Он генерируется с помощью силы движущейся воды, обычно из ручьев, рек или озер, для вращения турбин, которые активируют электрические генераторы.
Эта энергия широко используется во всем мире для крупномасштабной выработки электроэнергии.

Водохранилищные (или водохранилищные) гидроэлектростанции :
Эти заводы оборудованы плотиной и резервуаром для хранения воды. Вода выпускается из водохранилища через водоводы для вращения турбин и выработки электроэнергии. Водохранилищные электростанции могут быть большими по размеру и, как правило, имеют большую емкость для хранения воды, что позволяет им регулировать производство электроэнергии в соответствии со спросом.

Русловые ГЭС :
В отличие от водохранилищных электростанций, русловые электростанции не имеют плотин или водохранилищ. Они просто используют естественный поток ручьев или рек для вращения турбин и выработки электроэнергии. Эти электростанции, как правило, меньше по размеру и зависят от гидрологических условий для производства электроэнергии.

Гидроаккумулирующие ГЭС :
Гидроаккумулирующие электростанции предназначены для хранения энергии с использованием двух резервуаров, верхнего и нижнего. В периоды низкого спроса на электроэнергию вода перекачивается из нижнего резервуара в верхний резервуар для хранения потенциальной энергии. Когда потребность в электроэнергии высока, вода выпускается из верхнего резервуара для вращения турбин и выработки электроэнергии.

Микро-ГЭС :
Микро-ГЭС представляют собой малые гидроэлектростанции, как правило, мощностью менее 100 кВт. Они могут быть установлены на небольших ручьях или реках, часто для местных целей, таких как снабжение электроэнергией отдаленных населенных пунктов или промышленных объектов.

Мини-ГЭС :
Мини-ГЭС имеют несколько более высокую генерирующую мощность, чем микроэлектростанции, обычно до нескольких мегаватт. Они часто используются для питания небольших городов, промышленных предприятий или отдаленных сельских районов.

Электростанции с гравитационным питанием используют преимущества потока воды и разницы в уровне. Их можно классифицировать в зависимости от расхода турбины и высоты напора. Существует три типа электростанций с гравитационным питанием (перечислены здесь в порядке важности в структуре гидроэнергетики) :

- Русловые электростанции используют сток реки и обеспечивают базовую нагрузку, вырабатываемую «русловой» и сразу же закачиваемую в сеть. Они требуют простых разработок, которые намного дешевле, чем более мощные электростанции : небольшие водоотводные сооружения, небольшие плотины, используемые для отвода доступного стока из реки на электростанцию, возможно, небольшое водохранилище, когда речной сток слишком низок (константа опорожнения (2) менее 2 часов). Обычно они состоят из водозабора, тоннеля или канала, за которыми следуют водовод и гидроэлектростанция, расположенная на берегу реки. Низкий перепад давления (3) в туннеле или канале позволяет воде набирать высоту по отношению к реке и, следовательно, приобретать потенциальную энергию;
- блокировать электростанции на крупных реках с относительно крутым уклоном, таких как Рейн или Рона, плотины на реке или на канале, параллельном реке, вызывают серию декаметровых водопадов, которые не нарушают долину в целом благодаря дамб, параллельным реке. Гидроэлектростанции, размещенные у подножия плотин, перекачивают воду из реки. Тщательное управление водой, хранящейся между двумя плотинами, позволяет обеспечить пиковую энергию в дополнение к базовой нагрузке;
- Озерные электростанции (или высоконапорные электростанции) также связаны с водохранилищем, созданным плотиной. Их большой резервуар (константа опорожнения более 200 часов) позволяет сезонно запасать воду и модулировать выработку электроэнергии : озерные электростанции вызываются в часы наибольшего потребления и дают возможность реагировать на пиковые нагрузки. Во Франции их немало. Растение может располагаться у подножия плотины или значительно ниже. В этом случае вода перекачивается по туннелям, отвечающим за озеро, ко входу в электростанцию.

Насосные станции имеют два бассейна : верхний (например, высокогорное озеро) и нижний бассейн (например, искусственное водохранилище), между которыми размещено реверсивное устройство, которое может функционировать как насос или турбина для гидравлической части и как двигатель или генератор для электрической части.

Вода в верхнем бассейне подается в турбины в периоды высокого спроса на электроэнергию. Затем эта вода перекачивается из нижнего бассейна в верхний в периоды, когда энергия дешевая, и так далее. Считается, что эти электростанции не производят энергию из возобновляемых источников, поскольку они потребляют электроэнергию для подачи турбинной воды.
Это накопители энергии.
Они часто прибегают к краткосрочным вмешательствам по просьбе сети и в качестве крайней меры (после других гидроэлектростанций) для более длительных вмешательств, в частности, из-за стоимости воды, которую необходимо поднять. КПД между произведенной и потребляемой энергией составляет порядка 70-80%.
Операция выгодна, когда разница в ценах на электроэнергию между внепиковыми периодами (покупка дешевой электроэнергии) и пиковыми периодами (продажа дорогостоящей электроэнергии) значительна.

