L'uso dell'energia idraulica risale all'antichità: già i greci e i romani usavano ruote idrauliche per la macinazione del grano. 

L'esigenza di trovare una energia diversa da quella muscolare degli uomini e degli animali porta, tra il IX e X secolo ad un consistente sviluppo tecnico delle macchine idrauliche. Inizialmente utilizzata per far girare le macine, trasformava l'energia cinetica dello scorrere dell'acqua in energia meccanica, mediante una ruota a pale immersa per metà nel fiume. Con lo stesso principio poi la ruota idraulica servì per azionare macchine per segherie, mantici, magli per le fucine, frantoi per olio, per minerali e per polvere da sparo, verricelli idraulici, gualchiere, ossia macchine per la follatura dei tessuti di lana, mulini per la concia, per la canapa, per la carta, torni da falegname, pompe per sollevare l'acqua, soffianti per altiforni, alesatrici per cannoni, ecc...

Successivamente furono costruite grandi ruote idrauliche di legno con un rendimento massimo di circa 50 cavalli. L'energia idraulica moderna deve il suo sviluppo all'ingegnere britannico John Smeaton, che per primo costruì ruote idrauliche di ghisa di dimensioni notevoli.

All'inizio dell'Ottocento l'energia idraulica, che aveva giocato un ruolo importante nella rivoluzione industriale, diede impulso alla crescita delle industrie tessile, conciaria e meccanica. La macchina a vapore era già stata sviluppata, ma il carbone era scarso e la legna era un combustibile poco soddisfacente. L'energia idraulica contribuì allo sviluppo delle prime città industriali finché, dalla metà del XIX secolo, l'apertura dei canali navigabili rese possibile l'approvvigionamento di carbone a buon mercato.

L'installazione di ruote idrauliche in serie, su un dislivello di almeno 5 m, richiede la costruzione di condotte e di grandi dighe di sbarramento difficilmente realizzabili. Questi svantaggi, uniti alla scarsità dell'afflusso d'acqua durante l'estate e l'autunno e alle gelate invernali, portarono alla sostituzione di quasi tutte le ruote idrauliche con turbine a vapore, non appena la disponibilità di carbone lo rese possibile.

Centrali idroelettriche

Il primo impianto idroelettrico fu costruito nel 1880, nel Northumberland. La rivalutazione dell'energia idraulica coincise con lo sviluppo del generatore elettrico accoppiato alla turbina idraulica e con la crescente domanda di elettricità che caratterizzò l'inizio del XX secolo (vedi Motori e generatori elettrici). Le centrali idroelettriche sono l'interpretazione moderna dell'uso della energia dei corsi di acqua. Infatti in passato l'energia idraulica veniva trasformata in energia meccanica disponibile su un asse di rotazione e quindi usata per i più disparati scopi (principalmente nell'ambito agricolo come macine, frantoi ecc.); invece con l'introduzione dell'energia elettrica e la ricerca di fonti utili per la produzione di questa, si è resa subito evidente la potenzialità energetica dei corsi di acqua.

Turbine idrauliche

La più antica e semplice turbina idraulica è la ruota idraulica, usata dapprima nell'antica Grecia e successivamente adottata nella maggior parte dell'Europa antica e medievale per la macinazione del grano. Nella sua forma più semplice consisteva in un albero verticale, con una serie di alette o palette radiali oblique, che veniva posizionato in corsi d'acqua a flusso rapido o in condotte forzate. La potenza prodotta era di circa 0,5 cavalli. La ruota idraulica orizzontale (ossia una ruota a palette radiali montata su un albero orizzontale) fu descritta per la prima volta nel I secolo a.C. dall'architetto romano Marco Vitruvio Pollione; aveva la parte inferiore immersa nel corso d'acqua e costituiva quindi un esempio di "ruota per disotto". Nel II secolo d.C. venne introdotta nelle regioni collinari la più efficiente "ruota per disopra", che sfruttava l'energia di un flusso d'acqua in caduta per effetto della gravità. Nel Medioevo la potenza massima della ruota idraulica aumentò da 3 a circa 30 cavalli.

Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina è più che altro semantico. Il primo importante tentativo di formulare una base teorica per la progettazione delle ruote idrauliche fu compiuto nel XVIII secolo dall'ingegnere civile britannico John Smeaton. Il francese Jean-Victor Poncelet ideò una ruota per disotto con palette curve, che aumentavano il rendimento di circa il 70%. Un altro ingegnere francese, Claude Burdin, inventò il termine "turbina", introducendolo in una relazione teorica nella quale sottolineava l'importanza della velocità di rotazione. Benoit Fourneyron progettò e costruì per le ferriere francesi giranti che raggiungevano una velocità di oltre 60 giri al minuto ed erogavano fino a 50 cavalli di potenza. In seguito costruì turbine che operavano a 2300 giri al minuto e sviluppavano 60 cavalli di potenza, con un rendimento superiore all'80%.

