수소는 우주를 구성하는 원소 중 90%를 차지할 만큼 무궁무진한 자원이다.
지구 면적의 2/3를 덮고 있는 물 역시 수소원자를 포함하고 있어 부산물 없이 깨끗하게 쓸 수 있는 지속가능한 에너지인 셈이다.

수소와 산소의 화학반응을 이용해 에너지를 생산하며, 이 과정에서 오직 물만 배출하기 때문에 환경오염물질이 발생하지 않는다. 수소는 생산부터 소비에 이르는 전 과정을 고려해도 다른 에너지원에 비해 이산화탄소와 미세먼지 발생량이 훨씬 적다.

수소를 이용하는 다양한 방법 중 대표적인 것이 연료전지다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 장치다. 발전효율이 높으며 대형·가정·건물용 발전, 수송용, 휴대용 등 활용도가 다양하기 때문에 미활용 에너지나 재생에너지 등 값싼 자원으로부터 수소를 만들어 대체 에너지로 이용하면 에너지 비용을 낮추면서 에너지 조달처를 다변화하는 효과를 거둘 수 있다.

현재 전 세계 수소에너지의 50% 이상은 천연가스를 고온·고압에서 분해해서 얻는 ‘그레이 수소’이며, ‘블루수소’는 이러한 그레이수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집·저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말한다.
반면 ‘그린수소’는 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해하여 생산하는 방식으로 생산과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는다.

재생에너지는 태양과 바람, 물, 등 자연의 힘을 전기에너지로 만들어 사용하는 발전 방식으로, 생산과정에서 탄소 배출을 거의 하지 않으며, 미세먼지 등 대기오염 물질을 발생시키지 않는다.

재생에너지는 다양한 발전방식이 있다. 가장 쉽게 접할 수 있는 태양에너지는 열을 이용하는 태양열 에너지와 빛을 이용하는 태양광 발전이 있다. 태양열 발전은 거울을 이용해 한 점으로 태양빛을 모아서 집중된 열로 물을 끓인 후, 여기에서 발생하는 증기로 터빈을 돌려서 발전한다.

여러 개의 거울을 IT 기술로 제어해 태양빛을 모으기 때문에 넓은 부지와 햇빛이 강한 사막 지역에 많이 건설된다.

태양광 발전은 빛의 입자가 특정한 물질에 닿으면 전자가 튀어나오는 ‘광전효과’를 기본원리로 한다. 전자가 튀어나오면서 N형 반도체와 P형 반도체를 결합시켜 만든 태양광 셀이 각각 다른 전하를 지니게 되는데 이 차이를 활용해 전류가 흐르게 하는 것이 태양광 발전이다.

태양광 발전의 기본 단위인 태양광 셀은 크기가 작아 이를 타일처럼 배열해서 커다란 판으로 만든 것이 태양광패널, 또는 태양광모듈이다. 여러 장의 태양광패널을 직렬로 연결해서 사용하며 생산된 전기를 필요한 전압이나 주파수로 변환하는 인버터, 전체 전력시스템을 조율하는 컨트롤러로 구성된다.

태양광 발전의 장점은 별도의 연료비가 필요 없고, 태양광 이외의 연료를 사용하지 않아 환경에 해로운 오염물질이 나오지 않는다는 점이다. 반면 날씨나 기후의 영향을 크게 받는다는 것은 태양광 발전이 해결해야 할 과제다.

풍력발전은 바람으로 돌아가는 회전날개가 직접 터빈의 역할을 한다. 간단한 구조로 자연의 힘을 이용할 수 있기에 재생에너지 중 가장 먼저 산업적 규모로 운영되기 시작했다. 풍력발전기는 회전날개, 축, 발전기, 전선 외에도 발전기가 일정한 회전수로 돌아가도록 도와주는 기어 박스로 구성된다.

풍력은 다른 에너지원에 비해 오염물질이나 온실가스 배출량이 적고 유지보수가 간편하나 소음과 부피가 크다는 과제가 있다. 해상풍력발전은 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법 중 하나이다.

해양에너지는 다양한 종류가 개발되고 있는데 바닷물 이용방식에 따라 조력에너지, 조류에너지, 파력에너지, 해수온도차 에너지로 분류할 수 있다.

조력에너지는 밀물과 썰물의 차가 큰 연안에 바닷물을 막는 댐과 수문을 설치해 수위 차이로 터빈을 회전시키는 방식이다. 연료가 불필요하고 발전량을 정확하게 예측 가능하나 바닷물의 염분에 발전설비가 노출되어 유지관리비가 많이 든다.

조류발전은 밀물과 썰물로 인한 바닷물의 흐름을 직접 이용하며 풍력과 유사한 방식으로 전기를 만든다. 비교적 안정적이나 대량의 조류가 충분한 빠르기로 흐르는 곳이 많지 않다. 파력발전은 파도의 운동에너지와 위치에너지를 이용해 터빈을 돌리는 방식이다. 설치 장소나 발전기의 유형 제약이 덜해서 소규모 발전도 가능하나 출력 변동이 심한 편이며 배의 운항이나 어업에 방해가 되므로 대규모 조성이 어렵다는 한계가 있다.

해수온도차 발전은 해수 표면의 온도와 심층의 온도 차이를 이용해 냉매를 증기로 만들어 터빈을 돌린다. 터빈을 돌리고 난 증기는 찬 바닷물로 다시 냉각, 액화하여 순환 사용이 가능하다.

전통적인 발전 방식으로 물과 지열을 이용하는 에너지가 있다. 수력발전은 물의 위치에너지와 운동에너지의 전환 현상을 이용한다. 높은 곳에 있는 물을 아래로 떨어뜨려 터빈을 돌리는 발전 방식으로 안정적으로 사용할 수 있어서 전력망을 구축하는 국가가 가장 먼저 고려하는 발전 방식이다.

또한 전력을 생산하는 시간이 5분 이내로 짧아서 전력 수요량 변화에 가장 민첩하게 대응할 수 있다. 우리나라의 경우 대부분의 수력발전소가 하루 4~5시간 정도 수요량이 높을 때만 운전하는 ‘첨두운전’을 하고 있다. 지열발전은 주로 화산활동으로 발생하는 지열을 이용하는 발전 방식으로 난방과 온수 급탕용으로 주로 사용한다.

이밖에도 옥수수, 사탕수수와 같은 전분작물에서 추출한 바이오 에탄올과 식물성 기름이나 동물성 지방을 원료로 만든 바이오디젤을 직접 태우거나 가스로 만들어 발전하는 바이오매스 발전이 있다.