Se genera utilizando la fuerza del agua en movimiento, generalmente de arroyos, ríos o lagos, para hacer girar turbinas que activan generadores eléctricos.
Esta energía es ampliamente utilizada en todo el mundo para la generación de energía a gran escala.

Centrales hidroeléctricas de embalse (o embalse) :
Estas plantas están equipadas con una presa y un depósito para almacenar agua. El agua se libera del embalse a través de tuberías forzadas para hacer girar las turbinas y generar electricidad. Las centrales eléctricas de embalse pueden ser de gran tamaño y suelen tener una gran capacidad de almacenamiento de agua, lo que les permite regular la producción de electricidad en función de la demanda.

Centrales hidroeléctricas de pasada :
A diferencia de las centrales de embalse, las centrales eléctricas de pasada no tienen presas ni embalses. Simplemente explotan el flujo natural de arroyos o ríos para hacer girar turbinas y generar electricidad. Estas plantas son generalmente de menor tamaño y dependen de las condiciones hidrológicas para su producción de electricidad.

Centrales hidroeléctricas de bombeo :
Las centrales eléctricas de almacenamiento por bombeo están diseñadas para almacenar energía utilizando dos tanques, un tanque superior y un tanque inferior. Durante los períodos de baja demanda de electricidad, el agua se bombea desde el depósito inferior al depósito superior para almacenar energía potencial. Cuando la demanda de electricidad es alta, se libera agua del tanque superior para hacer girar las turbinas y generar electricidad.

Microcentrales hidroeléctricas :
Las microcentrales hidroeléctricas son pequeñas instalaciones hidroeléctricas, generalmente con una capacidad inferior a 100 kW. Pueden instalarse en pequeños arroyos o ríos, a menudo para fines locales, como el suministro de electricidad a comunidades remotas o sitios industriales.

Mini-centrales hidroeléctricas :
Las minicentrales hidroeléctricas tienen una capacidad de generación ligeramente superior a la de las microcentrales eléctricas, normalmente de hasta unos pocos megavatios. A menudo se utilizan para alimentar pequeñas ciudades, industrias o áreas rurales remotas.

Las centrales eléctricas alimentadas por gravedad aprovechan el flujo de agua y la diferencia de nivel. Se pueden clasificar según el caudal de la turbina y la altura de su cabeza. Hay tres tipos de centrales eléctricas alimentadas por gravedad (enumeradas aquí en orden de importancia en la combinación hidroeléctrica) :

- Las centrales eléctricas de pasada utilizan el caudal de un río y proporcionan energía de carga base producida "de pasada" e inyectada inmediatamente en la red. Requieren desarrollos simples que son mucho menos costosos que las centrales eléctricas más altas : pequeñas estructuras de desvío, pequeñas presas utilizadas para desviar el caudal disponible del río a la central eléctrica, posiblemente un pequeño embalse cuando el caudal del río es demasiado bajo (constante de vaciado(2) menos de 2 horas). Suelen consistir en una toma de agua, un túnel o un canal, seguido de una tubería forzada y una central hidroeléctrica situada en la orilla del río. La baja caída de carga(3) en el túnel o canal permite que el agua gane altura en relación con el río y, por lo tanto, adquiera energía potencial;
- las centrales eléctricas de bloqueo en grandes ríos con una pendiente relativamente pronunciada como el Rin o el Ródano, las presas en el río o en un canal paralelo al río provocan una serie de cascadas decamétricas que no perturban el valle en su conjunto gracias a los diques paralelos al río. Las centrales hidroeléctricas situadas al pie de las presas turbinan el agua del río. La gestión cuidadosa del agua almacenada entre dos presas permite proporcionar energía máxima además de la carga base;
- Las centrales eléctricas lacustres (o centrales eléctricas de gran altura) también están asociadas a un depósito de agua creado por una presa. Su gran embalse (constante de vaciado de más de 200 horas) permite el almacenamiento estacional de agua y la modulación de la producción de electricidad : las centrales lacustres se llaman durante las horas de mayor consumo y permiten responder a los picos. Hay muchos de ellos en Francia. La planta puede estar situada al pie de la presa o mucho más abajo. En este caso, el agua se trasvasa a través de túneles a cargo del lago hasta la entrada de la central.

Las estaciones de transferencia de energía por bombeo tienen dos cuencas, una cuenca superior (por ejemplo, un lago de gran altitud) y una cuenca inferior (por ejemplo, un depósito artificial) entre las cuales se coloca un dispositivo reversible que puede funcionar como bomba o turbina para la parte hidráulica y como motor o alternador para la parte eléctrica.

El agua de la cuenca alta se turbina durante los períodos de alta demanda para producir electricidad. Luego, esta agua se bombea desde la cuenca baja a la cuenca alta en períodos en que la energía es barata, y así sucesivamente. No se considera que estas plantas produzcan energía a partir de fuentes renovables, ya que consumen electricidad para elevar el agua de las turbinas.
Se trata de instalaciones de almacenamiento de energía.
A menudo intervienen para intervenciones a corto plazo a petición de la red y como último recurso (después de otras centrales hidroeléctricas) para intervenciones más largas, en particular debido al coste del agua que hay que extraer. La eficiencia entre la energía producida y la energía consumida es del orden del 70% al 80%.
La operación es rentable cuando la diferencia de precios de la electricidad entre los periodos valle (compra de electricidad de bajo coste) y los periodos punta (venta de electricidad de alto precio) es significativa.

