可持续能源是一种能够满足当前需求的能源供应，不会危及子孙后代的能源供应，也不会危害环境。 它涵盖了能源的产生，分配和使用。 在能源生产中，它依赖于可再生能源，并且除其他外，还依赖于提高能源效率。 从化石 – 核能到可持续能源供应的转变被称为能源转型。
定义
对可持续能源的概念给出了许多定义，其中包括：
“具体而言，能源的份额能够满足当前的需求而不影响后代满足其自身需求的能力。[…]可持续能源有两个关键组成部分：可再生能源和能源效率。 – 可再生能源和能效伙伴关系。
“一方面是能源密集型产品和服务的公平可用性之间的动态和谐，另一方面是为子孙后代保护地球。以及：”解决方案将在于找到能力可持续的能源和更有效的能源转换和使用方式。 – 麻省理工学院出版社出版的JW Tester等人的可持续能源。
“资源的生成和节约的任何来源，其资源规模足够大，可以提取长期消耗的大部分能源，最好是一百年.– Invest，一个促进绿色的非营利组织技术。
“在人的一生中可以自然再生的能量，其提取不会对环境造成任何长期危害.-牙买加可持续发展网络。
这些定义表明，可持续能源的概念与其他与可再生能源相关的概念（如替代能源或绿色能源）有很大不同：能源是否可持续取决于其提供能源的能力。 能量很长一段时间。 可持续能源可以在环境中产生一定程度的污染，只要它足够低，不会无限期地阻碍大量使用能源。 可持续能源的概念也不同于“低碳经济”的概念，“低碳经济”只能在更有限的意义上持续存在（不会在大气中添加化石来源的二氧化碳）。
一个复杂的问题
正如我们在引言中所看到的那样，将可持续能源中的特定能量分类并不容易。 我们必须采用尽可能最全面的愿景，同时考虑到整个生产和能源消耗周期。 仅考虑一次能源是不够的。 有必要考虑用于制造生产单元的所有材料（特别是电力……）及其操作，与其寿命相比。
例如，可再生能源（太阳能，风能……）需要大量金属。 此外，太阳能或风力发电的间歇性需要开发电力存储技术。 然而，最有效的存储技术基于锂的使用，其储量有限。
核能的支持者指出，温室气体排放接近于零会引发争议。 然而，用于压水反应堆的核燃料的铀资源和用于制造围绕这些反应堆的燃料的护套的锆是有限的。 更不用说核电厂建设和废物处理的生态足迹，也不谈核事故或核扩散的风险。
可再生能源技术
可再生能源技术是可持续能源的重要贡献者，因为它们通常有助于世界能源安全，减少对化石燃料资源的依赖，并提供减少温室气体的机会。 国际能源署指出：
从概念上讲，人们可以定义三代可再生能源技术，可追溯到100多年前。
第一代技术出现在19世纪末的工业革命中，包括水力发电，生物质燃烧以及地热能和热能。 其中一些技术仍在广泛使用。
第二代技术包括太阳能加热和制冷，风力发电，现代生物能源和太阳能光伏发电。 自20世纪80年代以来，这些研究，开发和示范（RD＆D）投资正在进入市场。 最初的投资是由与20世纪70年代石油危机（1973年和1979年）相关的能源安全问题引起的，但这些可再生能源的持续吸引力至少部分归因于环境效益。 许多技术反映了材料的重大进步。
第三代技术仍在开发中，包括先进的生物质气化，生物精炼技术，聚光太阳能热能，热干岩石地热能和海洋能。 纳米技术的进步也可能发挥重要作用。
– 国际能源署，全球能源供应续订，IEA概况介绍
第一代和第二代技术已进入市场，第三代技术在很大程度上依赖于公共部门可以发挥作用的长期研究和开发承诺。
各种专家和机构进行了各种成本效益分析工作，以确定脱碳世界能源供应的最便宜和最快捷的途径。 该主题是一个相当大的争议，特别是关于核能的作用。
