Die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in Strom erfolgt durch einen Prozess namens thermoelektrische Erzeugung, der den Seebeck-Effekt nutzt. Bei diesem Effekt werden Temperaturunterschiede an einem thermoelektrischen Material direkt in elektrische Spannung umgewandelt. Thermoelektrische Generatoren bestehen aus Materialpaaren mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und thermoelektrischen Eigenschaften. Wenn ein Ende des Materialpaares erhitzt und das andere Ende abgekühlt wird, entsteht ein Temperaturgradient, der dazu führt, dass Elektronen von der heißen Seite zur kalten Seite fließen und so einen elektrischen Strom erzeugen. Dieses Phänomen ermöglicht die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, ohne dass mechanische Vermittler erforderlich sind.
Um Wärmeenergie in Strom umzuwandeln, können je nach Wärmequelle und gewünschter Effizienz unterschiedliche Technologien eingesetzt werden. Eine gängige Methode ist der Einsatz von Wärmekraftmaschinen wie Dampfturbinen oder Stirlingmotoren. In einer Dampfturbine wird Wärmeenergie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Kernreaktionen genutzt, um Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist. Durch die Rotation der Turbine wird Strom erzeugt, während der Generator mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Stirlingmotoren funktionieren nach einem anderen Prinzip und nutzen Temperaturunterschiede, um einen Kolben hin und her zu treiben, der wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
Bei der Umwandlung von Energie in Elektrizität wird typischerweise eine Primärenergiequelle wie mechanische, thermische, chemische oder nukleare Energie genutzt und mithilfe verschiedener Technologien in elektrische Energie umgewandelt. Mit Generatoren, die von Turbinen oder Motoren angetrieben werden, kann mechanische Energie direkt umgewandelt werden. Wärmeenergie, beispielsweise Wärme aus Verbrennungen oder Kernreaktionen, kann durch Motoren oder Turbinen in mechanische Energie umgewandelt werden, die dann mithilfe elektrischer Generatoren in Elektrizität umgewandelt wird. In Kraftstoffen gespeicherte chemische Energie kann auch durch Verbrennungsprozesse in Wärme umgewandelt werden, die dann zur Stromerzeugung in Wärmekraftwerken oder Motoren genutzt wird.
Bei der Stromerzeugung aus thermischer Energie werden im Allgemeinen Wärmequellen wie fossile Brennstoffe, Kernreaktoren, Solarthermiekollektoren oder Erdwärmespeicher genutzt. Diese Wärmequellen werden zur Erzeugung von Dampf oder heißen Gasen genutzt, die wiederum Turbinen antreiben, die an elektrische Generatoren angeschlossen sind. Bei fossilen Brennstoffen und Kernkraftwerken wird Wärme zum Kochen von Wasser und zur Erzeugung von Dampf verwendet, der Turbinen antreibt. Solarthermische Kraftwerke bündeln das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln oder Linsen, um hohe Temperaturen zu erzeugen, die Dampf zum Antrieb von Turbinen erzeugen. Geothermiekraftwerke nutzen Wärme aus unterirdischen Heißwasser- oder Dampfreservoirs, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.
Je nach Wärmequelle und gewünschter Effizienz kann Wärmeenergie auf verschiedene Arten in Strom umgewandelt werden. Bei der thermoelektrischen Umwandlung wird Wärme mithilfe thermoelektrischer Materialien, die bei Einwirkung eines Temperaturgradienten eine Spannung erzeugen, direkt in Elektrizität umgewandelt. Eine andere Methode beinhaltet den Einsatz von Wärmekraftmaschinen wie Dampfturbinen, Stirlingmotoren oder Verbrennungsmotoren. Diese Motoren nutzen Wärme zur Erzeugung mechanischer Energie, die dann mithilfe von Generatoren in Strom umgewandelt wird. Darüber hinaus wandeln Technologien wie Thermophotovoltaik (TPV) Wärme in Licht um, das dann von Photovoltaikzellen in Strom umgewandelt wird. Jede Methode hat je nach den spezifischen Anforderungen und Bedingungen der Wärmequelle und des Umwandlungsprozesses ihre Anwendungen und Effizienzmerkmale.