Nó được tạo ra bằng cách sử dụng lực di chuyển nước, thường là từ suối, sông hoặc hồ, để quay tuabin kích hoạt máy phát điện.
Năng lượng này được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để sản xuất điện quy mô lớn.

Hồ chứa (hoặc tạm giữ) nhà máy thủy điện :
Những nhà máy này được trang bị một con đập và một hồ chứa để lưu trữ nước. Nước được xả ra từ hồ chứa thông qua các penstocks để quay tuabin và tạo ra điện. Các nhà máy điện hồ chứa có thể có kích thước lớn và thường có khả năng chứa nước lớn, cho phép chúng điều tiết sản xuất điện theo nhu cầu.

Các nhà máy thủy điện chạy sông :
Không giống như các nhà máy điện hồ chứa, các nhà máy điện chạy trên sông không có đập hoặc hồ chứa. Họ chỉ đơn giản là khai thác dòng chảy tự nhiên của suối hoặc sông để quay tuabin và tạo ra điện. Các nhà máy này thường có kích thước nhỏ hơn và phụ thuộc vào điều kiện thủy văn để sản xuất điện.

Nhà máy thủy điện tích trữ bơm :
Các nhà máy điện lưu trữ được bơm được thiết kế để lưu trữ năng lượng bằng cách sử dụng hai bể, một bể trên và một bể dưới. Trong thời gian nhu cầu điện thấp, nước được bơm từ hồ chứa thấp hơn đến hồ chứa trên để lưu trữ năng lượng tiềm năng. Khi nhu cầu điện cao, nước được giải phóng từ bể trên để quay tuabin và tạo ra điện.

Nhà máy thủy điện siêu nhỏ :
Các nhà máy thủy điện siêu nhỏ là các công trình thủy điện nhỏ thường có công suất dưới 100 kW. Chúng có thể được lắp đặt trên các dòng suối hoặc sông nhỏ, thường cho các mục đích địa phương, chẳng hạn như cung cấp điện cho các cộng đồng xa xôi hoặc các khu công nghiệp.

Nhà máy thủy điện mini :
Các nhà máy thủy điện mini có công suất phát điện cao hơn một chút so với các nhà máy điện vi mô, thường lên tới vài megawatt. Chúng thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thị trấn nhỏ, các ngành công nghiệp hoặc các vùng nông thôn xa xôi.

Các nhà máy điện được cung cấp trọng lực tận dụng dòng chảy của nước và sự khác biệt về mức độ. Chúng có thể được phân loại theo lưu lượng tuabin và chiều cao đầu của chúng. Có ba loại nhà máy điện trọng lực (được liệt kê ở đây theo thứ tự quan trọng trong hỗn hợp thủy điện) :

- Các nhà máy điện chạy trên sông sử dụng dòng chảy của một con sông và cung cấp năng lượng phụ tải cơ bản được sản xuất "dòng sông" và bơm ngay vào lưới điện. Chúng đòi hỏi những phát triển đơn giản ít tốn kém hơn nhiều so với các nhà máy điện cao hơn : các cấu trúc chuyển hướng nhỏ, đập nhỏ được sử dụng để chuyển hướng dòng chảy có sẵn từ sông đến nhà máy điện, có thể là một hồ chứa nhỏ khi dòng chảy của sông quá thấp (làm rỗng hằng số (2) dưới 2 giờ). Chúng thường bao gồm một cửa lấy nước, một đường hầm hoặc một con kênh, tiếp theo là một chuồng trại và một nhà máy thủy điện nằm trên bờ sông. Sự sụt giảm áp suất thấp(3) trong đường hầm hoặc kênh đào cho phép nước đạt được chiều cao so với dòng sông và do đó thu được năng lượng tiềm năng;
- Khóa các nhà máy điện ở các con sông lớn có độ dốc tương đối cao như sông Rhine hoặc Rhone, đập trên sông hoặc trên một con kênh song song với sông gây ra một loạt thác nước decametric không làm xáo trộn toàn bộ thung lũng nhờ đê song song với sông. Các nhà máy thủy điện đặt dưới chân đập tuabin nước sông. Quản lý cẩn thận nước được lưu trữ giữa hai đập làm cho nó có thể cung cấp năng lượng cực đại ngoài tải trọng cơ bản;
- Các nhà máy điện hồ (hoặc nhà máy điện đầu cao) cũng được liên kết với một hồ chứa nước được tạo ra bởi một con đập. Hồ chứa lớn của họ (hằng số trống hơn 200 giờ) cho phép lưu trữ nước theo mùa và điều chế sản xuất điện : các nhà máy điện hồ được gọi trong những giờ tiêu thụ cao nhất và có thể đáp ứng với các đỉnh. Có rất nhiều người trong số họ ở Pháp. Nhà máy có thể được đặt dưới chân đập hoặc thấp hơn nhiều. Trong trường hợp này, nước được chuyển qua các đường hầm phụ trách hồ đến lối vào của nhà máy điện.