第一代技术
第一代技术在资源丰富的地区最具竞争力。 它们未来的使用取决于对现有资源潜力的探索，特别是在发展中国家，以及克服与环境和社会接受有关的挑战。
– 国际能源署，全球能源供应续订，IEA概况介绍
在可再生能源中，水力发电厂具有长寿的优点 – 许多现有工厂已经运行了100多年。 此外，水力发电厂清洁，排放量很少。 针对大型水电站的批评包括：生活在规划水库的人的错位，以及在建设和水库洪水期间释放大量二氧化碳。
然而，已经发现高排放仅与温暖（热带）地区的浅层储层相关，并且最近水电涡轮机技术的创新使得能够有效开发低影响的河流水电项目。 一般而言，水力发电厂比其他类型的发电厂产生更低的生命周期排放。 水力发电在19世纪和20世纪的电气化发展过程中经历了广泛的发展，正在经历21世纪发展的复苏。 水电增长最快的地区是蓬勃发展的亚洲经济体。 中国是发展的领导者; 然而，其他亚洲国家正在快速安装水电。 这种增长的原因是能源成本大幅增加 – 特别是对于进口能源 – 以及对更多国内生产，清洁，可再生和经济发电的广泛需求。
地热发电厂可以每天24小时运行，提供基本负荷能力，未来30年世界潜在的地热发电容量估计为85吉瓦。 但是，地热发电只能在世界上有限的地区使用，包括美国，中美洲，东非，冰岛，印度尼西亚和菲律宾。 20世纪70年代建造的系统大大降低了地热能源的成本。 在许多生产地热能的国家，或在资源温度较低的其他地区，地热发电可能具有竞争力。 增强型地热系统（EGS）技术不需要自然对流水热资源，因此如果资源非常庞大，它可以用于以前不适合地热发电的地区。 EGS目前正在美国能源部进行研究。
生物质煤球越来越多地被用于发展中国家作为木炭的替代品。 该技术涉及将几乎任何植物物质转化为压缩的压块，其通常具有约70％的木炭热值。 大型煤球生产的例子相对较少。 在刚果民主共和国东部的北基伍省，一个例外是木炭生产的森林清除被认为是对山地大猩猩栖息地的最大威胁。 维龙加国家公园的工作人员已经成功培训并配备了3500多人来生产生物质压块，从而取代国家公园内非法生产的木炭，并为受冲突影响地区的极端贫困人口创造了大量就业机会。
在19世纪的欧洲，有大约20万台风车，比21世纪的现代风力涡轮机略多。 它们主要用于研磨谷物和抽水。 煤动力蒸汽发动机的时代取代了早期使用的风力发电。
第二代技术
第二代技术市场强劲且不断增长，但仅限于少数几个国家。 面临的挑战是扩大全球持续增长的市场基础。 在一个国家进行战略部署不仅降低了那里用户的技术成本，而且降低了其他国家用户的技术成本，从而有助于降低总体成本并提高绩效。
– 国际能源署，全球能源供应续订，IEA概况介绍
太阳能加热系统是众所周知的第二代技术，通常包括太阳能集热器，将热量从收集器移动到其使用点的流体系统，以及用于储热和随后使用的储存器或储罐。 该系统可用于加热生活热水，游泳池水或用于空间加热。 该热量还可用于工业应用或作为其他用途（如冷却设备）的能量输入。 在许多气候条件下，太阳能加热系统可以提供非常高百分比（20％至80％）的生活热水能量。 地球从太阳接收的能量是电磁辐射的能量。 地球通过太阳能接收的可见光，红外线，紫外线，X射线和无线电波的光照范围。 最高的辐射功率来自可见光。 由于季节和白天到夜晚的变化，太阳能发电很复杂。 云层覆盖还可以增加太阳能的复杂性，并不是所有来自太阳的辐射都会到达地球，因为它被地球大气层中的云和气体吸收和分散。
