بیشتر نیروگاه های برق-آبی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی پتانسیل آب پشت یک سد تامین می‌کنند. در این حالت انرژی تولیدی از آب به حجم آب پشت سد و اختلاف ارتفاع بین منبع و محل خروج آب سد وابسته‌است. به این اختلاف ارتفاع، ارتفاع فشاری می‌گویند و آن را با H (مخفف Head) نمایش می‌دهند. در واقع میزان انرژی پتانسیل آب با ارتفاع فشاری آن متناسب است. برای افزایش فاصله یا ارتفاع فشاری، آب معمولاً برای رسیدن به توربین آبی فاصله زیادی را در یک لوله بزرگ (penstock) طی می‌کند.
برشی از یک سد و یک نیروگاه آبی.نیروگاه آب تلمبه‌ای، نوعی دیگر از نیروگاه آبی است. وظیفه یک نیروگاه آب تلمبه‌ای پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) است. این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا می‌کند. در ساعاتی که تقاضای برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می‌کند. در زمان اوج مصرف آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری می‌شود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه می‌گردد. این نیروگاه‌ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه‌های تولید انرژی الکتریکی میشوند.
از دیگر انواع نیروگاههای آبی می‌توان به نیروگاههای جزر و مدی اشاره کرد. همانطور که از نام این نیروگاههای مشخص است این نیروگاه‌ها نیروی مورد نیاز خود را از اختلاف ارتفاع آب در بین شبانه روز تامین می‌کنند. منابع در این دسته از نیروگاه‌ها نسبت به بقیه کاملاً قابل پیشبینی هستند. این نیروگاه‌ها همچنین می‌توانند در مواقع اوج مصرف به عنوان پشتیبان شبکه عمل کنند.
برخی نیروگاههای آبی که تعداد آنها زیاد هم نیست از انرژی جنبشی آب جاری استفاده می‌کنند. در این دسته از نیروگاه‌ها نیازی به احداث سد نیست توربین این نیروگاه‌ها شبیه یک چرخ آبی عمل می‌کند. این نوع استفاده از انرژی شاخه نسبتاً جدیدی از علم جنبش مایعات است.
معادله
یک معادله ساده برای محاسبه تقریبی انرژی الکتریکی در یک نیروگاه برق آبی وجود دارد که به صورت زیر است:
در معادله بالا P توان خروجی در واحد وات، h ارتفاع فشاری در واحد متر، r میزان آب خارج شده در واحد مترمربع در ثانیه و K ضریب تبدیل در ۷۵۰۰ وات است (با پیش شرط راندمان ۷۶٪ ،شتاب ثقل ۹٫۸۱ متر بر مجذور ثانیه و آب تازه با چگالی ۱۰۰۰ کیلوگرم به ازای هر متر مربع. البته در توربین‌های بزرگ و پیشرفته راندمان معمولاً بالاتر این مقدار است و در توربینها فرسوده این راندمان کمتر است).
میزان تولید انرژی الکتریکی در یک نیروگاه آبی به شدت به میزان آب موجود وابسته‌است و در فصول مختلف میزان تولید می‌تواند به نسبت ۱۰ به ۱ متفاوت باشد.
سد
نوشتار اصلی: سد
سد دیواری محکم از سنگ وسیمان و یا ساروج است که به منظور مهار کردن آب در عرض دره یا میان دو کوه ایجاد می‌شود. برعکس خاکریزها که برای جلوگیری از ورود آب رودخانه یا دریا به مناطق اطراف ساخته میشوند در سدها هدف از مهار کردن آب استفاده از آن است.
منبع آب پشت یک سد در لوگزامبورگ.سدها از نظر مشخصه‌های مختلف طبقه‌بندی میشوند این مشخصه‌ها معمولاً شامل:
طول سد: از نظر طول سدهای با طول بیش از ۱۵ متر را سدهای بزرگ و سدهای با طول بیش از ۱۵۰ متر را سدهای بسیار بزرگ می‌نامند.
هدف از احداث سد: اهداف ساخت یک سد می‌توانند متفاوت باشند به طوری که بسیاری از سدها بیشتر از یک هدف را دنبال می‌کنند این اهداف می‌توانند شامل آبیاری یا تامین آب مناطق شهری یا زمین‌های کشاوزی، تولید انرژی الکتریکی، ایجاد فضای تفریحی، کنترل سیل و... باشند.
ساختار سد: از نظر ساختار، با توجه به مصالح مصرف شده یا تکنولوژی ساخت سدها باهم متفاوت هستند. سدها از نظر مصالح مصرف شده می‌توانند چوبی، خاکی یا بتنی باشند.
مزایا
ملاحظات اقتصادی
بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه‌ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوختها و در نتیجه حذف هزینه‌های مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاههای آبی در مقایسه با نیروگاههای گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاههای آبی که هم‌اکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. هزینه کار این نیروگاه‌ها در حالی که به صورت خودکار کار کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود.
در موقعیت‌هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می‌دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینه‌های ساخت سد اضافه می‌کند. ایجاد یک نیروگاه هیمچنین می‌تواند هزینه‌های مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال درآمد ناشی از فروش انرژی الکتریکی در سد «Three Gorges» که بزرگ‌ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده‌است.
انتشار گاز های گلخانه ای
در صورتی که سوختی در نیروگاه سوخته نشود، دی اکسید کربن (که یک گاز کلخانه‌ای است) نیز در نیروگاه تولید نخواهد شد. البته در مراحل احداث نیروگاه مقدار ناچیزی گاز دی‌اکسید کربن تولید می‌شود که در مقابل میزان دی‌اکسید کربن تولیدی در نیروگاههای گرمایی که از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند بسیار ناچیزاست. البته در این نیروگاه‌ها بر اثر اجتماع آب پشت سد گازهایی متساعد می‌شود که در پایین به آنها اشاره شده‌است.
یک توربین آبی وصل شده به یک مولد الکتریکی.
فعالیت‌های وابسته
آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع می‌تواند بخشی از امکانات مربوط به ورزش‌های آبی باشد و به این ترتیب می‌تواند به جاذبه‌ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی‌ها استفاده می‌شود به این ترتیب که در برخی سدها محیط‌های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی میشوند.
معایب
آسیب به محیط زیست
پروژه‌های احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان می‌دهد که سدهای ساخته شده در کرانه‌های اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهی‌های قزل‌آلای رودخانه‌ها به شدت کاسته‌است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی‌ها به بالای رودخانه برای تخم‌گذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهی‌ها به بالای رودخانه محل‌های خاصی در سد در نظرگرفته شده‌است. همچنین ماهی‌های کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربینها آسیب می‌بینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهی‌ها را با قایق‌های کوچک به پایین رودخانه می‌برند. با تمام فعالیت‌هایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهی‌ها انجام می‌شود بازهم با ساخت سد از میزان ماهی‌ها کاسته می‌شود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها می‌توانند واقعاً برای ماهی‌ها آسیب رسان باشند که نمونه‌ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده‌است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگ‌ترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.