L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable qui est issue de la conversion de l'énergie hydraulique en électricité. L'énergie cinétique du courant d'eau, naturel ou généré par la différence de niveau, est transformée en énergie mécanique par une turbine hydraulique, puis en énergie électrique par une génératrice électrique synchrone.

En 2024, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint , en hausse de 1,7 %, produisant environ , soit 45,1 % de la production mondiale d'électricité renouvelable et 14,2 % de la production mondiale d’électricité.

Les atouts de l'hydroélectricité sont son caractère renouvelable, son faible coût d'exploitation et ses faibles émissions de gaz à effet de serre ; la capacité de stockage de ses réservoirs contribue à la compensation des variations de la demande ainsi que de celles des sources d'énergies intermittentes (énergie éolienne, énergie solaire). Elle a toutefois des impacts sociaux et environnementaux, particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres arables, fragmentation et modifications des écosystèmes aquatique et terrestre, blocage des alluvions

Les principaux producteurs d'hydroélectricité en 2025 sont la Chine (31,1 %), le Brésil (8,9 %), le Canada (7,8 %), les États-Unis (5,4 %) et la Russie (4,5 %), dont les centrales figurent parmi les plus puissantes. La part de l'hydroélectricité dans la production d'électricité atteint, en 2025, 89,3 % au Venezuela, 89 % en Norvège, 70,9 % en Colombie, 52,8 % au Canada, 52,1 % au Brésil, 40,2 % en Suède.

Techniques vignette|Vue en coupe d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.A : générateur avec 1 : stator et 2 : rotors réglables.B : turbine : avec 3 : vannes, 4 : pales turbine, 5 : flux d'eau et 6 : axe de rotation.

L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. Pour les barrages par accumulation, la quantité d'énergie disponible, sur une période donnée, dans la réserve d'eau d'un barrage dépend de son volume, des apports et pertes naturels sur la période et de la hauteur de chute. Pour les barrages au fil de l'eau, la quantité d'énergie produite est directement liée au débit (m/s, m/h, m/j, m/an).

Il existe quatre grands types de turbines : la turbine Pelton, adaptée aux hautes chutes, avec une roue à augets, inventée par Lester Allan Pelton en 1879. Elle est conçue pour les hauteurs de chute de plus de ; la turbine Francis, plutôt montée pour des chutes moyennes, voire hautes, avec une roue à aubes simple ou double. Conçue par James B. Francis en 1868 ; la turbine Kaplan, inventée en 1912, parfaitement adaptée aux basses chutes et forts débits, avec une roue de type hélice, comme celle d'un bateau. Viktor Kaplan a mis au point une roue à hélice dont les pales peuvent s'orienter en fonction des débits utilisables ; la turbine Wells, assez peu connue, qui utilise le mouvement de l'air provoqué par le mouvement des vagues à travers un tube vertical. Principe développé par Alan Wells. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait par le calcul de la vitesse spécifique notée « ns ».

Histoire

vignette|left|Entrée monumentale de l'exposition de 1925. Les êtres humains se servent de moulins à eau actionnés par des roues à aubes pour moudre le blé depuis plus de deux mille ans. Les industries horlogère et papetière des Alpes y ont beaucoup eu recours du fait de l'abondance des torrents descendant jusque dans les vallées. Au , les roues à aubes sont utilisées pour produire de l'électricité puis, sont remplacées par les turbines.

En 1869, l'ingénieur Aristide Bergès l'utilise sur une chute de deux cents mètres à Lancey pour faire tourner ses défibreurs, râpant le bois afin d'en faire de la pâte à papier. Il parle de « houille blanche » en 1878 à Grenoble, puis à la foire de Lyon en 1887 et lors de l'Exposition universelle de 1889.

Dès les années 1900, les progrès technologiques de l'hydroélectricité suisse sont à l'origine d'intenses spéculations boursières sur les sociétés hydroélectriques, qui profitent aux implantations industrielles dans les Alpes.

Dans les années 1920, une rapide expansion de l'électricité voit le jour en France, avec une multiplication par huit de la production d'électricité hydraulique grâce aux premiers barrages.

En 1925, Grenoble organise l'Exposition internationale de la houille blanche.

Centrales hydroélectriques

vignette|Schéma en coupe d'un barrage hydroélectrique.A : réservoir,B : centrale électrique,C : turbine,D : générateur,E : vanne,F : conduite forcée,G : lignes haute tension,H : rivière vignette|Salle des machines de la centrale hydroélectrique de Fessenheim. Les générateurs sont peints en bleu.

Il existe trois formes principales de production d'énergie hydroélectrique : les centrales dites gravitaires, ainsi nommées car les apports d'eau dans leur réservoir ou leur prise d'eau sont essentiellement issus de cours d'eau par gravitation, telles que les centrales au fil de l'eau ou les centrales hydroélectriques de lac ; les stations de transfert d'énergie par pompage (S-T-E-P), aussi connues sous l'appellation « centrales hydrauliques à réserve pompée » ou « centrale de pompage-turbinage », dans lesquelles des turbines réversibles pompent l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur. Elles comprennent aussi fréquemment une partie gravitaire. Le transfert est un transfert temporel (pompage durant le creux de la demande à partir d'électricité produite par des équipements de base et production d'électricité par turbinage durant la pointe, en substitution ou en complément à celle, plus coûteuse, des équipements de pointe) ; les usines marémotrices, qui utilisent l'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse du flux alterné des marées (marémotrice au sens strict), des courants marins permanents (hydroliennes au sens strict) ou du mouvement des vagues.