Các trạm truyền tải năng lượng được bơm có hai lưu vực, một lưu vực trên (ví dụ : hồ trên cao) và lưu vực dưới (ví dụ như hồ chứa nhân tạo) giữa đó được đặt một thiết bị đảo ngược có thể hoạt động như một máy bơm hoặc tuabin cho phần thủy lực và như một động cơ hoặc máy phát điện cho bộ phận điện.

Nước ở lưu vực thượng lưu được tuabin trong thời kỳ nhu cầu sản xuất điện cao. Sau đó, nước này được bơm từ lưu vực dưới xuống lưu vực trên trong thời kỳ năng lượng rẻ, v.v. Các nhà máy này không được coi là sản xuất năng lượng từ các nguồn tái tạo vì chúng tiêu thụ điện để mang lại nước tuabin.
Đây là những cơ sở lưu trữ năng lượng.
Họ thường xuyên can thiệp cho các can thiệp ngắn hạn theo yêu cầu của mạng lưới và như là phương sách cuối cùng (sau các nhà máy thủy điện khác) để can thiệp lâu hơn, đặc biệt là vì chi phí nước được nâng lên. Hiệu quả giữa năng lượng được tạo ra và năng lượng tiêu thụ theo thứ tự từ 70% đến 80%.
Hoạt động có lãi khi chênh lệch giá điện giữa thời gian thấp điểm (mua điện giá rẻ) và giai đoạn cao điểm (bán điện giá cao) là đáng kể.

Các nhà máy thủy điện được cấu tạo từ 2 tổ máy chính :

- một hồ chứa hoặc một lượng nước (trong trường hợp các nhà máy điện chạy trên sông) có thể tạo ra một thác nước, thường là với một bể chứa để nhà máy điện tiếp tục hoạt động, ngay cả trong thời gian nước thấp.

- Một kênh chuyển hướng đào có thể được sử dụng để chuyển nước dư thừa đến bên ao đập. Một đập tràn cho phép lũ lụt của dòng sông đi qua mà không gây nguy hiểm cho các công trình;
Nhà máy điện, còn được gọi là nhà máy, cho phép thác nước được sử dụng để điều khiển các tuabin và sau đó để lái một máy phát điện.

Cho đến nay, thường xuyên nhất là các đập làm bằng kè đất hoặc riprap thu được trong các mỏ đá bằng cách nổ mìn. Chất chống thấm là trung tâm (đất sét hoặc bê tông bitum) hoặc trên bề mặt thượng nguồn (xi măng, bê tông hoặc bê tông bitum). Loại đập này thích nghi với nhiều loại địa chất;
đập trọng lực được xây dựng đầu tiên bằng xây, sau đó bằng bê tông và gần đây là bê tông được nén bằng con lăn BCR) cho phép tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc. Đá móng phải có chất lượng tốt;
Các đập vòm bê tông thích nghi với các thung lũng tương đối hẹp và có bờ được làm bằng đá chất lượng tốt. Sự tinh tế trong hình dạng của chúng làm cho nó có thể giảm lượng bê tông và xây dựng các đập kinh tế;
Các đập nhiều vòm và trụ đỡ không còn được xây dựng. Đập trọng lực BCR thay thế chúng.

