Vzniká využitím síly pohybující se vody, obvykle z potoků, řek nebo jezer, k roztočení turbín, které aktivují elektrické generátory.
Tato energie je široce používána po celém světě pro výrobu energie ve velkém měřítku.

Vodní elektrárny s nádržemi (nebo hrázemi) :
Tyto elektrárny jsou vybaveny přehradou a nádrží pro skladování vody. Voda je z nádrže vypouštěna přes přivaděče, aby roztáčela turbíny a vyráběla elektřinu. Zásobníkové elektrárny mohou být velké a obvykle mají velkou kapacitu pro skladování vody, což jim umožňuje regulovat výrobu elektřiny podle poptávky.

Průtočné vodní elektrárny :
Na rozdíl od přehradních elektráren nemají průtočné elektrárny přehrady ani nádrže. Jednoduše využívají přirozený tok potoků nebo řek k otáčení turbín a výrobě elektřiny. Tyto elektrárny jsou obecně menší a jejich výroba elektřiny závisí na hydrologických podmínkách.

Přečerpávací vodní elektrárny :
Přečerpávací vodní elektrárny jsou určeny k akumulaci energie pomocí dvou zásobníků, horní nádrže a dolní nádrže. V obdobích nízké poptávky po elektřině je voda čerpána ze spodního zásobníku do horního zásobníku, aby se uskladnila potenciální energie. Když je poptávka po elektřině vysoká, voda se uvolňuje z horní nádrže, aby roztočila turbíny a vyráběla elektřinu.

Mikrovodní elektrárny :
Mikrovodní elektrárny jsou malá vodní zařízení, obvykle s výkonem nižším než 100 kW. Mohou být instalovány na malých potocích nebo řekách, často pro místní účely, jako je dodávka elektřiny do odlehlých komunit nebo průmyslových areálů.

Mini-vodní elektrárny :
Minivodní elektrárny mají o něco vyšší výrobní kapacitu než mikroelektrárny, obvykle do několika megawattů. Často se používají k napájení malých měst, průmyslových odvětví nebo odlehlých venkovských oblastí.

Gravitační elektrárny využívají průtoku vody a rozdílu hladiny. Lze je klasifikovat podle průtoku turbíny a výšky hlavy. Existují tři typy gravitačních elektráren (zde jsou uvedeny v pořadí podle důležitosti ve skladbě vodních elektráren) :

- Průtočné elektrárny využívají průtok řeky a poskytují energii pro základní zatížení, vyrobenou "průtočnou řekou" a okamžitě dodávanou do sítě. Vyžadují jednoduchý vývoj, který je mnohem levnější než vyšší elektrárny : malé odváděcí stavby, malé přehrady používané k odklonění dostupného průtoku z řeky do elektrárny, případně malá nádrž, když je průtok řeky příliš nízký (vyprazdňovací konstanta(2) méně než 2 hodiny). Obvykle se skládají z přívodu vody, tunelu nebo kanálu, na který navazuje přivaděč a vodní elektrárna umístěná na břehu řeky. Nízká tlaková ztráta(3) v tunelu nebo kanálu umožňuje, aby voda nabrala výšku vzhledem k řece, a získala tak potenciální energii;
- zdymadla elektráren ve velkých řekách s poměrně strmým sklonem, jako je Rýn nebo Rhôna, přehrady na řece nebo na kanálu rovnoběžném s řekou způsobují řadu dekametrických vodopádů, které díky hrázím rovnoběžným s řekou nenarušují údolí jako celek. Vodní elektrárny umístěné na úpatí přehrad turbínou přivádějí vodu z řeky. Pečlivé hospodaření s vodou uloženou mezi dvěma přehradami umožňuje poskytovat špičkovou energii navíc k základnímu zatížení;
- Jezerní elektrárny (nebo elektrárny s vysokým spádem) jsou také spojeny s vodní nádrží vytvořenou přehradou. Jejich velká nádrž (vyprazdňovací konstanta více než 200 hodin) umožňuje sezónní skladování vody a modulaci výroby elektřiny : jezerní elektrárny jsou volány v hodinách nejvyšší spotřeby a umožňují reagovat na špičky. Ve Francii je jich mnoho. Rostlina může být umístěna na úpatí přehrady nebo mnohem níže. V tomto případě je voda přenášena tunely na starosti jezera ke vstupu do elektrárny.

Přečerpávací předávací stanice mají dvě nádrže, horní nádrž (např. vysokohorské jezero) a dolní nádrž (např. umělá nádrž), mezi kterou je umístěno reverzibilní zařízení, které může fungovat jako čerpadlo nebo turbína pro hydraulickou část a jako motor nebo alternátor pro elektrickou část.

Voda v horním povodí je v obdobích vysoké poptávky po výrobě elektřiny poháněna turbínou. Poté je tato voda čerpána z dolního povodí do horního povodí v obdobích, kdy je energie levná a tak dále. Tyto elektrárny nejsou považovány za zařízení vyrábějící energii z obnovitelných zdrojů, protože spotřebovávají elektřinu k ohřevu vody z turbíny.
Jedná se o zásobníky energie.
Často zasahují při krátkodobých zásazích na žádost sítě a v krajním případě (po jiných vodních elektrárnách) při delších zásazích, zejména kvůli nákladům na vodu, která má být odčerpána. Účinnost mezi vyrobenou a spotřebovanou energií se pohybuje v řádu 70 % až 80 %.
Provoz je ziskový, když je rozdíl v cenách elektřiny mezi obdobími mimo špičku (nákup levné elektřiny) a obdobími špičky (prodej drahé elektřiny) významný.