Las centrales hidroeléctricas se componen de 2 unidades principales :

- un embalse o una toma de agua (en el caso de las centrales de pasada) que permite crear una cascada, normalmente con un tanque de almacenamiento para que la central siga funcionando, incluso durante los períodos de estiaje.

- Se puede utilizar un canal de desvío excavado para desviar el exceso de agua que llega lateralmente a un estanque de presa. Un aliviadero permite que las crecidas del río pasen sin peligro para las estructuras;
La planta de energía, también llamada fábrica, que permite que la cascada se utilice para impulsar las turbinas y luego para impulsar un alternador.

Con mucho, las más frecuentes son las presas hechas de terraplén de tierra o escollera obtenidas en canteras por voladuras. La impermeabilización es central (arcilla u hormigón bituminoso) o en la superficie aguas arriba (hormigón de cemento u hormigón bituminoso). Este tipo de presa se adapta a una gran variedad de geologías;
presas de gravedad construidas primero en mampostería, luego en hormigón y más recientemente en hormigón compactado con un rodillo BCR) lo que permite un importante ahorro de tiempo y dinero. La roca de cimentación debe ser de buena calidad;
Las presas arqueadas de hormigón se adaptan a valles relativamente estrechos y cuyas orillas están hechas de roca de buena calidad. La sutileza de sus formas permite reducir la cantidad de hormigón y construir presas económicas;
Las presas de varios arcos y contrafuertes ya no se construyen. Las presas de gravedad BCR los reemplazan.

Las plantas están equipadas con turbinas que transforman la energía del flujo de agua en una rotación mecánica para accionar alternadores.

El tipo de turbina utilizada depende de la altura de la cascada :
- para alturas de altura muy bajas (de 1 a 30 metros), se pueden utilizar turbinas de bulbo;
- para caídas bajas (de 5 a 50 metros) y caudales elevados, se prefiere la turbina Kaplan : sus palas son orientables, lo que permite ajustar la potencia de la turbina a la altura de la cabeza manteniendo una buena eficiencia;
- la turbina Francis se utiliza para alturas medias (de 40 a 600 metros) y de caudal medio. El agua entra por la periferia de las aspas y se descarga en su centro;
- la turbina Pelton es adecuada para caídas altas (de 200 a 1.800 metros) y caudal bajo. Recibe agua a muy alta presión a través de un inyector (impacto dinámico del agua en el cubo).

En el caso de las pequeñas centrales hidroeléctricas, las turbinas de bajo coste (y menos eficientes) y los conceptos sencillos facilitan la instalación de pequeñas unidades.

Rentabilidad y previsibilidad de la producción

La construcción de presas se caracteriza por inversiones que son tanto mayores cuanto mayor sea la altura de la caída y cuanto más ancho sea el valle.
Estos gastos de capital difieren mucho en función de las características del desarrollo y de los gastos auxiliares relacionados con las limitaciones sociales y ambientales, en particular el costo de la tierra expropiada.
Las ventajas económicas ligadas a la capacidad de modulación de la producción eléctrica permiten rentabilizar estas inversiones porque el recurso hídrico es gratuito y se reducen los costes de mantenimiento.

La energía hidroeléctrica permite satisfacer las necesidades de ajuste de la producción de electricidad, en particular mediante el almacenamiento de agua en grandes embalses por medio de presas o diques.
Sin embargo, las fluctuaciones anuales en la producción de energía hidroeléctrica son significativas. Están relacionados principalmente con las precipitaciones. La producción puede aumentar en un 15% en años en que los recursos hídricos son altos y disminuir en un 30% en años de gran sequía.

A veces se critica a la energía hidroeléctrica por provocar desplazamientos de población, siendo los ríos y arroyos lugares privilegiados para establecer viviendas.
Por ejemplo, la presa de las Tres Gargantas en China ha desplazado a casi dos millones de personas. Debido a la modificación de la regulación del agua, los ecosistemas aguas arriba y aguas abajo de las presas pueden verse perturbados (incluida la migración de especies acuáticas), aunque se instalan dispositivos como las escalas piscícolas.

Medición de la energía hidroeléctrica

La potencia de una central hidroeléctrica se puede calcular mediante la siguiente fórmula :

P = Q.ρ.H.g.r

Con :

• P : potencia (expresada en W)
  


• Q : caudal medio medido en metros cúbicos por segundo
  


• ρ : densidad del agua, es decir, 1 000 kg/m3
  


• H : altura de caída en metros
  


• g : constante de gravedad, es decir, casi 9,8 (m/s2)
  


• A : Eficiencia de la planta (entre 0,6 y 0,9)
  

Mundial :

la energía hidroeléctrica representó casi el 15,8% de la producción mundial de electricidad en 2018 (con una producción anual de alrededor de 4.193 TWh);
una docena de países, incluidos cuatro europeos, producen más de la mitad de su electricidad a partir de la energía hidroeléctrica. Noruega lidera el camino, seguido de Brasil, Colombia, Islandia, Venezuela, Canadá, Austria, Nueva Zelanda y Suiza.