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自从1954年贝尔实验室推出了第一块实用的太阳能电池以来，太阳能发电已走过了很长一段路。从那个时候起，太阳能到电能的转换效率几乎翻了两番，从最早的6%提高到现在最好的硅电池板的23%。同时，光伏模块的成本从1950年的将近300美元每瓦，下降到现在的大概60美分每瓦（见图9–3）。因此，在没有政府补贴的情况下，相对于化石燃料，太阳能发电在成本上已经具有了竞争力。
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图9–3 太阳能成本曲线
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目前太阳能发电占全球电力的1%左右，虽然这看起来很小，但光伏产业一直在蓬勃发展。光伏装机量在2000—2014年的年复合增长率达到44%。自2012年以来，全球的太阳能光伏发电量比以前所有的加起来还多。
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太阳能电池由吸收太阳光并将其转换为电能的材料制成，目前最常见的材料就是硅。这是一种脆性材料，为了更耐用需要封装并安装在刚性框架中，这就限制了面板只能安装在屋顶，或在野外大面积安装。但是，根据麻省理工学院的一份报告——《太阳能的未来》，即使没有重大的技术进步，目前的硅基太阳能电池技术也已经足够完善，在2050年之前将得到广泛应用，实现碳排放量的大幅减少。
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报告也指出，目前正在开发的技术有可能更容易、更便宜地制造太阳能电池，并且可以以各种方式安装，转换效率与硅差不多。新的太阳能电池材料可以在柔性基板上得到更薄的沉积层，因此更加轻便、更容易安装。另外，由于它们使用透明材料制成，吸收人眼不可见的光，能够融入周边任何环境。该报告的作者——麻省理工学院新兴技术系教授弗拉基米尔·布洛维奇表示，新技术具有在任何物体表面发电的潜力。
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如果真是这样，那么太阳能电池将得到更为广泛的应用。在接下来的几十年中，随着这些技术从实验室走向市场，它们首先可能出现在小型电子消费品上，以及窗户玻璃的透明膜上，然后成为纺织品的一部分，包括窗帘或者衣服。
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硅太阳能电池以及新兴的薄膜太阳能电池的材料都很丰富，可以进行大规模生产，进行大规模安装部署也没有问题。根据麻省理工学院的计算，到2050年，如果美国所有的用电量都使用硅基太阳能技术来发电，那么将需要整个国家0.4%的国土面积来铺设太阳能面板，也就是大约西弗吉尼亚州的一半。但是，如果在美国阳光最充足的地区安装最有效率的太阳能面板，那么这个面积可以减少约2/3。
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风中摇曳
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与太阳能类似，风能也是广泛分布、无污染以及可再生的能源。目前风力发电机提供全球约4%的电力。风力发电成本从20世纪80年代的每千瓦小时高达30美分下降到目前的每千瓦小时3美分。
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早期的风力发电机体积小巧，容量只有几十千瓦，现在的发电机更大、更高，容量通常在2.5兆瓦左右，轮毂高度为80—120米。轮毂更高的好处在于可以在较高的地方获得更高的风速。同时，更长的叶片和更大的转子可以扫过更宽的区域，在同一位置获得更多的能量。
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美国能源部《风能愿景》报告的管理顾问埃德加·德莫奥说，技术的持续进步为风力的开发利用开辟了广阔的应用空间。这份报告于2015年发布，展望了2050年美国风力发电的潜力。根据该报告，下一代风力发电机可以增加将近190万平方公里的风能可用区域，将是使用旧涡轮发电机技术（2008年开始使用）的三倍。
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目前风力发电行业主要是使用传统的三叶片涡轮发电机，其他的设计也正在开发中，包括双叶片发电机和无扇叶振荡杆。获得最多资金投入的可能是加利福尼亚州的Makani公司，它正在开发机载风力发电机，使用绳索连接并把能量传输到地面站。该公司的螺旋桨“能量风筝”采用与传统涡轮风力发电机相同的空气动力学原理，但可以升到310米的高空，是涡轮风力发电机高度的两倍，另外，它使用的材料更少。
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2013年，Makani被谷歌公司收购，计划在夏威夷进行600千瓦原型机的测试，正在与当地的飞行员以及美国联邦航空管理局合作，以提高风筝的可见度。挑战传统涡轮发电机的统治地位并不容易，美国国家风力技术中心的总工程师保罗·维勒斯说，传统的风力发电机具有30年的先发优势，已经有确定的设计标准，并且涡轮发电机技术也在不断发展。随着转子和塔架越来越大，陆地运输成为一个挑战，相关公司正在研究在现场进行组件的组装或者生产。据美国能源部风能技术办公室主任乔斯·萨亚斯介绍，叶片模具的3D打印正在从草图绘制转到原型设计。该技术应该比使用传统的模具更快速地制造叶片，并且可以把成本降低5%。研究人员还在调查优化风电场布局和运行的方法，这样可以用较少的额外成本把生产效率提高大概5%。