Centrales gravitaires

Les centrales gravitaires sont celles mettant à profit l'énergie potentielle liée à la dénivellation entre le réservoir et la centrale. On peut classer les centrales selon trois types de fonctionnement, déterminant un service différent pour le système électrique. Ce classement se fait en fonction de la constante de vidage, qui correspond au temps théorique qui serait nécessaire pour vider la réserve en turbinant à la puissance maximale.

Classement par type de fonctionnement On distingue ainsi : les centrales au fil de l'eau, dont la constante de vidage est généralement inférieure à deux heures ; les centrales « éclusées », dont la constante de vidage est comprise entre deux et deux cents heures ; les « lacs » (ou « réservoirs »), dont la constante de vidage est supérieure à deux cents heures.

Les centrales au fil de l'eau, principalement installées dans des zones de plaines, présentent pour ces raisons des retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit du fleuve tel qu'il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie en basePar énergie en base on entend une production très faiblement modulée en puissance. très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants tel que le Rhône et le Rhin.

Les centrales « éclusées » présentent des lacs plus importants, leur permettant une modulation dans la journée voire la semaine. Leur gestion permet de suivre la variation de la consommation sur ces horizons de temps (pics de consommation du matin et du soir, différence entre jours ouvrés et weekend). Elles sont typiques des aménagements réalisés en moyenne montagne.

Les « centrales-lacs » correspondent aux ouvrages présentant les réservoirs les plus importants. Ceux-ci permettent un stockage saisonnier de l'eau, et une modulation de la production pour passer les pics de charge de consommation électrique : l'été pour les pays où la pointe de consommation est déterminée par la climatisation, l'hiver pour ceux où elle est déterminée par le chauffage. Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

Les deux derniers types de lacs permettent par rétention de l'eau un certain stockage d'énergie (énergie potentielle de chute) utile pour adapter la production aux besoins du système électrique.

Classement par type de remplissage Il est également possible de classer les centrales en fonction des caractéristiques de remplissage de leur réservoir qui conditionne l'usage électrique qui peut en être fait.

Par exemple, le remplissage de certains réservoirs peut statistiquement être obtenu de façon hebdomadaire, saisonnière, annuelle, voire pluriannuelle, dans le cas de très grandes étendues d'eau comme le réservoir de Caniapiscau, créé dans le cadre du projet de la Baie-James, au Québec. Il est évident que la vitesse de remplissage a un impact direct sur la flexibilité d'utilisation.

Classement par hauteur de chute

Enfin, on peut classer les ouvrages en fonction de leur hauteur de chute, c'est-à-dire de la différence d'altitude entre le miroir théorique du réservoir plein et la turbine. Cette hauteur de chute détermine les types de turbines utilisées.

On distingue ainsi : les hautes chutes (supérieures à ) les moyennes chutes (entre ) les basses chutes (inférieures à )

Entre ces trois types de classement, il n'existe pas d'équivalence stricte mais une forte corrélation : Les centrales au fil de l'eau ont des apports dépendant du régime du cours d'eau, et de faibles hauteurs de chute ; les éclusées ont un remplissage quotidien ou hebdomadaire influencé par la saison (saison de crues) et des hauteurs de chute moyenne, plus rarement haute ; les lacs ont des remplissages en général saisonniers (fonte des neiges ou saison des pluies) et des hauteurs de chutes importantes.

Variabilité de la production La production d'une centrale hydroélectrique est tributaire des apports des cours d'eau qui l'alimentent, fluctuant selon les saisons et d'une année à l'autre en fonction des précipitations. Ainsi, la production hydroélectrique du Brésil a reculé de 16 % entre 2011 et 2015 du fait d'une série d'années de sécheresse, malgré la mise en service de plusieurs nouveaux barrages ; en 2021, elle a connu une nouvelle chute de 8,5 %, suivie en 2022 d'une hausse de 17,7 % Energy Statistics Data Browser - Electricity generation by source, Brazil, 1990-2023, Agence internationale de l'énergie, 21 décembre 2023.. En Espagne, des variations encore plus extrêmes sont observées : +67 % en 2003, +56,1 % en 2010, -27,7 % en 2011, -26,6 % en 2012, +69,9 % en 2013 ; -47,1 % en 2017, +74,7 % en 2018, -27 % en 2019 et +26,5 % en 2020, -32,7 % en 2022 et +40,6 % en 2023 Energy Statistics Data Browser - Electricity generation by source, Spain, 1990-2023, Agence internationale de l'énergie, 21 décembre 2023..

Les réservoirs des centrales de lac constituent un moyen de stockage qui peut contribuer à la compensation du caractère saisonnier des précipitations ainsi que de la demande. Ils n'ont que rarement un volume suffisant pour compenser les variations interannuelles.

Stations de transfert d'énergie par pompage vignette|Mesurant de haut, la Grande Dixence est le plus haut barrage poids du monde (Valais, Suisse).

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en plus de leur production d'énergie à partir de l'écoulement naturel, comportent un mode pompage permettant de stocker l'énergie produite par d'autres types de centrales lorsque la consommation est inférieure à la production, par exemple la nuit, pour la redistribuer, en mode turbinage, lors des pics de consommation.