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.
Begrepsavklaringer og definisjoner 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:
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. 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».
Primærenergi er et begrep for energiformene slik en finner dem i naturen, før de på noen måte er benyttet ved energiomforming.Rosvold, Knut A. og Hofstad, Knut: (21. januar 2019) 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.
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.Toldnæs, Jens Petter og Rosvold, Knut A: (9. februar 2018)
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.Knut Hofstad: (16. mai 2018) Lavverdig energi, er energiformer med en liten andel nyttbar energi. Lavverdig energi er for eksempel varmeenergi med temperatur som avviker lite fra omgivelsene.Knut Hofstad: (16. mai 2018) 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.
Fornybare energikilder mini|«PlanetSolar» er verdens største båt drevet med solenergi og den første soldrevne farkosten som har foretatt en reise rundt hele jordkloden (i 2012)
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. 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.
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 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.
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.
Vindkraft miniatyr|upright=1.5|Økning av årlig energiproduksjon fra vind (1980–2019). miniatyr|upright=1.5|Verdens potensial for vindkraft. 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. Historikere har spekulert på om kineserne hadde oppfunnet vindmøller allerede rundt tidspunktet for Kristi fødsel.
Moderne installasjoner for utnyttelse av vindkraft kalles vindturbiner. Fra 1970-årene av begynte man å benytte elektriske vindturbiner i større skala, og mengden energi generert på denne måten har siden vokst eksponensielt. Ved slutten av 2020 var kapasiteten i verdens samlede anlegg for vindkraft på 733 GW. Som enkeltland hadde Kina høyeste totale ytelse, nemlig , dernest fulgte USA med og Tyskland med .Vindkraftsanlegg er per 2017 mye større enn solenergianlegg, og gir tilsvarende større ytelse per enhet, samlet ytelse per prosjekt og total energiproduksjon.
Vindturbiner mini|En vindturbin på 850 kW i Østerrike.
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. I 1990-årene var vindturbiner typisk i størrelsen 500–750 KW og har senere kommet opp i ytelser på over 1 MW (Mega eller ). Per 2021 har verdens kraftigste vindturbin (GEs Haliade-X 12) en ytelse på 12 MW. Danmark var det første landet som bygde vindturbiner til havs.
Muligheter og begrensninger for vindkraft Opp til 2 % av all innstrålt solenergi mot jorden går med til å sette atmosfærens luftmasser i bevegelse. For hele verden tilsvarer det en energimengde på 100 ganger mer enn all verdens energiforbruk (2007). Det er ikke enighet om en måte for å estimere verdens tekniske potensial for vindenergi. Anslagene spriker fra per år () for potensialet på landjorden, til per 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.
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. 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.
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. For eksempel kan fugler og flaggermus skades eller dø hvis de kolliderer med vindturbinene. Forskning tyder likevel på at det er et lite antall fugler som dør på denne måten, sammenlignet med andre konstruksjoner. 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. 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.