ההתקדמות הטכנולוגית העבירה את גלגל המים הפתוח לטורבינה סגורה או למנוע מים . בשנת 1848, ג'יימס ב. פרנסיס , בזמן שעבד כמהנדס ראשי בחברת "לואל תאי שיט ותעלות" - Lowell's Locks and Canals company, שיפר את הטורבינות הסגורות שהגיעו ליעילות של 90%. הוא יישם עקרונות מדעיים ושיטות לבדיקת בעיות תכנון בטורבינות. שיטות החישוב המתמטיות והגרפיות שלו אפשרו תכנון טורבינות בעלות יעילות גבוהה ולהתאים אותן בדיוק לתנאי הזרימה הספציפיים של האתר בו הן הוצבו. טורבינת התגובה של פרנסיס נמצאת בשימוש נרחב. בשנות ה-70 של המאה העשרים, פיתח לסטר אלן פלטון לטובת מערכת הכרייה בקליפורניה, את טורבינת הדחפים הגלגלית של פלטון היעילה ביותר, שניצלה את אנרגיית המים.
חישוב הספק המופק ממערכת הידרואלקטרית.
המושגים Hydropower ו- Waterpower הם שמות נרדפים ל-Hydroelectric Power שמשמעותו המרת אנרגיה שמקורה בתנועת מים לאנרגיה חשמלית. אנרגיית הכבידה של המים (אנרגיה פוטנציאלית) הנופלים מראש מפל מתורגמת לאנרגיה קינטית המניעה טורבינות בתחתיתו. בהנחה שלחץ האוויר בסביבת המפל אחיד (ושווה ללחץ האטמוספירי) נפעיל את חוק שימור האנרגיה על נפח בקרה המכיל את המים במפל ברגע נתון והמוקף במעטפת בקרה:
כאשר:
formula_2 היא קצב כניסת אנרגיה חיצונית למערכת
formula_3 הוא קצב העבודה (הספק) הנעשית על ידי מערכת המוגדרת על ידי המפל
formula_4 וקטור מהירות המים הלוקלית
formula_5 מעטפת הבקרה
formula_6 וקטור יחידה הניצב למעטפת הבקרה
formula_7 נפח הבקרה
formula_8 אנרגיית כבידה סגולית (אנרגיית כבידה ליחידת מסה)
formula_9 אנרגיה קינטית סגולית (אנרגיה קינטית ליחידת מסה)
formula_10 אנרגיה פנימית סגולית (אנרגיה פנימית ליחידת מסה)
formula_11 היא צפיפות המים
בהנחה שאין מקור אנרגיה חיצוני המזין את המערכת יוצא ש- formula_12 ו- formula_13.
כאשר גובה המפל formula_14 אז formula_15.
מכאן,
בנוסף:
ולכן:
כאשר formula_19 הוא שטח החתך הניצב לזרם המים במפל, formula_20 היא הספיקה הנפחית ו- formula_21 היא הספיקה המסית שלו. בפועל נצילות המערכת אינה מושלמת והעבודה המופקת ממנה מהווה שבר מהנצילות המקסימלית. לפיכך:
כאשר formula_23 היא נצילות המערכת ו- formula_24 הוא קצב העבודה המופקת מהמפל.
לשם המחשה, הספק טורבינה בעלת נצילות של formula_25 בגובה 145 formula_26 המוּנעת על ידי מפל מים וספיקה נפחית של formula_27 80 בהנחת צפיפות מים של formula_28 1000 ותאוצת כובד של formula_29 9.81 הוא formula_30 97 לפי החישוב הבא:
מפעילי תחנות הידרואלקטריות ישוו את סך האנרגיה החשמלית המיוצרת עם האנרגיה הפוטנציאלית התאורטית של המים העוברים דרך הטורבינה כדי לחשב את היעילות שלה. נהלים והגדרות לחישוב היעילות מוצגים בקודי בדיקה כגון ASME PTC 18 ו- IEC 60041. בדיקת שטח של טורבינות משמשת לאימות היעילות המובטחת של היצרן. חישוב מפורט של יעילותה של טורבינת כוח מים יביא בחשבון את העומד ההידראולי שפוחת עקב חיכוך הנוזל הזורם בתעלת הכוח או בצינור, עליית מפלס מי המפלס התחתון עקב תוספת המים המגיעים מהמפלס העליון, מיקום התחנה והשפעת כובד משתנה, הטמפרטורה והלחץ הברומטרי של האוויר, צפיפות המים בטמפרטורת הסביבה, והגבהים מעל פני הים של המאגר העליון והתחתון. לצורך חישובים מדויקים, יש לקחת בחשבון שגיאות עקב עיגול מספרים של הערכים הקבועים.
