地热能由载体通过转换系统变成电能的过程。1904年在意大利拉德瑞罗地热田建造了世界上第一套小型地热发电机组，60年代以来，由于煤炭、石油耗量剧增而资源储量有限，人们开始转向寻求新能源，地热发电也随之有较大发展。目前全世界地热电站总装机容量超过5600兆瓦，其中以美国、菲律宾、墨西哥、意大利、日本和新西兰等国所占比例较大。

地热电站有蒸汽型和热水型两大类型。①蒸汽型地热电站系统简单，从地热井喷出的蒸汽只要经过固体杂质的分离，就可直接进入汽轮发电机组发电，乏汽经冷凝后排放或回灌地下。地热蒸汽电站运行维修方便，经济性高。但由于高温蒸汽地热资源少，使这类电站的发展受到限制。美国的盖塞尔斯、意大利的拉德瑞罗、日本的松川等地热电站属于这类。②热水型电站有两种基本系统，即内蒸系统和双循环系统。内蒸系统（或称扩容法）的原理是将地热水引入一个体积庞大的扩容器，容器内保持较低的压力。当地热水进入扩容器后，由于扩容减压，使其饱和温度也相应降至热水温度以下，从而使部分热水变为低压低温蒸汽去推动汽轮发电机组发电，乏汽经冷凝后排放或回灌地下。扩容内蒸后剩余的热水从扩容器底部排出，可供其他利用。这类电站系统简单，工质为水，维修容易；但设备庞大，效率较低。目前世界上的地热水电站绝大多数采用这种系统，新西兰的怀拉基（Wairakei）地热电站、中国西藏羊八井地热电站均属此类。双循环系统（或称中间介质法）的原理是将热水引入蒸发器，加热容器内的低沸点工质（如氟里昂、异丁烷等），使之变成蒸汽，然后通入低沸点工质汽轮机作功发电，排汽在冷凝器中被冷却水冷凝成液体后，用工质泵重新打回蒸发器再次加热，循环使用。这种电站设备紧凑效率高，可以利用温度较低的热水；但系统较复杂，密封性要求高，工质昂贵，运行维修也相当复杂。目前美国已有万千瓦级的这类试验电站在运行，但更多的还是小型试验机组，功率从几百到几千千瓦不等。

尚处在研究阶段的地热发电方法还有全流系统和干热岩发电系统（见图）。全流系统是将汽水混合物不经扩容器而直接送入螺旋转子膨胀机，水和汽在膨胀机内边膨胀边作功，排出时全部变为蒸汽，然后经冷凝排放。这种方法虽有其独特的优点，但效率很低，能否进入商业应用，目前尚有争论。干热岩发电的原理是将地下深处温度很高的干热岩用水力破碎法破碎，形成宽和深可达几公里的破碎区，然后从地面钻两个深浅不一的孔，分别达到破碎区的底部和顶部。将地面的河水从深孔灌入底部，流经破碎带吸收干热岩的热量后变成热水或蒸汽，然后从另一浅孔返回地面用前述方法发电，发电后的排水再灌入地下吸热，形成一个封闭循环。目前美国的新墨西哥州已建成一座这样的试验电站。

干热岩发电系统图

地热电站的发电效率η_DR（总效率）是一系列效率数值的乘积：

η_DR＝η_t·η_0i·η_j·η_dj

式中 η_t为理论热效率，即η_t＝（T₁-T₂）/T₁（T₁为高温热源温度，T₂为排放到环境低温热源的温度）；η_0i为汽轮机的相对内热效，取决于汽轮机的设计与制造水平；η_j为机械效率，考虑轴承、传动及带动某些附加机构的功率消耗；η_dj为发电机效率，考虑机械能转换为电能过程中的发电机损失。

理论热效率的高低取决于高温热源的温度T₁和低温热源的温度T₂。T₁愈高，T₂愈低，η_t就愈高。所以，地热电站的总效率与地热流体的温度直接有关。从目前的技术经济条件看，地热电站要具有商业竞争能力，其地热流体温度应超过200℃，至少也不低于180℃。研究工作正努力实现的低限目标为150℃。但对严重缺电又无其他能源的农村或边远地区，只要地热水温度超过90℃，一般都可以发电，只是经济性差。