Tappa fondamentale per l'avvio della produzione di energia elettrica furono i memorabili esperimenti del fisico inglese Michael Faraday (1791-1867) sull'elettromagnetismo. Nel 1821 Faraday scoprì come produrre un movimento rotatorio utilizzando una corrente elettrica e dieci anni più tardi, nel 1831, dimostrò che è possibile generare corrente elettrica facendo muovere un magnete tra le spire di un filo elettrico e che si può indurre elettricità in un filo conduttore avvolto a spirale utilizzando la corrente che fluisce in un altro avvolgimento (un dispositivo, quest'ultimo, che può essere considerato il primo trasformatore ). Questi fenomeni - che vanno sotto il nome di induzione elettromagnetica - negli stessi anni erano stati studiati, indipendentemente da Faraday, anche da un insegnante americano, Joseph Henry (1797-1878), inventore del primo motore elettrico . Agli esperimenti di Faraday e Henry fecero seguito, tra il 1830 e il 1840, anni di fervida attività nella costruzione delle cosiddette macchine magnetoelettriche, che convertivano l'energia meccanica in energia elettrica, ma solo verso la fine del secolo furono costruiti potenti generatori a vapore che consentirono la produzione di energia elettrica su grande scala. La moderna turbina a vapore , brevettata nel 1884 dall'ingegnere inglese Charles Parsons (1854-1931), ebbe grandi applicazioni sia per la propulsione delle navi sia per la produzione di energia elettrica. Quasi tutta l'energia elettrica viene infatti generata in base al principio dell'induzione elettromagnetica, secondo il quale è possibile la trasformazione dell'energia meccanica in energia elettrica.
La prima centrale elettrica fu costruita a New York da Thomas A. Edison (1847-1931) nel 1881, era ubicata in un edificio di Pearl Street e distribuiva elettricità ai distretti meridionali della città. Si trattava di una centrale termoelettrica, cioè di un impianto in cui l'elettricità è ottenuta sfruttando il calore prodotto dalla combustione di una materia prima, e utilizzava caldaie a vapore e dinamo perfezionate. Pochi anni dopo, nel 1887, venne costruita una centrale dello stesso tipo anche in Inghilterra, a Brighton. Anche questa, come del resto altre piccole centrali termoelettriche costruite nel mondo in quegli anni, era un piccolo impianto installato nelle immediate vicinanze degli utenti e serviva le vie più signorili della città. La corrente generata dalle dinamo era una corrente continua che raggiungeva a stento i 2000 volt (V) e non poteva essere trasportata troppo lontano (altrimenti si sarebbe dispersa in forma di calore). Il passo successivo fu la realizzazione di grossi impianti termoelettrici a corrente alternata , il primo dei quali fu costruito nel 1889 sempre in Inghilterra, a Deptford, e forniva elettricità a una vasta zona di Londra. Il perfezionamento degli alternatori e soprattutto quello dei trasformatori permise di elevare la tensione generata a decine di migliaia di volt e ciò rese possibile il trasporto dell'energia elettrica e la sua distribuzione a grandi distanze.
Un impianto termoelettrico è costituito da tre blocchi distinti: il serbatoio per il combustibile (petrolio, carbone, gas naturale, ecc.), la caldaia e la sala macchine. La caldaia, in cui brucia il combustibile, è contenuta in un edificio alto circa 50 m ed è collegata a una ciminiera che scarica i gas di combustione. Nella caldaia si trovano fasci di tubi bollitori e surriscaldatori che si snodano a serpentina per migliaia di metri. Il calore prodotto porta a ebollizione l'acqua all'interno dei tubi e il vapore che si forma arriva alla sala macchine a una temperatura di circa 550 °C e una pressione di 90 kg/cm². La sala macchine è un edificio più basso che contiene una turbina a vapore (o, in alternativa, turbine a gas o motori diesel ), un alternatore a essa accoppiato e il condensatore . Il vapore che arriva alla turbina spinge con forza le palette del rotore , che si mettono a ruotare a forte velocità. Entra così in rotazione anche l'alternatore, cioè il generatore elettrico di corrente alternata, capace di assorbire energia meccanica e di trasformarla in energia elettrica. Il vapore che esce dalla turbina entra nei tubi del condensatore, un grande recipiente dove circola acqua fredda proveniente da un fiume che scorre vicino alla centrale. Nel condensatore il vapore si raffredda e condensa in acqua che viene reimmessa nella caldaia. In una centrale termoelettrica dei servizi ausiliari controllano la sicurezza dell'impianto e la continuità dell'esercizio. La sala quadri è il locale in cui vengono concentrati, al fine di operare tempestivamente le manovre opportune, tutti gli apparecchi di controllo e comando e tutte le strumentazioni.
Per utilizzare nel modo opportuno l'energia elettrica prodotta da un generatore è necessario un trasformatore, ovverosia un sistema che ha la funzione di modificarne i parametri di potenziale per adeguarli al voltaggio voluto. Per il trasporto è infatti necessario elevare la tensione prodotta da valori che si aggirano tra qualche migliaio e alcune decine di migliaia di volt, a valori adatti all'alimentazione delle linee di trasmissione, assai più elevati (dell'ordine delle centinaia di migliaia di volt), per poi ritornare a valori di bassa tensione in fase di distribuzione (220 V).
Lo sviluppo e la diffusione delle centrali elettriche è stato incentivato proprio dalla realizzazione dei trasformatori moderni, avvenuta sulla base del principio di Faraday a opera di vari studiosi come il francese Lucien Gualard e l'americano di origine croata Nikola Tesla (1856-1943). Il trasformatore ha permesso di produrre corrente elettrica partendo dal vapore e di trasportarla a grandi distanze, consentendo così un rapido sviluppo dell'economia e dell'industria.
Il trasporto dell'elettricità dalle centrali ai centri di consumo viene effettuato per lo più mediante cavi sospesi in aria, costituiti da semplici conduttori di rame o di alluminio o di loro leghe e, in minor misura, mediante linee formate da conduttori opportunamente isolati per tutta la loro lunghezza. Quest'ultimo tipo di trasmissione, essendo più costoso e di difficile manutenzione, è adottato per casi particolari, come per le linee sottomarine e per i centri densamente abitati. La funzione di trasporto si esplica attraverso una rete primaria e una rete secondaria. La prima comprende il complesso delle linee ad alta e altissima tensione che collegano le centrali di produzione con le stazioni primarie di smistamento e trasformazione. La seconda consiste invece di linee a media e a bassa tensione. Il trasporto dell'energia elettrica fino alle stazioni e alle cabine secondarie adibite alle trasformazione, conversione, regolazione e smistamento dell'energia elettrica avviene mediante linee a media tensione. Le cabine secondarie alimentano invece le reti di distribuzione a bassa tensione a servizio dell'utenza.
Le turbine a gas costituiscono oggi il tipo di motore più moderno in quanto, utilizzando direttamente i prodotti della combustione come fluido motore, semplificano di gran lunga i processi di produzione rispetto alla turbine a vapore. Inoltre, le centrali a gas sono caratterizzate da una maggiore efficienza e necessitano di tempi di costruzione minori rispetto alle altre, pur avendo però una potenza unitaria minore. Quest'ultimo è il motivo per cui, in generale, le unità termoelettriche a vapore sono quelle di maggior potenza oggi costruite. All'aumento di potenza, infatti, non si oppongono limitazioni naturali, bensì solo difficoltà in ambito tecnologico, che tuttavia non compromettono la convenienza dell'esercizio sotto il profilo del rendimento e del costo.
Nei paesi industrializzati la taglia standard di una centrale termoelettrica è di 600 MW se alimentata a carbone o a olio combustibile, di 300 MW se alimentata a gas. Le centrali termoelettriche sono comunque costituite di solito da più gruppi di potenza unitaria (in genere 3 o 4) e possono arrivare ad alcune migliaia di megawatt di potenza totale. Da gas naturale si produce circa il 13% dell'elettricità a livello mondiale, da prodotti petroliferi circa l'11%, da combustibili solidi (carbone, torba, legna, ecc.) circa il 39%. Questi valori, relativi al 1995, si sono mantenuti pressoché stabili negli ultimi 2O anni per quanto riguarda gli impianti a carbone e a gas naturale. La produzione di elettricità da derivati del petrolio si attestava invece negli anni Settanta attorno al 25% della produzione elettrica mondiale e si è più che dimezzata passando all'11%. Le centrali nucleari hanno preso il posto degli impianti termoelettrici tradizionali che usavano come combustibile prodotti petroliferi: dagli anni Settanta agli anni Novanta infatti la produzione elettrica da nucleare è salita dal 3% al 18% della produzione mondiale.
I progressi della tecnologia del XX secolo sono stati realizzati a discapito di un enorme aumento dei consumi delle risorse energetiche terrestri. Prima il legno, poi il carbone e il petrolio sono stati i combustibili più usati nel corso degli anni. Ma queste risorse sono pur sempre limitate e accanto alla crescente necessità di trovare nuovi giacimenti, nasceva l'esigenza di elevare quanto più possibile il rendimento del combustibile a disposizione: le centrali termoelettriche nucleari hanno rappresentato in questo senso la migliore risposta a questa esigenza.
Contrariamente a quanto avveniva negli anni Settanta e Ottanta, oggi, per ridurre l'impatto ambientale e il capitale iniziale necessario alla realizzazione di nuovi impianti convenzionali, la tendenza generale è quella di costruire numerose centrali termoelettriche di media taglia con ampia distribuzione sul territorio, piuttosto che poche centrali di grande taglia. Per gli stessi motivi, e per il fatto che le turbine a gas utilizzano soprattutto il metano (meno inquinante del carbone o della nafta), il mercato delle centrali a turbogas è in forte espansione in tutto il mondo.
