Παράγεται χρησιμοποιώντας τη δύναμη του κινούμενου νερού, συνήθως από ρέματα, ποτάμια ή λίμνες, σε στροβίλους περιστροφής που ενεργοποιούν ηλεκτρικές γεννήτριες.
Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται ευρέως σε όλο τον κόσμο για μεγάλης κλίμακας παραγωγή ενέργειας.

Υδροηλεκτρικοί σταθμοί ταμιευτήρα (ή κατακράτησης) :
Αυτά τα φυτά είναι εξοπλισμένα με φράγμα και δεξαμενή για την αποθήκευση νερού. Το νερό απελευθερώνεται από τη δεξαμενή μέσω penstocks για να γυρίσει τις τουρμπίνες και να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής δεξαμενών μπορεί να είναι μεγάλοι σε μέγεθος και συνήθως έχουν μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης νερού, γεγονός που τους επιτρέπει να ρυθμίζουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με τη ζήτηση.

Υδροηλεκτρικοί σταθμοί απορροής ποταμών :
Σε αντίθεση με τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ταμιευτήρων, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής απορροής ποταμού δεν διαθέτουν φράγματα ή δεξαμενές. Απλώς εκμεταλλεύονται τη φυσική ροή των ρευμάτων ή των ποταμών για να γυρίσουν τις ανεμογεννήτριες και να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτές οι μονάδες είναι γενικά μικρότερες σε μέγεθος και εξαρτώνται από υδρολογικές συνθήκες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Υδροηλεκτρικοί σταθμοί αντλησιοταμίευσης :
Οι μονάδες παραγωγής ενέργειας με αντλησιοταμίευση έχουν σχεδιαστεί για να αποθηκεύουν ενέργεια χρησιμοποιώντας δύο δεξαμενές, μια άνω δεξαμενή και μια κάτω δεξαμενή. Κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, το νερό αντλείται από την κάτω δεξαμενή στην ανώτερη δεξαμενή για την αποθήκευση δυνητικής ενέργειας. Όταν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλή, το νερό απελευθερώνεται από την άνω δεξαμενή για να περιστρέψει τις τουρμπίνες και να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.

Μικρουδροηλεκτρικοί σταθμοί :
Οι μικροϋδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι μικρές υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις γενικής ισχύος μικρότερης των 100 kW. Μπορούν να εγκατασταθούν σε μικρά ρέματα ή ποτάμια, συχνά για τοπικούς σκοπούς, όπως η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένες κοινότητες ή βιομηχανικές περιοχές.

Μίνι υδροηλεκτρικοί σταθμοί :
Οι μίνι υδροηλεκτρικοί σταθμοί έχουν ελαφρώς υψηλότερη παραγωγική ικανότητα από τους μικροηλεκτρικούς σταθμούς, συνήθως μέχρι μερικά μεγαβάτ. Συχνά χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία μικρών πόλεων, βιομηχανιών ή απομακρυσμένων αγροτικών περιοχών.

Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που τροφοδοτούνται με βαρύτητα εκμεταλλεύονται τη ροή του νερού και τη διαφορά στάθμης. Μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη ροή του στροβίλου και το ύψος της κεφαλής τους. Υπάρχουν τρεις τύποι σταθμών ηλεκτροπαραγωγής που τροφοδοτούνται με βαρύτητα (παρατίθενται εδώ κατά σειρά σπουδαιότητας στο μείγμα υδροηλεκτρικής ενέργειας) :

- Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής απορροής ποταμού χρησιμοποιούν τη ροή ενός ποταμού και παρέχουν ενέργεια βασικού φορτίου που παράγεται "run-of-river" και εγχέεται αμέσως στο δίκτυο. Απαιτούν απλές αναπτύξεις που είναι πολύ λιγότερο δαπανηρές από τις υψηλότερες μονάδες παραγωγής ενέργειας : μικρές δομές εκτροπής, μικρά φράγματα που χρησιμοποιούνται για την εκτροπή της διαθέσιμης ροής από τον ποταμό στον σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, πιθανώς ένας μικρός ταμιευτήρας όταν η ροή του ποταμού είναι πολύ χαμηλή (σταθερά εκκένωσης(2) λιγότερο από 2 ώρες). Συνήθως αποτελούνται από μια πρόσληψη νερού, μια σήραγγα ή ένα κανάλι, ακολουθούμενη από ένα penstock και ένα υδροηλεκτρικό εργοστάσιο που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού. Η χαμηλή πτώση πίεσης(3) στη σήραγγα ή τη διώρυγα επιτρέπει στο νερό να αποκτήσει ύψος σε σχέση με τον ποταμό και, ως εκ τούτου, να αποκτήσει δυνητική ενέργεια·
- οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σε μεγάλους ποταμούς με σχετικά απότομη κλίση, όπως ο Ρήνος ή ο Ροδανός, τα φράγματα στον ποταμό ή σε ένα κανάλι παράλληλο προς τον ποταμό προκαλούν μια σειρά δεκαμετρικών καταρρακτών που δεν διαταράσσουν την κοιλάδα στο σύνολό της χάρη σε αναχώματα παράλληλα με τον ποταμό. Τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια που τοποθετούνται στους πρόποδες των φραγμάτων στροβιλίζουν το νερό του ποταμού. Η προσεκτική διαχείριση του νερού που αποθηκεύεται μεταξύ δύο φραγμάτων καθιστά δυνατή την παροχή ενέργειας αιχμής επιπλέον του βασικού φορτίου.
- Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας από λίμνες (ή σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής υψηλής κεφαλής) συνδέονται επίσης με μια δεξαμενή νερού που δημιουργείται από ένα φράγμα. Η μεγάλη δεξαμενή τους (σταθερά εκκένωσης άνω των 200 ωρών) επιτρέπει την εποχιακή αποθήκευση νερού και τη διαμόρφωση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας : οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής της λίμνης καλούνται κατά τις ώρες της υψηλότερης κατανάλωσης και καθιστούν δυνατή την ανταπόκριση στις κορυφές. Υπάρχουν πολλοί από αυτούς στη Γαλλία. Το εργοστάσιο μπορεί να βρίσκεται στους πρόποδες του φράγματος ή πολύ χαμηλότερα. Σε αυτή την περίπτωση, το νερό μεταφέρεται μέσω σηράγγων που είναι υπεύθυνες για τη λίμνη στην είσοδο του σταθμού παραγωγής ενέργειας.

Οι σταθμοί μεταφοράς ενέργειας με άντληση έχουν δύο λεκάνες, μια άνω λεκάνη (π.χ. λίμνη μεγάλου υψομέτρου) και μια κατώτερη λεκάνη (π.χ. τεχνητή δεξαμενή) μεταξύ των οποίων τοποθετείται αναστρέψιμη διάταξη που μπορεί να λειτουργήσει ως αντλία ή στρόβιλος για το υδραυλικό μέρος και ως κινητήρας ή εναλλάκτης για το ηλεκτρικό μέρος.

Το νερό στην άνω λεκάνη στροβιλίζεται σε περιόδους υψηλής ζήτησης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, αυτό το νερό αντλείται από την κάτω λεκάνη στην άνω λεκάνη σε περιόδους που η ενέργεια είναι φθηνή και ούτω καθεξής. Οι μονάδες αυτές δεν θεωρείται ότι παράγουν ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές, δεδομένου ότι καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια για την άντληση νερού στροβίλων.
Πρόκειται για εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας.
Συχνά παρεμβαίνουν για βραχυπρόθεσμες παρεμβάσεις κατόπιν αιτήματος του δικτύου και ως έσχατη λύση (μετά από άλλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς) για μεγαλύτερες παρεμβάσεις, ιδίως λόγω του κόστους του νερού που πρέπει να αρθεί. Η απόδοση μεταξύ της παραγόμενης ενέργειας και της ενέργειας που καταναλώνεται είναι της τάξης του 70% έως 80%.
Η επιχείρηση είναι κερδοφόρα όταν η διαφορά στις τιμές ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ περιόδων εκτός αιχμής (αγορά ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλού κόστους) και περιόδων αιχμής (πώληση ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τιμής) είναι σημαντική.

