lan yakıtın ısıtma değerine olan yüzdesi olarak nitelendirilen enerji verimliliği tipik olarak %33 ila %48 aralığındadır. Tüm ısı makineleri termodinamik kurallarına bağımlı olduğundan bu verimlilik değerleri limitlidir. Enerjinin geri kalanı tesisi ısı olarak terkeder. Atık ısı bir yoğunlaştırıcıdan geçirildikten sonra soğutma suyu kullanılarak ya da soğutma kuleleri ile atılır. Atık ısının ısıtma amaçlı kullanıldığı tesislere kojenerasyon tesisi denilir. Genellikle büyük miktarda doğalgaz rezervi bulunan ve kıt tatlısu kaynaklarına sahip çöl ülkelerinde termik santralların bir yan işlevi de deniz suyunun tuzdan arındırılmasıdır.

Carnot verimlilik kuralına göre buharın ısısı yükseltilerek verimlilik artırılabilir. Alt kritik seviyedeki fosil yakıtlı santralların verimliliği yaklaşık %36–%40 aralığındadır. Süper kritik seviyedeki santrallar %40 ve üstü, yeni ultra kritik seviye tasarımlı santrallarda ise bu rakam %48'e kadar ulaşabilmektedir. Su için kritik nokta olan ve 3212 psi (22.06 MPa) değerinin üzerinde ise sudan buhara doğru bir faz değişimi olmaz, sadece yoğunlukta kademeli bir düşüş olur.

Mevcut nükleer santralların basınçlı kazanları çok büyük olduğundan ve tüm nükleer yakıt çubukları burada bulunduğu için kömürlü santrallardan daha düşük ısı ve basınç seviyelerinde işletilmek zorunluluğu vardır. Reaktörün büyüklüğü ulaşılabilecek basınç seviyesini limitler. Bu nedenle nükleer santralların termodinamik verimliliği %30-32 civarındadır. "Çok Yüksek Isılı Reaktör", "Gelişmiş Gaz Soğutmalı Reaktör", "Süper Kritik Su soğutmalı Reaktör" gibi bazı ileri tasarımlar kömürlü santrallarla kıyaslanabilecek termodinamik verimlilik seviyelerine ulaşabilmektedir.

Bir termik santralda üretilen elektrik enerjisinin maliyeti yakıt maliyeti, tesisin kurulum masrafları, işçi maliyetleri, bakım, hammadde girişi ve atık maliyetlerinin toplamıdır. Çevresel etkilerin ekonomik, sosyal ve sağlık üzerine olan maliyetleri gibi dolaylı maliyetler hesaplanmamakla beraber belirli bir çevre etkisi kıymeti takdir edilmelidir.

200 MW ve üzeri tesislerde fanlar, önısıtıcılar, kül kollektörleri gibi sistemin önemli komponentleri yedekli olarak kurulup kullanılır. Bazı 60 MW santrallarda bir yerine iki kazan bulunabilir.

Fosil yakıtlı güç tesislerinde fosil yakıtı yakıp suyu ısıtarak buhar elde edilen fırına "buhar kazanı" denir.

Nükleer enerji santralinde ise "buhar kazanı", bir "Basınçlı Su Reaktörü (Pressurized Water Reactor - PWR)" içinde primer (reaktör ünitesi) ile sekonderi (buhar ünitesi) termal yoldan birbirine bağlayan özel bir çeşit ısı eşanjörü'nü ifade eder. "Kaynar Su reaktörü (Boiling Water Reactor - BWR)" olarak adlandırılan nükleer reaktör tipinde ise su doğrudan reaktör içinde kaynatılır ve ayrı bir buhar kazanı yoktur.

Bazı endüstriyel tesislerde "ısı geridönüşümlü buhar kazanı (heat recovery steam generator - HRSG)" olarak bilinen ve bir endüstriyel süreçte oluşan ısıyı buhar üretmek için kullanan ısı eşanjörleri de bulunmaktadır. Bir buhar kazanı elektrik üretecini süren buhar türbininin ihtiyaç duyduğu yüksek saflık, basınç ve sıcaklıkta buhar üretmelidir.

Jeotermal tesisler doğal yollardan oluşan su buharını kullandıklarından kazana ithiyaçları yoktur. Jeotermal buhar fazlasıyla korozifse ya da çok miktarda katı partikül içeriyorsa ısı eşanjörleri kullanılabilmektedir.

