Termal enerji depolama, daha sonra kullanılmak üzere bir termal rezervuar yoluyla enerji depolamak için bir araçtır. Bazıları çevreleyen ortamdan daha yüksek bir sıcaklıkta, bazıları da daha düşük bir sıcaklıkta tutulan çeşitli tiplerde termal rezervuarlar vardır. Gün içinde binaları veya diğer ortamları soğutmak için depolanmış buz veya soğuk suyun kullanılması, bir termal enerji depolama uygulamasıdır. Bir başka uygulama, örneğin, daha sonra binaların ve diğer ortamların ısıtılması için yalıtılmış bir depolama tesisinde, örneğin ticari veya konut kullanımı için ısıtılmış su üretimi için güneş enerjisi ısısı alan tesislerden ısının depolanmasıdır.
Isıl enerjilerin depolanmasının arkasındaki teknoloji, genellikle, suyun büyük miktarlarda ısı veya soğuk depolayabilmesine dayanır. Suyun bu özelliğine füzyon ısısı denir. Bu, bir katıdan sıvı durumuna veya tersine değişmesi için ısı termal enerjisinin bir madde tarafından ne kadar absorbe edilmesi gerektiğinin bir ölçüsüdür. Nispeten küçük bir su hacmi, büyük miktarda enerji depolayabilir. Füzyon ısısının tipik bir ölçümü, örneğin 93 kilowatt olan bir metreküp su ile depolanabilecek enerji miktarı olabilir.
Termal enerji depolamanın en yaygın endüstriyel uygulamalarından biri, büyük binalar için klima sistemlerinin kullanılmasıdır. Ticari binalarda, iklimlendirme sistemleri genellikle gün içinde, özellikle de yaz aylarında elektrik kullanımına en büyük katkı sağlayanlardır. Bu nedenle, buz biçiminde termal enerji depolaması kullanmak, elektrik enerjisinin daha ucuz olabileceği gece gündüz çalışan soğutucu ekipmanlara sahip olmak ve gün içinde soğutma havasında kullanmak için enerjiyi buz olarak depolamak suretiyle klima ünitelerinin daha ekonomik çalışmasını sağlayabilir.
Okyanus termal enerji dönüşümü, denizde bulunan doğal termal enerji deposunu kullanan bir teknolojidir. Bu teknolojiyi kullanarak, sığ ve daha derin su arasındaki sıcaklık farkı tarafından tahrik edilen bir ısı motoru tarafından elektrik üretilebilir. Genellikle, derin okyanus suyu, sığ derinliklerde sudan daha soğuktur. Termal enerji depolamasının bu kullanımı, türbinlerde kullanılanlara benzer şekilde, termal enerjinin iş enerjisine ve sonra elektriğe aktarılmasıyla çalışır.
