可再生能源（Renewable energy）是从可再生资源中收集的能量，可再生资源在人类时间尺度上自然补充，例如阳光，风，雨，潮汐，波浪和地热。 可再生能源通常在四个重要领域提供能源：发电，空气和水加热/冷却，运输和农村（离网）能源服务。
2015年和2016年，可再生能源对人类的全球能源消耗贡献了19.3％，对其发电量贡献了24.5％。 这种能源消耗分为8.9％来自传统生物质，4.2％来自热能（现代生物质，地热和太阳能），3.9％来自水，2.2％来自风能，太阳能，地热能和生物质能。 2015年，全球对可再生技术的投资总额超过2860亿美元，中国和美国等国家对风能，水能，太阳能和生物燃料进行了大量投资。 在全球范围内，估计有770万个就业岗位与可再生能源产业相关，太阳能光伏发电是最大的可再生能源雇主。 截至2015年全球，安装的新电力中有一半以上是可再生能源。
虽然许多可再生能源项目都是大规模的，但可再生能源技术也适用于农村和偏远地区以及发展中国家，而能源在人类发展中往往至关重要。 前联合国秘书长潘基文表示，可再生能源有能力将最贫穷的国家提升到新的繁荣水平。 由于大多数可再生能源提供电力，可再生能源的部署通常与进一步的电气化相结合，这有几个好处：电可以转化为热量（必要时产生比化石燃料更高的温度），可以高效转换成机械能在消费方面很干净。 此外，使用可再生能源的电气化效率更高，因此可以显着降低一次能源需求，因为大多数可再生能源没有高损失的蒸汽循环（化石电厂通常损失40％至65％） 。
可再生能源系统正在迅速变得更加高效和便宜。 它们在总能耗中的份额正在增加。 由于可再生能源和天然气的吸收增加，到2020年煤炭和石油消费的增长可能会结束。
发电
到2040年，可再生能源预计将与煤炭和天然气发电相当。 包括丹麦，德国，南澳大利亚州和美国一些州在内的一些司法管辖区实现了可变可再生能源的高度整合。 例如，2015年风电满足丹麦42％的电力需求，葡萄牙为23.2％，乌拉圭为15.5％。 互连器使各国能够通过允许可再生能源的进出口来平衡电力系统。 在国家和地区之间出现了创新的混合系统。
加热
在许多国家，太阳能热水对可再生热能做出了重要贡献，尤其是在中国，现在占全球总量的70％（180 GWth）。 这些系统大多数安装在多户型公寓楼上，满足中国约5000万至6000万户家庭的部分热水需求。 在全球范围内，总安装太阳能热水系统满足了7000多万户家庭的一部分供热需求。 生物质用于加热的用途也在继续增长。 在瑞典，国民对生物质能的使用已超过石油。 直接地热供暖也在迅速增长。 加热的最新成员来自地热热泵，它既提供加热和冷却，也使电力需求曲线变平，因此是国家日益增加的优先事项（另见可再生热能）。
运输
生物乙醇是一种通过发酵制成的酒精，主要来自糖或淀粉作物（如玉米，甘蔗或甜高粱）中产生的碳水化合物。 源自非食物来源如树木和草的纤维素生物质也正在开发作为乙醇生产的原料。 乙醇可以用作纯净形式的车辆燃料，但它通常用作汽油添加剂以增加辛烷值并改善车辆排放。 生物乙醇广泛用于美国和巴西。 生物柴油可以用作纯净形式的车辆燃料，但它通常用作柴油添加剂，以降低柴油动力车辆中的颗粒物，一氧化碳和碳氢化合物的含量。 生物柴油使用酯交换法从油或脂肪中生产，是欧洲最常见的生物燃料。
太阳能车辆是通过直接太阳能完全或显着地供电的电动车辆。 通常，太阳能电池板中包含的光伏（PV）电池将太阳能直接转换为电能。 术语“太阳能车辆”通常意味着太阳能用于为车辆的全部或部分推进提供动力。 太阳能也可用于为通信或控制或其他辅助功能提供电力。 太阳能汽车目前不作为实用的日常运输设备出售，而主要是示范车辆和工程练习，通常由政府机构赞助。 然而，间接太阳能充电的车辆很普遍，太阳能船也可以商业化。
