thumb|upright=1.2|Et vannkraftverk, eller vannenergiverk, vist sterkt forenklet for et elvekraftverk der demning og kraftstasjon er del av samme bygningskonstruksjon. Vannets potensielle energi omformes til kinetisk energi i turbinen som driver generatoren, og elektrisk energi blir produsert. Hoveddelene er: A – inntaksmagasinet og B – selve kraftstasjonen. Videre er: E – varegrinden som forhindrer fremmedlegemer å komme inn i turbinen, F – tilløpstunnelen, C – turbinen, D – generatoren, G – tilhørende transformator som får spenningen opp til et nivå passende for overføringsnett og H – avløpet der vannet føres tilbake til vassdraget lenger ned eller havet.
Et vannkraftverk er et kraftverk som produserer elektrisk energi ved hjelp av den potensielle energien som vann i elver og vassdrag har i jordens tyngdefelt. Med utnyttelse av vannkraft brukes en del av vannets kretsløp til å drive vannturbiner og produsere elektrisk kraft; en kan dermed si at det er solen som er den egentlige energikilden som utnyttes. Turbinene omformer vannets potensielle energi til kinetisk energi (rotasjon). Turbinene er tilknyttet en generator, hvor kinetisk energi omformes til elektrisk energi ved elektromagnetisk induksjon. Vannet strømmer fra turbinen og ut gjennom en avløpstunnel som fører ut i elven eller til havet.
Et kraftverk består av en inntaksdam som samler opp vannet, en vanntunnel eller trykksjakt som overfører vannet til turbinene i kraftstasjonen, og et avløp. Kraftstasjonen kan ligge innebygd i, eller i umiddelbar nærhet av, demningen, eller den kan ligge mange kilometer unna om vann høyt til fjells kan ledes over i en trykksjakt. Det som bestemmer hvor mye energi som kan produseres i et vannkraftverk, er fallhøyden (eller vanntrykket) og vannføringen som potensielt kan utnyttes. Fallhøyden er bestemt av den vertikale høyden fra vannspeilet i kraftverkets inntak til utløpet. Sentralt når det gjelder vannføringen, er kjennskap om vassdragets hydrologiske forhold, spesielt middelvannføring eller årlig vannvolum. Selv om dette kan variere svært mye fra år til år, vil det allikevel være mulig å beregne en årlig midlere energiproduksjon.
Effekten som en turbin yter, er bestemt av fallhøyden, vanngjennomstrømningen og effektiviteten til turbinen. Den maksimale vannføringen gjennom en turbin kalles for slukeevnen. Et vannkraftverk kjennetegnes av høy virkningsgrad, altså at mye av energien blir utnyttet. De største kildene til tap i energiomformingen er friksjon i trykksjakt og tap i turbinen. Friksjonen i trykksjakt eller tilløpsrør kalles falltap, og ved å sørge for lav vannhastighet, kan en redusere dette tapet.
Et magasinkraftverk lagrer vann i reservoarer for senere å bruke dette vannet til kraftproduksjon. Magasinet eller reservoaret demmes opp kunstig med en demning, som kan ligge hundrevis av meter høyere enn selve kraftstasjonen. Vannet ledes fra magasinet til turbinen i en trykksjakt eller et rør. Fylling- og uttappingsmønsteret vil ofte følge en karakteristisk årlig syklus, der vann samles opp i vise tider av året og tappes ned i andre.
Et vannkraftverk produserer elektrisk energi uten utslipp av gasser eller avfallsstoffer, men representerer et inngrep i naturen. Vannkraft er en fornybar energikilde, og i noen land blir det meste av elektrisitetsproduksjonen forsynt fra vannkraftverk.
