Elle est générée en utilisant la force de l'eau en mouvement, généralement à partir de cours d'eau, de rivières ou de lacs, pour faire tourner des turbines qui activent des générateurs électriques.
Cette énergie est largement utilisée dans le monde entier pour la production d'électricité à grande échelle.

Centrales hydroélectriques à réservoir (ou retenue) :
Ces centrales sont équipées d'un barrage et d'un réservoir pour stocker l'eau. L'eau est libérée du réservoir à travers des conduites forcées pour faire tourner les turbines et générer de l'électricité. Les centrales à réservoir peuvent être de grande taille et ont généralement une capacité de stockage d'eau importante, ce qui leur permet de réguler la production d'électricité en fonction de la demande.

Centrales hydroélectriques au fil de l'eau :
Contrairement aux centrales à réservoir, les centrales au fil de l'eau ne disposent pas de barrage ni de réservoir. Elles exploitent simplement le débit naturel des cours d'eau ou des rivières pour faire tourner les turbines et produire de l'électricité. Ces centrales sont généralement de plus petite taille et dépendent des conditions hydrologiques pour leur production d'électricité.

Centrales hydroélectriques de pompage-turbinage :
Les centrales de pompage-turbinage sont conçues pour stocker l'énergie en utilisant deux réservoirs, un réservoir supérieur et un réservoir inférieur. Pendant les périodes de faible demande en électricité, l'eau est pompée du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur pour stocker de l'énergie potentielle. Lorsque la demande en électricité est élevée, l'eau est libérée du réservoir supérieur pour faire tourner les turbines et générer de l'électricité.

Microcentrales hydroélectriques :
Les microcentrales hydroélectriques sont de petites installations hydroélectriques généralement d'une capacité inférieure à 100 kW. Elles peuvent être installées sur de petits cours d'eau ou des rivières, souvent à des fins locales, telles que l'alimentation en électricité de communautés isolées ou de sites industriels éloignés.

Minicentrales hydroélectriques :
Les minicentrales hydroélectriques ont une capacité de production légèrement supérieure à celle des microcentrales, allant généralement jusqu'à quelques mégawatts. Elles sont souvent utilisées pour alimenter des petites villes, des industries ou des zones rurales éloignées.

Les centrales gravitaires mettent à profit l’écoulement de l’eau et un dénivelé. Elles peuvent être classées en fonction du débit turbiné et de leur hauteur de chute. Il existe trois types de centrales gravitaires (ici énumérées par ordre d’importance dans le mix hydraulique):

- les centrales au fil de l’eau utilisent le débit d’un fleuve et fournissent une énergie de base produite « au fil de l’eau » et injectée immédiatement sur le réseau. Elles nécessitent des aménagements simples et beaucoup moins coûteux que les centrales de plus forte puissance : petits ouvrages de dérivation, petits barrages servant à dériver le débit disponible de la rivière vers la centrale, éventuellement un petit réservoir lorsque le débit de la rivière est trop faible (constante de vidage(2) inférieure à 2 heures). Elles sont généralement constituées d’une prise d’eau, d’un tunnel ou d’un canal, puis d’une conduite forcée et d’une usine hydroélectrique située sur la rive de la rivière. La faible perte de charge(3) dans le tunnel ou le canal permet à l’eau de prendre de la hauteur par rapport à la rivière et donc d’acquérir de l’énergie potentielle ;
- les centrales d’éclusée dans les grands fleuves à relativement forte pente comme le Rhin ou le Rhône, des barrages sur le fleuve ou sur un canal parallèle au fleuve provoquent des suites de chutes d’eau décamétriques qui ne perturbent pas la vallée dans son ensemble grâce à des digues parallèles au fleuve. Les usines hydroélectriques placées aux pieds des barrages turbinent l’eau du fleuve. Une gestion fine de l’eau stockée entre deux barrages permet de fournir de l’énergie de pointe en plus de l’énergie de base ;
- les centrales-lacs (ou centrales de hautes chutes) sont également associées à une retenue d’eau créée par un barrage. Leur réservoir important (constante de vidage de plus de 200 heures) permet un stockage saisonnier de l’eau et une modulation de la production d’électricité : les centrales de lac sont appelées durant les heures de plus forte consommation et permettent de répondre aux pics. Elles sont nombreuses en France. L’usine peut être placée au pied du barrage ou bien plus bas. Dans ce cas, l’eau est transférée par des tunnels en charge du lac jusqu’à l’entrée de la centrale.

Les stations de transfert d’énergie par pompage possèdent deux bassins, un bassin supérieur (par exemple, un lac d’altitude) et un bassin inférieur (par exemple une retenue artificielle) entre lesquels est placé un dispositif réversible pouvant aussi bien fonctionner comme pompe ou turbine pour la partie hydraulique et comme moteur ou alternateur pour la partie électrique.

L’eau du bassin supérieur est turbinée en période de forte demande pour produire de l’électricité. Puis, cette eau est pompée depuis le bassin inférieur vers le bassin supérieur dans les périodes où l’énergie est bon marché, et ainsi de suite. Ces centrales ne sont pas considérées comme productrices d’énergie de source renouvelable puisqu’elles consomment de l’électricité pour remonter l’eau turbinée.
Ce sont des installations de stockage d’énergie.
Elles interviennent fréquemment pour des interventions de courte durée à la demande du réseau et en dernier recours (après les autres centrales hydrauliques) pour les interventions plus longues, notamment en raison du coût de l’eau à remonter. Le rendement entre l’énergie produite et l’énergie consommée est de l’ordre de 70% à 80%.
L’opération se révèle rentable lorsque la différence de prix de l'électricité entre les périodes creuses (achet d’électricité à bas prix) et les périodes de pointe (vente d’électricité à prix élevé) est importante.

Les centrales hydrauliques sont constituées de 2 principales unités :

- une retenue ou une prise d’eau (dans le cas des centrales au fil de l’eau) qui permet de créer une chute d’eau, avec généralement un réservoir de stockage afin que la centrale continue de fonctionner, même en période de basses eaux.

- Un canal de dérivation creusé peut permettre de dériver latéralement l'excédent d'eau arrivant vers un étang de barrage. Un évacuateur de crues permet de faire passer les crues de la rivière sans danger pour les ouvrages ;
la centrale, appelée aussi usine, qui permet d’utiliser la chute d’eau afin d’actionner les turbines puis d’entraîner un alternateur.

les plus fréquents, de loin, sont les barrages en remblai de terre ou d’enrochements obtenus en carrière par abattage à l’explosif. L’étanchéité est centrale (en argile ou en béton bitumineux) ou sur la surface amont (en béton de ciment ou en béton bitumineux). Ce type de barrage s’adapte à des géologies très variées ;
les barrages poids construits d’abord en maçonnerie, puis en béton puis plus récemment en béton compacté au rouleau BCR) qui permet d’importantes économies de temps et d’argent. Le rocher de fondation doit être de bonne qualité ;
les barrages voutes en béton adaptés aux vallées relativement étroites et dont les rives sont constituées de rocher de bonne qualité. La subtilité de leurs formes permet de diminuer la quantité de béton et de réaliser des barrages économiques ;
les barrages à voutes multiples et à contreforts ne sont plus construits. Les barrages poids en BCR les remplacent.

Les centrales sont équipées de turbines qui transforment l’énergie du flux d’eau en une rotation mécanique de façon à actionner des alternateurs.

Le type de turbine utilisé dépend de la hauteur de la chute d’eau :
- pour les très faibles hauteurs de chute (1 à 30 mètres), des turbines à bulbe peuvent être utilisées ;
- pour les faibles chutes (5 à 50 mètres) et les débits importants, la turbine Kaplan est privilégiée : ses pales sont orientables ce qui permet d’ajuster la puissance de la turbine à la hauteur de chute en conservant un bon rendement ;
- la turbine Francis est utilisée pour les moyennes chutes (40 à 600 mètres) et moyen débit. L’eau entre par la périphérie des pales et est évacuée en leur centre ;
- la turbine Pelton est adaptée aux hautes chutes (200 à 1 800 mètres) et faible débit. Elle reçoit l’eau sous très haute pression par l’intermédiaire d’un injecteur (impact dynamique de l’eau sur l’auget).

Pour les petites centrales hydroélectriques, des turbines à prix bas (et dont le rendement est moins bon) et de concepts simples facilitent l’installation de petites unités.

Rentabilité et prévisibilité de la production

La construction de barrages est caractérisée par des investissements d’autant plus élevés que la hauteur de chute est importante et que la vallée est large.
Ces dépenses d'investissements diffèrent fortement selon les caractéristiques de l'aménagement et les dépenses annexes liées aux contraintes sociales et environnementales, en particulier le coût des terrains expropriés.
Les avantages économiques liés à la capacité de modulation de la production d’électricité permettent de rentabiliser ces investissements car la ressource hydraulique est gratuite et les frais d’entretien sont réduits.

L’énergie hydraulique permet de répondre aux besoins d’ajustement de la production électrique, notamment en stockant de l’eau dans de grands réservoirs au moyen de barrages ou de digues.
Les fluctuations annuelles de la production hydraulique sont cependant importantes. Elles sont essentiellement liées aux précipitations. La production peut croître de 15% les années où la ressource hydraulique est forte et diminuer de 30% les années de grande sécheresse.

Il est parfois reproché à l'énergie hydraulique d’engendrer des déplacements de population, les rivières et les fleuves étant des lieux privilégiés pour installer des habitations.
Par exemple, le barrage des Trois Gorges en Chine a entraîné le déplacement de près de deux millions de personnes. En raison d’une régulation modifiée de l’eau, les écosystèmes en amont et en aval des barrages peuvent être perturbés (notamment la migration des espèces aquatiques) bien que des dispositifs comme les passes à poissons soient installés.

Mesure de la puissance hydroélectrique

La puissance d’une centrale hydraulique peut se calculer par la formule suivante:

P = Q.ρ.H.g.r

Avec :

• P : puissance (exprimée en W)
  


• Q : débit moyen mesuré en mètres cube par seconde
  


• ρ : masse volumique de l'eau, soit 1 000 kg/m3
  


• H : hauteur de chute en mètres
  


• g : constante de gravité, soit près de 9,8 (m/s2)
  


• r : rendement de la centrale (compris entre 0,6 et 0,9)
  

Dans le monde :

l'hydroélectricité a compté pour près de 15,8% de la production mondiale d'électricité en 2018 (avec une production annuelle d'environ 4 193 TWh) ;
une dizaine de pays, dont quatre en Europe, produisent plus de la moitié de leur électricité grâce à l’hydraulique. La Norvège vient en tête, suivie par le Brésil, la Colombie, l’Islande, le Venezuela, le Canada, l’Autriche, la Nouvelle Zélande et la Suisse.