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多年来，主流能源预测大大低估了太阳能和风能发电的增长速度。例如，国际能源署2008年的《国际能源展望》预测，太阳能发电到2030年可以提供全球电力的1%，但这个目标提前15年，在2015年就实现了。
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太阳能和风力发电有一个缺点：它们都是间歇性的——夜晚没有阳光，风不能总是吹。公共部门把波动性可再生能源接入到电网需要一个学习过程。现在可以用复杂的预报方法来预测什么时候太阳被云层遮住或者什么时候起风，电网运营商可以在更多的时间内调节供需平衡。高度互联的电网可以把多余的电量长距离地传输到最需要的地方。如果太阳能或者风力发电不足，天然气调峰发电厂（natural-gas peaker plant）就可以快速点火发电。
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并不是所有的电网都是这么强大或者互联的，有些地方根本无法进行远距离输电，或者在需要时快速启动发电。另外一个平衡间歇性可再生能源峰谷的解决方案是把多余的能源存储起来供以后使用，随着太阳能和风能发电在电力生产中的占比越来越大，这种技术将变得至关重要。
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人民的力量
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虽然现在有很多储能技术，但大部分都很昂贵。最普通、技术含量最低的就是抽水蓄能电站，将水抽到一个位置较高的水库，需要时将水释放出来冲下水库并带动涡轮发电机。另外一个方法是将空气压缩到大容器或者地下洞穴里，当需要时，释放空气来带动涡轮产生电能。
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很多不同类型的可充电电池也可以用于存储电能。电池是由电化学电池组成的，使用化学反应来发电。锂电池目前越来越受欢迎，因为它相对较轻，可以将大量的电能储存在一个较小的空间内，现在从各种便携式电子设备到电动汽车都在使用这种电池。科学家们认为，他们能够进一步改进电池的设计和组成，能够使现有的能量密度翻一番。
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另外一个很有希望的电网技术是液流电池。它由一组分别装有两种不同液体的容器和一块单独的电化学电池组成。当这两种液体被泵运送通过电池时，离子通过薄膜从一种液体流向另外一种液体，电子流向外部电路。因为液流电池是把能量存储在液体电解质中，所以其能量密度由存储容器的体积决定。目前这种电池还没有进行量产并销售，但是，如果可以使用廉价而且毒性较小的材料来制作，那么它们将得到更为广泛的应用，可以用于几个小时的电能存储。
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加州之梦
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与发电量相比，全球的电能储存量很小，但这将在未来几十年内有所改观。加利福尼亚州要求在2030年，可再生能源的发电量达到50%，要求三家最大的私营公共事业公司在2020年之前使电网增加1.3千兆瓦的储能容量。南加州爱迪生公司（Southern California Edison，SEC）是一家为加利福尼亚州中南部1500万人提供服务的公共事业公司，已经采购了几百兆瓦的存储容量。爱依斯能源储存公司（AES Energy Storage）是能源巨头美国爱依斯电力公司（AES）的子公司，正在为SCE安装一个100兆瓦的巨大的锂离子电池系统，能够快速灵活地提供长达4个小时的电力。SCE还在与硅谷的Stem公司合作，该公司将小型模块化的锂离子蓄电池与智能软件整合在一起，能够减少企业的电力成本，并且为电网提供服务。它与SCE的合同要求在10年内，Stem为SCE的客户安装大概1000个85兆瓦的分布式储能设备。
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美国调查公司GTM Research的能量储存总监拉维·曼哈尼表示，到2020年，大部分新型电能储存设备将被安装在“电表后面”，不仅是公司，还有家庭。德国公共事业公司RWE的能量储存专家克里斯汀·梅茨格也给出了同样的预测。他预计在未来几十年，德国各地公共事业公司客户的分布式电力存储容量联合在一起将很大，足够为电网提供各类服务，这将使得建造昂贵的大型存储项目变得不必要。只有在2050年之后，当可再生能源为德国提供80%以上的电力时，才需要额外的长期电力存储设备。
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根据调查公司Navigant的研究显示，目前全球的新能源存储系统基本都在使用锂离子电池技术，大概占了全部存储容量的85%以上。加利福尼亚州的特斯拉汽车公司正在与其电池供应商松下公司一起在内华达州建造一个价值50亿美元的超级电池工厂——Gigafactory，以满足市场对其汽车不断增长的需求，以及用于家庭和企业的模块化储能系统——Powerwall和Powerpack。其他大型锂离子电池制造商也在扩大生产规模。