La forza della massa dell'acqua ceduta nella sua caduta gravitazionale, viene utilizzata per generare energia elettrica.
L'energia idroelettrica copre attualmente circa il 19% della produzione mondiale di elettricità.
Gli impianti idraulici sono attuabili ovunque esista un flusso d’acqua costante, nel rispetto di quello che è indicato come il minimo deflusso vitale, (indice della diminuzione massima nella portata di un corso d’acqua a valle dell’opera di presa) necessario per salvaguardare l’ecosistema. Il suo valore è calcolato intorno ai 2 litri/sec per km2 di bacino imbrifero utilizzato. L’installazione di una centralina idroelettrica è ovviamente successiva ad una fase di progettazione, i cui studi riguardano le caratteristiche geomorfologiche del sito, la valutazione della risorsa idrica e del suo potenziale, la scelta di turbine e generatori appropriati, oltre naturalmente, agli studi riguardanti l’aspetto economico e l’impatto ambientale.

Nell’ambito delle energie rinnovabili l’utilizzo della tecnologia idroelettrica sta registrando nuovi input d’interesse, in particolare per ciò che concerne l’idroelettrico in piccola scala. Impianti mini e micro-hydro, pur essendo di limitata potenza unitaria, presentano notevoli vantaggi sia dal punto tecnico che da quello economico. La piccola taglia può utilizzare corsi d’acqua di modeste dimensioni e richiede modalità costruttive ed organizzative di basso impatto sul territorio, oltre al fatto di poter esser gestiti anche da piccole comunità o semplici nuclei familiari. Inoltre i costi di realizzazione e manutenzione degli impianti sono contenuti.

Le strutture sono molto estese e richiedono grossi capitali, poiché includono costruzioni come: bacini artificiali, dighe, canali di derivazione, installazioni di grandi turbine e generatori elettrici.
Nelle centrali idroelettriche una grande massa d’acqua viene raccolta solitamente sbarrando il corso di un fiume con una diga, l’energia potenziale dell’acqua viene trasformata in energia cinetica convogliandola alla discesa in ripide condutture che sfociano su una turbina.
La forza del’acqua muove le pale della turbina collegata a un'alternatore che genera effettivamente l'energia elettrica.
L’acqua utilizzata, defluisce a valle mediante opere di scarico.

La tensione della corrente prodotta viene innalzata nei trasformatori da 6000 a 220.000 volt allo scopo di diminuire la dispersione durante il trasporto nei cavi. Prima di essere utilizzata, la corrente subisce un abbassamento di tensione che la riporta, prima a 6000 volt, e poi a 220 volt per l'utilizzo civile.

Una prima divisione sommaria può essere operata fra gli impianti che utilizzano una caduta d’acqua attraverso un dislivello e quelli che sfruttano la velocità delle correnti. Nel primo caso la potenza del sistema dipende da due termini: il salto (differenza di livello tra la quota dove è disponibile la risorsa idrica svasata e quella in cui, la stessa, è restituita all’ambiente dopo il passaggio in una turbina) e la portata (massa d’acqua che fluisce attraverso la macchina per unità di tempo).
Nel secondo caso la potenza è determinata in base alla velocità stessa della massa e dalla superficie attiva della turbina.

La classificazione degli impianti avviene, convenzionalmente, in base alla potenza installata.

1 Grandi impianti P>10000 kW
2 Piccoli impianti 1000< P< 10000 kW
3 Mini impianti 100< P< 1000 kW
4 Micro-impianti P< 100 kW


Un’ulteriore distinzione tra le centraline idroelettriche è stilata in base alla diversa tipologia:

A ad acqua fluente
B a bacino (a deflusso regolato)
C ad accumulo a mezzo pompaggio
D in condotta idrica

Le centrali del tipo A sono posizionate sui corsi d’acqua. Non possiedono alcuna capacità di regolare gli afflussi, pertanto la produzione di elettricità è totalmente dipendente dalla portata del fiume: ciò normalmente determina una variazione della produzione su base stagionale. Funzionando ininterrottamente sono in grado di coprire il fabbisogno elettrico di base.