主流技术
风力
气流可用于运行风力涡轮机。 现代公用事业规模的风力涡轮机的额定功率从600kW到5MW不等，但额定输出功率为1.5-3MW的涡轮机已成为商业用途中最常见的。 2015年单个安装的陆上风力涡轮机的最大发电机容量达到7.5兆瓦。风力可用的功率是风速的立方数的函数，因此随着风速增加，功率输出增加到最大输出为特别是涡轮机 风力更强且更恒定的区域，例如近海和高海拔地区，是风电场的首选地点。 通常，风力涡轮机的满负荷小时数每年在16％至57％之间变化，但在特别有利的海上站点可能更高。
2015年风力发电占全球电力需求的近4％，安装了近63吉瓦的新风电容量。 风能是欧洲，美国和加拿大新增产能的主要来源，也是中国第二大产能。 在丹麦，风能满足其电力需求的40％以上，而爱尔兰，葡萄牙和西班牙各占近20％。
在全球范围内，假设所需的所有实际障碍都得到克服，风能的长期技术潜力被认为是当前全球总能源产量的五倍，或当前电力需求的40倍。 这将需要将风力涡轮机安装在大面积区域上，特别是在风力资源较高的区域，例如海上。 由于海上风速平均比陆地风速高约90％，因此近海资源可以比陆上涡轮机贡献更多的能量。 2014年，全球风力发电量为706太瓦时，占全球总发电量的3％。
水电
2015年，水电产生了全球总电力的16.6％和所有可再生电力的70％。 由于水比空气密度大约800倍，即使是缓慢流动的水流或适度的海浪，也会产生相当大的能量。 有许多形式的水能：
历史上，水力发电来自建造大型水电大坝和水库，这些水坝和水库在第三世界国家仍然很受欢迎。 其中最大的是中国的三峡大坝（2003年）和巴西和巴拉圭建造的伊泰普大坝（1984年）。
小型水力发电系统是水力发电装置，通常可产生高达50兆瓦的电力。 它们通常用于小河流或作为较大河流的低影响开发。 中国是世界上最大的水电生产国，拥有超过45,000个小型水电设施。
河流水力发电厂从河流中获取能量而没有建造大型水库。 水通常沿着河谷的一侧（使用通道，管道和/或隧道）输送，直到它高于谷底，从而可以通过压力水管下降以驱动涡轮机。 这种发电方式仍可能产生大量电力，例如美国哥伦比亚河上的约瑟夫大坝。
水电在150个国家生产，2010年亚太地区的水电占全球水电的32％。对于可再生能源发电比例最高的国家，前50名主要是水电。 中国是最大的水电生产国，2010年的产量为721太瓦时，约占国内用电量的17％。 现在有三个大于10吉瓦的水电站：中国的三峡大坝，巴西/巴拉圭边境的伊泰普大坝和委内瑞拉的古里大坝。
捕获海洋表面波能量的潮波能量和潮汐能量转换为潮汐能量，是具有未来潜力的两种水电形式; 然而，它们尚未广泛用于商业用途。 由缅因州海岸的海洋可再生能源公司运营的一个示范项目，与电网连接，利用来自芬迪湾的潮汐能，这是世界上最高潮流的位置。 海洋热能转换使用较冷的深层和较温暖的地表水之间的温差，目前没有经济可行性。
太阳能
来自太阳的太阳能，辐射光和热量利用一系列不断发展的技术进行利用，如太阳能加热，光伏发电，聚光太阳能发电（CSP），聚光光伏（CPV），太阳能结构和人工光合作用。 太阳能技术的广泛特征是被动太阳能或有源太阳能，这取决于它们捕获，转换和分配太阳能的方式。 被动太阳能技术包括将建筑物定向到太阳，选择具有良好热质量或光散射特性的材料，以及设计自然循环空气的空间。 主动太阳能技术包括太阳能热能，利用太阳能集热器进行供暖，以及太阳能发电，直接利用光伏发电（PV）将太阳光转化为电能，或间接利用聚光太阳能发电（CSP）。
