Se syntyy käyttämällä liikkuvan veden voimaa, yleensä puroista, joista tai järvistä, pyörittämään turbiineja, jotka aktivoivat sähkögeneraattoreita.
Tätä energiaa käytetään laajalti ympäri maailmaa laajamittaiseen sähköntuotantoon.

Säiliöt (tai patoamis) vesivoimalaitokset :
Nämä laitokset on varustettu padolla ja säiliöllä veden varastoimiseksi. Vesi vapautetaan säiliöstä penstockien kautta turbiinien kääntämiseksi ja sähkön tuottamiseksi. Säiliövoimalaitokset voivat olla kooltaan suuria ja niillä on yleensä suuri vesivarastokapasiteetti, jonka avulla ne voivat säätää sähköntuotantoa kysynnän mukaan.

Jokivesivoimalat :
Toisin kuin säiliövoimaloissa, jokivoimaloissa ei ole patoja tai tekoaltaita. He yksinkertaisesti hyödyntävät purojen tai jokien luonnollista virtausta turbiinien kääntämiseksi ja sähkön tuottamiseksi. Nämä laitokset ovat yleensä kooltaan pienempiä ja riippuvaisia hydrologisista olosuhteista sähköntuotannossaan.

Pumppuvoimalaitokset :
Pumpatut varastointivoimalaitokset on suunniteltu varastoimaan energiaa kahdella säiliöllä, ylemmällä säiliöllä ja alemmalla säiliöllä. Alhaisen sähköntarpeen aikana vettä pumpataan alemmasta säiliöstä ylempään säiliöön potentiaalisen energian varastoimiseksi. Kun sähköntarve on suuri, ylemmästä säiliöstä vapautuu vettä turbiinien pyörittämiseksi ja sähkön tuottamiseksi.

Mikrovesivoimalat :
Mikrovesivoimalat ovat pieniä vesivoimalaitoksia, joiden teho on yleensä alle 100 kW. Niitä voidaan asentaa pieniin puroihin tai jokiin, usein paikallisiin tarkoituksiin, kuten sähkön toimittamiseen syrjäisille yhteisöille tai teollisuusalueille.

Mini-hydro-laitokset :
Minivesivoimaloiden tuotantokapasiteetti on hieman suurempi kuin pienvoimaloiden, yleensä jopa muutaman megawatin. Niitä käytetään usein pienten kaupunkien, teollisuuden tai syrjäisten maaseutualueiden voimanlähteenä.

Painovoimalla syötetyt voimalaitokset hyödyntävät veden virtausta ja tasoeroa. Ne voidaan luokitella turbiinin virtauksen ja pään korkeuden mukaan. Painovoimalla syötettyjä voimalaitoksia on kolmenlaisia (lueteltu tässä tärkeysjärjestyksessä vesivoimayhdistelmässä) :

- Jokivoimalat käyttävät joen virtausta ja tuottavat peruskuormaenergiaa, joka tuotetaan "joen juoksulla" ja syötetään välittömästi verkkoon. Ne edellyttävät yksinkertaista rakentamista, joka on paljon halvempaa kuin korkeammat voimalaitokset : pienet juoksutusrakenteet, pienet padot, joilla ohjataan käytettävissä oleva virtaus joesta voimalaitokseen, mahdollisesti pieni säiliö, kun joen virtaus on liian alhainen (tyhjennysvakio(2) alle 2 tuntia). Ne koostuvat yleensä vedenotosta, tunnelista tai kanavasta, jota seuraa kynä ja joen rannalla sijaitseva vesivoimala. Tunnelin tai kanavan matala painehäviö(3) mahdollistaa veden korkeuden jokeen nähden ja siten potentiaalisen energian saamisen.
- Lukitse voimalaitokset suuriin jokiin, joiden kaltevuus on suhteellisen jyrkkä, kuten Rein tai Rhône, joen tai joen suuntaisen kanavan padot aiheuttavat sarjan dekametrisiä vesiputouksia, jotka eivät häiritse koko laaksoa joen suuntaisten patojen ansiosta. Patojen juurelle sijoitetut vesivoimalat turbinoivat joen vettä. Kahden padon väliin varastoidun veden huolellinen hallinta mahdollistaa huippuenergian tuottamisen peruskuorman lisäksi;
- järvivoimalat (tai korkeapäiset voimalaitokset) liittyvät myös padon luomaan vesisäiliöön. Niiden suuri säiliö (tyhjennysvakio yli 200 tuntia) mahdollistaa veden kausittaisen varastoinnin ja sähköntuotannon moduloinnin : järvivoimaloita kutsutaan suurimman kulutuksen tunteina ja ne mahdollistavat huippuihin vastaamisen. Ranskassa niitä on paljon. Laitos voi sijaita padon juurella tai paljon alempana. Tällöin vesi siirretään järvestä vastaavien tunneleiden kautta voimalaitoksen sisäänkäynnille.