I sistemi di tipo D costituiscono una categoria recente. Consistono nell’inserimento di una turbina all’ingresso di impianti per il trattamento delle acque, per il recupero dell’energia diversamente dissipata.

Ogni centralina presenta:

1. Opere di presa e/o di accumulo
2. Opere di adduzione: canali e condotte forzate
3. Turbina: dispositivo di conversione dell’energia potenziale (di pressione) e cinetica in energia meccanica
4. Generatore: dispositivo di trasformazione dell’energia meccanica in elettrica
5. Trasformatore: innalza la tensione in uscita dal generatore al livello della linea elettrica
6. Sistemi di controllo
7. Opere di scarico

Le turbine sono costituite da un distributore fisso regolabile e da un girante mobile. L’elemento fisso ha il compito di regolare ed indirizzare la portata verso la girante e trasformare l’energia potenziale in energia cinetica. A seconda che il processo avvenga parzialmente o totalmente le turbine sono distinte in Turbine ad azione e turbine a reazione. L’organo mobile completa la conversione, trasformando l’energia cinetica/potenziale in energia meccanica.
La tipologia delle turbine dipende principalmente dalla portata e dal salto della massa d’acqua.

Svantaggi
Soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di enormi proporzioni per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed estetico. Inoltre, il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata dal lago che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e notte.

Ci sono alcuni esempi in cui la realizzazione di impianti di questo genere hanno creato un dissesto ambientale notevole come le dighe delle 3 gole in Cina o la diga di Assuan in Egitto. In altri casi si sono dovuti attuare stratagemmi per compensare lo stazionamento delle sostanze fertilizzanti che tendono ad accumularsi infruttuosamente nei pressi della diga.

Questo porta in genere a variazioni nella flora e fauna locale; nel caso di bacini montani, si può avere un impatto anche su eventuali ghiacciai nelle vicinanze. Altro svantaggio è dovuto alla naturale sedimentazione, che tende a riempire lentamente l'invaso, e richiede dragaggi periodici.

Esistono inoltre problemi di sicurezza in caso di forti terremoti o frane che hanno portato, per esempio, al disastro del Vajont nel 1963, al primo posto tra i 5 peggiori esempi di gestione del territorio in un documento ONU illustrato alla presentazione del «2008 Anno internazionale del pianeta Terra»

Vantaggi
La sedimentazione dei materiali a volte può però essere sfruttata recuperando il terriccio di risulta che può essere usato a fini edilizi, per riporti e terrapieni.

La produzione di energia elettrica sfruttando l'energia potenziale dell'acqua, oltre a rendere disponibile una risorsa utile al progresso ed alla vita quotidiana di tutti, permette infatti di valorizzare il territorio e contribuisce a diminuire i processi di inquinamento ambientale.

Alla costruzione di una centrale idroelettrica nella maggior parte dei casi e' legata la realizzazione di uno sbarramento, o diga, che consente di accumulare le acque rendendo disponibile l'energia potenziale. Il lago artificiale che si forma impreziosisce il territorio favorendo lo sviluppo di attivita' turistiche, sportive e produttive che possono coesistere con lo sfruttamento idroelettrico.

Altri vantaggi sono legati alla possibilita' di accumulare l'acqua e di modularne la restituzione sull'alveo del fiume a valle, evitando cosÏ i fenomeni alluvionali e alla prospettiva di ottimizzare l'impiego della risorsa idrica realizzando una gestione integrata dell'acqua per i quattro usi potabile, irriguo, idroelettrico e industriale.

Un elemento decisivo e' infine l'inquinamento evitato: ogni chilowattora prodotto da una centrale termoelettrica immette infatti nell'atmosfera circa 600 grammi di anidride carbonica, immissione che non si ha se a produrre e' una centrale idroelettrica.