光伏系统利用光电效应将光转换为电直流（DC）。 太阳能光伏已经发展成为一个数十亿，发展迅速的行业，不断提高其成本效益，并且与CSP一起拥有最具潜力的任何可再生技术。 聚光太阳能（CSP）系统使用透镜或镜子和跟踪系统将大面积的太阳光聚焦成小光束。 商业集中太阳能发电厂最早是在20世纪80年代开发的。 CSP-Stirling是迄今为止所有太阳能技术中效率最高的产品。
2011年，国际能源署表示，“开发廉价，取之不尽，用之不竭的清洁太阳能技术将带来巨大的长期效益。它将通过依赖土着，取之不尽，用之不竭的进口独立资源来增加各国的能源安全，加强可持续性，减少污染，降低减缓气候变化的成本，并使化石燃料价格保持低于其他水平。这些优势是全球性的。因此，早期部署激励措施的额外成本应视为学习投资;必须明智地花费和需要广泛分享“。 意大利拥有世界上太阳能发电的最大比例，2015年太阳能发电占意大利电力需求的7.8％。 2016年，经过一年的快速增长，太阳能产生了全球电力的1.3％。
地热能
高温地热能源自地球产生和储存的热能。 热能是决定物质温度的能量。 地球的地热能源来自地球的原始形成和矿物的放射性衰变（目前不确定但可能大致相等的比例）。 地热梯度，即行星的核心与其表面之间的温度差异，驱动从核心到表面的热量形式的热能的连续传导。 形容词地热起源于希腊语geo，意思是地球，而热水瓶，意思是热。
用于地热能的热量可以来自地球深处，一直到地球核心 – 向下4,000英里（6,400公里）。 在核心，温度可能超过9,000°F（5,000°C）。 热量从核心传导到周围的岩石。 极高的温度和压力导致一些岩石融化，这通常被称为岩浆。 岩浆向上对流，因为它比实心岩石轻。 然后，这个岩浆加热地壳中的岩石和水，有时高达700°F（371°C）。
从温泉开始，自古罗马时代以来，地热能一直被用于沐浴以及自古罗马时代以来的空间供暖，但现在它以发电而闻名。
低温地热是指将地壳的外壳用作热电池，以便为建筑物的加热和冷却以及其他制冷和工业用途提供可再生的热能。 在这种地热形式中，地热热泵和地面耦合热交换器一起用于在不同的季节基础上将热能传递到地球（用于冷却）和离开地球（用于加热）。 低温地热（通常称为“GHP”）是一种日益重要的可再生技术，因为它既降低了与加热和冷却相关的年度总能量负荷，又降低了电力需求曲线，消除了夏季和冬季的极端电力供应要求。 因此，低温地热/ GHP正在成为日益增长的国家优先事项，具有多种税收抵免支持，并成为正在进行的净零能源运动的一部分。 纽约市甚至刚刚通过一项法律，要求GHP随时可用20年融资，包括碳的社会化成本。
生物能源
生物质是源自生物或最近生物的生物材料。 它通常是指植物或植物衍生的材料，其特别称为木质纤维素生物质。 作为能源，生物质可以通过燃烧直接使用以产生热量，或者在将其转化为各种形式的生物燃料之后间接使用。 生物质转化为生物燃料可以通过不同的方法实现，这些方法大致分为：热，化学和生物化学方法。 木材仍然是当今最大的生物质能源; 例子包括森林残留物 – 如死树，树枝和树桩 – ，院子剪报，木屑甚至城市固体废物。 在第二种意义上，生物质包括可以转化成纤维或其他工业化学品（包括生物燃料）的植物或动物物质。 工业生物质可以从许多类型的植物中生长，包括芒草，柳枝稷，大麻，玉米，杨树，柳树，高粱，甘蔗，竹子和各种树种，从桉树到油棕（棕榈油）。
