller enn redusere, klimaendringer.^[75] Andre utfordringer er press på land- og skogressurser og dermed stigende matvarepriser globalt. Fordeler og ulemper er vanskelige å vurdere, fordi økte priser på biomasse også kan gi muligheter for utviklingsland som kan eksportere slike ressurser. I tillegg kan land uten fossile energikilder tilgjengelig redusere sine importutgifter.^[78]

Ved forbrenning av biomasse, biogass og biodrivstoff oppstår en del miljøskadelige utslipp. Stoffer som svovel- (SO_x) og nitrogenoksider (NO_x), nitrogen- og svoveloksider og svevestøv oppstår. Verdens helseorganisasjon anslår at 7 millioner mennesker dør for tidlig hvert år på grunn av luftforurensning. Særlig bruk av ved, møkk og avfall i primitive ildsteder for matlaging i fattige land er et stort problem.^[79]

Havenergi hentes fra havet i mange ulike former. Havet har et meget stort energiinnhold, tilført fra sollys, geotermisk varme og jordens rotasjon. Siden 1900 er det utviklet mange ideer for utnyttelse av havets energi, og det finnes over 1000 patenter på forskjellige systemer for energiutnyttelse. Bare et fåtall av disse patentene på tekniske installasjoner er blitt forsøkt bygget og testet.^[80] Havenergi omfatter utnyttelse av tidevann, havbølger, saltholdighet, havstrømmer og temperatur. Havvindkraft regnes ikke en egen form for havenergi, ettersom vindkraft er avledet fra vinden, selv om vindturbinen er plassert over vann.^[81]

Ved utgangen av 2020 var verdens globale kapasitet for havenergi 0,527 GW. Sør-Korea med sine 0,256 GW og Frankrike med 0,214 GW har nesten halvparten av hver av dette, deretter følger Storbritannia 0,022 GW.^[16]

Solen og månen påvirker verdenshavene slik at det dannes tidevann. På steder langs kysten der det er sund og streder kan store vannmasser få stor hastighet som kan utnyttes som tidevannskraft.^[80] Energipotensial kan være i området 500–1000 W/m² i tverrsnittet av strømmen.^[80] Et demonstrasjonsanlegg drives av Ocean Renewable Power Company på kysten av Maine og er koblet til kraftnettet, tidevannskraftverket i Bay of Fundy utnytter en av verdens sterkeste tidevannsstrømmer.^[82][83]

En annen mulighet er bølgekraft, der energien fra havdønninger tas opp.^[82] Utnyttelse av bølgekraft blir gjort på forskjellige måter, blant annet med en svingende vannsøyle i form av et tårn satt opp ved kysten, der bølgene fanges opp og ledes inn i tårnet. Når vannsøylen beveger seg opp og ned oppstår en kraftig luftstrøm inn og ut av tårnet, som driver en turbin som igjen driver en generator. Andre konsepter har også blitt satt i drift, blant annet flytende konstruksjoner festet på havbunnen. Når disse beveger seg opp og ned på vannflaten i takt med bølgene, kan energien utnyttes.^[84]

Saltkraft går ut på at forskjellen i saltinnhold mellom sjøvann og ferskvann utnyttes for energiproduksjon. Om en anbringer en membran mellom to beholdere med saltvann og ferskvann, vil vannmolekyler trenge gjennom membranen og skape osmotisk trykk. Dette trykket mellom beholderne med sjøvann og ferskvann tilsvarer en vannsøyle på 270 m. Denne energien kan utnyttes i spesielle kraftverk i elvemunninger ved havet. Teoretisk kan hver 1 m³ med ferskvann som renner ut i havet generere en energimengde på 0,7 kWh.^[80][85][86]

Havstrømkraft går ut på at de store havstrømmene utnyttes til energiproduksjon. Havstrømmene oppstår på grunn av jordrotasjon, solen og månens gravitasjon, samt termiske fenomener. For eksempel har Golfstrømmen en hastighet på fem knop enkelte steder, noe som kan utnyttes av turbiner.^[80]

Havvarmekraft bruker temperaturforskjellen mellom kjøligere dyphav og varmere overflatevann, hvor temperaturforskjellen kan være oppimot 20 °C til energiproduksjon. Bare noen få forsøksinstallasjoner har blitt utviklet til kommersielle anlegg.^[80][87] Konseptene går i kortet ut på at varmenergien skal fordampe en gass for å drive en turbin, som igjen skal driver en generator for å produserer elektrisk kraft.

Bølgene på alle verdens hav har en effekt på totalt 60 TW, men bare 3 TW slår inn mot verdens kyster.^[1] Den totale teoretiske energien fra bølger er estimert til 32 000 TWh/år (115 EJ/år), men det tekniske potensialet er betydelig mindre og vil være avhengig av utvikling av ny teknologi.^[88]

Det teoretiske potensialet for saltkraft i hele verden er estimert til 1650 TWh per år (6 EJ/år).^[88] Effekten som utvikles av all verdens tidevann utgjør 3 TW, men bare 60 GW utvikles i kystområder.^[1][88] Alle verdens havstrømmer tilsvarer en effekt på 100 GW, men bare noen få GW kan utnyttes.^[1]

Positive miljøkonsekvenser med anlegg for havenergi er at hav- og kystområder får være i fred for andre aktiviteter, noe som kan være gunstig for marint liv. Ulempen er at fiskere og andre brukere av havområdet stenges ute, dessuten mulig støy og forstyrrelse eller skader på habitater og andre lokale miljøproblemer.^[89]

I mange land har infrastruktur for energiforsyning utviklet seg over mange år, slik at elektrisk kraft, gass, varme og drivstoff skal kunne distribueres på en kostnadsoptimal måte. En overgang til samfunn med lave utslipp av klimagasser kan bety at det må gjøres omfattende investeringer ikke bare i fornybare energikilder, men også i infrastruktur. Mer fleksible elektriske kraftsystemer (smart strømnett), utbygging av fjernvarme- og kjøleanlegganlegg, nye systemer for å distribuere fornybar gass og drivstoff er eksempler på dette. Nye anlegg for energilagring og utvikling av nye kollektive transportmidler, samt systemer for energidistribusjon og kontroll i bygninger, er andre mulige konsekvenser.^[90]