在20世纪80年代和90年代初期，大多数光伏模块提供了远程区域电源，但从1995年左右开始，工业界越来越多地致力于开发用于并网应用的建筑集成光伏和发电厂（详见光伏电站文章）。 目前，北美最大的光伏电站是内利斯太阳能发电厂（15兆瓦）。 有人建议在澳大利亚维多利亚州建造一座太阳能发电站，该发电站将是世界上最大的光伏发电站，发电量为154兆瓦。 其他大型光伏电站包括Girassol太阳能发电厂（62兆瓦）和Waldpolenz太阳能发电厂（40兆瓦）。
一些第二代可再生能源，如风力发电，潜力巨大，已经实现了相对较低的生产成本。 截至2008年底，全球风电场容量为120,791兆瓦（MW），同比增长28.8％，风电产量约占全球用电量的1.3％。 风电约占丹麦用电量的20％，西班牙为9％，德国为7％。 然而，出于美观或环境原因，可能难以在一些区域中放置风力涡轮机，并且在某些情况下可能难以将风力集成到电网中。
自20世纪80年代后期以来，太阳能热电站已在加利福尼亚成功运营，包括最大的任何类型的太阳能发电厂，350兆瓦的太阳能发电系统。 Nevada Solar One是另一家最近开业的64MW工厂。 拟议的其他抛物槽式发电厂是西班牙的两座50兆瓦发电厂，以及以色列的100兆瓦发电厂。
太阳能和风能是间歇性能源，可在10-40％的时间内供电。 为了弥补这一特性，通常将其生产与现有的水力发电或天然气发电配对。 在没有这种情况的地区，风能和太阳能可以与显着更昂贵的抽水蓄能水电配对。
巴西拥有世界上最大的可再生能源项目之一，涉及从甘蔗生产乙醇燃料，而乙醇现在提供该国18％的汽车燃料。 因此，加上国内深水石油资源的开采，多年前不得不进口大量国内石油所需石油的巴西最近实现了石油的完全自给自足。
今天在美国上路的大多数汽车可以使用高达10％乙醇的混合物，而汽车制造商已经生产出能够运行更高乙醇混合物的汽车。 福特，戴姆勒克莱斯勒和通用汽车是销售“灵活燃料”汽车，卡车和小型货车的汽车公司之一，这些汽车，卡车和小型货车可以使用汽油和乙醇混合物，从纯汽油到85％乙醇（E85）。 到2006年中期，美国道路上大约有600万辆与E85兼容的车辆。
第三代技术
第三代技术尚未得到广泛证明或商业化。 它们即将出现，可能具有可与其他可再生能源技术相媲美的潜力，但仍取决于吸引足够的关注和研发和示范资金。 这些最新技术包括先进的生物质气化，生物精炼技术，太阳能热电站，热干岩石地热能和海洋能。
– 国际能源署，全球能源供应续订，IEA概况介绍
由于土壤退化，生物燃料可被定义为“可再生的”，但可能不是“可持续的”。 截至2012年，美国玉米产量的40％用于乙醇生产。 事实上，乙醇占据“清洁能源使用”的很大一部分，乙醇是否应被视为“清洁能源”仍存在争议。
据国际能源署称，目前正在开发的新型生物能源（生物燃料）技术，特别是纤维素乙醇生物精炼厂，可以使生物燃料在未来发挥比以往想象更大的作用。 纤维素乙醇可以由主要由不可食用纤维素纤维组成的植物物质制成，所述纤维素纤维形成大多数植物的茎和枝。 作物残茬（如玉米秸秆，小麦秸秆和稻草），木材废料和城市固体废物是纤维素生物质的潜在来源。 专用能源作物，例如柳枝稷，也是有希望的纤维素来源，可以在美国的许多地区可持续地生产。
在海洋能源方面，另一个第三代技术，葡萄牙拥有世界上第一个商业波浪农场，AguçadoraWavePark，正在建设中。该农场最初将使用三台Pelamis P-750机器，产生2.25兆瓦。 成本为850万欧元。 在成功运营的情况下，2009年之前可能还将投资7000万欧元用于另外28台机器以产生525兆瓦。 苏格兰行政机构于2007年2月宣布为苏格兰的一个波浪农场提供资金，耗资超过400万英镑，作为苏格兰海洋电力资金1300万英镑的一部分。 该农场将是世界上最大的农场，其容量为3兆瓦，由四台Pelamis机器生产。 （另见波浪农场）。