植物能源是由专门种植的作物生产的，用作燃料，每公顷产量高，输入能量低。 这些植物的一些例子是小麦，通常每公顷产出7.5-8吨谷物，以及秸秆，通常在英国每公顷产量3.5-5吨。 谷物可用于液体运输燃料，而秸秆可燃烧产生热量或电力。 植物生物质也可以通过一系列化学处理从纤维素降解为葡萄糖，然后所得的糖可以用作第一代生物燃料。
生物质可以转化为其他可用形式的能量，例如甲烷气体或运输燃料，例如乙醇和生物柴油。 腐烂的垃圾，农业和人类的废物，都释放出甲烷气体 – 也称为垃圾填埋气体或沼气。 玉米和甘蔗等农作物可以发酵生产运输燃料乙醇。 生物柴油是另一种运输燃料，可以从剩余的食品中生产，例如植物油和动物脂肪。 此外，生物质液体（BTL）和纤维素乙醇仍在研究中。 有大量的研究涉及藻类燃料或藻类衍生的生物质，因为它是一种非食物资源，其生产速度可以是其他类型的陆地农业的5至10倍，如玉米和大豆。 收获后，可将其发酵生产生物燃料，如乙醇，丁醇和甲烷，以及生物柴油和氢气。 用于发电的生物质因地区而异。 森林副产品，如木材残留物，在美国很常见。 农业废弃物在毛里求斯（甘蔗渣）和东南亚（稻壳）中很常见。 畜禽残留物，例如家禽垫料，在英国很常见。
生物燃料包括来自生物质的各种燃料。 该术语涵盖固体，液体和气体燃料。 液体生物燃料包括生物醇，例如生物乙醇，和油，例如生物柴油。 气态生物燃料包括沼气，垃圾填埋气和合成气。 生物乙醇是通过发酵植物材料的糖组分制成的酒精，其主要由糖和淀粉作物制成。 这些包括玉米，甘蔗和最近的甜高粱。 后一种作物特别适合在旱地条件下生长，国际作物半干旱热带研究所正在研究其在亚洲和非洲干旱地区提供燃料以及食品和动物饲料的潜力。
随着先进技术的发展，纤维素生物质，如树木和草，也被用作乙醇生产的原料。 乙醇可以用作纯净形式的车辆燃料，但它通常用作汽油添加剂以增加辛烷值并改善车辆排放。 生物乙醇广泛用于美国和巴西。 生产生物乙醇的能源成本几乎等于生物乙醇的能源产量。 然而，据欧洲环境署称，生物燃料并未解决全球变暖问题。 生物柴油由植物油，动物脂肪或再生油脂制成。 它可以用作纯净形式的车辆的燃料，或者更常用作柴油添加剂，以降低柴油动力车辆中的颗粒，一氧化碳和碳氢化合物的含量。 生物柴油使用酯交换法从油或脂肪中生产，是欧洲最常见的生物燃料。 2010年，生物燃料占世界运输燃料的2.7％。
生物质，沼气和生物燃料被燃烧产生热量/电力，这样做会损害环境。 氧化铁（SOx），氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）等污染物是由生物质燃烧产生的; 据世界卫生组织估计，每年有700万人因空气污染而过早死亡。 生物质燃烧是主要因素。
储能
能量存储是用于将电能存储在电力网上或其上的方法的集合。 在生产（特别是来自诸如风力，潮汐能，太阳能等可再生电力源的间歇发电厂）超过消耗的时间期间存储电能，并且当产量低于消耗时返回电网。 抽水蓄能水电用于所有电网蓄电的90％以上。 锂离子电池的成本正在迅速下降，并且越来越多地被用作电网电源（即运行储备）和家庭储存的快速动作源。
新兴技术
其他可再生能源技术仍在开发中，包括纤维素乙醇，热干岩石地热能和海洋能。 这些技术尚未得到广泛证明或商业化程度有限。 许多已经出现，可能具有与其他可再生能源技术相当的潜力，但仍然依赖于吸引足够的关注和研究，开发和示范（RD＆D）资金。