Pumppuvoimaloissa on kaksi allasta, yläallas (esim. korkealla sijaitseva järvi) ja alempi allas (esim. keinotekoinen säiliö), joiden väliin on sijoitettu käännettävä laite, joka voi toimia pumppuna tai turbiinina hydrauliselle osalle ja moottorina tai laturina sähköosalle.

Yläaltaan vesi turbiinoidaan aikoina, jolloin sähkön tuotannon kysyntä on suurta. Sitten tämä vesi pumpataan alemmasta altaasta ylempään altaaseen aikoina, jolloin energia on halpaa ja niin edelleen. Näiden voimaloiden ei katsota tuottavan energiaa uusiutuvista lähteistä, koska ne kuluttavat sähköä turbiiniveden tuottamiseen.
Nämä ovat energian varastointilaitoksia.
Ne toteuttavat usein lyhyen aikavälin toimia verkon pyynnöstä ja viimeisenä keinona (muiden vesivoimaloiden jälkeen) pidempiä toimenpiteitä erityisesti nostettavan veden kustannusten vuoksi. Tuotetun energian ja kulutetun energian välinen hyötysuhde on 70–80 prosentin luokkaa.
Toiminta on kannattavaa, kun ero sähkön hinnoissa ruuhka-aikojen (edullisen sähkön ostaminen) ja huippukausien (kalliin sähkön myynti) välillä on merkittävä.

Vesivoimalaitokset koostuvat 2 pääyksiköstä :

- säiliö tai vedenottoaukko (jokivoimaloiden osalta), joka mahdollistaa vesiputouksen luomisen, yleensä varastosäiliöllä, jotta voimalaitos jatkaa toimintaansa myös alhaisen veden aikana.

- Kaivettua ohjauskanavaa voidaan käyttää sivusuunnassa saapuvan ylimääräisen veden ohjaamiseen patoaltaaseen. Vuototie mahdollistaa joen tulvien kulkemisen vaarantamatta rakenteita;
Voimalaitos, jota kutsutaan myös tehtaaksi, mahdollistaa vesiputouksen käytön turbiinien käyttämiseen ja sitten laturin ajamiseen.

Ylivoimaisesti yleisimpiä ovat maapenkereistä tehdyt padot tai louhoksissa räjäyttämällä saadut riprapit. Vedeneristys on keskellä (savi tai bitumibetoni) tai ylävirran pinnalla (sementtibetoni tai bitumibetoni). Tämäntyyppinen pato sopeutuu monenlaisiin geologioihin;
painovoimapadot, jotka on rakennettu ensin muuraukseen, sitten betoniin ja äskettäin BCR-telalla tiivistettyyn betoniin), mikä mahdollistaa merkittävät säästöt ajassa ja rahassa. Peruskiven on oltava hyvälaatuista;
Betoniset kaaripadot, jotka on mukautettu suhteellisen kapeisiin laaksoihin ja joiden rannat on tehty hyvälaatuisesta kivestä. Niiden muotojen hienovaraisuus mahdollistaa betonin määrän vähentämisen ja taloudellisten patojen rakentamisen;
Monikaari- ja tukipatoja ei enää rakenneta. BCR-painovoimapadot korvaavat ne.

Laitokset on varustettu turbiineilla, jotka muuttavat veden virtauksen energian mekaaniseksi pyörimiseksi laturien käyttämiseksi.

