Het direct omzetten van warmte-energie in elektriciteit wordt bereikt via een proces dat bekend staat als thermo-elektrische opwekking, waarbij gebruik wordt gemaakt van het Seebeck-effect. Dit effect omvat het direct omzetten van temperatuurverschillen over een thermo-elektrisch materiaal in elektrische spanning. Thermo-elektrische generatoren bestaan uit paren materialen met verschillende elektrische geleidbaarheid en thermo-elektrische eigenschappen. Wanneer het ene uiteinde van het materiaalpaar wordt verwarmd en het andere uiteinde wordt afgekoeld, ontstaat er een temperatuurgradiënt, waardoor elektronen van de hete naar de koude kant stromen en zo een elektrische stroom genereren. Dit fenomeen maakt de directe omzetting van warmte-energie in elektrische energie mogelijk zonder de noodzaak van mechanische tussenpersonen.
Om warmte-energie om te zetten in elektriciteit kunnen verschillende technologieën worden toegepast, afhankelijk van de warmtebron en het gewenste rendement. Een veel voorkomende methode is het gebruik van warmtemotoren zoals stoomturbines of Stirling-motoren. In een stoomturbine wordt warmte-energie uit de verbranding van fossiele brandstoffen of kernreacties gebruikt om stoom te produceren, die een turbine aandrijft die is aangesloten op een elektrische generator. De rotatie van de turbine genereert elektriciteit terwijl de generator mechanische energie omzet in elektrische energie. Stirlingmotoren werken volgens een ander principe, waarbij ze temperatuurverschillen gebruiken om een zuiger heen en weer te drijven, die op zijn beurt een generator aandrijft om elektriciteit te produceren.
De omzetting van energie in elektriciteit omvat doorgaans het benutten van een primaire energiebron, zoals mechanische, thermische, chemische of kernenergie, en het omzetten ervan in elektrische energie via verschillende technologieën. Mechanische energie kan direct worden omgezet met behulp van generatoren die worden aangedreven door turbines of motoren. Thermische energie, zoals warmte uit verbranding of kernreacties, kan via motoren of turbines worden omgezet in mechanische energie, die vervolgens met behulp van elektrische generatoren wordt omgezet in elektriciteit. Chemische energie die in brandstoffen is opgeslagen, kan ook via verbrandingsprocessen worden omgezet om warmte te genereren, die vervolgens wordt gebruikt om elektriciteit te produceren via thermische energiecentrales of motoren.
Het opwekken van elektriciteit uit thermische energie omvat doorgaans het gebruik van warmtebronnen zoals fossiele brandstoffen, kernreactoren, thermische zonnecollectoren of geothermische reservoirs. Deze warmtebronnen worden gebruikt om stoom of hete gassen te produceren, die op hun beurt turbines aandrijven die zijn aangesloten op elektrische generatoren. In het geval van fossiele brandstoffen en kerncentrales wordt warmte gebruikt om water te koken en stoom te produceren, die turbines aandrijft. Thermische zonne-energiecentrales concentreren zonlicht met behulp van spiegels of lenzen om hoge temperaturen te genereren die stoom produceren om turbines aan te drijven. Geothermische energiecentrales gebruiken warmte uit ondergrondse reservoirs met heet water of stoom om turbines aan te drijven en elektriciteit op te wekken.
Warmte-energie kan op verschillende manieren worden omgezet in elektriciteit, afhankelijk van de warmtebron en het gewenste rendement. Bij thermo-elektrische conversie wordt warmte direct omgezet in elektriciteit met behulp van thermo-elektrische materialen die een spanning genereren bij blootstelling aan een temperatuurgradiënt. Een andere methode omvat het gebruik van warmtemotoren zoals stoomturbines, Stirling-motoren of verbrandingsmotoren. Deze motoren gebruiken warmte om mechanische energie te produceren, die vervolgens met behulp van generatoren wordt omgezet in elektriciteit. Bovendien zetten technologieën zoals thermofotovoltaïsche zonne-energie (TPV) warmte om in licht, dat vervolgens door fotovoltaïsche cellen wordt omgezet in elektriciteit. Elke methode heeft zijn toepassingen en efficiëntiekenmerken, afhankelijk van de specifieke eisen en omstandigheden van de warmtebron en het conversieproces.