Lämpöenergian varastointi on keino varastoida energiaa myöhempää käyttöä varten lämpösäiliön avulla. On olemassa useita erityyppisiä lämpösäiliöitä, joista jotkut pidetään korkeammassa lämpötilassa kuin ympäröivä ympäristö ja jotkut alhaisemmassa lämpötilassa. Säilytetyn jään tai kylmän veden käyttö rakennusten tai muiden ympäristöjen viilentämiseen päivän aikana on yksi lämpöenergian varastoinnin sovellus. Toinen sovellus on lämmön varastointi laitoksista, jotka keräävät aurinkoenergiaa, esimerkiksi eristetyssä varastossa rakennusten ja muiden ympäristöjen myöhempää lämmitystä varten tai lämmitetyn veden tuottaminen kaupalliseen tai asuinkäyttöön.
Lämpöenergian varastoinnin tekniikka perustuu yleensä veden kykyyn varastoida suuria määriä lämpöä tai kylmää. Tätä veden ominaisuutta kutsutaan fuusiolämmöksi. Tämä on mitta siitä, kuinka paljon lämmön lämpöenergiaa aineen on absorboitava, jotta se muuttuu kiinteästä nestemäiseksi tai päinvastoin. Suhteellisen pieni määrä vettä voi varastoida suuren määrän energiaa. Tyypillinen fuusiolämmön mittaus voi olla energian määrä, joka voidaan varastoida esimerkiksi yhdellä kuutiometrillä vettä, joka on 93 kilowattia.
Yksi yleisimmistä lämpösähkövarastojen teollisista sovelluksista on suurten rakennusten ilmastointijärjestelmät. Liikerakennuksissa ilmastointijärjestelmät ovat usein suurin sähkönkäyttäjä päiväsaikaan, etenkin kesäaikaan. Näin ollen lämpöenergian varastointi jäällä voi mahdollistaa ilmastointilaitteiden käytön taloudellisemmin pitämällä jäähdytyslaitteet käynnissä yön aikana, jolloin sähkö voi olla halvempaa, ja varastoimalla energiaa jääksi käytettäväksi jäähdytysilmassa päiväsaikaan.
Meren lämpöenergian muuntaminen on tekniikka, joka hyödyntää meressä olevaa luonnollista lämpöenergian varastointia. Tätä tekniikkaa käyttämällä sähköä voidaan tuottaa lämpömoottorilla, jota ohjaa matalan ja syvemmän veden lämpötilaero. Yleensä syvä valtameren vesi on kylmempää kuin vesi matalammissa syvyyksissä. Tämä lämpöenergian varastointi toimii samalla tavalla kuin turbiinit, siirtämällä lämpöenergiaa työenergiaksi ja sitten sähköksi.