熱能儲存（TES）可通過多種不同的技術來實現。根據特定的技術，它允許數小時、數天、數月后存儲和使用多余的熱能，其規模范圍可從單個過程、建筑物、多用戶建筑物、地區、城鎮或地區開始。用法示例是白天和晚上之間的能量需求平衡，將夏季熱量存儲為冬季取暖，或將冬季寒冷的溫度用作夏季空調（季節性熱能存儲）。儲存介質包括水或冰凍水箱，大量天然土或基巖，通過熱交換器通過鉆孔，深層蓄水層進入包含在不可滲透的地層之間；淺的，有襯里的坑、上面充滿礫石和水、頂部是絕緣的，以及共晶溶液和相變材料。

其他用于存儲的熱能來源包括由熱泵從非高峰，低成本電力利用熱泵產生的熱或冷，這種做法稱為調峰；熱電聯產電廠的熱量；由可再生電能產生的熱量超過電網需求，并從工業過程中產生余熱。無論是季節性的還是短期的蓄熱，都被認為是一種重要手段，可以廉價地平衡可變可再生電力生產的高份額，以及幾乎或完全由可再生能源供電的能源系統中的電力和供熱部門的整合。

大多數實用的主動式太陽能加熱系統可提供從幾小時到一天的能量收集。但是，越來越多的設施使用季節性熱能存儲（STES），從而可以在夏天存儲太陽能，以便在冬天進行空間供熱。位于加拿大艾伯塔省的德雷克登陸太陽能社區目前全年實現了97％的太陽能采暖率，僅通過合并STES就可以創造世界紀錄。

高溫太陽熱輸入也可以同時使用潛熱和顯熱。各種金屬的低共熔混合物，例如鋁和硅（AlSi12）具有適合有效產生蒸汽的高熔點，而高鋁水泥基材料則具有良好的儲熱能力。

正在開發一些應用程序，這些應用程序在非高峰時期會產生冰塊，并在稍后的時間用于冷卻。例如，可以通過在晚上使用低成本的電將水凍結成冰，然后在下午使用冰的制冷量來減少滿足空調需求所需的電，從而更加經濟地提供空調。使用冰的熱能儲存利用了水的大量熔化熱。歷史上，冰是從山上運到城市用作冷卻劑。一噸水（= 1立方米）可以存儲3.34億焦耳（MJ）或317,000??BTU（93千瓦時）。相對較小的存儲設施可以容納足夠的冰，以冷卻大型建筑物一天或一周。

除了在直接冷卻應用中使用冰外，它還被用于基于熱泵的加熱系統中。在這些應用中，相變能量提供了非常重要的熱容量層，該熱容量層接近水源熱泵可以運行的最低溫度范圍。這使系統能夠克服最重的熱負荷條件并通過以下方式延長時間范圍：能源元素可以將熱量貢獻回系統。

低溫儲能使用液化空氣或氮氣作為儲能器。

2010年，英國斯勞的一個發電站投入運行，該試點低溫能源系統使用液態空氣作為儲能器，并利用低級廢熱來驅動空氣進行熱膨脹。

固態或熔融硅的存儲溫度比鹽高得多，因此容量和效率更高。正在研究它作為一種可能的更節能的存儲技術。硅能夠在1400°C下每立方米存儲超過1 MWh的能量。

澳大利亞公司1414 Degrees正在開發熔融硅熱能存儲，作為一種更具能源效率的存儲技術，具有熱電聯產的能力。