Vodní elektrárny se skládají ze 2 hlavních jednotek :

- nádrž nebo přívod vody (v případě průtočných elektráren), který umožňuje vytvořit vodopád, obvykle s akumulační nádrží, aby elektrárna pokračovala v provozu i v období nedostatku vody.

- Vykopaný odváděcí kanál lze použít k odvedení přebytečné vody přicházející bočně do přehradního rybníka. Přeliv umožňuje, aby povodně řeky procházely bez nebezpečí pro konstrukce;
Elektrárna, nazývaná také továrna, která umožňuje využít vodopád k pohonu turbín a následně k pohonu alternátoru.

Zdaleka nejčastější jsou hráze ze zemního násypu nebo riprapu získaného v lomech trhacími pracemi. Hydroizolace je centrální (jílový nebo asfaltobeton) nebo na předtočním povrchu (cementový beton nebo bitumenový beton). Tento typ přehrady se přizpůsobuje široké škále geologických oblastí;
gravitační hráze postavené nejprve ze zdiva, poté z betonu a v poslední době z betonu zhutněného BCR válcem), což umožňuje významnou úsporu času a peněz. Základová hornina musí být kvalitní;
Betonové obloukové hráze se přizpůsobily relativně úzkým údolím a jejichž břehy jsou tvořeny kvalitní horninou. Jemnost jejich tvarů umožňuje snížit množství betonu a stavět ekonomické přehrady;
Víceobloukové a opěrné hráze se již nestaví. Nahrazují je gravitační hráze BCR.

Elektrárny jsou vybaveny turbínami, které přeměňují energii proudu vody na mechanickou rotaci za účelem pohonu alternátorů.

Typ použité turbíny závisí na výšce vodopádu :
- pro velmi nízké spádové výšky (1 až 30 metrů) lze použít žárovkové turbíny;
- pro nízké spády (5 až 50 metrů) a vysoké průtoky je preferována Kaplanova turbína : její lopatky jsou řiditelné, což umožňuje přizpůsobit výkon turbíny výšce hlavy při zachování dobré účinnosti;
- Francisova turbína se používá pro střední spády (40 až 600 metrů) a střední průtok. Voda vstupuje obvodem lopatek a je vypouštěna v jejich středu;
- Peltonova turbína je vhodná pro vysoké pády (200 až 1 800 metrů) a nízký průtok. Přijímá vodu pod velmi vysokým tlakem přes injektor (dynamický dopad vody na kbelík).

U malých vodních elektráren usnadňují instalaci malých jednotek nízkonákladové (a méně účinné) turbíny a jednoduché koncepce.

Hospodárnost a předvídatelnost výroby

Výstavba přehrad se vyznačuje investicemi, které jsou tím vyšší, čím vyšší je výška vodopádu a čím širší je údolí.
Tyto kapitálové výdaje se značně liší v závislosti na charakteristice zástavby a vedlejších výdajích souvisejících se sociálními a environmentálními omezeními, zejména na nákladech na vyvlastněné pozemky.
Ekonomické výhody spojené s modulační kapacitou výroby elektřiny umožňují, aby tyto investice byly ziskové, protože vodní zdroj je zdarma a náklady na údržbu jsou sníženy.

Vodní energie umožňuje uspokojovat potřeby úpravy výroby elektřiny, zejména skladováním vody ve velkých nádržích pomocí přehrad nebo hrází.
Roční výkyvy ve výrobě vodní energie jsou však značné. Souvisejí především s dešťovými srážkami. Produkce se může zvýšit o 15 % v letech, kdy jsou vodní zdroje vysoké, a snížit o 30 % v letech velkého sucha.

Vodní energie je někdy kritizována za to, že způsobuje vysídlování obyvatelstva, přičemž řeky a potoky jsou privilegovanými místy pro zřízení bydlení.
Například přehrada Tři soutěsky v Číně vyhnala z domovů téměř dva miliony lidí. V důsledku změněné regulace vody mohou být narušeny ekosystémy před a po proudu přehrad (včetně migrace vodních druhů), i když jsou instalována zařízení, jako jsou rybí cesty.

Měření vodní energie

Výkon vodní elektrárny lze vypočítat podle následujícího vzorce :

P = Q.ρ.H.g.r

S :

• P : výkon (vyjádřený ve W)
  


• Q : průměrný průtok měřený v metrech krychlových za sekundu
  


• ρ : hustota vody, tj. 1 000 kg/m3
  


• H : výška pádu v metrech
  


• g : gravitační konstanta, tj. téměř 9,8 (m/s2)
  


• A : Účinnost zařízení (mezi 0,6 a 0,9)
  

Světový :

vodní energie se v roce 2018 podílela na celosvětové výrobě elektřiny téměř 15,8 % (roční výroba činila přibližně 4 193 TWh);
tucet zemí, včetně čtyř evropských, vyrábí více než polovinu své elektřiny z vodní energie. V čele je Norsko, následované Brazílií, Kolumbií, Islandem, Venezuelou, Kanadou, Rakouskem, Novým Zélandem a Švýcarskem.