يتم إنشاؤه باستخدام قوة المياه المتحركة ، عادة من الجداول أو الأنهار أو البحيرات ، لتدوير التوربينات التي تنشط المولدات الكهربائية.
تستخدم هذه الطاقة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم لتوليد الطاقة على نطاق واسع.

محطات الطاقة الكهرومائية المكمنية (أو الحجز) :
تم تجهيز هذه المحطات بسد وخزان لتخزين المياه. يتم إطلاق المياه من الخزان من خلال الحظائر لتشغيل التوربينات وتوليد الكهرباء. يمكن أن تكون محطات توليد الطاقة في الخزانات كبيرة الحجم وعادة ما يكون لها سعة تخزين كبيرة للمياه ، مما يسمح لها بتنظيم إنتاج الكهرباء وفقا للطلب.

محطات الطاقة الكهرومائية الجارية في النهر :
على عكس محطات توليد الطاقة في الخزانات ، لا تحتوي محطات توليد الطاقة على النهر على سدود أو خزانات. إنهم ببساطة يستغلون التدفق الطبيعي للجداول أو الأنهار لتحويل التوربينات وتوليد الكهرباء. هذه المحطات أصغر حجما بشكل عام وتعتمد على الظروف الهيدرولوجية لإنتاج الكهرباء.

محطات الطاقة الكهرومائية للتخزين بالضخ :
تم تصميم محطات توليد الطاقة التي يتم ضخها لتخزين الطاقة باستخدام خزانين ، خزان علوي وخزان سفلي. خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء ، يتم ضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي لتخزين الطاقة الكامنة. عندما يكون الطلب على الكهرباء مرتفعا ، يتم إطلاق المياه من الخزان العلوي لتدوير التوربينات وتوليد الكهرباء.

محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة :
محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة هي منشآت كهرومائية صغيرة بشكل عام بسعة أقل من 100 كيلو واط. يمكن تركيبها على الجداول الصغيرة أو الأنهار ، غالبا للأغراض المحلية ، مثل توفير الكهرباء للمجتمعات النائية أو المواقع الصناعية.

المحطات المائية الصغيرة :
تتمتع المحطات الكهرومائية الصغيرة بقدرة توليد أعلى قليلا من محطات الطاقة الصغيرة ، وعادة ما تصل إلى بضعة ميجاوات. غالبا ما تستخدم لتشغيل المدن الصغيرة أو الصناعات أو المناطق الريفية النائية.

تستفيد محطات الطاقة التي تغذيها الجاذبية من تدفق المياه والفرق في المستوى. يمكن تصنيفها وفقا لتدفق التوربينات وارتفاع رأسها. هناك ثلاثة أنواع من محطات الطاقة التي تغذيها الجاذبية (مدرجة هنا حسب الأهمية في مزيج الطاقة الكهرومائية) :

- تستخدم محطات توليد الطاقة الجارية في النهر تدفق النهر وتوفر طاقة الحمل الأساسي المنتجة "جريان النهر" ويتم حقنها على الفور في الشبكة. إنها تتطلب تطورات بسيطة أقل تكلفة بكثير من محطات الطاقة الأعلى : هياكل تحويل صغيرة ، سدود صغيرة تستخدم لتحويل التدفق المتاح من النهر إلى محطة الطاقة ، وربما خزان صغير عندما يكون تدفق النهر منخفضا جدا (تفريغ ثابت (2) أقل من ساعتين). وعادة ما تتكون من مدخل للمياه أو نفق أو قناة ، تليها حظيرة ومحطة للطاقة الكهرومائية تقع على ضفة النهر. يسمح انخفاض الضغط المنخفض (3) في النفق أو القناة للمياه بالحصول على ارتفاع بالنسبة للنهر وبالتالي الحصول على الطاقة الكامنة ؛
- قفل محطات توليد الطاقة في الأنهار الكبيرة ذات المنحدر الحاد نسبيا مثل نهر الراين أو نهر الرون ، والسدود على النهر أو على قناة موازية للنهر تسبب سلسلة من الشلالات العشرية التي لا تزعج الوادي ككل بفضل السدود الموازية للنهر. محطات الطاقة الكهرومائية وضعت عند سفح السدود التوربينات مياه النهر. الإدارة الدقيقة للمياه المخزنة بين سدين تجعل من الممكن توفير طاقة الذروة بالإضافة إلى الحمل الأساسي ؛
- ترتبط محطات توليد الطاقة في البحيرة (أو محطات الطاقة العالية) أيضا بخزان مياه تم إنشاؤه بواسطة سد. يسمح خزانها الكبير (ثابت التفريغ لأكثر من 200 ساعة) بتخزين المياه الموسمية وتعديل إنتاج الكهرباء : يتم استدعاء محطات توليد الطاقة في البحيرة خلال ساعات أعلى استهلاك وتجعل من الممكن الاستجابة للذروة. هناك الكثير منهم في فرنسا. يمكن أن يقع المصنع عند سفح السد أو أقل من ذلك بكثير. في هذه الحالة ، يتم نقل المياه عبر الأنفاق المسؤولة عن البحيرة إلى مدخل محطة الطاقة.

