Það er myndað með því að nota kraft vatns á hreyfingu, venjulega úr lækjum, ám eða vötnum, til að snúa hverflum sem virkja rafmagnsrafala.
Þessi orka er mikið notuð um allan heim til stórfelldrar orkuframleiðslu.

Miðlunarlón (eða miðlunar)vatnsaflsvirkjanir :
Þessar plöntur eru búnar stíflu og lóni til að geyma vatn. Vatni er hleypt úr lóninu um þrýstipípur til að snúa hverflunum og framleiða rafmagn. Miðlunarlón geta verið stór að stærð og hafa yfirleitt mikið vatnsgeymslurými, sem gerir þeim kleift að stýra raforkuframleiðslu í samræmi við eftirspurn.

Afrennslisvatnsaflsvirkjanir :
Ólíkt miðlunarlónum hafa rennslisvirkjanir ekki stíflur eða uppistöðulón. Þeir nýta einfaldlega náttúrulegt rennsli lækja eða áa til að snúa hverflum og framleiða rafmagn. Þessar virkjanir eru yfirleitt smærri og háðar vatnafræðilegum aðstæðum til raforkuframleiðslu þeirra.

Vatnsaflsvirkjanir með dælimiðlun :
Dæliorkuver eru hönnuð til að geyma orku með tveimur tönkum, efri tanki og neðri tanki. Þegar eftirspurn eftir rafmagni er lítil er vatni dælt úr neðra lóninu upp í efra lónið til að geyma stöðuorku. Þegar eftirspurn eftir rafmagni er mikil losnar vatn úr efri tankinum til að snúa hverflunum og framleiða rafmagn.

Örvatnsaflsvirkjanir :
Örvatnsaflsvirkjanir eru litlar vatnsaflsvirkjanir, yfirleitt með afkastagetu innan við 100 kW. Þeir geta verið settir upp á litlum lækjum eða ám, oft í staðbundnum tilgangi, svo sem til að veita rafmagni til afskekktra samfélaga eða iðnaðarsvæða.

Smávatnsverksmiðjur :
Smávatnsvirkjanir hafa örlítið meiri framleiðslugetu en örorkuver, venjulega allt að nokkrum megavöttum. Þeir eru oft notaðir til að knýja litla bæi, atvinnugreinar eða afskekkt dreifbýli.

Þyngdaraflsvirkjanir nýta sér vatnsrennslið og mismun á hæð. Þeir geta verið flokkaðir eftir flæði hverfla og höfuðhæð þeirra. Til eru þrjár gerðir af þyngdaraflsvirkjunum (taldar upp hér í röð eftir mikilvægi í vatnsaflssamsetningunni) :

- Rennslisvirkjanir nýta rennsli árinnar og veita grunnálagsorku sem framleidd er "afrennslisár" og dælt strax inn á flutningskerfið. Þær krefjast einfaldra framkvæmda sem eru mun ódýrari en hærri virkjana : lítil veitumannvirki, litlar stíflur sem notaðar eru til að beina rennsli frá ánni að virkjuninni, hugsanlega lítið lón þegar rennsli árinnar er of lítið (tæmingarstöðugi(2) innan við 2 klukkustundir). Þau samanstanda venjulega af vatnsinntaki, göngum eða skurði, síðan penstock og vatnsaflsvirkjun staðsett á bökkum árinnar. Lágþrýstingsfallið(3) í göngunum eða skurðinum gerir vatninu kleift að ná hæð miðað við ána og afla sér þannig stöðuorku;
- Læsa virkjanir í stórum ám með tiltölulega bröttum halla eins og Rín eða Rhone, stíflur í ánni eða á skurði samsíða ánni valda röð áratuga fossa sem ekki raska dalnum í heild þökk sé skurðum samsíða ánni. Vatnsaflsvirkjanirnar settar við rætur stíflanna hverflum vatnið í ánni. Nákvæm stjórnun vatnsins sem geymt er á milli tveggja stíflna gerir það mögulegt að veita hámarksorku til viðbótar við grunnálag;
- Vatnavirkjanir (eða háhöfðavirkjanir) eru einnig tengdar vatnsbóli sem myndast við stíflu. Stórt lón þeirra (tæmingarfasti meira en 200 klukkustundir) gerir árstíðabundna vatnsgeymslu og mótun raforkuframleiðslu : vatnavirkjanir eru kallaðar á þeim tímum sem notkun er mest og gera það mögulegt að bregðast við toppum. Þeir eru margir í Frakklandi. Álverið getur verið staðsett við rætur stíflunnar eða mun lægra. Í þessu tilfelli er vatnið flutt um göng sem sjá um vatnið að mynni virkjunarinnar.