2007年，世界上第一台利用潮汐发电创造商业能源的涡轮机被安装在爱尔兰的斯特朗福德湖（Strangford Lough）的狭窄区域。 1.2兆瓦的水下潮汐发电机利用了湖中的快速潮流，最高可达4米/秒。 尽管发电机功率足以为一千个家庭供电，但涡轮机对环境的影响极小，因为它几乎完全被淹没，转子转得足够慢，不会对野生动物构成危险。
根据参与开发产品的高管和投资者的说法，使用纳米技术的太阳能电池板可以用单个硅分子制造电路，其成本可能是传统光伏电池的一半。 Nanosolar已从投资者处获得超过1亿美元的资金，用于建造纳米技术薄膜太阳能电池板工厂。 该公司的工厂计划每年生产430兆瓦的太阳能电池峰值功率。 商业生产开始，第一块面板已于2007年底交付给客户。
关于人工光合作用的大型国家和区域研究项目正在设计基于纳米技术的系统，该系统利用太阳能将水分解为氢燃料。 全球人工光合作用项目的提案2011年，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了他们所谓的“人造叶”，它能够直接从太阳能中将水分解为氢气和氧气。当放入一杯水。 “人造叶”的一侧产生氢气泡，而另一侧产生氧气泡。
大多数当前的太阳能发电厂由一系列类似的单元制成，其中每个单元被连续调节，例如，使用一些步进电机，使得光转换器保持在太阳光的焦点上。 通过简单而有效的绳索力学，可以显着降低将光聚焦在诸如高功率太阳能电池板，斯特林发动机等转换器上的成本。 在这种技术中，许多单元与绳索网络连接，因此拉动两根或三根绳索足以使所有光转换器在太阳方向改变时同时保持聚焦。
日本和中国的国家计划旨在商业规模的太空太阳能发电（SBSP）。 中国空间技术研究院（CAST）凭借其多旋转接头设计视频赢得了2015年国际太阳能设计大赛。 SBSP的支持者声称，基于太空的太阳能发电将是清洁的，恒定的和全球性的，并且可以扩展以满足所有的行星能量需求。 最近多机构行业提案（与五角大楼2008年的建议相呼应）赢得了SECDEF / SECSTATE / USAID主任D3（外交，发展，国防）创新挑战赛。
为可再生能源提供技术支持
热泵和热能储存是能够利用可再生能源的技术类别，否则这些可再生能源由于温度太低而无法使用或者在能量可用时和需要时之间存在时间滞后。 在提高可用可再生热能的温度的同时，热泵具有利用电力（或在某些情况下为机械或热能）的额外特性，通过使用它来从低质量源（例如海水，湖水，来自过程的地面，空气或废热）。
储热技术允许热量或冷量储存数小时或过夜至交叉季节的时间段，并且可以涉及存储显热能量（即通过改变介质的温度）或潜在能量（即通过介质的相变） ，如水和雪泥或冰之间）。 短期蓄热可用于区域供热或配电系统的调峰。 可以启用的各种可再生能源或替代能源包括自然能源（例如通过太阳能集热器收集，或用于收集冬季寒冷的干式冷却塔），废物能源（例如来自HVAC设备，工业过程或发电厂），或剩余能源（例如季节性来自水电项目或间歇性地来自风电场）。 Drake Landing Solar Community（加拿大阿尔伯塔省）是一个例证。 井下热能储存使得社区可以从车库屋顶上的太阳能集热器获得97％的全年热量，这些热量是夏季收集的大部分热量。 用于显热能量的储存类型包括隔热罐，从砾石到基岩的基质中的钻孔簇，深层含水层或在顶部绝缘的浅衬里坑。 某些类型的存储器能够在相反的季节之间存储热量或冷量（特别是如果非常大），并且一些存储应用需要包括热泵。 潜热通常储存在冰槽或所谓的相变材料（PCM）中。