学术界，联邦政府和商业部门中有许多组织在可再生能源领域开展大规模的先进研究。 该研究涉及可再生能源领域的几个重点领域。 大多数研究的目标是提高效率和提高整体能源产量。 多个联邦政府支持的研究组织近年来一直关注可再生能源。 其中两个最重要的实验室是桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室（NREL），这两个实验室均由美国能源部资助，并得到各种企业合作伙伴的支持。 桑迪亚的总预算为24亿美元，而NREL的预算为3.75亿美元。
增强的地热系统
增强型地热系统（EGS）是一种新型的地热发电技术，不需要自然对流热液资源。 钻井范围内的绝大部分地热能源是干燥和无孔岩石。 EGS技术通过水力刺激“增强”和/或在这种“热干岩（HDR）”中创造地热资源。 EGS和HDR技术，如热液地热，预计将成为基础资源，每天24小时发电，就像化石厂一样。 根据钻探深度的经济限制，不同于热液，HDR和EGS在世界任何地方都是可行的。 良好的位置是在厚厚的（3-5公里）绝缘沉积层覆盖的深花岗岩上，这减缓了热量损失。 目前正在法国，澳大利亚，日本，德国，美国和瑞士开发和测试HDR和EGS系统。 世界上最大的EGS项目是目前正在澳大利亚Cooper盆地开发的25兆瓦示范工厂。 库珀盆地有可能产生5,000-10,000兆瓦。
纤维素乙醇
能够处理生物质并将其转化为乙醇的几家炼油厂由Iogen，POET和Abengoa等公司建造，而其他公司如Verenium Corporation，Novozymes和Dyadic International正在生产能够实现未来商业化的酶。 从粮食作物原料到废弃物和原生草的转变为一系列参与者提供了重要机会，从农民到生物技术公司，从项目开发商到投资者。
海洋能源
海洋能（有时也称为海洋能）是指海浪，潮汐，盐度和海洋温度差异所带来的能量。 水在世界海洋中的运动产生了大量的动能或动能。 这种能源可以用来发电，为家庭，运输和工业提供动力。 海洋能这一术语包括波浪能 – 来自地面波的能量和潮汐能 – 从大型流动水体的动能中获得。 反向电渗析（RED）是一种通过在为此目的而设计的大型电池中混合新鲜河水和咸海水来发电的技术; 截至2016年，它正在进行小规模（50千瓦）的测试。 海上风电不是海洋能源的一种形式，因为即使风力涡轮机放置在水上，风力也来自风能。 海洋具有巨大的能量，并且即使不是最集中的人口也接近许多。 海洋能源具有在全球范围内提供大量新的可再生能源的潜力。
实验太阳能
聚光光伏（CPV）系统采用集中在光伏表面上的太阳光来发电。 热电或“热电”装置将不同材料之间的温差转换成电流。
浮动太阳能电池阵
浮动太阳能电池阵列是浮在饮用水水库，采石场湖泊，灌溉渠道或修复和尾矿池表面的光伏系统。 法国，印度，日本，韩国，英国，新加坡和美国存在少量此类系统。 据说这些系统比陆地上的光伏发电具有优势。 土地成本更加昂贵，并且建造在不用于娱乐的水体上的建筑物的规则和法规较少。 与大多数陆基太阳能植物不同，浮动阵列可以不引人注目，因为它们不受公众视野的影响。 它们比陆地上的PV板具有更高的效率，因为水可以冷却板。 面板具有特殊涂层，可防止生锈或腐蚀。 2008年5月，位于加利福尼亚州奥克维尔的Far Niente酒厂开创了世界上第一个浮法光伏系统，在130个浮筒上安装了总容量为477千瓦的994个太阳能光伏组件，并将它们漂浮在酒厂的灌溉池上。 公用事业规模的浮动光伏电站正在建设中。 京瓷将使用50,000块太阳能电池板，在千叶县山仓坝上方的水库上开发世界上最大的13.4兆瓦农场。 还建造了耐盐水的浮动农场，供海洋使用。 迄今为止规模最大的浮法光伏项目是位于巴西亚马逊地区的350兆瓦发电站。