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί αποτελούνται από 2 κύριες μονάδες :

- δεξαμενή ή υδροληψία (στην περίπτωση σταθμών ηλεκτροπαραγωγής απορροής ποταμού) που καθιστά δυνατή τη δημιουργία καταρράκτη, συνήθως με δεξαμενή αποθήκευσης, ώστε ο σταθμός παραγωγής ενέργειας να συνεχίσει να λειτουργεί, ακόμη και σε περιόδους χαμηλής στάθμης νερού.

- Ένα σκαμμένο κανάλι εκτροπής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτροπή της περίσσειας νερού που φτάνει πλευρικά σε μια λίμνη φράγματος. Ένας υπερχειλιστής επιτρέπει στις πλημμύρες του ποταμού να περάσουν χωρίς κίνδυνο για τις κατασκευές.
Το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, που ονομάζεται επίσης εργοστάσιο, το οποίο επιτρέπει στον καταρράκτη να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση των στροβίλων και στη συνέχεια για την οδήγηση ενός εναλλάκτη.

Μακράν τα πιο συχνά είναι φράγματα κατασκευασμένα από χώμα ή riprap που λαμβάνονται σε λατομεία με ανατίναξη. Η στεγανοποίηση είναι κεντρική (αργιλώδες ή ασφαλτικό σκυρόδεμα) ή στην ανάντη επιφάνεια (τσιμέντο, σκυρόδεμα ή ασφαλτικό σκυρόδεμα). Αυτός ο τύπος φράγματος προσαρμόζεται σε μια μεγάλη ποικιλία γεωλογιών.
φράγματα βαρύτητας χτισμένα πρώτα σε τοιχοποιία, στη συνέχεια σε σκυρόδεμα και πιο πρόσφατα σε σκυρόδεμα συμπιεσμένο με κύλινδρο BCR) που επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος. Ο βράχος θεμελίωσης πρέπει να είναι καλής ποιότητας.
Τα τσιμεντένια τοξωτά φράγματα προσαρμόζονται σε σχετικά στενές κοιλάδες και των οποίων οι όχθες είναι κατασκευασμένες από καλής ποιότητας πέτρωμα. Η λεπτότητα των σχημάτων τους καθιστά δυνατή τη μείωση της ποσότητας σκυροδέματος και την κατασκευή οικονομικών φραγμάτων.
Τα φράγματα πολλαπλών τόξων και αντηρίδων δεν κατασκευάζονται πλέον. Τα φράγματα βαρύτητας BCR τα αντικαθιστούν.

Τα εργοστάσια είναι εξοπλισμένα με τουρμπίνες που μετατρέπουν την ενέργεια της ροής του νερού σε μηχανική περιστροφή προκειμένου να κινηθούν οι εναλλάκτες.

Ο τύπος της τουρμπίνας που χρησιμοποιείται εξαρτάται από το ύψος του καταρράκτη :
- για πολύ χαμηλά ύψη κεφαλής (1 έως 30 μέτρα), μπορούν να χρησιμοποιηθούν βολβοί·
- για χαμηλές κεφαλές (5 έως 50 μέτρα) και υψηλές ταχύτητες ροής, προτιμάται ο στρόβιλος Kaplan : τα πτερύγιά του είναι κατευθυνόμενα, γεγονός που καθιστά δυνατή τη ρύθμιση της ισχύος του στροβίλου στο ύψος της κεφαλής, διατηρώντας παράλληλα καλή απόδοση·
- ο στρόβιλος Francis χρησιμοποιείται για μεσαίες κεφαλές (40 έως 600 μέτρα) και μέσης ροής. Το νερό εισέρχεται μέσω της περιφέρειας των λεπίδων και εκκενώνεται στο κέντρο τους.
- ο στρόβιλος Pelton είναι κατάλληλος για υψηλές πτώσεις (200 έως 1.800 μέτρα) και χαμηλή ροή. Δέχεται νερό υπό πολύ υψηλή πίεση μέσω ενός μπεκ ψεκασμού (δυναμική πρόσκρουση του νερού στον κάδο).

