Energia wodna - wykorzystywana gospodarczo energia mechaniczna płynącej wody. Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię elektryczną (hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych dzięki zaporom wodnym). Można ją także wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn - istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza turbinę lub koło wodne.

Energia mechaniczna wody dzieli się na:

• energię przepływu rzek (energia kinetyczna i potencjalna jest zamieniana w energię elektryczna)

• energię mechaniczną oceanów (ruchy masy wody, które zostały wywołane przez pływy, falowanie czy też różnice gęstości)

Pobieranie tej energii jest bardzo korzystne zarówno ze względu na ekologiczny, jak i ekonomiczny charakter, bowiem dostarcza ona ekologicznie czystej energii i reguluje stosunki wodne zwiększając retencję wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz warunki zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę.

Działanie elektrowni wodnych jest dość proste. Woda z rzek spływa z wyżej położonych terenów takich jak np. góry, czy wyżyny do zbiorników wodnych (mórz lub jezior) położonych np. na nizinach. Przepływ wody w rzece spowodowany jest różnicą energii potencjalnej wód rzeki w górnym i dolnym biegu. Energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną płynącej wody. Fakt ten wykorzystuje się właśnie w elektrowni wodnej przepuszczając przez turbiny wodne płynącą rzeką wodę.

Źródło energii wodnej ocenia się według dostępnej mocy, to jest energii uzyskiwanej w jednostce czasu. Przy wykorzystaniu wody spadającej z pewnej wysokości dostępna moc wiąże się ze spadkiem hydraulicznym (wysokością, z jakiej spływa woda), przepływem (ilością wody spływającej w jednostce czasu) i zazwyczaj również z prędkością przepływu. W przypadku gdy woda spływa ze zbiornika (jezioro, spiętrzenie), spadkiem hydraulicznym jest różnica poziomów pomiędzy lustrem wody w zbiorniku górnym i wylotem turbiny, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne u podstawy wynika wprost z wysokości słupa wody.

Energia potencjalna E, uwalniana podczas spadku ciała o masie m z wysokości h w polu grawitacyjnym o przyspieszeniu g wynosi

E = mgh.

Elektrownia wodna wykorzystuje energię uwalnianą podczas sterowanego spadku wody z ustalonej wysokości. Energia wyzwolona w ustalonym czasie t wynika więc z ilości spuszczonej w tym czasie wody:

Podstawiając symbol mocy P za E / t i wyrażając stosunek m / t przez natężenie przepływu i gęstość wody, dochodzimy to standardowej postaci tego wyrażenia:

P = ρSgh

gdzie S oznacza natężenie przepływu, liczone jako objętość wody wypuszczanej w jednostce czasu, zaś ρ jest gęstością wody.

W układzie jednostek miar SI gęstość ρ wyraża się w kg / m3, przepływ S w m3 / s, przyspieszenie g w m / s2, wysokość h w metrach, i moc P w watach.

Niektóre urządzenia, np. koło wodne podsiębierne, wykorzystują energię przepływającej wody, nie wymagając do działania dużego spadku wody. W tym przypadku wyzyskuje się energię kinetyczną przepływającej wody. Teoretycznie maksymalna moc takiego źródła wynosi:

gdzie v oznacza prędkość wody. Taka wydajność jest w rzeczywistości nieosiągalna, gdyż odzyskanie całej energii kinetycznej wody oznaczałoby jej zatrzymanie. Faktycznie dostępna moc wynika więc ze stopnia spowolnienia wody przez koło (różnicy średniej prędkości v przepływu wody bezpośrednio przed i za kołem).

Koła wodne nasiębierne i śródsiębierne wykorzystują zarówno energię potencjalną i kinetyczną strumienia wody.

Elektrownie wodne można podzielić na:

• elektrownie z naturalnym dopływem wody;

o elektrownie regulacyjne - inaczej zbiornikowe, tzn. , że przed elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody;

o elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie;

• elektrownie szczytowo - pompowe: Znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi - tzn. górny i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.