Dæliorkuflutningsstöðvar eru með tvö dældir, efra vatnasviðið (t.d. stöðuvatn hátt yfir sjávarmáli) og lægra vatnasviðið (t.d. tilbúinn geymir) og á milli þeirra er tvívirkur búnaður sem getur virkað sem dæla eða hverfill fyrir vökvahlutann og sem hreyfill eða riðstraumsrafall fyrir rafmagnshlutann.

Vatnið í efri þrónni er hverfill á tímum mikillar eftirspurnar til að framleiða rafmagn. Síðan er þessu vatni dælt frá neðri skálinni að efri skálinni á tímabilum þegar orkan er ódýr og svo framvegis. Þessi orkuver eru ekki talin framleiða orku úr endurnýjanlegum orkugjöfum þar sem þau nota rafmagn til að koma upp túrbínuvatni.
Þetta eru orkugeymslur.
Þeir grípa oft inn í vegna skammtímaíhlutunar að beiðni kerfisins og sem síðasta úrræði (eftir öðrum vatnsaflsvirkjunum) fyrir lengri inngrip, einkum vegna kostnaðar við vatnið sem á að lyfta. Skilvirkni milli orkunnar sem framleidd er og orkunotkunar er á bilinu 70% til 80%.
Reksturinn er arðbær þegar munur á raforkuverði milli háannatíma (kaupa ódýrt rafmagn) og álagstíma (sala á dýru rafmagni) er verulegur.

Vatnsaflsvirkjanir eru gerðar úr 2 megineiningum :

- miðlunarlón eða vatnsinntak (þegar um er að ræða frárennslisvirkjanir) sem gerir kleift að mynda foss, yfirleitt með geymslutanki þannig að virkjunin starfi áfram, jafnvel á tímum þegar lítið vatn er.

- Hægt er að nota niðurgrafna frárennslisrás til að beina umframvatni sem kemur til hliðar að stíflutjörn. Yfirfallsrás gerir flóðum árinnar kleift að fara yfir án þess að mannvirkjum stafi hætta af;
Virkjunin, einnig kölluð verksmiðja, sem gerir kleift að nota fossinn til að knýja hverflana og síðan til að knýja alternator.

Langalgengastar eru stíflur úr jarðvegsfyllingu eða rifi sem fengnar eru í grjótnámum með sprengingum. Vatnsþéttingin er miðlæg (leir eða jarðbikssteypa) eða á yfirborði uppstreymis (sementsteypa eða jarðbikssteypa). Þessi tegund stíflu aðlagast margs konar jarðfræði;
þyngdaraflsstíflur byggðar fyrst í múrverki, síðan í steypu og nýlega í steypu þjappað með BCR vals) sem gerir verulegan sparnað í tíma og peningum. Grunnbergið verður að vera af góðum gæðum;
Steypubogadregnu stíflurnar aðlagaðar tiltölulega þröngum dölum og bakkar þeirra eru úr góðu bergi. Fínleiki lögunar þeirra gerir það mögulegt að draga úr magni steypu og byggja hagkvæmar stíflur;
Fjölboga- og buttress stíflurnar eru ekki lengur byggðar. BCR þyngdaraflsstíflur koma í stað þeirra.

