Die thermische Energiespeicherung ist ein Mittel zur Speicherung von Energie für die spätere Verwendung mittels eines Wärmespeichers. Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Wärmespeichern, von denen einige auf einer höheren Temperatur als die Umgebungstemperatur gehalten werden und einige auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden. Die Verwendung von gespeichertem Eis oder kaltem Wasser zum Kühlen von Gebäuden oder anderen Umgebungen während des Tages ist eine Anwendung der thermischen Energiespeicherung. Eine weitere Anwendung ist die Speicherung von Wärme aus Solarthermie gewinnenden Anlagen, beispielsweise in einem isolierten Speicher zur späteren Beheizung von Gebäuden und anderen Umgebungen, oder die Produktion von Warmwasser für gewerbliche oder private Zwecke.
Die Technologie hinter der Speicherung von Wärmeenergie basiert meist auf der Fähigkeit von Wasser, große Mengen an Wärme oder Kälte zu speichern. Diese Eigenschaft des Wassers wird als Schmelzwärme bezeichnet. Dies ist ein Maß dafür, wie viel Wärme Wärmeenergie von einem Stoff aufgenommen werden muss, damit er vom festen in den flüssigen Zustand übergeht oder umgekehrt. Eine relativ kleine Wassermenge kann viel Energie speichern. Ein typisches Maß für die Schmelzwärme könnte die Energiemenge sein, die beispielsweise von einem Kubikmeter Wasser gespeichert werden kann, das sind 93 Kilowatt.
Eine der häufigsten industriellen Anwendungen der thermischen Energiespeicherung sind Klimaanlagen für große Gebäude. In gewerblichen Gebäuden tragen Klimaanlagen tagsüber oft am stärksten zum Stromverbrauch bei, insbesondere im Sommer. Daher kann die Verwendung von Wärmeenergiespeichern in Eisform einen wirtschaftlicheren Betrieb von Klimaanlagen ermöglichen, indem Kühlanlagen nachts laufen, wenn Strom billiger sein kann, und Energie als Eis zur Verwendung in Kühlluft während des Tages speichern.
Die Umwandlung der thermischen Energie des Ozeans ist eine Technologie, die den natürlichen Wärmespeicher des Meeres nutzt. Mit dieser Technologie kann Strom durch eine Wärmekraftmaschine erzeugt werden, die durch den Temperaturunterschied zwischen flachem und tieferem Wasser angetrieben wird. Im Allgemeinen ist das Wasser der tiefen Ozeane kälter als das Wasser in geringeren Tiefen. Diese Nutzung der thermischen Energiespeicherung funktioniert nach ähnlichen Prinzipien wie bei Turbinen, indem thermische Energie in Arbeitsenergie und dann in Strom umgewandelt wird.