thumb|Vandkraftværk ved Moss i Norge thumb|300px|Et vandkraftværk. Et vandkraftværk er et kraftværk, som producerer elektrisk energi ved hjælp af rindende vand.
Et vandkraftværk henter den potentielle energi i vand, som er fordampet fra havet og faldet som nedbør i bjergene. Højdeforskellen (faktisk trykforskellen) mellem vandet før og efter turbinen giver et energipotentiale.
Nogle kraftværker har magasin for at lagre nedbøren og har dermed mulighed for at producere elektricitet, når det ikke regner eller er tøbrud. Andre kraftværker har ikke magasin og er underlagt skiftende strøm- og vandmængde i floden.
Energien bliver produceret, ved at vandet strømmer gennem en turbine. Til turbinen er der fæstnet en aksel, som går til en elektrisk generator. Det er generatoren, som producerer strømmen. Vandet løber gennem en afløbstunnel og ud i floden eller søen igen.
Såkaldte pumpekraftværker kan i perioder, når der er overskudskraft på nettet, drive elektromotorer, som pumper vandet tilbage i magasinerne. Sådan sikres det, at der er høj nok vandstand i tider med stort elektricitetsforbrug og ringe nedbør.
Indenfor vandkraftværker skelner man mellem magasinkraftværker og elvkraftværker. Som navnet siger, kan magasinkraftværker lagre vand i overskudsperioder for senere at bruge dette vand til kraftproduktion i tørre perioder. Fyldning- og tømningsmønsteret følger gerne en årlig cyklus, hvor vand samles op forår og sommer for så at tømmes efterår og vinter. Dette skyldes, at tilgangen af vand fra regn og snesmeltning er højest i sommerhalvåret, hvilket kombineret med lav efterspørgsel fører til generelt lave kraftpriser. Om vinteren er situationen modsat, med svag tilførsel og høj efterspørgsel, sådan at de højeste kraftpriser som regel observeres omkring midvinter.
Den anden form for vandkraftværk er elvkraftværker, som typisk kendetegnes af store vandmængder med lille faldhøjde. Disse kraftværker er afhængige af vandføringen i elven, som vanskeligt kan reguleres, og vandet bruges derfor, når det kommer. Dette indebærer, at energiproduktionen øges betragteligt i perioder med meget snesmeltning eller nedbør. For øvrigt ligger elvkraftværkerne som regel i lavlandet, mens magasinkraftværkerne typisk ligger i bjergene, hvor man også kan producere strøm ved hjælp af små vandmængder med stor faldhøjde.
Historisk udvikling Tidlig udnyttelse af vandkraft thumb|250px|Gammel vandmølle i Braine-le-Château i Belgien
Vandkraft har været kendt i forskellige civilisationer i lang tid tilbage; både i Indien, Romerriget og Kina er det kendt, at vandhjul og vandmøller har været i brug. I Kina har vandhjulet været brugt til forskellige formål i mere end 2000 år.Casper Vogt-Svendsen: Turbiner side 7. I Kina og ellers i Det fjerne Østen har kunstig vanding haft stor udbredelse, og vandhjulet har været brugt for at hæve vand fra et niveau til et andet. Vandturbiner er en mere avanceret indretning, og de første kendte turbiner er fra Romerriget. I dagens Tunesien er der fundet en enkel turbinkonstruktion fra slutningen af 300-tallet eller tidlig 400-tal e.Kr. Et horisontalt stillet vandhjul med skråstillede blade blev sat op på bunden af en vandfyldt cirkulær formet skakt. Skakten var muret op af sten og mørtel. Vandstrømmen ledte ind i skakten fra siden (tangentielt) via en kanal, og skabte dermed en hvirvlende vandmasse, som fik det nedsænkede hjul til at virke som en turbine..; ;
I Norge har vandkraft været i brug siden vikingetiden, og tidlig brug omfatter kværnkallen. Man mener at vikingerne fik med sig kundskaben om brug af vandhjulet, da de var på togt i England og Frankrig. Systematisk brug af vandkraft i Norge mener man, at Cisterciensermunkene på Hovedøya (uden for Oslo) stod bag, ved at de bygget kværnkaller i Akerselva omkring 1160–70. Brug af vandkraft for at drive sagværker blev vigtig for trælasthandelen, da opgangssaven blev taget i brug i 1500-tallet. Opgangssaven udnytter vandkraft for at save tømmer med et op- og nedadgående savblad, som blev drevet af en krank påmonteret en horisontal aksel drevet af et vandhjul. Flere byer i Skandinavien udviklede sig takket være kombinationen af skov, vandkraft og havn.