Για μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι ανεμογεννήτριες χαμηλού κόστους (και λιγότερο αποδοτικές) και οι απλές έννοιες διευκολύνουν την εγκατάσταση μικρών μονάδων.

Σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας και προβλεψιμότητα της παραγωγής

Η κατασκευή φραγμάτων χαρακτηρίζεται από επενδύσεις που είναι τόσο μεγαλύτερες όσο το ύψος της πτώσης και όσο ευρύτερη είναι η κοιλάδα.
Αυτές οι κεφαλαιουχικές δαπάνες διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης και τις παρεπόμενες δαπάνες που σχετίζονται με κοινωνικούς και περιβαλλοντικούς περιορισμούς, ιδίως το κόστος της απαλλοτριωμένης γης.
Τα οικονομικά πλεονεκτήματα που συνδέονται με την ικανότητα διαφοροποίησης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθιστούν δυνατή την αποδοτικότητα αυτών των επενδύσεων, διότι οι υδάτινοι πόροι είναι δωρεάν και το κόστος συντήρησης μειώνεται.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια επιτρέπει την κάλυψη των αναγκών προσαρμογής της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ιδίως με την αποθήκευση νερού σε μεγάλους ταμιευτήρες μέσω φραγμάτων ή αναχωμάτων.
Ωστόσο, οι ετήσιες διακυμάνσεις στην παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι σημαντικές. Σχετίζονται κυρίως με τις βροχοπτώσεις. Η παραγωγή μπορεί να αυξηθεί κατά 15% σε έτη κατά τα οποία οι υδάτινοι πόροι είναι υψηλοί και να μειωθεί κατά 30% σε έτη μεγάλης ξηρασίας.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια επικρίνεται μερικές φορές για την πρόκληση μετακινήσεων πληθυσμών, με τα ποτάμια και τα ρέματα να είναι προνομιακά μέρη για τη δημιουργία κατοικιών.
Για παράδειγμα, το φράγμα των Τριών Φαραγγιών στην Κίνα έχει εκτοπίσει σχεδόν δύο εκατομμύρια ανθρώπους. Λόγω της τροποποιημένης ρύθμισης των υδάτων, τα οικοσυστήματα ανάντη και κατάντη των φραγμάτων ενδέχεται να διαταραχθούν (συμπεριλαμβανομένης της μετανάστευσης υδρόβιων ειδών), παρόλο που έχουν εγκατασταθεί συσκευές όπως οι ιχθυόδρομοι.

Μέτρηση υδροηλεκτρικής ενέργειας

Η ισχύς ενός υδροηλεκτρικού σταθμού μπορεί να υπολογιστεί με τον ακόλουθο τύπο :

P = Q.ρ.H.g.r

Με :

• P : ισχύς (εκφρασμένη σε W)
  


• Q : μέση ροή μετρούμενη σε κυβικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο
  


• ρ : πυκνότητα του νερού, δηλαδή 1 000 kg/m3
  


• H : ύψος πτώσης σε μέτρα
  


• G : σταθερά βαρύτητας, δηλαδή σχεδόν 9,8 (m/s2)
  


• A : Αποδοτικότητα της μονάδας (μεταξύ 0,6 και 0,9)
  

Παγκοσμίως :

η υδροηλεκτρική ενέργεια αντιπροσώπευε σχεδόν το 15,8% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το 2018 (με ετήσια παραγωγή περίπου 4.193 TWh).
δώδεκα χώρες, συμπεριλαμβανομένων τεσσάρων στην Ευρώπη, παράγουν περισσότερο από το ήμισυ της ηλεκτρικής τους ενέργειας από υδροηλεκτρική ενέργεια. Η Νορβηγία πρωτοστατεί, ακολουθούμενη από τη Βραζιλία, την Κολομβία, την Ισλανδία, τη Βενεζουέλα, τον Καναδά, την Αυστρία, τη Νέα Ζηλανδία και την Ελβετία.