Forskjellene mellom de ulike fornybare energikildene, kan i noen tilfeller gjøre innfasing av fornybare energikilder vanskelig og kostbart. Tilgang til sol- og havenergi finnes mange steder i verden, mens andre kilder som vannkraft, er geografisk ujevnt fordelt. Noen er høyst variable og ikke lette å predikere, mens andre igjen har lavere energiinnhold enn fossile kilder som kull, olje og gass.^[90]

Dagens sentraliserte energisystemer drives oftest av fossile energikilder, og har blitt utviklet for å gi kostnadseffektiv energiforsyning ved hjelp av energibærere i fast form, væskeform, gassform, elektrisitet og varme. Med større anvendelse av fornybare energikilder i den eksisterende energiforsyningen må tekniske, økonomiske, miljømessige og sosiale barrierer brytes ned. I mange land og regioner vil overgang til elektriske kraftsystemer bli det mest passende for energioverføring, for eksempel ved bruk av elektrisitet til oppvarming og i transportsektoren.^[90]

Det er to egenskaper med flere av de fornybare energikilder som gjør storskala energiutnyttelse komplisert: den varierende effekten som er tilgjengelig (intermitterende produksjon) og lav energitetthet. For eksempel vil sol og vind varierer i løpet av døgnet, i tillegg til å være væravhengig. En har to løsninger på dette problemet om energien omgjøres til elektrisk kraft – energioverføring over lange avstander med kraftledninger og energilagring. Med kraftledninger kan energien overføres mellom regioner med overskudd til områder der det er underskudd.^[1] Enda en utfordring med disse energikildene er at de må utvikles og integreres i de energisystemene som allerede finnes. Dermed kan det hende at de beste systemene i fremtiden, med mye høyere produksjon fra fornybare energikilder, er helt annerledes enn de en har ved inngangen i det 21. århundre.^[91]

For å gjøre fornybar energi tilgjengelig, pålitelig og attraktiv, er det helt vesentlig at teknologi for energilagring blir utviklet. Dette trengs både for energilagring av elektrisitet og for å ha energibærere for transportsystemer. Energiproduksjon ved hjelp av vind- og solkraft som overføres via kraftnettet er blitt mer og mer vanlig, men tilgangen på billige systemer for lagring av store energimengder setter begrensinger for utnyttelsen av disse energikildene. På samme måte utgjør manglende energilagring begrensinger for transportsektoren. Store tekniske fremskritt må gjøres for å kunne utnytte fornybare energikilder i det omfanget som er ønskelig.^[92]

Energi kan lagres som mekanisk energi, i form av legemer eller substanser som roterer, er komprimert eller plassert på en høyde, som termisk eller elektrisk energi som blir frigjort via kjemiske prosesser eller på andre måter. Elektrisk og mekanisk energi anses for å være høykvalitetsenergi, fordi disse enkelt kan konverteres til en av disse formene. Lagret varmeenergi derimot blir i de fleste sammenhenger ansett som lavkvalitetsenergi, fordi nytteverdien avhenger av temperatur og fordi den ikke kan omformes til elektrisk eller mekanisk energi i en prosess med høy virkningsgrad. Elektrisk energi har størst universell nytteverdi, fordi elektrisitet kan omformes til mekanisk- eller varmeenergi med høy virkningsgrad, noe som ikke er tilfelle for andre energiformer. I tillegg produserer de mest lovende fornybare energikildene (vind- og solkraft) elektrisitet avhengig av vind og vær, ikke nødvendigvis når behovet er størst.^[92]

Pumpekraftverk har blitt benyttet for energilagring helt siden 1890-årene.^[93] Slike anlegg finnes med størrelser opp til 1000 MW. Typisk transporteres vann med pumper opp fra ett reservoar til ett som ligger høyere opp. Pumpene tar imot overskudd av elektrisk energi i kraftsystemet og drives av en elektrisk motor. Den elektriske motoren kan også gå som generator og er da tilknyttet en vannturbin drevet av vannet når det strømmer tilbake til det laveste reservoaret. Det finnes også slike anlegg i nedlagte gruver, der forskjellige nivåer i undergrunnen benyttes som vannreservoarer. Nye slike anlegg har en virkningsgrad på rundt 80 %.^[94]

Andre tekniske prinsipper går ut på å lagre energi i form av komprimert luft i store tanker, svinghjul (roterende masse) og systemer for termisk energilagring.^[95] Biomasse, etanol, biogass og biodiesel er også eksempler på energilagring, disse er i tillegg energibærere som kan tas med i kjøretøy.^[96]

I forbindelse med vindkraft har en vurdert forskjellige typer energilagring i kraftsystemet. En ser for seg at anvendelse av elektriske biler i stor skala kan by på en fordel, ved at batteriladning kan styres ut fra behov i kraftsystemet. Dermed kan kontrollert batteriladning gjøre at variabel energiproduksjon fra vindkraft kan dempes ut. Andre muligheter er at overskudd fra vindkraft brukes til drivstoffproduksjon eller oppvarming lokalt (for eksempel romoppvarming).^[97]

Om en hadde tilgjengelig teknologi for elektrisk energilagring med høy kapasitet, ville en enklere kunne utnytte vind og solenergi i stor skala, selv om disse energikildene har svært variabel produksjon. Når slike energilagre ikke er tilgjengelige må en heller satse på flere forskjellige og regulerbare energikilder, som vannkraft, bioenergi, geotermisk energi, samt et omfattende kraftoverføringsnett med høy kapasitet.^[93][98]

