L’hydraulique est actuellement la première source renouvelable d’électricité. Le potentiel mondial pourrait cependant être davantage exploité. La production mondiale au début des années 2000 est de 2700 TWh par an, avec une capacité installée de 740 GW. Elle pourrait passer à 8100 TWh à l’horizon 2050 avec un doublement économique compétitif de la capacité installée. 14 000 TWh seraient techniquement exploitables et le potentiel théorique serait de 36 000 TWh.

La grande hydraulique (d’une puissance supérieure à 10 MW) est exploitée au voisinage du maximum de son potentiel dans les pays industrialisés. Les barrages permettent de stocker l’énergie et de la fournir dans les moments de forte demande. Dans certains cas, des bassins de stockage haut et bas permettent d’effectuer un véritable stockage d’énergie en utilisant des groupes turbo-alternateurs réversibles qui réalise le pompage en période creuse. Cette forme de stockage est très utilisée dans le monde. En France, 4200 MW sont installés pour cette fonction.

La petite hydraulique (d’une puissance inférieure à 10 MW) est constituée en partie de centrales au fil de l’eau qui sont fortement dépendantes du débit des cours d’eau. Ces petites centrales sont attractives pour une production décentralisée. La production mondiale est estimée à 85 TWh. En France, alors que la grande hydraulique a quasiment atteint la saturation, il reste un potentiel d’évolution de la petite hydraulique estimé à 4 TWh/an provenant d’un tiers de l’amélioration des installations existantes, et pour les deux tiers restant de nouvelles installations.

L’énergie des marées peut être utilisée pour produire de l’électricité. En France, l’usine marémotrice de la Rance (240 MW) a montré la faisabilité de cette technique de production d’électricité. D’autres projets importants sont à l’étude au Canada et en Angleterre. Mais la réalisation de ces projets n’est pas certain, car ils modifieraient considérablement les écosystèmes locaux.

La houle représente un immense gisement d’énergie. La puissance moyenne annuelle sur les côtes de la façade Atlantique est comprise entre 15 et 80 kW/m de côte. L’énergie des vagues est très diluées et n’est pas encore exploitable à grande échelle. Des prototypes de centrales houlomotrices sont cependant testés.