1. Thủy điện

Trong nhiều thế kỷ, con người đã khai thác năng lượng của dòng chảy sông, sử dụng đập để kiểm soát dòng nước. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất thế giới cho đến nay, với Trung Quốc, Brazil, Canada, Mỹ và Nga là những nhà sản xuất thủy điện hàng đầu. Mặc dù về mặt lý thuyết, thủy điện là một nguồn năng lượng sạch được bổ sung bởi mưa và tuyết, nhưng nó cũng có một số nhược điểm.

Các đập lớn có thể phá vỡ hệ sinh thái sông và các cộng đồng xung quanh, gây hại cho động vật hoang dã và khiến cư dân phải di dời. Việc sản xuất thủy điện dễ bị bồi lắng phù sa, có thể làm giảm công suất và gây hại cho thiết bị. Hạn hán cũng có thể gây ra vấn đề. Theo một nghiên cứu năm 2018, ở miền tây Hoa Kỳ, lượng khí thải carbon dioxide trong khoảng thời gian 15 năm cao hơn 100 megaton so với mức lượng mưa bình thường, khi các tiện ích chuyển sang sử dụng than và khí đốt để thay thế thủy điện bị mất do hạn hán. Ngay cả khi thủy điện hoạt động hết công suất cũng phải đối mặt với các vấn đề về khí thải do vật liệu hữu cơ phân hủy trong các hồ chứa giải phóng khí mê-tan.

Đập không phải là cách duy nhất để sử dụng nước làm năng lượng: Các dự án năng lượng thủy triều và sóng trên khắp thế giới nhằm mục đích nắm bắt nhịp điệu tự nhiên của đại dương. Các dự án năng lượng biển hiện tạo ra khoảng 500 megawatt điện—ít hơn một phần trăm tổng năng lượng tái tạo—nhưng tiềm năng còn lớn hơn nhiều. Các chương trình như Giải thưởng Saltire của Scotland đã khuyến khích sự đổi mới trong lĩnh vực này.

2. Gió

Khai thác gió như một nguồn năng lượng đã bắt đầu từ hơn 7.000 năm trước. Giờ đây, các tua-bin gió phát điện đang phát triển nhanh chóng trên toàn cầu và Trung Quốc, Hoa Kỳ và Đức là những nhà sản xuất năng lượng gió hàng đầu thế giới. Từ năm 2001 đến 2017, công suất gió tích lũy trên toàn thế giới đã tăng lên hơn 539.000 megawatt từ 23.900 megawatt—hơn 22 lần.

Một số người có thể phản đối cách các tua-bin gió nhìn về phía chân trời và cách chúng phát ra âm thanh, nhưng năng lượng gió, với giá đang giảm, đang chứng tỏ là một nguồn tài nguyên quá quý giá để từ chối. Trong khi hầu hết năng lượng gió đến từ các tua-bin trên đất liền, thì các dự án ngoài khơi cũng đang xuất hiện, nhiều nhất là ở Vương quốc Anh và Đức. Trang trại gió ngoài khơi đầu tiên của Hoa Kỳ được khai trương vào năm 2016 tại Rhode Island và các dự án ngoài khơi khác đang đạt được đà phát triển. Một vấn đề khác với tua-bin gió là chúng gây nguy hiểm cho chim và dơi, giết chết hàng trăm nghìn con mỗi năm, không nhiều bằng va chạm với kính và các mối đe dọa khác như mất môi trường sống và các loài xâm lấn, nhưng đủ để các kỹ sư đang nghiên cứu các giải pháp để tạo ra chúng an toàn hơn cho động vật hoang dã bay.

3. Năng lượng mặt trời

Từ mái nhà cho đến trang trại quy mô tiện ích, năng lượng mặt trời đang định hình lại thị trường năng lượng trên toàn thế giới. Trong thập kỷ từ năm 2007 và 2017, tổng công suất năng lượng lắp đặt của thế giới từ các tấm quang điện đã tăng một con số khổng lồ 4300%.

Ngoài các tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) sử dụng gương để tập trung nhiệt của mặt trời, thay vào đó tạo ra năng lượng nhiệt. Trung Quốc, Nhật Bản và Hoa Kỳ đang dẫn đầu quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời, nhưng năng lượng mặt trời vẫn còn một chặng đường dài phía trước, chỉ chiếm khoảng 2% tổng lượng điện được tạo ra ở Hoa Kỳ vào năm 2017. Năng lượng nhiệt mặt trời cũng đang được sử dụng trên toàn thế giới để đun nước, sưởi ấm và làm mát.

4. Sinh khối

Năng lượng sinh khối bao gồm nhiên liệu sinh học, chẳng hạn như ethanol và dầu diesel sinh học, gỗ, chất thải gỗ, khí sinh học từ bãi chôn lấp và chất thải rắn đô thị. Giống như năng lượng mặt trời, sinh khối là nguồn năng lượng linh hoạt, có thể cung cấp nhiên liệu cho các phương tiện giao thông, sưởi ấm các tòa nhà và sản xuất điện. Nhưng sinh khối có thể gây ra những vấn đề nhức nhối.

Chẳng hạn, những người chỉ trích ethanol làm từ ngô cho rằng nó cạnh tranh với thị trường thực phẩm dành cho ngô và hỗ trợ các hoạt động nông nghiệp có hại tương tự dẫn đến sự nở hoa của tảo độc và các mối nguy môi trường khác. Tương tự như vậy, các cuộc tranh luận đã nổ ra về việc liệu có nên vận chuyển viên nén gỗ từ các khu rừng của Hoa Kỳ sang châu Âu để đốt cháy lấy điện hay không. Trong khi đó, các nhà khoa học và công ty đang tìm cách chuyển đổi hiệu quả hơn thân cây ngô, bùn thải và các nguồn sinh khối khác thành năng lượng, nhằm mục đích khai thác giá trị từ vật liệu mà nếu không sẽ bị lãng phí.

5. Địa nhiệt

Được sử dụng hàng nghìn năm ở một số quốc gia để nấu ăn và sưởi ấm, năng lượng địa nhiệt được lấy từ nhiệt bên trong của Trái đất. Ở quy mô lớn, các hồ chứa hơi nước và nước nóng dưới lòng đất có thể được khai thác thông qua các giếng sâu hai km hoặc hơn để tạo ra điện. Ở quy mô nhỏ hơn, một số tòa nhà có máy bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng chênh lệch nhiệt độ vài mét dưới mặt đất để sưởi ấm và làm mát. Không giống như năng lượng mặt trời và gió, năng lượng địa nhiệt luôn sẵn có, nhưng nó có những tác dụng phụ cần được quản lý, chẳng hạn như mùi trứng thối có thể đi kèm với hydro sunfua được giải phóng.