Utnyttelse av fornybare energikilder i stor skala utfordrer de eksisterende kraftsystemene. Disse er bygget for å foredle høykvalitetsenergi i svært store kvanta fra noen få noder (knutepunkter), men må endres slik at de kan håndtere energi med lav kvalitet i små kvanta, fra mange steder og transporteres over store avstander. Disse energimengdene skal så konsentreres og distribueres i sentra med stor befolkning og tilsvarende stort energiuttak.^[93]

Fjernvarmesystemer forventes å være gunstige for overgang til flere forskjellige fornybare energikilder, som avfallsforbrenning, fyrkjeler for biomasse, solenergi og geovarme, samt spillvarme fra industri. Mange slike energikilder er billige og flere kan kobles inn på samme system. Mange land på høyere breddegrader har allerede utbygd slike systemer, der 30–50 % av markedet er dekket (2012). Systemer for fjernvarme kan bygges ut videre med varmelagre som magasinerer varme til spesielle perioder på døgnet eller året, enten fordi varmebehovet- eller produksjonen er variabel. Sike vannbårne systemer kan også distribuerer kaldt vann for nedkjøling i varme strøk.^[99]

Siden 1960-årene har det blitt bygget ut gassrørledninger i mange deler av verden. Disse nettverkene forsyner husholdninger og industri med gass for oppvarmingsformål. Disse kan brukes til å frakte fornybare gasstyper (biogass) istedenfor naturgass. Det er da snakk om gasser som metan, syntesegass og hydrogen. Rundt omkring i verden blir slike gassverk modifisert for å distribuere biogass.^[100]

Bioenergi i flytende form forventes å kunne være et velegnet drivstoff i transportsektoren. Typisk blir det mange steder i verden blandet inn 5–25 % etanol i bensinen, dessuten blandes biodiesel inn i diesel. Det er flere utfordringer med en overgang til drivstoff kun bestående av flytende bioenergi. En må utvide infrastrukturen med større tanker og rør, samt med større drivstofftanker i bilene, for å overføre samme energimengde. Årsaken er at for eksempel etanol bare har 2/3 så høyt energiinnhold som bensin.^[101]

Elektrifisering av flest mulig sektorer og energisystemer blir sett på som avgjørende for en overgang til fornybare energikilder og redusert avhengighet av fossile energikilder. For noen industrisektorer anses elektrifisering som vanskelig, dette gjelder særlig produksjon av stål, sement og i deler av kjemisk industri. Det samme gjelder fly, der en trenger energibærere med svært høy energitetthet. Innenfor en del sektorer har en derfor stor tro på hydrogen som energibærer. Hydrogen danner ved forbrenning vann, og produseres tradisjonelt ved hjelp av kull eller naturgass. Dermed må det forskning og utvikling til for få en verdikjede basert på fornybar energi. Likeledes trengs en infrastruktur for transport av hydrogen og utvikling av prosesser der hydrogen erstatter fossile energikilder. Et eksempel på bruk er i biler der hydrogen og oksygen blandes i brenselceller og gir elektrisitet som driver en elektrisk motor. Det gjøres også forskning på hydrogendrevne jetmotorer i fly. En ulempe med hydrogen er at det er en svært reaktiv gass, slik at beskyttelse mot eksplosjoner er viktig.^[102]

Energiøkonomisering, i betydning energieffektivisering og energisparing, vil bety mye for fremtidige strategier for energibruk. Dette behøver ikke gå ut over velstanden blant folk. Et eksempel som trekkes frem er USAs høye energiforbruk per capita, som er opptil tre ganger høyere enn sammenlignbare land med samme velstandsnivå (Human Development Index). Med forbedringer innenfor energieffektivisering og endringer av infrastruktur, kan USA komme ned på samme energiforbruk som de europeiske OECD-landene.^[103] De rike samfunnene i Nord-Amerika, Europa og Asia har et årlig forbruk av energi på mer enn 300 GJ/capita, og i noen tilfeller mer enn 500 GJ/capita.^[104]

Bare 37 % av verdens primærenergi går til nyttig energibruk, resten går tapt, for det meste som varme. I rapporten World Energy Assessment 2000 sies det at verden fra 2020 til 2040 sannsynligvis vil gjennomgå en energieffektivisering på 25–35 % i de fleste industriland og en forbedring på mer enn 40 % i utviklingslandene. Siden 1970-årene har sammenhengen mellom energibruk og økonomisk vekst i OECD-landene enten blitt svakere eller opphevet. Skatter og avgifter, energilovgivning og internasjonal handel med CO₂-kvoter kan være med på å stimulere til energiøkonomisering, det samme kan harmonisering av internasjonale reguleringer for eksportprodukter.^[105]

En rapport fra konsulentfirmaet McKinsey i 2010 sa at energieffektivisering utgjør rundt 40 % av potensialet for reduksjon av klimagassutslipp. Forbedringen av energisystemene vil også gi økonomiske besparelser.^[75]

Produksjon av stål, sement, ammoniakk og plastikk førte til utslipp av 1,9 Gt karbon i 2015, noe som utgjorde rundt 20 % av de totale utslippene. Økende behov for disse materialene forventes å gi økt energibehov, fortrinnsvis med fossile energikilder, siden disse inngår delvis som energikilde og er del av den kjemiske prosessen. Spesielt forventes det stor økning i Asia og Afrika både på grunn av befolkningsvekst og økt levestandard.^[106] På grunn av de moderne industrisamfunnenes avhengighet av disse energiintensive materialene og utfordringer med andre produksjonsmåter, er det nødvendig å redusere bruken. Det kan skje ved redusert materialbruk i nye produkter, forbedring av virkningsgrad, økt gjenbruk og reduksjon av antall produkter basert på disse materialene.^[107] En ser for seg en fremtidig økonomi der en bruker materialer på en mer effektiv måte, og at det fremstilles mer holdbare varer, som i tillegg kan repareres og gjenbrukes. Slike tiltak er kjent som sirkulær økonomi.^[108]