Historisk utvikling Tidlig utnyttelse av vannkraft thumb|Gammel vannmølle i Braine-le-Château i Belgia
Vannkraft har vært kjent i forskjellige sivilisasjoner i lang tid tilbake; både i India, Romerriket og Kina er det kjent at vannhjul og vannmøller har vært i bruk. I Kina har vannhjulet vært brukt til forskjellige formål i mer enn 2000 år.Casper Vogt-Svendsen: Turbiner side 7. I Kina og ellers i Det fjerne østen har kunstig vanning hatt stor utbredelse og vannhjulet har vært brukt for å heve vann fra et nivå til et annet. Vannturbiner er en mer avansert innretning, og de første kjente turbiner er fra Romerriket. I dagens Tunisia er det funnet en enkel turbinkonstruksjon fra slutten av 300-tallet eller tidlig 400-tall e.Kr. Et horisontalstilt vannhjul med skråstilte blader ble satt opp på bunnen av en vannfylt sirkulær formet sjakt. Sjakten var murt opp av stein og mørtel. Vannstrømmen ledet inn i sjakten fra siden (tangensialt) via en kanal, og skapte dermed en virvlende vannmasse som fikk det nedsenkede hjulet til å virke som en turbin..; ;
I Norge har vannkraft vært i bruk siden vikingtiden, og tidlig bruk omfatter kvernkallen. En mener at vikingene fikk med seg kunnskapen om bruk av vannhjulet da de var på tokt i England og Frankrike. Systematisk bruk av vannkraft i Norge mener en at Cisterciensermunkene på Hovedøya (utenfor Oslo) stod bak, ved at de bygget kvernkaller i Akerselva omkring 1160–70. Bruk av vannkraft for å drive sagbruk ble viktig for trelasthandelen da oppgangssagen ble tatt i bruk på 1500-tallet. Oppgangssagen utnytter vannkraft for å sage tømmer med et opp- og nedadgående sagblad som ble drevet av en sveiv påmontert en horisontal aksling drevet av et vannhjul. Flere byer i Skandinavia utviklet seg takket være kombinasjonen av skog, vannkraft og havn.
Tidlige vannhjul og kvernkaller thumb|Detalj av bekkekvern på kjerratmuseet i Åsa på Ringerike.
Et vannhjul vil typisk utnytte tyngden av vannet ved at en vannstrøm ledes over hjulets ene side (overfallshjul). Vannet fyller skovlene på hjulet og drar det rundt, ofte med lav hastighet. Gjøres diameteren stor kan hjulet få stort dreiemoment og drive arbeidsmaskiner som trenger stor kraft for å drives rundt. Vannhjulet kan monteres nært en foss og ha en renne slik at vannet gis større hastighet, på den måten kan reaksjons-prinsippet utnyttes. Dette er tilfelle i en kvernkall der en vertikal montert aksel er påmontert skovler som vannet fra en renne driver rundt. Vannet gis fart i rennen som i mange tilfeller er en uthult tømmerstokk. Fallhøyden i slike kverner var ofte ikke mer enn noen få meter. Ulempen med dette er at vannet møter stor friksjon når det gis stor fart, noe som gjør at energi går tapt. Skovlene i en slik kvernkall var dessuten helt plane, dette er heller ikke særlig optimalt.
Utvikling av vannturbiner I 1753 skrev den franske ingeniøren Bernard Forest de Bélidor et omfattende bokverk om utnyttelse av vannkraft og generelt om hydraulikk, kjent som L'architecture hydraulique. I de neste årene ble det gjort flere teoretiske arbeider angående vannstrømning og nyttiggjøring av vannkraft. Den sveitsiske matematikeren Leonhard Euler som også levde på denne tiden formulerte den generelle turbinlikningen. Noen av de tidlig kjente vannturbiner ble utviklet av Johann Segner (Segner hjulet), Jean-Victor Poncelet (gjennomstrømningshjul) og Benoît Fourneyron (fourneyronturbinen). Vannturbiner med virkningsgrad opp mot 90 % og mer ble ikke oppnådd før James B. Francis i 1849 utviklet francisturbinen og Lester Allan Pelton utviklet i 1870-årene peltonturbinen.
Turbinene som ble utviklet for utnyttelse av vannkraft på 1800-tallet ble brukt til å drive maskiner i umiddelbar nærhet. Vannturbinen var i flere land en viktig del av industrialiseringen og fabrikkene ble ofte lagt rett ved elvene. Ofte ble energien overført med akslinger og reimer til arbeidsmaskiner i møller, sagbruk, mekaniske verksteder, spinnerier, veverier og mange andre fabrikker. Med utviklingen av generatoren for produksjon av elektrisitet, og stadige tekniske forbedringer innenfor en rekke fagområder, ble vannkraftverker slik en kjenner dem i dag utviklet på slutten av 1800-tallet.