Käytetyn turbiinin tyyppi riippuu vesiputouksen korkeudesta :
- hyvin matalilla pään korkeuksilla (1–30 metriä) voidaan käyttää polttimoturbiineja;
- pienille suuntauksille (5–50 metriä) ja suurille virtausnopeuksille Kaplan-turbiini on edullinen : sen siivet ovat ohjattavia, mikä mahdollistaa turbiinin tehon säätämisen pään korkeudelle säilyttäen samalla hyvän hyötysuhteen;
- Francis-turbiinia käytetään keskipaineisiin (40–600 metriä) ja keskivirtaukseen. Vesi pääsee terien kehän läpi ja poistuu niiden keskeltä;
- Pelton-turbiini soveltuu suuriin putouksiin (200–1 800 metriä) ja matalaan virtaukseen. Se vastaanottaa vettä erittäin korkeassa paineessa injektorin kautta (veden dynaaminen vaikutus ämpäriin).

Pienissä vesivoimaloissa edulliset (ja vähemmän tehokkaat) turbiinit ja yksinkertaiset konseptit helpottavat pienten yksiköiden asentamista.

Tuotannon kustannustehokkuus ja ennustettavuus

Patojen rakentamiselle on ominaista investoinnit, jotka ovat sitä korkeammat, putouksen korkeus ja leveämpi laakso.
Nämä pääomamenot vaihtelevat suuresti riippuen hankkeen ominaispiirteistä ja sosiaalisiin ja ympäristöön liittyviin rajoitteisiin liittyvistä liitännäiskustannuksista, erityisesti pakkolunastetun maan kustannuksista.
Sähköntuotannon mukauttamiskapasiteettiin liittyvät taloudelliset edut mahdollistavat näiden investointien kannattavuuden parantamisen, koska vesivarat ovat ilmaisia ja ylläpitokustannukset pienenevät.

Vesivoiman avulla voidaan vastata sähköntuotannon säätötarpeisiin erityisesti varastoimalla vettä suuriin tekoaltaisiin patojen tai patojen avulla.
Vesivoiman tuotannon vuosittaiset vaihtelut ovat kuitenkin merkittäviä. Ne liittyvät pääasiassa sateisiin. Tuotanto voi kasvaa 15 prosenttia vuosina, jolloin vesivarat ovat korkeat, ja laskea 30 prosenttia suuren kuivuuden vuosina.

Vesivoimaa kritisoidaan joskus väestön siirtymisestä, ja joet ja purot ovat etuoikeutettuja paikkoja asuntojen perustamiseen.
Esimerkiksi Kolmen rotkon pato Kiinassa on ajanut lähes kaksi miljoonaa ihmistä kodeistaan. Muutetun veden säännöstelyn vuoksi patojen ylä- ja alajuoksulla sijaitsevat ekosysteemit voivat häiriintyä (mukaan lukien vedessä elävien lajien vaellus), vaikka laitteisiin asennetaan kalateiden kaltaisia laitteita.

Vesivoiman mittaus

Vesivoimalaitoksen teho voidaan laskea seuraavalla kaavalla :

P = Q.ρ.H.g.r

Kanssa :

• P : teho (ilmaistuna watteina)
  


• Q : keskimääräinen virtaus kuutiometreinä sekunnissa mitattuna
  


• ρ : veden tiheys eli 1 000 kg/m3
  


• H : putoamiskorkeus metreinä
  


• g : painovoimavakio eli lähes 9,8 (m/s2)
  


• A : Laitoksen hyötysuhde (0,6–0,9)
  

Maailmanlaajuinen :

vesivoiman osuus maailman sähköntuotannosta oli lähes 15,8 % vuonna 2018 (vuosituotanto noin 4 193 TWh);
Tusina maata, joista neljä sijaitsee Euroopassa, tuottaa yli puolet sähköstään vesivoimalla. Norja johtaa tietä, jota seuraavat Brasilia, Kolumbia, Islanti, Venezuela, Kanada, Itävalta, Uusi-Seelanti ja Sveitsi.