能源效率
走向能源可持续性不仅需要改变能源的供应方式，还需要改变其使用方式，减少交付各种商品或服务所需的能源数量至关重要。 能源方程的需求方面的改进机会与供应方面的机会一样丰富多样，并且通常提供显着的经济效益。
可再生能源和能源效率有时被认为是可持续能源政策的“双重支柱”。 必须开发这两种资源以稳定和减少二氧化碳排放。 效率降低了能源需求的增长，因此清洁能源供应的增加可以大大减少化石燃料的使用。 如果能源使用增长太快，可再生能源发展将追逐一个后退目标。 最近的一项历史分析表明，能源效率提高的速度通常超过能源需求增长率，这是由于经济和人口的持续增长。 因此，尽管提高了能源效率，但总能源消耗和相关碳排放量仍在不断增加。 因此，考虑到能效改进的热力学和实际限制，减缓能源需求的增长是至关重要的。 然而，除非清洁能源供应迅速上线，否则需求增长放缓只能开始减少总排放量; 还需要降低能源的碳含量。 因此，任何对可持续能源经济的严肃愿景都需要对可再生能源和效率作出承诺。
可再生能源（和能源效率）不再是仅由政府和环保主义者推动的利基行业。 投资水平的提高以及大部分资金来自更传统的金融参与者的事实表明，可持续能源选择现在正成为主流。 这方面的一个例子是Stahl Consolidated Manufacturing的节能联盟项目（美国阿拉巴马州亨茨维尔）（StahlCon 7），这是一种专利发电机轴，旨在减少现有发电系统的排放，授予联盟的出版权。 2007年。
根据联合国环境规划署的趋势分析，气候变化问题加上高油价和政府支持的增加正在推动可持续能源产业的投资增长。 根据联合国环境规划署的数据，2007年全球可持续能源投资高于以往水平，2007年新增资金达1,480亿美元，比2006年增长60％。包括收购活动在内的可持续能源金融交易总额为2040亿美元。
2007年的投资流量扩大和多样化，使整体情况成为可持续能源使用的更广泛和深度之一。 主流资本市场“现在完全接受可持续能源公司，在清洁能源投资资金激增的支持下”。
智能电网技术
智能电网是指人们使用基于计算机的远程控制和自动化将公用电力输送系统带入21世纪的一类技术。 这些系统是通过双向通信技术和计算机处理实现的，这种技术已在其他行业中使用了数十年。 它们开始被用于电力网络，从发电厂和风力发电场一直到家庭和企业的电力消费者。 它们为公用事业和消费者提供了许多好处 – 主要用于电网和能源用户家庭和办公室的能源效率的大幅提升。
清洁能源投资
2010年是绿色能源投资创纪录的一年。 根据彭博新能源财经的报告，全球风电场，太阳能发电，电动汽车和其他替代技术投资近2430亿美元，比2009年增长了30％，是2004年投资额的近五倍。中国2010年对清洁能源项目的投资为5110亿美元，是迄今为止所有国家中最大的数字。
在新兴经济体中，巴西在清洁能源投资方面排名第二。 在强大的能源政策的支持下，巴西拥有世界上最高的生物质能和小水电容量之一，并准备在风能投资方面取得显着增长。 预计2010年至2020年巴西的累计投资潜力为670亿美元。
印度是另一个新兴的清洁能源领导者 虽然2009年印度在G-20成员国私人清洁能源投资中排名第十，但在未来10年内，预计将升至第三位，根据现行政策，年度清洁能源投资预计将在2010年和2010年之间增长369％。 2020年
很明显，增长中心已开始转向发展中经济体，它们可能在新一轮清洁能源投资中引领世界。