Energi og effekt fra et vannkraftverk De to formlene til høyre viser at mengden med energi fra et vannfall bestemmes av størst mulig fallhøyde og vannstrømning. I praksis er dette en komplisert optimalisering mellom mange forhold. Dersom man ønsker å fange opp alt vannet med ett kraftverk, må inntaksdammen bygges langt nede i elven. Dette gir samtidig liten fallhøyde og ikke særlig mye produsert energi. Om en ønsker å utnytte hele fallhøyden kan en lage dammen lengst mulig opp i vassdraget og plassere kraftstasjonen nede ved havet, men da vil vannmengden til kraftverket bli liten og energiproduksjonen like så.
Formelen for elektrisk effekt i et vannkraftverk:
der: P = effekt [W] η = virkningsgrad i turbin og generator. Denne vil typisk være 0,92 for turbin og for generator 0,98 og samlet virkningsgrad blir da 0,90 ρ = tettheten av vann 1000 kg/m3 Q = slukeevne eller vanngjennomstrømning pr tidsenhet [m3/s] g = tyngdens akselerasjon: 9,81 m/s2 HN = netto fallhøyde [m]. Det vil si at trykkfallet i turbinrør eller tilløpstunnel må trekkes fra.
Når det gjelder virkningsgraden kommer falltapet i tillegg når den totale virkningsgraden skal beregnes. Total virkningsgrad for et vannkraftverk er typisk rundt 85 %, og med de tallene som er brukt ovenfor vil det si at 5 % den potensielle energien i inntaksmagasinet går vekk i falltapp.Casper Vogt-Svendsen: Vannveien side 29.
Den årlig energiproduksjonen kan uttrykkes slik:
Der: V = samlet vannvolum per år [m3] og de andre faktorene de samme som i uttrykket over.
Dermed må en gjøre et kompromiss og plassere inntaket slik at produktet av både vannmengde og fallhøyde blir størst mulig. En annen faktor er kostnadene ved å bygge vanntunneler eller materialkostnadene med rør. Ut fra dette finner en at det helst bør være en bratt strekning mellom kraftverket og inntaket. Av denne grunnen ble kraftverkene i tidligere tider lagt i forbindelse med fosser, og en snakket om utnyttelse av fossekraft.
Den beste måten å utnytte et stort vassdrag på ut fra dette er å bygge flere kraftverk etter hverandre. Ofte vil et vassdrag ha mange etterfølgende fall og slake strekninger med innsjøer i mellom. Best utnyttelse kan dermed være å ha kraftverkets inntak og utløp mellom hver innsjø. Dermed kan vanntunnelene bli korte, men få stor fallhøyde alt etter topografien.
Vassdragsregulering Hydrologi og energiproduksjon
Et vannkraftverk utnytter deler av vannets kretsløp, dermed blir vitenskapen som kalles hydrologi og handler om vannkretsløpet og vannressurser på jorden viktig. I Norge har Meteorologisk institutt målt nedbøren over landet i mer enn 100 år. Tilsammen er det ca. 750 faste målestasjoner spredt ut over landet. Nedbørsnormalen som forteller om midlere nedbør i millimeter over 30 år forteller om forventet nedbør og kan brukes til å estimere vannføring i elvene. For årsnormalen 1901–1930 hadde Kvitingen i Samnanger en årsnedbør på 3 142 mm, mens det året med mest nedbør i denne serien ga 5 087 mm. Det vi si at om nedbøren ikke renner av bakken ville Samnanger i løpet av dette året bli dekket med over 5 m vann. Det tørreste året i denne måleserien for Samnanger var nedbøren på 1982 mm. Selv dette er mer nedbør enn de fleste steder i Norge. I Skjåk ble årsnormalen målt til 279 mm i (1901–1930), og i det tørreste året var nedbøren bare 172 mm.John Eie: Dammer og kraftverk side 14.