Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας είναι ένα μέσο αποθήκευσης ενέργειας για μελλοντική χρήση, μέσω μιας θερμικής δεξαμενής. Υπάρχουν διάφοροι τύποι θερμικών δεξαμενών, ορισμένες από τις οποίες διατηρούνται σε υψηλότερη θερμοκρασία από το περιβάλλον περιβάλλον, και ορισμένες διατηρούνται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η χρήση αποθηκευμένου πάγου ή κρύου νερού για την ψύξη κτιρίων ή άλλων περιβαλλόντων κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι μια εφαρμογή αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Μια άλλη εφαρμογή είναι η αποθήκευση θερμότητας από εγκαταστάσεις που δεσμεύουν ηλιακή θερμική ενέργεια, για παράδειγμα, σε μια μονωμένη εγκατάσταση αποθήκευσης για μεταγενέστερη θέρμανση κτιρίων και άλλων περιβαλλόντων ή η παραγωγή θερμαινόμενου νερού για εμπορική ή οικιακή χρήση.
Η τεχνολογία πίσω από την αποθήκευση θερμικών ενεργειών βασίζεται συνήθως στην ικανότητα του νερού να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες θερμότητας ή κρύου. Αυτό το χαρακτηριστικό του νερού ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Αυτό είναι ένα μέτρο του πόση θερμική θερμική ενέργεια πρέπει να απορροφηθεί από μια ουσία για να αλλάξει από στερεή σε υγρή κατάσταση ή το αντίστροφο. Ένας σχετικά μικρός όγκος νερού μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Μια τυπική μέτρηση της θερμότητας σύντηξης μπορεί να είναι η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί, για παράδειγμα, από ένα κυβικό μέτρο νερού, που είναι 93 κιλοβάτ.
Μία από τις πιο κοινές βιομηχανικές εφαρμογές αποθήκευσης θερμικής ενέργειας είναι αυτή των συστημάτων κλιματισμού για μεγάλα κτίρια. Στα εμπορικά κτίρια, τα συστήματα κλιματισμού συχνά συμβάλλουν περισσότερο στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας, ειδικά το καλοκαίρι. Ως εκ τούτου, η χρήση αποθήκευσης θερμικής ενέργειας σε μορφή πάγου μπορεί να επιτρέψει στις μονάδες κλιματισμού να λειτουργούν πιο οικονομικά με τον εξοπλισμό ψύκτη να λειτουργεί κατά τη διάρκεια της νύχτας, όταν η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι φθηνότερη, και να αποθηκεύεται ενέργεια ως πάγος για χρήση στον ψύξη του αέρα κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Η μετατροπή θερμικής ενέργειας ωκεανών είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί τη φυσική αποθήκευση θερμικής ενέργειας που υπάρχει στη θάλασσα. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνολογία, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παραχθεί από μια θερμική μηχανή που οδηγείται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ρηχού και βαθύτερου νερού. Γενικά, τα βαθιά νερά των ωκεανών είναι πιο κρύα από τα νερά σε μικρότερα βάθη. Αυτή η χρήση της αποθήκευσης θερμικής ενέργειας λειτουργεί με παρόμοιες αρχές με αυτές που χρησιμοποιούνται στους στρόβιλους, με τη μεταφορά της θερμικής ενέργειας σε ενέργεια εργασίας και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια.