thumb|400px|Tuuliturbiineja Tanskassa. Tanska on johtava tuulivoiman tuottaja maailmassa, siellä sähköstä 60 % tuotetaan tuulella. thumb|600px|Uusiutuvien energialähteiden osuus energian kulutuksesta vuonna 2019.

Uusiutuva energia on energiaa, jota saadaan uusiutuvista lähteistä. Uusiutuvan energian tuotantomuodoissa hyödynnetään jatkuvia luonnollisia prosesseja kuten auringonpaistetta, tuulta, virtaavaa vettä ja ilman ja maan lämpöä – tai käytetään biologisesti syntyviä varantoja, kuten puuta. Uusiutuvat energianlähteet saavat energiansa auringon säteilystä geotermistä energiaa ja vuorovesivoimaa lukuun ottamatta.

Uuteen energiajärjestelmään tulisi muun muassa Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin ja Sternin raportin mukaan siirtyä niin pian kuin mahdollista. EREC:in mukaan uusiutuva energia on avaintekijä tulevaisuuden energiaratkaisuissa ja sen avulla voidaan ehkäistä energiantuotannon ympäristöriskejä sekä sosiaalisia ja poliittisia riskejä.EREC’s Position on the Framework Directive for Renewable Energy Sources 1.10.2007 s. 1–9

Vuonna 2018 investoitiin enemmän uusiutuvaan energiaan kuin kivihiileen, maakaasuun ja ydinvoimaan yhteensä.https://www.independent.co.uk/environment/solar-energy-world-investment-higher-coal-gas-nuclear-combined-2017-un-report-a8290051.html

Määritelmä Uusiutuvat energiamuodot hyödyntävät lähteitä, jotka ovat inhimillisestä näkökulmasta katsoen loputtomia tai uusiutuvia. Tämä määritelmä on aiheuttanut toisinaan kädenvääntöä; Jos sinänsä uusiutuvaa energialähdettä hyödynnetään nopeammin kuin se uusiutuu, käyttö ei enää kuulu uusiutuvan energian piiriin. Tyypillinen esimerkki tällaisesta ongelmasta on turpeenpoltto: turve periaatteessa uusiutuu soissa, mutta turvekerros vaatii syntyäkseen jopa tuhansia vuosia. Turve luetaankin hitaasti uusiutuvaksi biomassapolttoaineeksi.

Uusiutuvista lähteistä saatavaksi energiaksi määritellään aurinko-, tuuli-, vesi-, aalto- ja vuorovesienergia sekä bioenergia johon kuuluvat biokaasu, puuperäiset polttoaineet, peltobiomassat ja biohajoava osa kierrätyspolttoaineista. Myös ydinvoima voitaisiin määritellä uusiutuvaksi energiaksi, jos uraani otettaisiin merivedestä, jossa sitä on käytännössä rajattomasti. Toistaiseksi uraanin erottaminen merivedestä on kuitenkin liian kallista.

Jätteenpoltto on uusiutuvaa energiaa ainoastaan silloin, kun poltettava jäte on peräisin uusiutuvasta lähteestä. Esimerkiksi jätelauta, joka on valmistettu puusta, on uusiutuva polttoaine, mutta jätemuovi on fossiilinen energialähde, sillä se on valmistettu öljystä. Kuitenkin jätteen poltto energiaksi katsotaan usein suotavammaksi, mikäli sillä voidaan korvata fossiilisten energianlähteiden käyttöä.

Fysikaalinen tausta thumb|350px|Kuvassa laatikoitujen uusiutuvien energianlähteiden tuottama energia on alkujaan peräisin joko auringossa tapahtuvista fuusioreaktioista tai maapallon sisäosien radioaktiivisesta hajoamisesta maalämmön tapauksessa. Nämä luonnon ydinreaktiot hiipuvat aikanaan reagoivien aineiden loppuessa, mutta ehtivät sitä ennen luovuttaa niin suuria määriä energiaa, että sitä voidaan pitää ihmisen perspektiivissä uusiutuvina.

Auringon säteily Käytännössä suurin osa uusiutuvista energialähteistä hyödyntää jollain tavoin prosessoitua auringon energiaa. Auringon sisäisten fuusioreaktioiden energia saapuu maapallolle pääosin sähkömagneettisena säteilynä. Suorin tapa tämän energian hyödyntämiseksi on aurinkoenergia, jossa auringon säteily kerätään joko aurinkopaneelein tai peilein. Ongelmana menetelmässä on se, että toistaiseksi aurinkopaneelien hyötysuhde on heikko.

Pieni osa auringon säteilemästä energiasta varastoituu fotosynteesin kautta kasvien tuottamaan biomassaan. Mikäli syntynyttä biomassaa poltetaan enintään samalla tahdilla kuin se uudistuu, nettohiilidioksidipäästöt jäävät olemattomiksi. Käytännössä biomassa on raskasta, kosteaa ja vie paljon tilaa, minkä vuoksi sitä joudutaan useissa käyttötarkoituksissa kuivaamaan tai jatkojalostamaan esimerkiksi briketeiksi tai polttonesteiksi. Tämä luonnollisesti syö osan biomassaan sitoutuneesta energiasta.

Auringon energia pyörittää myös suurinta osaa Maan fysikaalisista prosesseista; se höyrystää vettä meristä pilviksi ja aiheuttaa tuulia ylläpitävät ilmakehän paine-erot. Tämän vuoksi myös vesi-, tuuli- ja aaltovoima hyödyntävät välillisesti auringon energiaa. Sen sijaan vuorovesivoima, joka on toistaiseksi kokeellisella asteella, hyödyntää pääasiassa maapallon ja Kuun rataliikkeen pyörimisenergiaa.

Ydinreaktiot Maassa Maan sisällä olevien radioaktiivisten aineiden hajoaminen on hidas, uusiutumaton prosessi, joka tulee kuitenkin kestämään ainakin satoja miljoonia vuosia. Radioaktiiviset yhdisteet ovat nykyisen tähtitieteellisen käsityksen mukaan muodostuneet aikoinaan supernovaräjähdyksessä, jossa maapallon raskaat alkuaineet saivat syntynsä. Koska prosessin jäljellä oleva kesto on kuitenkin pitkä jopa geologisessa aikaskaalassa, voidaan myös maapallon sisäistä lämpö käyttävä geoterminen energia käsittää helposti uusiutuvaksi energialähteeksi.

Nykymuotoinen fissioon pohjatuva ydinvoima voitaisiin määritellä uusiutuvaksi energiantuotannoksi, jos uraani otettaisiin merivedestä. Toistaiseksi ydinvoimaloissa käytetään kuitenkin maaperästä kaivettua uraania, koska merivedestä eristettävä uraani on kalliimpaa. Merivedessä uraania on käytännössä rajattomasti, ja maaperästä liukenevaa uraania kulkeutuu meriin jatkuvasti lisää. Nykyään kaupallisessa käytössä olevat ydinreaktorit käyttävät uraania tehottomasti, sillä reaktoreissa syntyvä fissiili plutonium, joka olisi erittäin tehokas ydinpolttoaine, jää usein erottelematta ja se loppusijoitetaan ydinjätteenä. Hyötöreaktorikonsepteissa on pyritty yhdistämään erilaisia säteilytys–reaktioketjuja, joilla lisättäisiin fissiilin materiaalin tuotto osaksi polttoainekiertoa. Usein näissä menetelmissä hyödynnetään maankuoressa yleistä torium-232-isotooppia, josta neutronisäteilytyksellä saadaan fissiiliä uraani-233-isotooppia, tai pyritään tuottamaan uraani-238:sta fissiiliä plutonium-239-isotooppia. Hyötöreaktori pystyy käydessään tuottamaan jopa enemmän polttoainetta kuin kuluttaa. Kehittyneillä polttoainekierroilla maapallon ydinpolttoainevarat riittäisivät ainakin vuosituhansiksi. Ongelmana hyötöreaktoreissa on kuitenkin niiden tekninen vaikeus sekä eräiden mallien soveltuvuus ydinaseiden kehittelyyn.Sylvain David a, Elisabeth Huffer b and Hervé Nifenecker (2007) Revisiting the thorium-uranium nuclear fuel cycle. Europhysics News, 38(2), 24–27. DOI: 10.1051/EPN:2007007. Viitattu 14.12.2007Cohen, B.: Breeder Reactors: a Renewable Energy Source, American Journal of Physics, 51, Melville, NY, USA, 1/1983, .

Fuusioenergia, jonka lähteenä käytettäisiin vedyn deuterium-isotooppia olisi uusiutumatonta energiaa, sillä kerran heliumiksi muunnettua deuteriumia ei voida palauttaa alkuperäiseen muotoonsa käyttämättä runsaasti energiaa. Käytännössä maapallon deuteriumvarat ovat kuitenkin inhimillisesti katsoen hyvin suuret, minkä vuoksi vielä kokeellisella tasolla olevaa fuusiovoimaa voisi pitää uusiutuvana energialähteenä.

Energialähteet Tuulivoima

thumb|Tuulivoiman kapasiteetti vuoden 2009 lopussa 10:ssä kapasiteetiltaan suurimmassa maassa.

Tuulivoima on tuulen liike-energian muuntamista sähköksi, yleensä tuuliturbiinien pyörivien lapojen välityksellä. Tuulivoiman käyttö on ollut voimakkaassa kasvussa etenkin 2000-luvulla. Kokonaiskapasiteetti oli vuonna 2009 noin 159 GW, kun vuonna 2000 se oli 17 GW. Kapasiteetti on kasvanut viime vuosina paljon etenkin Kiinassa, joka kasvatti tuulivoimakapasiteettinsa yli kaksinkertaiseksi vuonna 2009. Seuraavaksi voimakkaimmin tuulivoimakapasiteettia kasvatti Yhdysvallat, jossa kapasiteetti kasvoi vuonna 2009 40 %.

Tanska on maailman johtava maa tuulienergian hyödyntämisessä: maan energiantarpeesta 20 % katetaan tuulivoimalla, jota tuetaan syöttötariffilla.Wind energy, A visionary match Technical University of Denmark, Roskilde Seuraavaksi vertailussa tulee Espanja, joka tuottaa tuulivoimalla 14,3 % energiantarpeesta.

Aurinkoenergia

Aurinkoenergialla tarkoitetaan auringon säteilemää lämpö- ja valoenergiaa. Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää useilla tavoilla. Aurinkokennoissa (photovoltaic, lyh. PV) auringon säteilyn energia muutetaan sähköksi ja aurinkokeräimessä energiaa käytetään lämmitykseen. Aurinkolämmitys rakennusten ja veden lämmittämiseen on yleisintä ja kustannustehokkainta. Keskittävässä aurinkovoimassa (Concentrating Solar Power, CSP) taas fokusoidaan auringonenergia useammasta kohteesta jopa 1000-kertaiseksi yhteen kohteeseen, jossa se muunnetaan sähköksi.

Etenkin Saksa ja Japani ovat tukeneet syöttötariffeilla elektroniikka- ja energia-alan yritystensä kehitystä ja kilpailua.

Vesivoima

right|300px|thumb|Suomen merkittävin yksittäinen vesivoimahanke lienee ollut Imatrankosken voimalaitos, jonka rakentaminen antoi perusteen valtakunnallisen sähköverkon perustamiselle. Vesivoima on aurinkoenergian muoto, jossa auringon höyrystämän ja myöhemmin yläville alueille sataneen veden potentiaalienergiasta osa hyödynnetään sähköntuotannossa. Käytännössä tämä tehdään patoamalla joki sopivassa kohdassa siten, että yksittäisen voimalaitoksen kohdalla oleva pudotus maksimoidaan. Tasaisen energiantuotannon turvaamiseksi varten on välttämätöntä rakentaa säännöstelyaltaita tai säännöstellä olemassa olevia yläjuoksun järviä, jotta voimaloihin riittäisi vettä tasaisesti vuodenajoista riippumatta. Perinteisen koskista saatavan vesivoiman lisäksi uudempina energiamuotoina otetaan käyttöön muun muassa aaltoenergiaa, osmoosienergiaa ja vuorovesivoimaa.

Geoterminen energia ja maalämpö

thumb|left|200px|Nesjavellirin geoterminen laitos Islannissa Geoterminen energia on maankuoreen johtuvaa energiaa, joka syntyy maan sisuksissa radioaktiivisten aineiden hajoamisesta. Sitä käytetään sähkön tuotannossa ja lämmityksessä. Syvemmältä kerättävä maalämpö on geotermistä energiaa ja maaperän pintakerroksiin tai veteen imeytynyt lämpö auringon lämpöenergiaa.

Geotermistä energiaa voidaan kerätä suoraan, jolloin maan sisäinen lämpö kuumentaa prosessissa kiertävää vettä, joka puolestaan käyttää lämpövoimakonetta, tai sekundäärisesti lämpöpumpulla. Edellisellä tavalla kerättäessä prosessi tuottaa sähköenergiaa ja kykenee käyttämään tarvittavia pumppulaitteita. Valitettavasti prosessi edellyttää kuitenkin sitä, että maankuoren sisäosat ovat korkeassa lämpötilassa jo verrattain matalalla. Käytännössä näin on ainoastaan tuliperäisillä seuduilla. Geotermistä energiaa tuotetaan yli 20 maassa.

Tuliperäisten alueiden ulkopuolella geotermistä energiaa voidaan hyödyntää vain välillisesti, vaikka tällöinkin energiansäästö voi olla huomattavaa. Lämpöpumppua käytetään ulkopuolella tuotetulla sähköllä, ja järjestelmä imee lämpöenergiaa maalämpökanavan ympäriltä. Tällöin maaperän veden ympärillä ei tarvitse olla edes huoneenlämpötilassa. Periaatteessa järjestelmä muistuttaa jääkaappia, jossa jäähdytettävänä kaappina toimii nestekiertoa ympäröivä ilma, vesi tai maa. Lämpöpumput käyttävät lämmitykseen vain kuudesosan tavanomaisesta energiankulutuksesta. Siksi niitä pidetään älykkäänä ratkaisuna, jossa hyödynnetään puhdasta maan, ilman tai veden ilmaista ja uusiutuvaa energiaa.

Biopolttoaineet

200px|thumb|Tällä hetkellä tyypillisin kaupallinen biopolttoaineitten liikennesovellutus on etanolilla jatkettu bensiini. Puhdasta etanolia pystyvät käyttämään vain erikoisvalmisteiset moottorit.