為了減少二氧化碳的排放以及減緩石油的消耗速度，科學家們開始投入對替代能源的研究。廣義的替代能源為除「石化燃料」以外的所有能源，包括核能、太陽能、風能、生質能和地熱…等等。但通常討論到「替代能源」時，往往會強調其「可再生」的特質，希望此類能源能夠永久提供能源，並經由自然過程不斷地補充，進而在人類有生之年不會有耗竭之時。若加上這樣的特質，核能將不在討論的範圍之內。
除了可再生這樣特質之外，同時也必須考量該項替代能源的發展潛力。最早人類的能源利用方式是「燃燒」。自發現「燃燒」能夠滿足加熱及照明的需求開始，人們開始尋找各種可供燃燒的物質，原料也從植物，動物油脂，最終演變至石油。接著人們發明了內燃機與發電機，讓燃燒產生的能量可以用來發電(例：火力發電)，而隨著配合供電網路的基礎建設逐漸完備，「電」成為最普遍的能源使用方式。因此能量來源雖然多元，但一般而言人們都會想方設法利用機械設備進行轉換，使得最終的使用方式不出「燃燒」與「發電」兩種。以現今社會為例，目前人們最常使用的能源設備是「引擎」(內燃機燃燒)及「電廠」(發電)。總結來說，替代能源的潛力，可由是否能夠取代引擎與電廠，以及其所需成本來作評估。
綜合「可再生」及「發展潛力」兩點，近來較受到重視的能源有太陽能、風能及生質能。接著將會逐段介紹上述三種替代能源的特點。
風能：
風能的利用方式主要為在地面上或海上建造風力發電機，讓風推動風機葉片以產生電能，再將產生的電力輸送到供電網路內。風力發電首先遇到的困難是「地點選擇」－首先，對風力發電來說，風向及風力是否穩定非常重要；接著，風機通常是以陣列的方式構成風力電廠，因此設備位置必須遼闊。最後，即使能夠同時滿足以上兩點，也無法保證時時刻刻都能得到風力供給。這表示風機的增加與發電量的增加幅度並不一定都成正比。目前為止，由於以上的限制與困難，風力發電尚無法如同火力及核能成為基載電力。
主要利用方式分為「光電轉換」與「光熱轉換」兩部份。「光電轉換」最常見的例子是計算機上的太陽能電池，若將其規模放大並建造成陣列，就是太陽能電廠的概念。「光熱轉換」則是利用太陽照射來加熱液體，將液體的熱能傳遞給其他需要高溫的目標，或者是利用加熱後的液體推動蒸汽引擎。太陽能遇到的挑戰與風能類似，雖然光照源源不絕，但沒有哪個地點每天都有光照供給，更遑論許多地點時常陰雨綿綿。因此，要以太陽能做為基載電力仍相當遙遠，目前只能作為供電網路內的輔助角色，或是一般家庭與商業大樓小規模發電供應部分需求而已。
生質能：
在發電方面，目前多是將都市廢棄物(例：家庭垃圾)、農林廢棄物(例：廢木材)、一般事業廢棄物(例：廢紙漿)…等製成固態廢棄物衍生燃料(RDF-5)，再送入鍋爐內燃燒以汽電共生方式發電。這種方式雖然在可見的未來都無法取代火力或是核能作為基載電力，然而這項應用一方面處理了本來就必須處置的廢棄物，同時又能依靠電能帶來額外的財務收入。此外，生質能源在支援引擎運作方面具有相當大的優勢。現行海陸空的運輸主要都倚賴石化能源生成的液體燃料(柴油、汽油、煤油)來驅動引擎(或內燃機)。因此多數的運輸設備(例：飛機、汽車)以及相關後勤系統(例：加油站)都是為液體燃料而設計。
而當前最能夠以現有系統進行佈署的替代能源就是生質燃料(酒精汽油、生質柴油、生質煤油)。這是其他替代能源難以與生質能源競爭的部份－其他替代能源如要用於運輸，基本上都要先發電，然後讓運輸設備使用電力。電力車或是電力船概念雖好，然而就現實面而言目前電池容量無法支援長程運輸，若要佈署更換電池的「電力站」所耗費的成本太高，幾乎與重新建立後勤系統無異；就算於電力車或電力船上裝置太陽能板也不足以滿足長程運輸的需求（這個方式同時將受到天候(日照量)影響），更別說以電力支援客機跨越太平洋或是大西洋。因此在未來10年甚至20年內，生質燃料仍然會是替代能源中最重要的一項。