Virkjanirnar eru búnar hverflum sem umbreyta orku vatnsflæðisins í vélrænan snúning til að knýja alternatora.

Tegund hverfla sem notuð eru fer eftir hæð fossins :
- fyrir mjög lága höfuðhæð (1 til 30 metra) er hægt að nota peruhverfla;
- fyrir lágt fall (5 til 50 metrar) og hátt rennsli er Kaplan hverfillinn ákjósanlegri : blöð hennar eru stýranleg, sem gerir það mögulegt að stilla afl hverfilsins að höfuðhæð en viðhalda um leið góðri skilvirkni;
- Francis hverfillinn er notaður fyrir meðalstóra hausa (40 til 600 metra) og miðlungsflæði. Vatn fer inn í gegnum jaðar blaðanna og er losað í miðju þeirra;
- Pelton hverfillinn hentar vel fyrir háa fossa (200 til 1.800 metra) og lítið rennsli. Það fær vatn undir mjög háum þrýstingi í gegnum inndælingartæki (dynamic áhrif vatnsins á fötu).

Fyrir lítil vatnsaflsvirkjanir auðvelda ódýrar (og óhagkvæmari) hverflar og einfaldar hugmyndir uppsetningu lítilla eininga.

Hagkvæmni og fyrirsjáanleiki framleiðslunnar

Bygging stíflna einkennist af fjárfestingum sem eru allar hærri sem fallhæðin er og því breiðari sem dalurinn er.
Þessi fjárfestingarútgjöld eru mjög mismunandi eftir einkennum þróunarinnar og viðbótarkostnaði sem tengist félagslegum og umhverfislegum takmörkunum, einkum kostnaði við landið sem tekið er eignarnámi.
Efnahagslegir kostir tengdir mótunargetu raforkuframleiðslu gera kleift að gera þessar fjárfestingar arðbærar vegna þess að vatnsauðlindin er gjaldfrjáls og viðhaldskostnaður lækkar.

Vatnsorkan gerir kleift að mæta þörfum raforkuframleiðslunnar, einkum með því að safna vatni í stórum uppistöðulónum með stíflum eða skurðum.
Hins vegar eru árlegar sveiflur í vatnsaflsframleiðslu verulegar. Þeir eru aðallega tengdir úrkomu. Framleiðslan getur aukist um 15% á þeim árum þegar vatnsbirgðir eru miklar og minnkað um 30% á árum mikilla þurrka.

Vatnsafl er stundum gagnrýnt fyrir að valda fólksflótta, þar sem ár og lækir eru forréttindastaðir til að koma upp húsnæði.
Til dæmis hefur Þriggja gljúfra stíflan í Kína hrakið næstum tvær milljónir manna á flótta. Vegna breyttra vatnastjórnunar geta vistkerfi fyrir ofan og neðan stíflur raskast (þ.m.t. flæði lagartegunda) þótt búnaður eins og fiskileiðir séu settar upp.

Mælingar á vatnsafli

Afl vatnsaflsvirkjunar má reikna með eftirfarandi formúlu :

P = Q.ρ.H.g.r

Með :

• P : afl (gefið upp í W)
  


• Q : meðalrennsli mælt í rúmmetrum á sekúndu
  


• ρ : eðlismassi vatnsins, þ.e. 1 000 kg/m3
  


• H : fallhæð í metrum
  


• G : Þyngdarstuðull, þ.e. tæplega 9,8 (m/s2)
  


• A : Skilvirkni verksmiðjunnar (milli 0,6 og 0,9)
  

Um allan heim :

vatnsorka nam nærri 15,8% af raforkuframleiðslu heimsins árið 2018 (ársframleiðsla var um 4.193 TWst);
Tugir landa, þar af fjögur í Evrópu, framleiða meira en helming raforku sinnar með vatnsafli. Noregur leiðir leiðina, þar á eftir koma Brasilía, Kólumbía, Ísland, Venesúela, Kanada, Austurríki, Nýja-Sjáland og Sviss.