Гидроэлектростанции состоят из 2 основных агрегатов :

- водохранилище или водозабор (в случае русловых электростанций), что позволяет создать водопад, как правило, с накопительным резервуаром, чтобы электростанция продолжала работать даже в периоды маловодья.

- Вырытый деривационный канал может быть использован для отвода избыточной воды, поступающей в пруд плотины. Водосброс позволяет разливам реки проходить без опасности для сооружений;
Электростанция, также называемая фабрикой, которая позволяет использовать водопад для привода турбин, а затем для привода генератора переменного тока.

Безусловно, наиболее распространенными являются плотины из земляной насыпи или рирапа, добываемого в карьерах путем взрывных работ. Гидроизоляция бывает центральной (глина или битумобетон) или на поверхности выше по течению (цементобетон или асфальтобетон). Этот тип плотины приспосабливается к широкому спектру геологических условий;
гравитационные плотины, построенные сначала из кирпичной кладки, затем из бетона и в последнее время из бетона, уплотненного катком BCR), что позволяет значительно сэкономить время и деньги. Камень фундамента должен быть хорошего качества;
Бетонные арочные плотины, приспособленные к относительно узким долинам, берега которых сделаны из камня хорошего качества. Тонкость их форм позволяет уменьшить количество бетона и построить экономичные плотины;
Многоарочные и контрфорсные плотины больше не строятся. На смену им приходят гравитационные плотины BCR.

Установки оснащены турбинами, которые преобразуют энергию потока воды в механическое вращение с целью привода генераторов переменного тока.

Тип используемой турбины зависит от высоты водопада :
- при очень малой высоте напора (от 1 до 30 метров) можно использовать ламповые турбины;
- для малых напоров (от 5 до 50 метров) и высоких скоростей потока предпочтительна турбина Каплана : ее лопасти являются управляемыми, что позволяет регулировать мощность турбины до высоты напора при сохранении хорошего КПД;
- турбина Фрэнсиса используется для среднего напора (от 40 до 600 метров) и среднего расхода. Вода поступает через периферию лопастей и отводится в их центре;
- турбина Пелтона подходит для высоких падений (от 200 до 1 800 метров) и низкого расхода. Он получает воду под очень высоким давлением через инжектор (динамическое воздействие воды на ковш).

Для небольших гидроэлектростанций недорогие (и менее эффективные) турбины и простые концепции облегчают установку небольших агрегатов.

Экономичность и предсказуемость производства

Строительство плотин характеризуется инвестициями, которые тем больше, чем выше высота падения и чем шире долина.
Эти капитальные затраты сильно различаются в зависимости от характеристик застройки и дополнительных расходов, связанных с социальными и экологическими ограничениями, в частности, стоимости экспроприируемой земли.
Экономические преимущества, связанные с возможностью модуляции производства электроэнергии, позволяют сделать эти инвестиции выгодными, поскольку водный ресурс является бесплатным, а затраты на обслуживание снижаются.

Гидроэнергетика позволяет удовлетворить потребности в регулировании производства электроэнергии, в частности, за счет хранения воды в крупных водохранилищах с помощью плотин или дамб.
Тем не менее, ежегодные колебания производства гидроэлектроэнергии значительны. В основном они связаны с осадками. Производство может увеличиваться на 15% в годы с высокими водными ресурсами и снижаться на 30% в годы сильной засухи.

Гидроэнергетику иногда критикуют за то, что она вызывает перемещение населения, а реки и ручьи являются привилегированными местами для строительства жилья.
Например, из-за плотины «Три ущелья» в Китае почти два миллиона человек были вынуждены покинуть свои дома. Из-за изменения регулирования воды экосистемы выше и ниже по течению от плотин могут быть нарушены (включая миграцию водных видов), хотя такие устройства, как рыбоходы, устанавливаются.

Измерение мощности гидроэлектростанций

Мощность гидроэлектростанции можно рассчитать по следующей формуле :

P = Q.ρ.H.g.r

С :

• P : мощность (выражается в Вт)
  


• Q : средний расход, измеряемый в кубических метрах в секунду
  


• ρ : плотность воды, т.е. 1 000 кг/м3
  


• H : высота падения в метрах
  


• g : гравитационная постоянная, т.е. почти 9,8 (м/с2)
  


• A : КПД установки (от 0,6 до 0,9)
  

Мировой :

В 2018 году на долю гидроэнергетики приходилось почти 15,8% мирового производства электроэнергии (при годовом производстве около 4 193 ТВтч);
дюжина стран, в том числе четыре в Европе, производят более половины своей электроэнергии из гидроэнергетики. Лидирует Норвегия, за ней следуют Бразилия, Колумбия, Исландия, Венесуэла, Канада, Австрия, Новая Зеландия и Швейцария.