El almacenamiento de energía térmica es un medio de almacenamiento de energía para su uso posterior, mediante un depósito térmico. Hay varios tipos diferentes de depósitos térmicos, algunos se mantienen a una temperatura más alta que el medio ambiente circundante y otros se mantienen a una temperatura más baja. El uso de hielo almacenado o agua fría para enfriar edificios u otros entornos durante el día es una aplicación del almacenamiento de energía térmica. Otra aplicación es el almacenamiento de calor de plantas que capturan energía solar térmica, por ejemplo, en una instalación de almacenamiento aislada para el posterior calentamiento de edificios y otros entornos, o la producción de agua caliente para uso comercial o residencial.
La tecnología detrás del almacenamiento de energías térmicas generalmente se basa en la capacidad del agua para almacenar grandes cantidades de calor o frío. Esta característica del agua se llama calor de fusión. Esta es una medida de la cantidad de energía térmica que debe absorber una sustancia para que cambie de estado sólido a líquido, o al revés. Un volumen relativamente pequeño de agua puede almacenar una gran cantidad de energía. Una medida típica del calor de fusión podría ser la cantidad de energía que se puede almacenar, por ejemplo, en un metro cúbico de agua, que equivale a 93 kilovatios.
Una de las aplicaciones industriales más comunes del almacenamiento de energía térmica es la de los sistemas de aire acondicionado para grandes edificios. En los edificios comerciales, los sistemas de aire acondicionado suelen ser los que más contribuyen al consumo de electricidad durante el día, especialmente en verano. Como tal, el uso de almacenamiento de energía térmica en forma de hielo puede permitir que las unidades de aire acondicionado funcionen de manera más económica al tener equipos enfriadores funcionando durante la noche, cuando la electricidad puede ser más barata, y almacenar energía en forma de hielo para usar en el aire de enfriamiento durante el día.
La conversión de energía térmica oceánica es una tecnología que utiliza el almacenamiento de energía térmica natural que existe en el mar. Con esta tecnología, la electricidad puede ser generada por un motor térmico impulsado por la diferencia de temperatura entre aguas poco profundas y aguas más profundas. Generalmente, el agua del océano profundo es más fría que el agua a menor profundidad. Este uso del almacenamiento de energía térmica funciona con principios similares a los utilizados en las turbinas, mediante la transferencia de energía térmica en energía de trabajo y luego en electricidad.