Các nhà máy được trang bị tuabin biến đổi năng lượng của dòng nước thành một vòng quay cơ học để điều khiển máy phát điện.

Loại tuabin được sử dụng phụ thuộc vào chiều cao của thác nước :
- đối với chiều cao đầu rất thấp (1 đến 30 mét), có thể sử dụng tuabin bóng đèn;
- đối với đầu rơi thấp (5 đến 50 mét) và tốc độ dòng chảy cao, tuabin Kaplan được ưu tiên : cánh quạt của nó có thể điều khiển được, giúp điều chỉnh công suất của tuabin theo chiều cao đầu trong khi vẫn duy trì hiệu quả tốt;
- tuabin Francis được sử dụng cho đầu trung bình (40 đến 600 mét) và lưu lượng trung bình. Nước đi qua ngoại vi của lưỡi dao và được thải ra ở trung tâm của chúng;
- tuabin Pelton thích hợp cho các thác cao (200 đến 1.800 mét) và lưu lượng thấp. Nó nhận nước dưới áp suất rất cao thông qua một kim phun (tác động động động của nước lên xô).

Đối với các nhà máy thủy điện nhỏ, tuabin chi phí thấp (và kém hiệu quả hơn) và các khái niệm đơn giản tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt các đơn vị nhỏ.

Hiệu quả chi phí và khả năng dự đoán của sản xuất

Việc xây dựng các con đập được đặc trưng bởi các khoản đầu tư đều cao hơn chiều cao của mùa thu và thung lũng càng rộng.
Các chi phí vốn này khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào đặc điểm của sự phát triển và các chi phí phụ trợ liên quan đến các hạn chế xã hội và môi trường, đặc biệt là chi phí của đất bị thu hồi.
Những lợi thế kinh tế liên quan đến khả năng điều chế sản xuất điện giúp các khoản đầu tư này có lợi nhuận vì tài nguyên nước miễn phí và chi phí bảo trì giảm.

Thủy điện làm cho nó có thể đáp ứng nhu cầu điều chỉnh sản xuất điện, đặc biệt bằng cách lưu trữ nước trong các hồ chứa lớn bằng đập hoặc đê.
Tuy nhiên, sự biến động hàng năm trong sản xuất thủy điện là đáng kể. Chúng chủ yếu liên quan đến lượng mưa. Sản lượng có thể tăng 15% trong những năm khi tài nguyên nước cao và giảm 30% trong những năm hạn hán lớn.

Thủy điện đôi khi bị chỉ trích vì gây ra sự dịch chuyển dân cư, với sông suối là nơi đặc quyền để thiết lập nhà ở.
Ví dụ, đập Tam Hiệp ở Trung Quốc đã khiến gần hai triệu người phải di dời. Do điều tiết nước sửa đổi, các hệ sinh thái ở thượng nguồn và hạ lưu đập có thể bị xáo trộn (bao gồm cả sự di cư của các loài thủy sản) mặc dù các thiết bị như đường cá được lắp đặt.

Đo đạc thủy điện

Công suất của nhà máy thủy điện có thể được tính theo công thức sau :

P = Q.ρ.H.g.r

Với :

• P : công suất (biểu thị bằng W)
  


• Q : lưu lượng trung bình đo bằng mét khối mỗi giây
  


• ρ : mật độ của nước, tức là 1 000 kg / m3
  


• H : chiều cao rơi tính bằng mét
  


• G : Hằng số trọng lực, tức là gần 9,8 (m / s2)
  


• A : Hiệu suất nhà máy (từ 0,6 đến 0,9)
  

Trên toàn thế giới :

thủy điện chiếm gần 15,8% sản lượng điện toàn cầu năm 2018 (với sản lượng hàng năm khoảng 4.193 TWh);
một chục quốc gia, bao gồm bốn quốc gia ở châu Âu, sản xuất hơn một nửa lượng điện từ thủy điện. Na Uy dẫn đầu, tiếp theo là Brazil, Colombia, Iceland, Venezuela, Canada, Áo, New Zealand và Thụy Sĩ.