Nonostante l'efficienza, la turbina Fourneyron presentava alcuni inconvenienti, causati della spinta centrifuga del flusso uscente, che si manifestavano quando il flusso diminuiva o la pressione si riduceva. Fu l'ingegnere anglo-statunitense James B. Francis a progettare una turbina a flusso centripeto, nella quale cioè il flusso era diretto verso l'interno. La cosiddetta turbina a reazione, o turbina Francis, divenne la turbina idraulica più usata per salti d'acqua (o dislivelli) da 10 a 100 m. In questo tipo di turbina l'acqua dapprima passa fra le alette di una parte fissa (il distributore), che trasforma parte della sua energia di pressione in incremento di velocità, e quindi viene diretta verso la girante.

Nella seconda metà del XIX secolo, per impianti che potevano disporre di dislivelli da 100 a 1000 m, entrò in uso la turbina Pelton, progettata dall'ingegnere statunitense Lester Allen Pelton. In questa macchina, l'acqua proveniente da un bacino ad alta quota viene inviata attraverso una condotta forzata a un ugello, dove l'energia potenziale dell'acqua (posseduta per effetto della forza di gravità) è trasformata nell'energia cinetica di un getto ad alta velocità. Il funzionamento della turbina Pelton dipende dall'azione diretta del getto sulla girante.

L'aumento della domanda di energia idroelettrica nei primi anni del XX secolo stimolò la necessità di una turbina adatta a piccoli dislivelli. Nel 1913 l'ingegnere austriaco Viktor Kaplan propose una turbina a elica, il cui funzionamento era sostanzialmente l'inverso di quello dell'elica di una nave. Successivamente migliorata, questa turbina ebbe un'ampia diffusione.

Per mantenere costante la tensione di uscita di una centrale idroelettrica, la velocità delle turbine deve essere mantenuta costante a prescindere dalle variazioni di pressione dell'acqua. Ciò richiede continui controlli, che per le turbine Francis e Kaplan significa principalmente la regolazione continua del flusso, mediante l'apertura delle palette del distributore, a cui, nelle turbine Kaplan, si può aggiungere la variazione del passo delle pale dell'elica. Nelle turbine Pelton il flusso dell'acqua viene regolato variando l'apertura dell'ugello di alimentazione; in questo caso la turbina deve essere fornita di un ugello di by-pass da usare per lo scarico temporaneo nell'eventualità di repentine variazioni di flusso nelle lunghe condotte forzate, a seguito delle quali si potrebbero verificare improvvisi e imponenti aumenti di pressione (i cosiddetti colpi d'ariete), pericolosi per l'integrità della condotta.

Sviluppi progettuali

Negli impianti idroelettrici moderni vengono costruite grandi unità in presenza di dislivelli elevati, impiegando generalmente turbine Kaplan fino a 60 m e turbine Francis fino a 600 m. L'impianto che dispone del dislivello maggiore (circa 1770 m) si trova a Reisseck, in Austria, e utilizza una turbina Pelton, mentre singole unità di notevoli dimensioni sono installate nell'impianto di Itaipu, in Brasile: si tratta di 18 turbine Francis da 700 megawatt ciascuna, per una capacità complessiva di 12.600 megawatt.

Molti degli impianti idroelettrici a basso dislivello realizzati prima del 1930 sono stati abbandonati a causa delle elevate spese di manutenzione e di manodopera. Tuttavia il crescente costo dei combustibili fossili, unito all'attuale disponibilità di un tipo standardizzato di turbina a elica ad albero pressoché orizzontale, ha riportato l'interesse anche sugli impianti di piccole dimensioni.
La turbina idraulica può essere progettata per girare anche in senso inverso, agendo come pompa: ciò è possibile invertendo il modo di funzionamento del generatore, che in tal caso funziona come un motore. Immagazzinare l'energia elettrica in modo economico non è possibile, ma l'azionamento della cosiddetta pompa-turbina nelle ore di consumo ridotto consente di pompare nel bacino di raccolta una quantità di acqua che può essere poi riutilizzata nelle ore di massimo consumo per azionare la turbina. Negli ultimi anni la tecnologia della pompa-turbina si è sviluppata notevolmente, tanto da essere applicata a dislivelli fino a 600 m e a unità di oltre 400 megawatt.

Le turbine idrauliche trasformano l'energia del flusso di una massa d'acqua in energia utile. La turbina Kaplan funziona più o meno come l'elica di una nave: ampie pale rotanti, messe in moto dall'acqua ad alta pressione liberata attraverso una chiusa, azionano l'asse del generatore. La turbina Pelton, ideata nel XIX secolo, funziona come una tradizionale turbina idraulica: un potente getto d'acqua ad alta pressione ne colpisce i cucchiai, azionando il meccanismo.