تحتوي محطات نقل الطاقة التي يتم ضخها على حوضين ، حوض علوي (مثل بحيرة عالية الارتفاع) وحوض سفلي (مثل خزان اصطناعي) يتم وضع جهاز عكسي بينهما يمكن أن يعمل كمضخة أو توربين للجزء الهيدروليكي وكمحرك أو مولد للجزء الكهربائي.

يتم توربينات المياه في الحوض العلوي خلال فترات ارتفاع الطلب لإنتاج الكهرباء. بعد ذلك ، يتم ضخ هذه المياه من الحوض السفلي إلى الحوض العلوي في الفترات التي تكون فيها الطاقة رخيصة ، وهكذا. لا تعتبر هذه المحطات منتجة للطاقة من مصادر متجددة لأنها تستهلك الكهرباء لجلب مياه التوربينات.
هذه هي مرافق تخزين الطاقة.
وكثيرا ما يتدخلون من أجل تدخلات قصيرة الأجل بناء على طلب الشبكة وكملاذ أخير (بعد محطات الطاقة الكهرومائية الأخرى) للتدخلات الأطول ، لا سيما بسبب تكلفة المياه التي سيتم رفعها. الكفاءة بين الطاقة المنتجة والطاقة المستهلكة في حدود 70٪ إلى 80٪.
تكون العملية مربحة عندما يكون الفرق في أسعار الكهرباء بين فترات خارج الذروة (شراء كهرباء منخفضة التكلفة) وفترات الذروة (بيع الكهرباء باهظة الثمن) كبيرا.

تتكون محطات الطاقة الكهرومائية من 2 وحدات رئيسية :

- خزان أو مدخل مياه (في حالة محطات توليد الطاقة في مجرى النهر) مما يجعل من الممكن إنشاء شلال ، عادة مع خزان تخزين بحيث تستمر محطة الطاقة في العمل ، حتى خلال فترات انخفاض المياه.

- يمكن استخدام قناة تحويل محفورة لتحويل المياه الزائدة التي تصل أفقيا إلى بركة السد. يسمح المفيض لفيضانات النهر بالمرور دون خطر على الهياكل ؛
محطة توليد الكهرباء ، وتسمى أيضا المصنع ، والتي تسمح باستخدام الشلال لتشغيل التوربينات ثم لتشغيل المولد.

الأكثر شيوعا إلى حد بعيد هي السدود المصنوعة من السدود الترابية أو riprap التي يتم الحصول عليها في المحاجر عن طريق التفجير. العزل المائي مركزي (الطين أو الخرسانة البيتومينية) أو على سطح المنبع (الخرسانة الأسمنتية أو الخرسانة البيتومينية). يتكيف هذا النوع من السدود مع مجموعة واسعة من الجيولوجيا.
سدود الجاذبية التي بنيت أولا في البناء ، ثم في الخرسانة ومؤخرا في الخرسانة المضغوطة بأسطوانة BCR) مما يسمح بتوفير كبير في الوقت والمال. يجب أن تكون صخرة الأساس ذات نوعية جيدة ؛
تتكيف السدود المقوسة الخرسانية مع الوديان الضيقة نسبيا والتي تصنع ضفافها من صخور ذات نوعية جيدة. دقة أشكالها تجعل من الممكن تقليل كمية الخرسانة وبناء السدود الاقتصادية ؛
لم يعد يتم بناء السدود متعددة الأقواس والدعامات. تحل محلها سدود الجاذبية BCR.

تم تجهيز المحطات بتوربينات تحول طاقة تدفق المياه إلى دوران ميكانيكي من أجل تشغيل المولدات.

