Das Walchenseekraftwerk ist ein 1924 in Kochel am See in Bayern in Betrieb genommenes Hochdruck-Speicherwasserkraftwerk. Es ist mit einer installierten Leistung von 124 MW bis heute eines der größten seiner Art in Deutschland, da leistungsstärkere Anlagen auch pumpen können und als Pumpspeicherkraftwerk klassifiziert sind (siehe Liste von Wasserkraftwerken in Deutschland).
Das Kraftwerk, das seit 2016 der Uniper Kraftwerke GmbH gehört, produziert jährlich über 300 GWh Ökostrom was gut 2400 Volllaststunden entspricht, oder 28 % Auslastung.
Das Walchenseekraftwerk nutzt die Wasserkraft bei einem natürlichen Höhenunterschied von 201 m zwischen dem als „Oberbecken“ fungierenden Walchensee (801 m ü. NHN) und dem „Unterbecken“ Kochelsee (600 m ü. NHN) zur Stromerzeugung. Beim Betrieb des Kraftwerks darf der Wasserspiegel des Walchensees um bis zu 6,6 m gesenkt werden, was bei rund 16 km² Oberfläche einem verfügbaren Speicherraum von 110 Mio. m³ entspricht. Bei einer (mittleren) Fallhöhe von 200 Meter entspricht dies einem Arbeitsvermögen von knapp 60 GWh mit dem, falls kein Wasser zufließen würde, 20 Tage lang die Maximalleistung entnommen werden kann. Das Kraftwerk ist somit ein Speicherwasserkraftwerk, aber kein Pumpspeicherkraftwerk, da kein Wasser wieder in den Walchensee zurückgepumpt wird. Eine Umrüstung wurde 2012 vorgeschlagen und abgelehnt. Das Walchenseekraftwerk wurde ursprünglich für die allgemeine Stromversorgung gebaut und dient heute vorwiegend als Spitzenlast- sowie – je nach Wasserangebot – auch als Mittellastkraftwerk.
Die natürlichen Zuflüsse des Walchensees reichen nicht aus, um genügend Wasser für den vollen Dauerbetrieb des Speicherkraftwerkes bereitzustellen. Der Turbinendurchfluss beträgt maximal 84 m³ pro Sekunde, somit 302.400 Kubikmeter in der Stunde, über 7 Mio. m³ am Tag, so dass ohne Zuflüsse nach gut zwei Wochen das nutzbare Speichervolumen von 110 Mio. m³ entnommen wäre und der Wasserspiegel um 6,6 Meter gesunken wäre. Zuflüsse kommen aus Isarüberleitung (25 m³/s max.), Rißbachüberleitung (12 m³/s max.) und den sonstigen Seezuflüssen (3 m³/s) wie Obernachkanal.
Das Walchenseekraftwerk ist deshalb die zentrale Anlage eines weiträumigen Verbundes aus zusätzlich errichteten Stauwehren, Kanälen und Stollen, mit denen der Wasserzufluss zum Walchensee erhöht wird. Mit der Isar-Überleitung und der Rißbach-Überleitung wird dem Walchensee das benötigte zusätzliche Wasser zugeführt. Um die Energie des Gefälles dieser zusätzlichen Zuflüsse ebenfalls nutzen zu können, wurden in diese Anlagen weitere Kraftwerke (Isar-Kraftwerk Obernach, Rißbach-Niedernach-Kraftwerk) eingebaut. Der natürliche Abfluss des Walchensees bei Niedernach – über die Jachen zur Isar – wird durch ein Wehr versperrt. Um den Wasserspiegel des Kochelsees möglichst stabil zu halten, wird sein Abfluss in einem Kanal bei Kochel reguliert. Um das flache Loisachtal und Wolfratshausen vor Überschwemmungen durch das Wasser aus dem Kraftwerk zu schützen, sorgt der Loisach-Isar-Kanal für zusätzlichen Abfluss in die Isar.
Durch den Kraftwerksbetrieb und den dadurch stark schwankenden Wasserspiegel frieren im Winter beide Seen kaum zu. Deshalb sind die Eisflächen in den einzelnen Buchten dünn und dürfen nicht betreten werden.