Inny podział elektrowni, tym razem ze względu na wielkość to:

• elektrownie duże o mocy zainstalowanej 10 MW i więcej

• elektrownie małe o mocy w przedziale 200 kW - 10 MW

• mikroelektrownie wodne poniżej 200 kW mocy

Obecnie energetyka wodna w świecie stanowi około 30 % potencjału wytworzenia energii elektrycznej. Rozwój siłowni wodnych nastąpił w drugiej połowie XX wieku, a pierwsze elektrownie powstawały już w końcu XIX wieku. Z ogółu zasobów energii wodnej występującej na świecie wykorzystuje się około 26 %. W Polsce jest to około 30 %. Obecnie buduje się elektrownie wodne, posiadające turbiny napędzające agregaty prądotwórcze. Przemysł zajmujący się przekształcania energii wodnej na elektryczną to hydroenergetyka. Aby potencjał wody był lepiej wykorzystywany tworzy się ogromne zbiorniki z wielkimi zaporami o dużych różnicach poziomów (czym większy spadek tym większa moc). Elektryczność powstaje dzięki poruszaniu przez wodę urządzenia zwanego turbiną, połączonego bezpośrednio z prądnicą. Turbina to wydajniejsza wersja dawnego koła wodnego. Jest ona tak zaprojektowana, aby odbierać poruszającej się wodzie możliwie jak najwięcej energii. Hydroelektrownie buduje się często w terenach górzystych, gdzie występuje dużo opadów. Jezioro lub zbiornik wodny gromadzi wodę wysoko ponad elektrownią. Ilość potencjalnej energii zależy od wysokości spadku wody. 

Hydroelektrownie mają cenne zalety, ale również stwarzają pewne problemy, które należy uwzględnić na już na etapie projektowania.

Zalety hydroelektrowni:

- pozyskiwanie energii elektrycznej bez emisji szkodliwych gazów i pyłów,

- uzyskiwanie relatywnie tańszej energii,

- możliwość lokalizacji małych (lokalnych) elektrowni wodnych,

- właściwa lokalizacja zbiorników retencyjnych działa przeciwpowodziowo i jednocześnie może być źródłem zaopatrzenia miast w wodę,

- uatrakcyjnienie krajobrazu,

- rozwój kompleksów rekreacyjnych i sportów wodnych.

Problemy wynikające z budowy hydroelektrowni:

- trwałe zajęcie obszarów, przeważnie o charakterze rolniczym lub leśnym,

- konieczność przemieszczenia ludności wraz z zabudową,

- degradacja zabytków,

- konieczność stworzenia nowych połączeń drogowych i kolejowych,

- zmiany klimatyczne (widoczne dopiero po kilkunastu latach),

- degradacja roślin chronionych.

Typową hydroelektrownia jest elektrownia przepływowa Woda do turbin wodnych doprowadzana jest rurami ze zbiornika wodnego. Zbiornik wodny tworzy się przez wybudowanie odpowiednio wysokiej i długiej zapory betonowej prostopadle do nurtu rzeki. Na rzekach spławnych do przepuszczania statków buduje się specjalne śluzy umożliwiające przepływ jednostek pływających pomimo różnicy poziomów wody przed i za zaporą. Budowa elektrowni wodnej jest znacznie droższa niż węglowej, ale za to koszty uzyskania energii są niższe. Wynika to z tego, że budowa zbiornika wodnego wymaga dużych nakładów finansowych, wodoszczelnego dna, wykonania kilometrowych obrzeży i odpowiednio wytrzymałej tamy.

Hydroelektrownie dzieli się na:

- małe elektrownie wodne o mocy poniżej 2 MW

- elektrownie systemowe o mocy powyżej 2 MW.

Energia wodna może być znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub energii jądrowej. Obszary bogate w energię wodną przyciągają przemysł niskimi cenami elektryczności. W niektórych krajach o wykorzystaniu energii wodnej zaczynają decydować względy ochrony środowiska, przeważając nad kalkulacją cen.

---