يعتمد نوع التوربين المستخدم على ارتفاع الشلال :
- بالنسبة لارتفاعات الرأس المنخفضة جدا (من 1 إلى 30 مترا) ، يمكن استخدام توربينات المصباح ؛
- بالنسبة لانخفاض الرؤوس (من 5 إلى 50 مترا) ومعدلات التدفق العالية ، يفضل استخدام توربين كابلان : شفراته قابلة للتوجيه ، مما يجعل من الممكن ضبط قوة التوربين على ارتفاع الرأس مع الحفاظ على كفاءة جيدة ؛
- يستخدم توربين فرانسيس للرؤوس المتوسطة (40 إلى 600 متر) والتدفق المتوسط. يدخل الماء من خلال محيط الشفرات ويتم تصريفه في مركزها ؛
- توربين بيلتون مناسب للسقوط العالي (200 إلى 1800 متر) والتدفق المنخفض. يستقبل الماء تحت ضغط عال جدا عبر حاقن (التأثير الديناميكي للمياه على الدلو).

بالنسبة لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة ، تسهل التوربينات منخفضة التكلفة (والأقل كفاءة) والمفاهيم البسيطة تركيب الوحدات الصغيرة.

الفعالية من حيث التكلفة والقدرة على التنبؤ بالإنتاج

يتميز بناء السدود بالاستثمارات التي ترتفع جميعها في ارتفاع السقوط وكلما كان الوادي أوسع.
وتختلف هذه النفقات الرأسمالية اختلافا كبيرا تبعا لخصائص التنمية والنفقات الإضافية المتصلة بالقيود الاجتماعية والبيئية، ولا سيما تكلفة الأراضي المصادرة.
إن المزايا الاقتصادية المرتبطة بقدرة تعديل إنتاج الكهرباء تجعل من الممكن جعل هذه الاستثمارات مربحة لأن مورد المياه مجاني ويتم تخفيض تكاليف الصيانة.

تتيح الطاقة الكهرومائية تلبية احتياجات تعديل إنتاج الكهرباء ، لا سيما عن طريق تخزين المياه في خزانات كبيرة عن طريق السدود أو السدود.
ومع ذلك ، فإن التقلبات السنوية في إنتاج الطاقة الكهرومائية كبيرة. ترتبط بشكل رئيسي بهطول الأمطار. يمكن أن يزيد الإنتاج بنسبة 15٪ في السنوات التي تكون فيها موارد المياه مرتفعة وينخفض بنسبة 30٪ في سنوات الجفاف الشديد.

يتم انتقاد الطاقة الكهرومائية في بعض الأحيان لتسببها في نزوح السكان ، حيث تعتبر الأنهار والجداول أماكن مميزة لإنشاء المساكن.
على سبيل المثال، أدى سد الخوانق الثلاثة في الصين إلى نزوح ما يقرب من مليوني شخص. بسبب تنظيم المياه المعدل ، قد تتعرض النظم الإيكولوجية في المنبع والمصب للسدود مضطربة (بما في ذلك هجرة الأنواع المائية) على الرغم من تركيب أجهزة مثل الممرات السمكية.

قياس الطاقة الكهرومائية

يمكن حساب قوة محطة الطاقة الكهرومائية بالصيغة التالية :

P = Q.ρ.H.g.r

مع :

• P : الطاقة (معبرا عنها ب W)
  


• س : متوسط التدفق المقاس بالمتر المكعب في الثانية
  


• ρ : كثافة الماء، أي 1 000 kg/m3
  


• H : ارتفاع السقوط بالأمتار
  


• G : ثابت الجاذبية ، أي ما يقرب من 9.8 (م / ث 2)
  


• ج : كفاءة المصنع (بين 0.6 و 0.9)
  

عالمي :

شكلت الطاقة الكهرومائية ما يقرب من 15.8٪ من إنتاج الكهرباء العالمي في عام 2018 (بإنتاج سنوي يبلغ حوالي 4,193 تيراواط ساعة) ؛
تنتج اثنتا عشرة دولة ، بما في ذلك أربعة في أوروبا ، أكثر من نصف الكهرباء من الطاقة الكهرومائية. وتقود النرويج الطريق، تليها البرازيل وكولومبيا وأيسلندا وفنزويلا وكندا والنمسا ونيوزيلندا وسويسرا.