Die geothermische Stromerzeugung funktioniert durch die Gewinnung von Energie aus Wärme tief in der Erde. An einigen Orten, wie den Inseln Island, den Philippinen und Japan, sind geothermische heiße Quellen verbreitet, die die Energie leicht zugänglich machen. An anderen Orten findet sich genügend Wärme nur mehr als 1.6 km unter der Oberfläche, was die Gewinnung von Geothermie unpraktisch macht. Überall bis zu diesem Niveau gegrabene Löcher können normalerweise zur Gewinnung von Geothermie verwendet werden.
Die erste Station zur geothermischen Stromerzeugung wurde am 4. Juli 1904 auf dem Trockendampffeld Larderello in Italien gebaut und von Prinz Piero Ginori Conti getestet, wobei die Nutzung der geothermischen Stromerzeugung etwas mehr als ein Jahrhundert alt ist. Dennoch ist die geothermische Stromerzeugung weltweit keine bedeutende Energiequelle und macht nur etwa 0.1% des globalen Stroms aus, oder eine Leistung von etwa 100 Gigawatt. Geothermie wird nur von den Ländern der Philippinen und Island in großem Umfang genutzt, wo sie 15-20% der Stromerzeugung ausmachen.
Die gebräuchlichste Betriebsweise einer geothermischen Anlage ist der binäre Kreislauf, bei dem mäßig heißes Wasser aus flachen geothermischen Wärmequellen über Rohre geleitet wird, die als Wärmetauscher bezeichnet werden und ein sekundäres Fluid – typischerweise Butan- oder Pentankohlenwasserstoff – mit einem Siedepunkt von viel . enthalten niedriger als Wasser. Die Hitze lässt die Sekundärflüssigkeit zu Dampf verdampfen, der Turbinen antreibt, die Strom erzeugen. Die Flüssigkeit wird dann wieder kondensiert und für weitere Zyklen verwendet. Der Druck der Sekundärflüssigkeit ist normalerweise ziemlich hoch, etwa 500 PSI.
Geothermische Energie aus heißem Trockengestein ist eine andere Art der geothermischen Stromerzeugung; Diese Methode pumpt Wasser tief in die Erde und bringt es in Kontakt mit dem heißen, trockenen Gestein, das der Methode ihren Namen gibt. Das Gestein erhitzt das Wasser, das dann abgepumpt und entweder direkt mit Dampfturbinen verwendet oder durch ein binäres Kreislaufsystem gepumpt wird. Diese auch als Enhanced Geothermal Systems bezeichneten Anlagen haben eine Nutzungsdauer von etwa 20 bis 30 Jahren, bevor das Gestein zu weit abkühlt, um wirtschaftlich zu arbeiten. Die volle Wärme erholt sich in 50-100 Jahren.
Eine andere Art der geothermischen Stromerzeugung sind Entspannungsdampfanlagen. Diese Anlagen ziehen heißes Hochdruckwasser aus der Tiefe der Erde in Tanks, wo das Wasser durch den Druckabfall zu Dampf zerplatzt, der dann zum Antrieb von Turbinen verwendet wird. Eine der ältesten Arten ist die Direktwärme, die heißes Wasser aus der Nähe der Erdoberfläche in Rohre zieht, um Gebäude zu heizen, Wasser für die Fischzucht zu erhitzen, Pflanzen in Gewächshäusern anzubauen, Milch zu pasteurisieren usw. Dies funktioniert nur in Gebieten, in denen es ausreichend heiß ist Wasser steht nahe der Oberfläche zur Verfügung.