Skladištenje toplinske energije je način pohranjivanja energije za kasniju upotrebu, pomoću toplinskog rezervoara. Postoji niz različitih vrsta toplinskih rezervoara, neki se održavaju na višoj temperaturi od okolnog okoliša, a neki se održavaju na nižoj temperaturi. Korištenje uskladištenog leda ili hladne vode za hlađenje zgrada ili drugih okoliša tijekom dana jedna je od primjena skladištenja toplinske energije. Druga primjena je pohrana topline iz postrojenja koja hvataju sunčevu toplinsku energiju, na primjer, u izoliranom skladištu za kasnije grijanje zgrada i drugih okoliša, ili proizvodnju zagrijane vode za komercijalnu ili stambenu upotrebu.
Tehnologija koja stoji iza pohrane toplinske energije obično se temelji na sposobnosti vode da pohrani velike količine topline ili hladnoće. Ova karakteristika vode naziva se toplina fuzije. Ovo je mjera koliko topline toplinske energije mora apsorbirati tvar da bi prešla iz čvrstog u tekuće stanje ili obrnuto. Relativno mali volumen vode može pohraniti veliku količinu energije. Tipično mjerenje topline fuzije može biti količina energije koju može pohraniti, na primjer, jedan kubični metar vode, što je 93 kilovata.
Jedna od najčešćih industrijskih primjena skladištenja toplinske energije je klimatizacijski sustav za velike zgrade. U poslovnim zgradama sustavi klimatizacije često najviše pridonose potrošnji električne energije tijekom dana, osobito ljeti. Kao takvo, korištenje pohrane toplinske energije u obliku leda može omogućiti ekonomičniji rad klimatizacijskih jedinica tako da rashladna oprema radi noću, kada je električna energija jeftinija, i skladištenje energije u obliku leda za korištenje u rashladnom zraku tijekom dana.
Pretvorba toplinske energije oceana je tehnologija koja koristi prirodno skladište toplinske energije koje postoji u moru. Koristeći ovu tehnologiju, električnu energiju može generirati toplinski stroj koji se pokreće temperaturnom razlikom između plitke i dublje vode. Općenito, voda dubokog oceana hladnija je od vode na manjim dubinama. Ova upotreba skladištenja toplinske energije radi na sličnim principima kao i u turbinama, prijenosom toplinske energije u radnu energiju, a zatim u električnu.