מערכות אנרגיית מים מסוימות כגון גלגלי מים יכולות לנצל כוח, מזרימת גוף מים מבלי לשנות בהכרח את גובהו. במקרה זה, הכוח הזמין הוא האנרגיה הקינטית של המים הזורמים. גלגלי מים מסוימים יכולים לנצל ביעילות את שני סוגי האנרגיה. זרימת המים בנחל יכולה להשתנות מאוד מעונה לעונה. פיתוח אתר אנרגיית מים דורש ניתוח של רשומות הזרימה של הנחלים ושיטפונות באזור האתר, המתמשכות לעיתים על פני עשרות שנים, כדי להעריך את אספקת האנרגיה השנתית המהימנה. סכרים ומאגרים מספקים מקור כוח אמין יותר על ידי כך שהם מאפשרים ויסות של שינויים עונתיים בזרימת המים. עם זאת למאגרים השפעה סביבתית משמעותית, כמו שינוי בזרימת הנחלים הטבעית. תכנון הסכרים חייב לקחת בחשבון גם את המקרה הגרוע ביותר, "הצפה מקסימלית של המאגר ככל הנראה" שניתן לצפות באתר; בדרך כלל בתכנוני סכרים יש לתכן מגלשי מברץ למקרה של הצפת יתר של המאגרים כדי להוביל את עודפי המים בזמן שיטפונות סביב הסכר.
שימוש בכוח מים.
כוח המים הוא בעל פוטנציאל גדול לייצור חשמל, תלוי בכמות המשקעים והתנאים הטופוגרפיים או הגאוגרפיים. הפוטנציאל השמיש מבחינה טכנית בעולם נאמד בכ־26,000 TWh לשנה, מתוכם 21,000 TWh יכול לשמש גם מבחינה כלכלית. הפוטנציאל שניתן לפתח בפועל הוא בסביבות 16,000 TWh, כמות זו תואמת כמעט לביקוש החשמל העולמי בשנת 2005.
בשנת 2016 הותקנו ברחבי העולם תחנות כוח מים הידרואלקטריות בקיבולת מצטברת של כ־1096 GW, שייצרו כ־4100 TWh. לפיכך, תחנות הכוח ההידרואלקטריות סיפקו רק 16.6% מדרישות האנרגיה החשמלית בעולם שהם כ־2/3 מסך החשמל שנוצר ממקורות מתחדשים, שהיוו 24.5% מביקוש החשמל בעולם. ייצור זה היה יותר מפי 1.7 מהייצור של תחנות הכוח הגרעיניות, שספקו בשנת 2012 כ־2,346 TWh. מחצית מהייצור של הכוח ההידרואלקטרי העולמי מתבצע בעיקר בחמש מדינות, סין, ברזיל, קנדה, ארצות הברית ורוסיה. בעשור הקרוב, תגדל יכולת ייצור החשמל המבוססת על אנרגיית מים בעיקר בסין, טורקיה, ברזיל והודו.
כוח מכני.
טחנות מים.
טחנת מים היא טחנה המשתמשת בכוח המים. זהו מבנה המשתמש בגלגל מים או בטורבינת מים כדי להניע תהליך מכני כמו כרסום, שחיקה (טחינה) באבני רחיים, גלגול או פטיש. יש צורך בתהליכים כאלה בייצור מוצרים וחומריים רבים, כולל קמח, לוחות עץ, נייר, טקסטיל, צבע ומוצרי מתכת רבים. טחנות מים אלה כוללות טחנות קמח, גריסה ושחיקה, מנסרות, טחנות נייר, מבטשות בתעשיות הטקסטיל, טחנות פטיש בהן מפוררים סלעים לחצץ, טחנות גלגול, טחנות תיל ליצור כבלי פלדה וברזל. אחת הדרכים העיקריות לסווג טחנות מים היא על ידי כיוון הגלגל (אנכי או אופקי), האחת מונעת על ידי גלגל מים אנכי באמצעות מנגנון של תיבת הילוכים, והשנייה מצוידת בגלגל מים אופקי ללא מנגנון כזה. ניתן לחלק את טחנות גלגל המים האנכי, על פי המקום בו המים פוגעים במשוטי הגלגלים, לטחנות גלגל מים שנגיעת המים בתחתית הגלגל, או בחלק העליון שלו בקדמת הגלגל או בצד האחורי שלו. דרך נוספת לסווג טחנות מים היא על ידי תכונה חיונית לגבי מיקומן: טחנות הגאות מנצלות את תנועת הגאות והשפל; טחנות ספינות הן טחנות מים על סיפון (ומהוות) ספינה.
יצור אוויר דחוס.
במקום שיש עומד מים גדול (גבוהה) ניתן לייצר אוויר דחוס ישירות ללא חלקים נעים. בתכנונים שכאלה, מים הנופלים מגבוה רב מתערבבים עם בועות אוויר שנוצרות באמצעות מערבולת או על בסיס עקרון ונטורי שבו בנקודה צרה של צנרת המים נוצר תת-לחץ השואב אוויר לתוך הצנרת. בהמשך המים הזורמים במורד פיר או הצנרת לתא תת-קרקעי, בעל גגות גבוהים. בתא האוויר הכלוא בתוך המים נפרד מהם ונלכד מתחת לגגות. גובה עמוד המים הנופל שומר על דחיסת האוויר בחלקו העליון של החדר, ואילו בתחתית התא נמצאת היציאה, שממנה מתאפשר למים לזרום אל ערוץ הנהר/נחל הנמצא בגובה נמוך יותר מהכניסה. אל פתחים נפרדים בגגות התא מתחברת צנרת האוויר הדחוס המספקת אותו לשימושים שונים בתעשייה. בשנת 1910 נבנה מתקן על בסיס עיקרון זה על נהר מונטריאול ליד קובלט, אונטריו שסיפק 5,000 כוחות סוס למכרות סמוכים.
אנרגיה הידרואלקטרית.
אנרגיה הידרואלקטרית היא נגזרת של אנרגיית מים לייצור חשמל. זהו השימוש העיקרי בימינו באנרגיית מים. תחנות כוח הידרואלקטריות יכולות לכלול מאגר מים (שנוצר בדרך כלל על ידי סכר) כדי ליצור את האנרגיה של מים נופלים, או להשתמש באנרגיה הקינטית של המים. מפעלים הידרואלקטריים יכולים להיות שונים בגודלם, ממפעלים קטנים בגודל קהילתי המספקים חשמל לאוכלוסייה קטנה מקומית ועד למפעלים גדולים מאוד המספקים חשמל למדינה שלמה. נכון לשנת 2019, תחנות הכוח הגדולות בעולם הן תחנות כוח הידרואלקטריות קונבנציונליות המבוססים על סכרים.
ניתן להשתמש באנרגיה הידרואלקטרית גם לאחסון אנרגיה בצורה של אנרגיה פוטנציאלית בין שני מאגרים בגבהים שונים על בסיס אנרגיה שאובה או אגירה שאובה. מים נשאבים במעלה המאגרים בתקופות של ביקוש נמוך לחשמל שישוחררו מהמאגרים העליונים כאשר הביקוש לחשמל גבוה או שהייצור מערכת החשמל הכללית נמוך ביחס לביקוש.
צורות אחרות של ייצור חשמל מאנרגיית מים כוללות מחוללי זרם מגאות ושפל המשתמשים באנרגיה הנוצרת כתוצאה מגאות ושפל של אוקיינוסים, נהרות ומערכות תעלות לייצור חשמל.
השפעות חברתיות וסביבתיות של סכרים.
סכרים גדולים יכולים להרוס מערכות אקולוגיות סביב הנהרות, לכסות שטחים נרחבים של אדמה במים, לגרום לפליטת גזים מצמחייה נרקבת מתחת למים ולעקור אלפי אנשים מבתיהם ולהשפיע על פרנסתם. ועוד:
תחנות הידרואלקטריות בישראל.