在世界各地，许多地方政府 – 地区，州和省 – 积极寻求可持续能源投资。 在美国，加利福尼亚州在可再生能源方面的领导地位得到了气候组织的认可，当时它授予前州长阿诺德施瓦辛格2009年在哥本哈根举行的国际气候领导力首届奖。在澳大利亚，南澳大利亚州 – 在前总理的领导下迈克兰恩 – 在2011年底之前一直领导着风力发电，占其发电量的26％，首次淘汰了燃煤发电。 在Rann政府推出太阳能上网法和教育活动之后，南澳大利亚的家用太阳能电池板人均吸纳率最高，其中包括在包括议会在内的着名公共建筑屋顶上安装太阳能光伏装置，博物馆，机场和阿德莱德展览馆和学校。 Rann是澳大利亚第一位气候变化部长，2006年通过了立法，设定了可再生能源和减排目标，这是澳大利亚第一个这样做的立法。
此外，在欧盟，有一个明显的趋势，即在能源效率，能源开发创新和可再生资源开发方面促进可持续能源投资和融资的政策，同时更多地考虑环境因素和可持续性。
例子：
能量载体如氢，液氮，压缩空气，氢氧化物，电池，动力车辆。
飞轮储能，抽水蓄能水电更适用于固定应用（例如为住宅和办公室供电）。 在家用电力系统中，还可以进行能量转换以减少气味。 例如，有机物质如牛粪和可腐败的有机物质可以转化为生物炭。 为了消除排放，然后使用碳捕获和储存。
然而，通常，可再生能源来自主电网。 这意味着主要不使用能量存储，因为主电网被组织以产生在该特定时刻消耗的精确能量。 主电网的能源生产始终是（大规模）可再生能源工厂以及化石燃料发电厂和核电等其他发电厂的组合。 然而，这种组合对于这种类型的能量供应（例如风力涡轮机，太阳能发电厂等）是必不可少的，只能在风吹和太阳照射时产生。 这也是该系统的主要缺点之一，因为化石燃料发电厂正在污染并且是全球变暖的主要原因（核电是例外）。 虽然化石燃料发电厂也可以无排放（通过碳捕获和储存），以及可再生（如果植物转化为例如生物质），最好的解决方案仍然是逐步淘汰后一个发电厂。 核电厂也可以或多或少地通过使用核再处理和较新的植物作为快速种鸡和核聚变植物从核废物问题中消除。
可再生能源发电厂确实提供稳定的能源流。 例如，水力发电厂，海洋热电厂，渗透发电厂都以规定的速度提供电力，因此在任何给定时刻（即使在夜晚，蜿蜒的时刻等）也是可用的电源。 然而，目前，仅在不规则生产的可再生能源发电厂不能发电的时候，单独的稳流可再生能源发电厂的数量仍然太小而无法满足能源需求。
除了化石燃料和核电站的绿化外，另一种选择是从可再生能源中分配和立即使用电力。 在这种设置中，能量储存也不是必需的。 例如，TREC提议将太阳能从撒哈拉沙漠分配到欧洲。 欧洲可以向撒哈拉和其他国家分配风能和海洋能。 通过这种方式，当太阳或风向上或海浪和水流在搅动时，在任何给定时间产生功率，如在行星的任何点。 然而，这种选择在短期内可能是不可能的，因为化石燃料和核电仍然是主电网的主要能源，并且一夜之间不可能取而代之。
已经为电网提出了几个大规模的储能建议。 全世界有超过100 GW的抽水蓄能水电。 这提高了效率并减少了能量损失，但转换为储能电网是一种非常昂贵的解决方案。通过使用消费者购买的能量存储设备而不是国家，可以降低一些成本。一个例子是电动汽车中的电池可以兼作电网的能量缓冲器。然而，除了成本之外，建立这样的系统仍然是一个非常复杂和困难的过程。而且，作为汽车电池的能量存储装置也构建有对环境构成威胁的材料（例如锂）。对于如此大部分人口的电池组合生产仍然存在环境问题。然而，除了汽车电池，其他电网储能项目使用污染较少的能量载体（例如压缩空气罐和飞轮储能）。