太阳能辅助热泵
热泵是一种从热源向称为“散热器”的目的地提供热能的装置。 热泵设计成通过从冷空间吸收热量并将其释放到较热的空间来将热能移向与自发热流方向相反的方向。 太阳能辅助热泵代表了热泵和热太阳能电池板在单一集成系统中的集成。 通常，这两种技术分开使用（或仅将它们平行放置）以产生热水。 在该系统中，太阳能热板执行低温热源的功能，并且产生的热量用于供给热泵的蒸发器。 该系统的目标是获得高COP，然后以更有效和更便宜的方式产生能量。
可以将任何类型的太阳能热板（板和管，辊压，热管，热板）或混合（单/多晶，薄膜）与热泵结合使用。 混合面板的使用是优选的，因为它允许覆盖热泵的一部分电力需求并且降低功率消耗并因此降低系统的可变成本。
人工光合作用
人工光合作用使用包括纳米技术在内的技术，通过分裂水产生氢气，然后使用二氧化碳制造甲醇，将太阳能电磁能存储在化学键中。 该领域的研究人员正在努力设计利用更广泛的太阳光谱区域的光合作用的分子模拟，采用由丰富，廉价的材料制成的催化系统，这些材料坚固，易于修复，无毒，在各种环境条件下稳定，更有效地执行，允许更大比例的光子能量最终进入储存化合物，即碳水化合物（而不是建立和维持活细胞）。 然而，突出的研究面临障碍，Sun催化剂公司的MIT衍生产品在2012年停止扩大其原型燃料电池的规模，因为与其他从阳光中制氢的方法相比，它几乎没有节省成本。
藻类燃料
从富含石油的藻类中生产液体燃料是一个持续的研究课题。 正在尝试在开放或封闭系统中生长的各种微藻，包括可以在棕地和沙漠地区建立的一些系统。
太阳能飞机
电动飞机是在电动机而不是内燃机上运行的飞机，电力来自燃料电池，太阳能电池，超级电容器，电力传输或电池。
目前，飞行载人电动飞机大多是实验示范者，尽管许多小型无人驾驶飞行器由电池供电。 电动模型飞机自20世纪70年代开始飞行，1957年发布了一份报告。第一批载人电动飞机于1973年制造。2015年至2016年间，载人太阳能飞机Solar Impulse 2完成了环球航行。地球的。
太阳上升塔
太阳能上升塔是一个可再生能源发电厂，用于从低温太阳能发电。 阳光在一个非常宽的温室状屋顶收集器结构下面加热空气，该收集器结构围绕着一个非常高的烟囱塔的中央基部。 由此产生的对流通过烟囱效应在塔中产生热空气上升气流。 该气流驱动放置在烟囱上升气流中或围绕烟囱基座的风力涡轮机以产生电力。 按比例放大的示范模型计划将允许大量发电，并可能允许开发其他应用，例如水提取或蒸馏，以及农业或园艺。 类似主题技术的更高级版本是Vortex发动机，其目的是用更短，更便宜的结构产生的空气涡流取代大型物理烟囱。
太空太阳能
对于光伏系统或热力系统，一种选择是将它们放入太空，特别是地球同步轨道。 为了与地球太阳能发电系统竞争，特定质量（kg / kW）乘以阁楼质量成本加上部件成本需要2400美元或更低。 即，对于零件成本加上1100美元/ kW的整流天线，$ / kg和kg / kW的乘积必须为1300美元/ kW或更低。 因此，对于6.5千克/千瓦，运输成本不能超过200美元/千克。 虽然这需要100比1的减少，但SpaceX的目标是减少10比1，反应引擎可以减少100比1。
对环境造成的影响
生物质和生物燃料有助于减少二氧化碳排放的能力受到限制，因为生物质和生物燃料在燃烧时会释放出大量的空气污染，并且在某些情况下会与食物供应竞争。 此外，生物质和生物燃料消耗大量的水。 其他可再生能源，如风力发电，光伏发电和水力发电，具有节约用水，降低污染和减少二氧化碳排放的优势。