Overgang til fornybare energikilder vil også påvirke produksjon og avhengighet av fossile energikilder. Et eksempel er at om vindturbiner skal forsyne 25 % av verdens energibehov i 2030, så vil nye installasjoner med en samlet ytelse på 2,5 TW kreve 250 millioner tonn stål (stål til tårn og kraftledninger utelatt i overslaget). Dette stålet vil trenge 600 millioner tonn kull for å bli produsert. Produksjon av plast for selve turbinbladene vil ytterligere kreve 90 millioner tonn råolje.^[106]

Storstilt utbygging av fornybare energikilder vil øke behovet for sjeldne jordarter og metaller som kobber og aluminium. Solcelleanlegg, vindturbiner og elektriske biler krever generelt mer mineraler enn tilsvarende enheter basert på fossil energi. En typisk elbil krever seks ganger så mye mineraler som en konvensjonell bil og et vindkraftverk på land krever ni ganger mer mineralressurser enn et gassfyrt anlegg. Det er særlig mineralene litium, nikkel, kobolt, mangan og grafitt, som trengs i store mengder.^[109]

Utvikling av fornybare energikilder har ført til at disse er tatt i bruk innen industri, transport, bygninger og i andre næringer. For å utnytte dette videre i større grad, står ulike bransjer ovenfor en rekke ulike utfordringer som må løses.^[110]

Industrisektoren er den største sluttbrukeren av energi, både når det gjelder energibehov og utslipp av klimagasser. I 2014 stod stål- og metallfremstilling, kjemikalie-, mineral-, pulp- og papirindustrien for omtrent 66 % av sluttbruken av energi og 72 % av industrisektorens klimagassutslipp. Det anbefales at industrisektorens begrensninger skjer ved redusert ressursbehov, energieffektivisering, økt elektrifisering, redusert bruk av fossile energikilder og ved utvikling av nye teknologier. I tillegg bør det anvendes karbonfangst og -lagring. For å oppnå målene kan en søke mot mer optimal ressursbruk, øke produktenes levetid og kvalitet og få til en større grad av gjenbruk.^{[111]:129–148}

Bygningssektoren stod for 31 % av den totale sluttbruken av energi i 2014, 54 % av sluttbruken av elektrisitet og 8 % av klimagassutslippene. Overgang til elektrisitet og energisparing for redusert behov for oppvarming og nedkjøling anses viktig, noe som i stor grad kan oppnås med forbedret isolasjon i bygninger, samt utstyr med større effektivitet. Andre viktige tiltak er installasjon av varmepumper og lysdioder. Forbrukernes valg og oppførsel, samt administrasjon av bygninger spiller også inn.^{[111]:129–148[112]}

Transportsektoren har et stort energibehov og i 2013 var forbruket på 20 % av all primærenergi. Sektoren står for en stor del av utslippene av karbondioksid, i tillegg til andre luftbårne forurensninger. Hele 95 % av all energi til transport er oljebasert (2010).^[113] Det er forventet at fra 2008 til 2050 vil antallet motoriserte kjøretøyer i verden tredobles, samme økning forventes for luftfart.^[114] Fordi verdens oljeproduksjon antas å nå en topp rundt 2050, er det stort fokus på andre energikilder enn bensin og diesel for transport. Biler drevet av biodrivstoff eller elektrisitet (elbiler), samt hybridbiler, har oppnådd stor utbredelse noen steder i verden (2016).^[113]

For å redusere klimagassutslipp er reduksjon av fossile energikilder i transportsektoren blitt sett på som helt avgjørende. I tillegg kan reisebehovet reduseres, kjøretøyene kan gjøres mer effektive, og en kan gå over til mindre energikrevende transportformer.^[114]

Forbruket av bensin til biltransport reduseres år for år i OECD-landene og maksimalt forbruk oppstod sannsynligvis i 2005. Årsaken til denne reduksjonen er økonomisk aktivitet som ikke etterspør transport, lav økonomisk vekst og større effektivitet innenfor transportsektoren. Derimot forventes det økt etterspørsel i land som Kina og India.^[115]

Ønsket om å begrense global oppvarming er en av de viktigste årsakene til økt behov for fornybare energikilder.^[116] I 2019 kom omtrent 11 % av verdens forbruk av primærenergi fra fornybare kilder. Av dette stod vannkraft for 60,3 %, vind for 20,2 %, solenergi for 10,0 % og andre kilder for 9,4 %.^[117] I 2017 utgjorde verdens investeringer i fornybar energi 279,8 milliarder US Dollar, der Kina stod for 45 % av de globale investeringene, mens USA og Europa bidro med rundt 15 % hver.^[118] Globalt var det anslagsvis 10,5 millioner arbeidsplasser tilknyttet fornybar energi i 2020, med solcellebransjen som den største arbeidsgiveren.^[119] Fornybar energi utvikles raskt med hensyn til høyere virkningsgrad og kostnadsreduksjon. Bidraget til det totale energiforbruket er økende.^[120] Kostnadsreduksjon og kostnadssetting av eksternaliteter på grunn av energiproduksjon, forventes å forbedre konkurransedyktigheten til de fornybare teknologiene.^[121] I 2019 ble mer enn to tredjedeler av helt ny elektrifisering utført med fornybar energi.^[122] Per 2020 er solenergi og vindkraft på land de billigste typene av fornybar energi i de fleste land.^[123]

På nasjonale nivå er det 17 land som får mer enn 20 % sitt primære energibehov dekket fra fornybare energikilder. De med høyest andel er Island (79 %), Norge (66 %), Brasil (45 %), Sverige (42 %) og New Zealand (35 %). Når det gjelder elektrisk kraftproduksjon er det 18 land som får mer enn 90 % dekket av fornybare kilder. Av disse er det fem land som dekker 100 % av sitt elektrisitetsforbruk med fornybare kilder (Albania, Nepal, Lesotho, Bhutan og Paraguay).^[124] Nasjonale markeder for fornybar energi er anslått å vokse sterkt i de kommende tiåret og utover. Rundt 120 land har forskjellige politiske mål for langsiktige økte andeler av fornybar energi, blant annet har den europeiske union et mål om at innen 2030 skal utslipp av klimagasser reduseres med 55 %. Utenfor Europa er det minst 20 forskjellige land som har som mål at fornybar energi i årene 2020–2030 skal dekkes fra 10 % til |50 % av forbruket.^[125][126] Det var per 2019 elleve land i verden som hadde tatt mål av seg til å få mesteparten eller all sin energi fra fornybare kilder: Sverige, Costa Rica, Nicaragua, Skottland, Tyskland, Uruguay, Denmark, Kina, Morocco, USA og Kenya.^[127]