Tidlige vandhjul og kvernkaller
thumb|250px|Detalje af bækkekværn på kjerratmuseet i Åsa på Ringerike.
Et vandhjul vil typisk udnytte tyngden af vandet ved, at en vandstrøm ledes over hjulets ene side (overfaldshjul). Vandet fylder skovlene på hjulet og trækker det rundt, ofte med lav hastighed. Gøres diameteren stor, kan hjulet få stort drejemoment og drive arbejdsmaskiner, som bruger stor kraft for at drives rundt. Vandhjulet kan monteres nær en fos og have en vandrende således, at vandet gives større hastighed, på den måde kan reaktions-princippet udnyttes. Dette er tilfældet i en kvernkall, hvor en vertikal monteret aksel er påmonteret skovle, som vandet fra en rende driver rundt. Vandet gives fart i renden, som i mange tilfælde er en udhulet tømmerstok. Faldhøjden i sådanne kværne var ofte ikke mere end nogen få meter. Ulempen med dette er, at vandet møder stor friktion, når det gives stor fart, hvilket gør, at energi går tabt. Skovlene i en sådan kvernkall var desuden helt plane, dette er heller ikke særlig optimalt.
Udvikling af vandturbiner thumb|270px|Illustration af fourneyron-turbine fra Meyers Konversations-Lexikon fra 1890.
I 1753 skrev den franske ingeniør Bernard Forest de Bélidor et omfattende bogværk om udnyttelse af vandkraft og generelt om hydraulik, kendt som L'architecture hydraulique. I de følgende år blev der gjort flere teoretiske arbejder angående vandstrømning og nyttiggørelse af vandkraft. Den schweiziske matematiker Leonhard Euler, som også levede på denne tid, formulerede den generelle turbineligning. Nogen af de tidlig kendte vandturbiner blev udviklede af Johann Segner (Segner-hjulet), Jean-Victor Poncelet (gennemstrømningshjul) og Benoît Fourneyron (fourneyron-turbinen). Vandturbiner med virkningsgrad op mod 90 % og mere blev ikke opnåede før, James B. Francis i 1849 udviklede francis-turbinen, og Lester Allan Pelton i 1870-erne udviklede peltonturbinen.
Turbinerne, som blev udviklede for udnyttelse af vandkraft i 1800-tallet, blev brugt til at drive maskiner i umiddelbar nærhed. Vandturbinen var i flere lande en vigtig del af industrialiseringen, og fabrikkerne blev ofte lagt lige ved floderne. Ofte blev energien overført med akser og remme til arbejdsmaskiner i møller, savværker, mekaniske værksteder, spinderier, væverier og mange andre fabrikker. Med udviklingen af generatoren for produktion af elektricitet og stadige tekniske forbedringer inden for en række fagområder blev vandkraftværker som man kender dem i dag udviklede i slutningen af 1800-tallet.
Vandkraftværker i Norge Frem til 1880-erne, da elektriciteten introduceredes, var vandkraft i Norge ren mekanisk energi. De første elektricitetsværker i Norge gik på damp (fyret med kul) eller de udnyttet vandkraft. Lisleby brug og Bentse Brug installerede i 1880 små dynamoer (med en ydelse 2 hk) som var nok til at forsyne et par lamper. O.A. Devolds Sønner på Sunnmøre udnyttede vandfald i Langevåg til produktion af elektricitet allerede i 1883.Vollan, Odd (1967): Tafjord Kraftselskap 1917-1967. Ålesund: Sunnmørspostens trykkeri. Laugstol Bruk i Skien var i 1885 det første kraftværk, som leverede strøm til kunder og ikke bare til eget brug, 120 lamper var totaleffekten leveret fra dette anlæg. Hammerfest var det første sted med et kommunalt kraftværk, en vanddrevet generator på 65 hk udnyttede en faldhøjde på 44 meter og leverede en spænding på 1.000 volt. Den 5. februar 1891 fik Hammerfest elektrisk gadebelysning som den første by i Nordeuropa.
I slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet var der flere initiativer for udbygning af vandkraftværker. Vanskeligheder med at overføre kraft over lange afstande gjorde, at industrien måtte lægges tæt ved kraftværket, eller at små kraftværker blev opførte nær forbrugerne.SSB: Det lyste dog som en stjerne lest på nett 31. januar 2013 I Christiania (Oslo) satte Christiania Elektricitetsværk Hammeren kraftstasjon i drift fra 1900, og denne regnes for at være Norges ældste kraftværk i drift.
Elektriciteten blev i begyndelsen næsten kun brugt til belysning (i løbet af 1890-erne også til små elektromotorer), men efter etablering af elektro-kemiske bedrifter som Norsk Hydro, Elkem og Bjølvefossen ved århundredeskiftet gik stadig mere af den voksende kraftproduktion til industrien.
Energi og effekt fra et vandkraftværk
De to formler til højre viser at mængden af energi fra et vandfald bestemmes af størst mulig faldhøjde og vandstrømning. I praksis er dette en kompliceret optimering mellem mange forhold. Dersom man ønsker at opfange alt vandet med et kraftværk, må indtaget bygges langt nede i floden. Dette giver samtidig lille faldhøjde og ikke særlig megen produceret energi. Hvis man ønsker at udnytte hele faldhøjden kan man lave dammen længst muligt oppe i vandløbet og placere kraftstationen nede ved havet, men da vil vandmængden til kraftværket blive ringe og energiproduktionen lige så.
Formelen for elektrisk effekt i et vandkraftværk:
der: P = effekt [W] η = virkningsgrad i turbine og generator. Denne vil typisk være 0,92 for turbine og for generator 0,98 og samlet virkningsgrad bliver da 0,90 ρ = tætheden af vand 1000 kg/m3 Q = slugeevne eller vandgennemstrømning pr tidsenhed [m3/s] g = tyngdens acceleration: 9,81 m/s2 HN = netto faldhøjde [m]. Det vil sige, at trykfaldet i turbinerør eller tilløbstunnel må trækkes fra.
Når det gælder virkningsgraden, kommer faldtabet oveni, når den totale virkningsgraden skal beregnes. Total virkningsgrad for et vandkraftværk er typisk omkring 85 %, og med de tallene som er brugt oven for vil det sige, at 5 % den potentielle energi i indtagsmagasinet går væk i faldtab.Casper Vogt-Svendsen: Vannveien side 29.
Den årlig energiproduktionen kan udtrykkes således:
Der: V = samlet vandvolumen per år [m3] og de andre faktorer de samme som i udtrykket oven for.
Dermed må man gøre et kompromis og placere indtaget således, at produktet af både vandmængde og faldhøjde bliver størst muligt. En anden faktor er omkostningerne ved at bygge vandtunneler eller materialeomkostninger ved rør. Ud fra dette finder man, at det helst bør være en stejl strækning mellem kraftværket og indtaget. Af denne grund blev kraftværker i tidligere tider lagt i forbindelse med fosser, og man talte om udnyttelse af fossekraft.
Den bedste måde at udnytte et stort vandløb på ud fra dette er at bygge flere kraftværker efter hinanden. Ofte vil et vandløb have mange efterfølgende fald og flade strækninger med indsøer i mellem. Bedst udnyttelse kan dermed være at have kraftværkets indtag og udløb mellem hver indsø. Dermed kan vandtunnelerne blive korte, men få stor faldhøjde alt efter topografien.
Eksempelvis kan en 100 meter højdeforskel og 1000 m3 vand i sekundet giver næsten 1 GW.
Vandløbsregulering Hydrologi og energiproduktion
thumb|250px|Nivelleringsarbejde gøres i forbindelse med målinger af vandføringen i en elv. Billedet viser Vassdragsvesenets folk i arbejde i 1939.