Fosil yakıtlı bir buhar kazanı ekonomizör ve buhar fıçısı ile buhar üretici tüpler ve süperısıtıcı boru demetlerinden oluşan bir fırından meydana gelir. Kazanda aşırı basınç oluşmasını önlemek için uygun yerlere gerekli güvenlik valfleri konulmuştur. Hava ve baca gazı yollarında kullanılan ekipmanlar arasında enerjili akım fanı, hava önısıtıcısı, kazan ocağı, endüklenmiş akım fanı, kül hunisi, filtreler ve baca(lar) bulunur.

Buhar kazanında kullanılan besleme suyu yanan yakıttan elde edilen ısı enerjisini buhar türbinini döndüren mekanik enerjiye dönüştürmede kullanılır. Toplam besleme suyu geri dönüştürülmüş "yoğuşturulmuş su" ve "arıtılmış su"dan oluşur. Temas ettiği materyaller yüksek ısı ve basınçta korozyona meyilli olduğundan arıtılmış su kullanılmadan önce ileri derecede arıtma sürecinden geçer. "Su yumuşatıcı"lar ve "iyon dönüşümlü demineralizatörler"den oluşan bir sistem suyu o derece arı hale getirir ki 0.3-1.0 mikrosiemens/cm aralığındaki iletkenlik katsayısı ile su neredeyse bir yalıtkan haline gelir. 500 MW'lık bir tesiste saflık kontrolü için buhar fıçısından alınan suyun yerine konulan ve sistemdeki küçük kaçakları telafi etmek için elkenen arıtılmış suyun akış miktarı yaklaşık olarak 7.6 litre/saniye mertebesindedir.

Besleme suyu çevrimi buhar türbinlerinden geçtikten sonra yoğunlaştırılan suyun yüzey yoğunlaştırıcıdan pompalanması ile başlar. Tam yükle çalışan 500 MW'lık bir tesiste yoğunlaştırılmış su akış oranı yaklaşık 400 litre/saniye mertebesindedir.
Su basıncı iki aşamada artırılır ve altı ya da yedi adet orta seviye besleme suyu ısıtıcısından geçer. Her noktada ısınan suyun buharı türbinlerdeki uygun bir borudan tahliye edilir ve her aşamada sıcaklığı artar. Tipik olarak bu bir seri besleme suyu ısıtıcısı arasında ve ikinci basınç oluşturma aşaması öncesinde yoğuşmuş ve arıtılmış su karışımı suyun içinde çözünmüş olan havayı alan ve paslandırıcı mineralleri ayrıştıran bir gaz alıcıdan geçer. Bu noktadan sonra suyun içinde kalan oksijen miktarını 5 ppb'in altına indiren hidrazin adlı kimyasal eklenebilir, ayrıca amonyak, morfolin gibi pH kontrol araçları eklenerek asidite, dolayısıyla korozif etkisi azaltılabilir.

"Kazan" yaklaşık genişliğinde ve yüksekliğinde dikdörtgen bir fırındır. Duvarları yaklaşık çapında çelikten yüksek basınç tüpleri ile ağ gibi sarılıdır.

Toz haline getirilen kömür fırının dört köşesinde veya bir ya da karşılıklı iki duvar boyunca yerleştirilmiş yakıcılara doğru hava ile püskürtülür, ortada büyük bir ateş topu oluşturacak şekilde hızla tutuşturularak yakılır. Ateş topundan yayılan termal radyasyon, fırın çeperlerindeki tüplerde bulunan suyu ısıtır. Fırın içinde su dikey ekseinin üç ya da dört misli yol katedecek kadar dolaştırılır. Fırın içinde dolaşan su ısıyı emer ve buhara dönüşür. Fırının üst kısmındaki bir fıçının içinde buhar sudan ayrıştırılır. Sudan ayrılan buhar yanan gazların en sıcak olduğu bölgede asılı olan süper sıcak tüpler üzerinden türbine yollanır. Bu tüplerden geçirilen buharın ısısı yaklaşık 'ye kadar yükseltilir.

Linyit kömürü yakan tesisler Almanya'dan Avustralya'ya ve Kuzey Amerika'ya kadar geniş bir coğrafyada kuruludur. Linyit maden kömüründen çok daha ham bir kömür türüdür. Daha düşük kalorilidir ve eşdeğer ısı enerjisi üretebilmek için çok daha geniş bir fırın gereklidir. Bu kömürler %70'e kadar su ve kül ihtiva edebilirler, bu nedenle daha düşük fırın sıcaklıkları oluşturur ve daha güçlü endüklenmiş akım fanları gerektirirler. Ateşleme sistemleri de maden kömürü kullanılan tesislerden farklı tasarlanır. Tipik olarak sıcak gazlar fırından atıldıkları noktada gelen kömür tozu ile karıştırılıp fırına verilir.

Suyu buhara çevirmede gaz türbini kullanan tesisler "ısı geridönüşümlü buhar kazanı (heat recovery steam generator - HRSG)" olarak adlandırılan kazanlar kullanırlar. Gaz türbinlerinden çıkan atık ısı süper sıcak buhar oluşturmada kullanılır ve daha sonra geleneksel su-buhar çevrimi uygulanır.

Su kazana ekonomizör denilen bölümden alınır. Ekonomizörden buhar fıçısına geçen su indirici borulardan su duvarlarının altındaki giriş başlıklarına gider. Bu başlıklardan su duvarları boyunca yükselen suyun bir kısmı buhara dönüşür ve bu su-buhar karışımı tekrar buhar fıçısına girer. Aşağı inen suyun yoğunluğu ısınıp yukarı çıkan su-buhar karışımından fazla olduğundan bu süreç doğal çevrim ile dönebilir ya da pompalarla desteklenebilir. Buhar fıçısında ayrıştırılan su indirici borulara geri döner, buhar ise içinde kalan su zerreciklerinden ayrılmak için bir dizi buhar ayırıcı ve kurutucudan daha geçer. Kurutulan buhar buradan sonra süper ısıtıcı borulardan yoluna devam eder.

Fırının yardımcı ekipmanları arasında kömür besleme nozılları ve ateşleme tabancaları, kurum temizleme üfleçleri, su kesicileri ve fırının içini gözlemek için gözlem noktaları (fırın duvarlarında) bulunur. Yanıcı gazların fırın içinde birkerek fırını patlatmasını engellemek için kömür yakılmadan önce bu gazlar yanma bölgesinden tahliye edilir.

Süper ısıtıcı borular ve başlıklarda olduğu gibi buhar fıçısında da ilk başlatmada gerekli olan hava drenaj delikleri vardır.

Fosil yakıtlı güç tesislerinin çoğunda fırın içinde bir süper ısıtıcı bölümü bulunur. Buhar fıçı içindeki kurutucu ekipmanlardan sonra fırın içindeki bir dizi süper ısıtıcıya geçer. Burada buhar tüplerin dışındaki sıcak gazlardan bir miktar daha ısı emer ve doyum sıcaklığına erişir. Süper ısıtılmış buhar daha sonra ana buhar borularından yüksek basınç türbinine girer.

Nükleer güçlü buhar tesislerinde bu kısımlar bulunmaz ama doymuş buhar üretimi başka yollarla yapılır. Deneysel amaçlı nükleer tesisler toplam işletme giderini düşürmek amacıyla fosil yakıtlı süper ısıtıcılarla donatılmıştır.

Türbin çıkışından gelen buhar sisteme geri pompalanmak üzere yüzey yoğunlaştırıcıda yoğuşturulur. Yüzey yoğunlaştırıcının ısısı düşürüldükçe egzoz buharın basıncı düşer ve Rankine çevrimi verimliliği artırılır. 
Yüzey yoğunlaştırıcı bir kabuk ve içinde soğutma suyu dolaştırılan tüplerden oluşan bir ısı dönüştürücüdür. Yandaki diyagramda görüldüğü gibi düşük basınç türbininden gelen egzoz buharı tüperin üzerinden geçerek su haline geldiği kabuğa girer. Bu tip yoğunlaştırıcılar buharın içindeki hava ve gazları atmak ve vakum sağlamak için buhar ejektörleri ya da yıldız motorlu aspiratörler kullanırlar.

Yoğuşturulan buharda en düşük basıncı ve dolayısıyla en iyi verimi elde etmek için yoğuşturucu sıcaklığı en düşük kullanılabilir seviyede tutulmalıdır. Yoğunlaştırıcı sıcaklığı hemen her zaman, suyun buhar basıncının atmosferik basınçtan çok düşük olduğu 100 °C'den aşağıdaki sıcaklıklarda tutulduğundan yoğunlaştırıcı genellikle vakum basıncında