Siden 1950-årene har verdens energiforbruk økt raskt og det forventes å øke frem frem til 2050. Økningen gjennom siste halvdel av 1900-tallet var kjennetegnet av billige fossile energikilder og rask industrialisering i Nord-Amerika, Europa og Japan. Det forventes at utviklingen de neste årene vil bli mer sammensatt. Kina og India har en kraftig økning av sitt energiforbruk. Disse landene har en tredjedel av verdens befolkning, og energibruken per capita er fremdeles (2016) meget liten. Samtidig forventes redusert tilgang på olje og uheldige konsekvenser av global oppvarming.^[128]

I perioden 2002–2012 gikk den primære energibruken ned i Nord-Amerika og Europa, mens verdens energiforbruk økte gjennomsnittlig med 2,8 % per år. Mye av denne økningen skyldes Kinas økning med rundt 10 % per år i denne perioden.^[128]

I 2011 bidro fossile energikilder med 82 % av verdens primære energibehov, der olje stod for 31 %, kull for 29 % og naturgass for 21 %. I 2000-årene gikk oljebruken ned fra 35 til 31 %, mens andelen kull gikk opp fra 23 til 29 % i den primære energibruken. Årsaken er Kinas raske utbygging av elektrisk kraftproduksjon basert på kull.^[128]

Mesteparten av verdens elektrisitetsproduksjon skjer med fossile energikilder, med omtrent 66 % av all elektrisitet produsert i 2015, der kull utgjorde 60 % av de fossile kildene.^[129] De største forbrukerne er Kina, India, Russland og USA. I Kina og India er kull viktig for elektrisitetsproduksjon, mens i USA og Russland er kull viktigst for industriproduksjonen. Olje er verdens hovedkilde til energi i de fleste land, hvor den brukes som drivstoff innenfor transport, samt til industriproduksjon. Naturgass er viktig som energikilde i elektrisitetsproduksjon i mange land, i tillegg brukes gass i husholdningene til matlaging og oppvarming, samt i industrien.^[130]

Med dagens (2021) forbruk av olje vil verdens kjente reserver (2016) vare frem til rundt 2070.^[132] Det foreligger forskjellige scenarier for fremtidig oljeproduksjon, og IEA World Energy Outlook 2013 hadde to scenarier basert på forskjellige forutsetninger der maksimum for oljeproduksjonen (peak oil) vil oppstå i år 2020 eller i 2035.^[128] Stadig flere prognoser fra forskjellige byråer for energianalyse forventer et fall i oljeproduksjonen. En oppsummering fra 2020 viser at de fleste byråer forventer maksimal oljeproduksjon innen 2035, med OPECs prognose som den seneste, nemlig 2040.^[133] Enten vil verden innen denne tiden komme opp med alternative energikilder for transportsektoren, eller så vil drivstoffprisene øke drastisk, noe som vil få store sosiale og økonomiske konsekvenser.^[128]

Verdens kjente reserver av naturgass (2017) er forventet å vare frem til omtrent 2070 forutsatt dagens (2021) forbruk, men maksimalproduksjonen vil komme mye før.^[128][134] Verdens reserver for kull var i 2020 estimert til å vare frem til år 2160 forutsatt dagens forbruk.^[135] Verdens kullforbruk hadde en markert nedgang i 2020, den første siden andre verdenskrig. Reduksjonen var på 4 % og hadde sammenheng med koronaviruspandemien og redusert økonomisk aktivitet.^[136] Det er forskjellige prognoser for når maksimal kullproduksjon vil oppstå, noen prognoser anslår et fall i forbruket for energiproduksjon fra midten av 2020-årene, andre estimater forutsetter en svak vekst frem til 2040, deretter reduksjon, avhengig av politikk og teknologisk utvikling.^[137]

Begrenset vanntilgang kan gå ut over kraftproduksjonen fra fossile energikilder, noe som også er et problem for kjernekraft og biomasse. Klimaendringer har ført til tørkeperioder som har gitt betydelig redusert kraftproduksjon både fra kjerne- og kullkraftverk i USA og Frankrike.^[116] Konsekvensen av dette er svekket energisikkerhet.

De gjenværende reservene av fossile energikilder er store nok til å øke konsentrasjonen av klimagasser i atmosfæren så mye at det overgår alle scenariene for utslipp i klimapanelets rapporter.^[3]

Luftforurensning på grunn av forbrenning av fossile energikilder forårsaker omfattende skader på natur og svekker folkehelsen.^[138] Utvinning av fossile energikilder gir forurensning til jord, luft og vann, i tillegg til at spesielt kullutvinning i daggruver endrer landskapet i betydelig grad.^[116] Dette er såkalte eksterne kostnader, det vil si at de ikke er inkludert i prisen for energi, varer og tjenester (ikke avspeilet i markedspriser).^[138]

Skadekostnadene er størst for kull og olje, og minst for gass. I henhold til Sternrapporten fra 2006 kan skadekostnadene fra fossile energikilder være så høye som 65 Euro per tonn CO₂-ekvivalenter. Disse kostnadene gjelder fremtidige problemer på grunn av global oppvarming.^[139] Helseeffekten av bruk av fossile energikilder er svært vanskelige å beregne kostnadene av, det samme med konsekvensene på lang sikt for verdens økosystemer og naturmiljø. Noen av disse problemene er fotokjemisk smog, sur nedbør og høye konsentrasjoner av nitrogen. Dessuten utfordringene ved utvinning, som landsenkning, store hauger med gruveavfall og forurenset vann ved kullutvinning. Oljeutvinning har hele tiden vært heftet med forurensning og ulykker.^[140]

Det er imidlertid påpekt at usikkerheten med beregninger av eksterne kostnader er svært store, med en faktor på 3 både i positiv og negativ retning. Forskerne mener allikevel at en usikkerhet med faktoren 3, er bedre enn om en skulle ha operert med uendelig store kostnader. Det ville vært tilfelle om en ikke gjør noen antagelser i det hele tatt.^[139]

Parisavtalen fra desember 2015 har som mål at de globale utslippene av klimagasser raskest mulig skal reduseres slik at den gjennomsnittlige globale temperaturøkningen på jorden skal komme under 2 °C, og helst ikke over 1,5 °C. Hvor stor total opplagret mengde med CO₂ i atmosfæren dette tilsvarer, er ikke mulig å si sikkert, men alt etter forutsetningene er ett tall som brukes 1000 Gt C (forutsetter en konfidens på 66 %). Om også andre klimagasser tas med, reduseres mengden til 790 Gt C. Fra 1750 til 2015 var de samlede utslippene av CO₂ på 550 Gt C, dermed kan det ikke slippes ut mer enn 240–450 Gt C. Om verden greide å stabilisere utslippene til 9,5 Gt C per år, som var det som ble sluppet ut i 2015, så må alle utslipp være stoppet innen 2040–2062 for at 2 °C-målet skal være oppnåelig. Imidlertid er energibehovet forutsatt å øke betydelig.^[107]

Flere prognoser og målsetninger for nasjonal eller global langsiktig energiproduksjon fra fornybare energikilder har vært fremsatt og vist seg altfor optimistiske. Enten har de tatt feil innenfor en vis margin, eller vært fullstendig gale.^[141] Et eksempel er Sverige som i 1970-årene la en plan for hvordan landet innen 2015 skulle få all sin energi fra fornybare og innenlandske kilder.^[142] Andre prognoser har vært altfor pessimistiske, for eksempel ble det i 1981 estimert en produksjonsnedgang av olje utover i 1980- og 1990-årene som ville gi omfattende sosiale problemer. Isteden har råoljeprisene holdt seg lave og nokså stabile.^[141]

FNs klimapanel sier at for å nå målet om begrensning av gjennomsnittlig global oppvarming til 1,5 °C trengs «storstilt endring av de globale systemene for energi, landbruk, arealbruk og økonomi, noe som vil påvirke måten energi produseres på, landbruket organiseres på og hvordan mat, energi og materialer forbrukes.» Det finnes flere veier frem mot dette målet, og disse avhenger av underliggende utviklingsprosesser og samfunnsutvikling. Med dette menes valg av teknologi, omfanget av disse og om løsningene blir organisert globalt. Hvordan menneskeheten vil forbruke energi og landareal frem mot 2100 er grunnleggende usikkert, og vil avhenge av befolkningstall, trender for økonomisk vekst, endret adferd og teknologisk fremgang.^{[111]:108–129}

Det er utviklet fem sosioøkonomiske veier (en: Shared Socioeconomic Pathways) (SSP1–SSP5), der den første (SSP1) er mot en bærekraftig verden der målet om 1,5 °C oppvarming nås, og utfordringene med både begrensning og tilpasning til klimaendringene blir lave. En slik vei kjennetegnes av en verden med lavt befolkningstall, stor økonomisk vekst og menneskelig utvikling per innbygger, store teknologiske fremskritt der miljøhensyn blir viktige, en livsstil med nøkternt mat- og energiforbruk per capita og internasjonalt samarbeid. Det er også laget scenarier for veier mot et 2 °C-mål. Scenarier for veier mot 1,5 °C- og 2 °C-målene er nokså like, men den første kjennetegnes av lavere energiforbruk, større grad av elektrifisering og hurtigere utfasing av fossile energikilder.^{[111]:108–129}

Per 2019 har Det internasjonale byrået for fornybar energi (IRENA) anslått at den totale delen av fornybar energi i energiforsyningen må vokse seks ganger raskere enn hva verdens myndigheter i dag har planer for, om en skal holde økningen av den globale gjennomsnittstemperaturen «godt under» 2,0 °C i 2100 (i forhold til før-industrielt nivå).^[143]

Energiforsyningen for veiene mot 1,5 °C-målet går via energikilder med lave karbonutslipp, som fornybare energikilder, kjernekraft og fossile energikilder der en i størst mulig grad går over til karbonfangst og -lagring. Dessuten en rask reduksjon av elektrisitetsproduksjon med fossile energikilder og elektrifisering av sluttbrukernes energibruk. Rundt 2050 må verden ha fått til en overgang mot nesten bare fornybare energikilder og kjernekraft. Fordelingen mellom bioenergi, vind- sol- og vannkraft er forskjellige i de ulike veiene mot 1,5 °C-målet. Hvor stort innslaget av kjernekraft vil bli, avhenger mye av opinionens oppfatninger, men mange veier forutsetter utfasing av kjerneenergi eller begrenset bruk frem mot 2100.^{[111]:129–148} Kjernekraftverk har noen store fordeler, som at det ikke gir utslipp av klimagasser eller partikkelforurensning under normal drift, det er kjent teknologi og gir jevn energiproduksjon over døgnet og året. En annen fordel er at råstofftilgangen (uran) fremdeles er stor. En usikkerhet er svekket spisskompetansen innenfor kjernekraftteknologi siden 1970-årene.^[130]

Innen 2050 forutsetter veiene mot 1,5 °C-målet, at elektrisitetsproduksjon øker fra 23 % fornybare energikilder i 2015 til 59–97 % i midten av århundret. Forbruket av fossile energikilder forutsettes derimot å falle til mellom 0–25 % innen 2050.^{[111]:129–148}