Für den Betrieb des Kraftwerks sind die aus dem Einzugsgebiet des Walchensees kommenden Wassermengen nicht ausreichend. Es war daher von Anfang an geplant, das Wasser der Isar in den Walchensee zu leiten. Die Isar kommt als Wildwasserfluss aus dem österreichischen Teil des Karwendelgebirges. Sie wurde zwischen Mittenwald und Krün bei Flusskilometer 251,5 durch das Stauwehr Krün um fünf Meter zum Isar-Stausee (870 m) aufgestaut und von dort fast vollständig zum Walchensee übergeleitet. Seit 1990 muss jedoch eine Mindestmenge an Wasser in dem ursprünglichen Flussverlauf verbleiben (je nach Jahreszeit zwischen 3 und 4,8 m³/s). Um auch das Gefälle des Restwassers von 5 m am Wehr zur Stromerzeugung nutzen zu können, wurde dort im Jahr 1990 ein kleines Laufwasserkraftwerk errichtet. Das übergeleitete Isarwasser fließt zunächst in einem offenen Kanal durch Krün nach Wallgau. Auf dieser Strecke wird dem Kanal in unterirdischen Leitungen das Wasser des Kranz- und des Finzbachs zugeführt. Vor Wallgau kreuzt der Kanal in einem Düker die Bundesstraße 11 und das meist trockene Bett des Finzbaches und wird von Wallgau durch einen Tunnel zum Sachensee (867 m) geführt. Der Sachensee wird durch ein Wehr ebenfalls geringfügig aufgestaut und reguliert. Ursprünglich floss das Wasser durch den Obernachkanal über mehrere Steilstufen (den sogenannten Isarfall) nach Norden ab, durchquerte das Gelände der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München und mündete schließlich bei Einsiedl in den Walchensee. In den 1950er Jahren beschloss man, auch das Gefälle zwischen Sachensee und Walchensee zu nutzen, und baute das Kraftwerk Obernach, das 1955 in Betrieb genommen wurde. Seitdem wird ein Teil des am Sachensee verfügbaren Wassers in einem 3,9 Kilometer langen Druckstollen zu dem im Berg versteckten Wasserschloss und von da zu den beiden Turbinen des Kraftwerks Obernach geleitet, dessen Auslauf in den Walchensee mündet. Durch die Isar-Überleitung können maximal 25 m³/s Wasser in den Walchensee geleitet werden.
Der Rißbach kommt aus dem nördlichen Teil des Karwendelgebirges, wo im Bereich der Ahornböden das Wasser der kleineren Bäche zufließt. Unterhalb der Grenze zwischen Tirol und Bayern und unmittelbar nach der Einmündung des Fermersbaches wird der wasserreiche Bach bei der Oswaldhütte an der Straße Vorderriß (Bayern) – Hinterriß (Tirol) gestaut (838 m ü. NHN) und in den insgesamt fast 7 km langen Rißbachstollen eingeleitet. Der Rißbachstollen ist unterteilt in den 3647 m langen Grasbergstollen, in den auf etwa halber Strecke noch das Wasser des zum Rißbach fließenden Fischbachs eingeleitet wird. Der Grasbergstollen führt zu einem Düker, mit dem das Flussbett der Isar und die daneben laufende Mautstraße oberhalb von Vorderriß bzw. knapp oberhalb von Ochsensitz unterquert wird. Der anschließende 3313 m lange Hochkopfstollen endet oberhalb von Niedernach am Alpenbachwehr (821 m ü. NHN), mit dem auch dessen Wasser in den Walchensee geleitet wird. Vom Alpenbachwehr führen ein knapp 150 m langer Stollen und ein etwa 215 m langer Kanal zu dem Einlaufbauwerk, von dem aus das Wasser durch ein Druckrohr über ein Gefälle von 21 m zum Laufwasserkraftwerk Niedernach am Südostende des Walchensees geleitet wird. Überschüssiges Wasser läuft vom Einlaufbauwerk über eine breite Kanaltreppe neben dem Kraftwerk in den See. Durch die Rißbach-Überleitung können maximal 12 m³/s Wasser in den Walchensee fließen. Das Kraftwerk ist seit 1951 in Betrieb.
Das Walchenseekraftwerk erhält sein Wasser aus dem Einlaufbauwerk bei Urfeld am Walchensee, das hinter einer Straßenbrücke und einem Rechen weitgehend im Fels verborgen ist. Über einen 1200 m langen, 4,80 m hohen und 4,60 m breiten Druckstollen aus Beton, dessen Sohle 10 m unter dem normalen Wasserspiegel des Sees liegt, strömt das Wasser durch den Kesselberg in das weithin sichtbare, hoch über dem Kraftwerk gelegene Wasserschloss. Dessen 10.000 m³ fassendes 10 m tiefes Wasserbecken gleicht die Druckschwankungen in den Druckrohren aus, die beim Anfahren, Regeln oder Abstellen der Turbinen entstehen. Um dem Wasserdruck in dem Becken standzuhalten, ist dessen Außenwand wie eine Staumauer mit einer nach unten zunehmenden Dicke von bis zu 15 m ausgeführt. Das Wasserschloss enthält in einem vorgelagerten Schieberhaus außerdem die Absperrschieber der zum Kraftwerk führenden Rohre samt Laufkran für Wartungs- und Reparaturarbeiten.
Sechs 430 Meter lange Druckrohre lassen das Wasser zu den acht Turbinen im Maschinenhaus strömen. Der Durchmesser der Rohre nimmt von anfänglich 2,25 m ganz oben auf 1,85 m unten am Maschinenhaus ab. Die Wandstärke der Rohre beträgt oben 10 mm und unten 27 mm. Das über 100 m lange Maschinenhaus ist seitlich zur Rohrbahn angeordnet, um bei einem eventuellen Bruch eines Rohres möglichst nicht von dem herabschießenden Wasser beschädigt zu werden.