Selv om energisektoren mot målene på 1,5 °C oppvarming, nesten ikke må bruke fossile energikilder innen 2050, er det store forskjeller mellom veiene frem mot målet for sluttbrukerne (industri, bygninger og transport). Energietterspørselen drives av transportbehov, bolig- og næringsvirksomhet og produksjon, og vil være avhengig av sosioøkonomiske forhold.^{[111]:129–148}

Forskjellige måter å skattelegge utslipp fra fossile energikilder (karbonprising) er innført flere steder i verden, blant annet i Norge. Hensikten er at eksternaliteter (forurensning) skal prissettes og at høyere kostnad for fossile energikilder skal få en konkurransevridende effekt mot andre energiformer. Til nå (2021) har ikke disse avgiftene vært så høye at det har fått noen stor virkning, men det antas at utslippene av klimagasser er noe redusert. Mange økonomer mener at slike avgifter er den viktigste veien mot en vridning mot fornybare energikilder, lavutslippsløsninger, karbonfangst og -lagring. Dog må slike avgifter være globale om det skal få stor nytte. På denne måten mener økonomene at verdens stater kan tvinge markedskreftene til å hensynta de indirekte kostnadene av fossile energikilder, uten å stole på idealisme eller bygge opp om et spesielt verdenssyn.^[108][116]

Et kvotesystem for utslipp skal på samme måten som skattelegging, begrense bruken av fossile energikilder. I et kvotemarked deles det ut tillatelser, eller kvoter, for utslipp. I dette markedet kan kvoter kjøpes, selges og brukes, dermed vil antallet kvoter gå ned og etterspørselen, dermed også prisen, gå opp. En energiprodusent som skal kjøpe nye kvoter må dermed betale stadig mer etter som tiden går. I EU finnes et slikt kvotesystem, men prisen for kvotene er ikke høye nok til at effekten har blitt særlig stor.^[108][116]

Andre tiltak som gjøres av det offentlige er å støtte forsking og utvikling, enten med billige lån, garantier eller annen økonomisk støtte. Det gis også redusert skatt for investering i anlegg for energiproduksjon eller -sparing.^[144] Motivasjon for å støtte utviklingen av fornybare teknologier er todelt og skyldes markedssvikt. Den første feilen skyldes at markedet ikke tar hensyn til kostnadene som utslipp av klimagasser fører med seg (eksternaliteter), det andre forholdet er at industribedrifter underestimerer de fremtidige fordelene (inntektene) som utvikling av fornybare teknologi vil gi dem.^[145]

Samtidig med at det er skatter og avgifter på utslipp fra fossile energikilder, er det også store summer som brukes på subsidier. I 2021 brukte verdens land 440 milliarder US-dollar på subsidier til fossil energi. De landene som brukte mest penger på subsidier var i 2021: Iran, Kina, India, Saudi-Arabia og Russland.^[146]

Fornybare energikilder og bærekraftig utvikling kan forklares som et hierarki av mål og begrensninger som innebærer både regionale og lokale vurderinger. Viktige mål for bærekraftig utvikling som fornybare energikilder bidrar til er:^[147]

1. Sosial og økonomisk utvikling
2. Tilgang til energi
3. Energisikkerhet
4. Begrensning av global oppvarming og skader på miljø og helse

Det er sterk korrelasjon mellom bruttonasjonalprodukt (BNP)og energibruk, men allikevel har noen land høye inntekter per capita, selv med relativt lavt energiforbruk. Andre land er fattige selv om energiforbruket er høyt. En hypotese er at økonomisk vekst i stor grad kan være dekoblet fra stadig økende energiintensivitet. En annen teori er at utviklingsland kan gjøre store byks fremover og hoppe over noen av trinnene som utviklede land har vært gjennom. Med andre ord kan de ta i bruk de beste teknologier som utnytter energi effektivt.^[148]

Rundt 1,4 milliarder mennesker har ikke tilgang til elektrisitet og 2,7 milliard har bare tilgang til tradisjonell biomasse for matlaging (2009). For disse fattige menneskene betyr dette omfattende helseproblemer (røyk innendørs) og at mye tid som går med til å lete etter fyringsved. Med tilgang til ren, pålitelig og billig energi vil det gi betydelig økt levestandard og mer bærekraftig utvikling.^[149]

Overgang til fornybare energikilder betyr at en unngår avhengighet av fossile energikilder som verden får stadig mindre av. Mange fornybare energikilder er av en natur som ikke gjør det mulig å selge internasjonalt. Land som utnytter egne fornybare energikilder, vil slippe å være avhengig av import fra noen få olje- og gassproduserende land. De oppnår også at økonomien blir uavhengig av prisfluktuasjoner ved å satse på flere forskjellige fornybare energikilder nasjonalt. For utviklingsland er dette gunstig, fordi de ofte bruker store deler av sine eksportinntekter på import av drivstoff.^[150]

Fornybare energikilder har også utslipp av klimagasser, særlig under fremstilling av komponenter og materialer. Dog er disse utslippene betydelig lavere enn for fossile energikilder. De fleste fornybare energikilder har på den andre siden mindre eller like stort behov for landarealer som de fossile energikildene, når en sammenligner hele livssyklusens behov. Et unntak er bioenergi fra plantasjer dedikert for slik produksjon, der nødvendige landarealer er større enn for alle andre energikilder. Vind- og bølgekraft er eksempler på energikilder som krever store arealer, men der annen bruk av landområdene er mulig, som jordbruk og fiske. Skadene som installasjoner for energiproduksjon gir, er endring av økosystemer og biodiversitet på grunn av direkte fysisk påvirkning på habitater.^[151]

FNs klimapanel oppsummerer i sin spesialrapport Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (2012) at beslutningstagere som ønsker å øke andelen av fornybare energikilder og samtidig begrense global oppvarming, står ovenfor betydelige utfordringer med å få til et strukturelt skifte i løpet av noen få tiår. Utfordringene er større enn den historiske overgangen fra vedfyring til kull og senere fra kull til olje, fordi den tilgjengelige tiden er så knapp.^[91]

Den tsjekkisk-kanadiske forskeren Vaclav Smil mener det er en utbredt misoppfatning at overgang til fornybare energikilder kan skje like raskt som andre teknologiske invasjoner de siste tiårene. Innenfor datateknologi har mikroprosessorer blitt stadig raskere og billigere, i henhold til Moores lov.^[152] Sammenligner en med elektrisitetsproduksjon i varmekraftverk (som står for rundt 80 % av all kraftproduksjon i 2015), var forbedringen av virkningsgrad for dampturbiner og generatorer gjennomsnittlig 1,5 % hvert år i løpet av 1900-tallet. Imidlertid stoppet forbedringen nesten opp, og fra 1980 til 2015 var årlig økning bare 0,2 %. Ytelsen for turbiner har heller ikke økt siden 1970.^[153] Den samme forsiktige økningen kan en se for fornybare energikilder. For eksempel har årlig økning av virkningsgrad for solceller økt med 1,6 % og 3,8 % siden midten av 1970-årene, alt etter type. Et annet eksempel er ytelse for vindturbiner, med maksimal ytelse rundt 10 MW i 2014. Drastisk større ytelse for slike konstruksjoner har store utfordringer, blant annet at kostnadene øker med tredjepotensen av rotordiameteren, mens ytelsen øker kvadratisk. Et annet forhold er at virkningsgraden teoretisk sett uansett ikke kan komme over 59 %.^[153]

En annen grunn til at sammenligning mellom utvikling av mikroprosessorer og fornybare energikilder ikke er holdbar, i henhold til Smil, er den meget omfattende infrastrukturen som trengs for å fange inn, utnytte, prosessere, transportere og omforme energi. På grunn av dette vil disse systemene ha en innebygget treghet. Det samme gjelder for organisering og administrasjon av disse globale systemene, der tidligere beslutninger får betydning for fremtidige valgmuligheter. Investeringene i energisystemene for fossile energikilder i hele verden gjennom 1900-tallet er estimert til å være 25 billioner US-dollar (i 1990-internasjonale dollar). Disse store investeringene vil eierne gjerne ha tilbakebetalt og helst få en gevinst av.^[154]

Den amerikanske forretningsmagnaten Bill Gates har vært opptatt av energispørsmål, og har skrevet boken Hvordan unngå en miljøkatastrofe – teknologien vi har og gjennombruddene vi trenger (2021). Han mener at forskning på fornybare energikilder som er rene, billige og pålitelige, vil gi verden store fordeler. Verdens nasjoner vil få store gevinster av å være uavhengige av import av energi og få mer stabile priser, samt at utviklingsland kan forbedre sin levestandard. Han mener at innen 2030 vil en oppnå de store gjennombruddene som er nødvendig for å oppnå dette. Smil hevder slike prognoser er for optimistisk, blant annet at det neppe vil bli brukt store pengesummer på forskning og utvikling på energiforsyning. Smil mener at det i USA tradisjonelt har vært liten interesse for storstilt bruk av ressurser på energiforsyning. Pengebruken på energiforskning er bare en liten brøkdel av det som hvert år brukes på medisinsk forsking og mye mindre enn det som brukes på våpenutvikling.^[75]

Situasjonen i USA er generelt slik at organisasjoner og konservative politiskere ønsker å holde fornybar energi vekk fra dagsordenen.^[155] De fleste republikanere støtter ikke investeringer i fornybar energi fordi rammeverket deres er bygget på å holde seg til dagens energikilder, samtidig som de fremmer nasjonal oljeutvinning for å redusere avhengigheten av import.^[156]

I oktober 2021 sa EUs klimakommissær Frans Timmermans at «det beste svaret» på den globale energikrisen i 2021 er «å redusere vår avhengighet av fossilt brensel».^[157] Han sa at de som skyldte på European Green Deal gjorde det «kanskje av ideologiske grunner eller hadde økonomiske grunner for å beskytte sine egeninteresser.»^[157] Noen kritikere beskyldte European Union Emissions Trading System (EU ETS) og nedleggelse av atomkraftverk for å ha bidratt til energikrisen i 2021.^{[158][159][160]} EU-kommisjonens president Ursula von der Leyen sa at Europa er «for avhengig» av naturgass og -import. Ifølge Von der Leyen; – svaret er å diversifisere våre energikilder og, noe som er avgjørende, å fremskynde overgangen til ren energi.^[161]

• Menneskelig innvirkning på naturmiljøet
• Antropocen

• Fossdal, Marit L. m.fl. (2007). Fornybar energi 2007. Norges vassdrags- og energidirektorat. ISBN 9788241006326. 
• Goswami, D. Yogi og Kreith, Frank, m.fl. (2016). Energy efficiency and renewable energy – Handbook (PDF) (2. utg.). Taylor & Francis Group, LLC. ISBN 978-1-4665-8509-6. CS1-vedlikehold: Flere navn: forfatterliste (link)
• Smil, Vaclav (2017). Energi transitions: global and national perspectives (2. utg.). Santa Barbara, California: Praeger. ISBN 978-1-4408-5324-1. 
• Samset, Bjørn H (2021). 2070 – Alt du lurer på om klimakrisen, og hvordan vi kan komme oss forbi den (1. utg.). Oslo: Cappelen Damm. ISBN 978-82-02-67739-8. 
• Arvizu, Dan m.fl. (2012). Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation – Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change – Technical Summary (PDF). Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02340-6. 

• Produksjon og distribusjon av fornybar energi
• Renewable energy, explained
• How New Technology Is Making Wind Farms Safer for Birds
• Renewable Energy
• Renewable Energy Policy Network for the 21st Century
• Oversikt over artikler om fornybar energi i the Guardian
• Alternative Energy Systems and Applications (nedlastbare gratis bøker)
• ElectricityMap kart med sanntidsdata for andel av elektrisitetsproduksjon som er fornybar