Šiluminės energijos kaupimas – tai energijos kaupimo priemonė vėlesniam naudojimui, naudojant šiluminį rezervuarą. Egzistuoja daugybė skirtingų tipų šiluminių rezervuarų, kai kurie palaikomi aukštesnėje nei supančioje aplinkoje, o kai kurie – žemesnėje temperatūroje. Sukaupto ledo ar šalto vandens naudojimas pastatams ar kitai aplinkai vėsinti dienos metu yra vienas iš šiluminės energijos kaupimo būdų. Kitas pritaikymas yra šilumos iš įrenginių, gaudančių saulės šiluminę energiją, kaupimas, pavyzdžiui, izoliuotoje saugykloje, skirta vėliau šildyti pastatus ir kitą aplinką arba gaminti šildomą vandenį komerciniam ar gyvenamajam naudojimui.
Šiluminės energijos kaupimo technologija dažniausiai grindžiama vandens gebėjimu kaupti didelius šilumos ar šalčio kiekius. Ši vandens savybė vadinama sintezės šiluma. Tai matas, kiek šiluminės šiluminės energijos medžiaga turi sugerti, kad ji iš kietos būsenos pasikeistų į skystą arba atvirkščiai. Santykinai mažas vandens tūris gali sukaupti daug energijos. Tipiškas sintezės šilumos matavimas gali būti energijos kiekis, kurį gali sukaupti, pavyzdžiui, vienas kubinis metras vandens, tai yra 93 kilovatai.
Vienas iš labiausiai paplitusių pramoninių šiluminės energijos kaupimo pritaikymų yra oro kondicionavimo sistemos dideliuose pastatuose. Komerciniuose pastatuose oro kondicionavimo sistemos dažnai yra didžiausias elektros energijos suvartojimas dienos metu, ypač vasarą. Iš esmės, naudojant šiluminės energijos kaupimą ledo pavidalu, oro kondicionavimo įrenginius galima eksploatuoti ekonomiškiau, nes šaldymo įranga veikia naktį, kai elektra gali būti pigesnė, o energija kaupiama kaip ledas, kad būtų galima naudoti vėsinant orą dieną.
Vandenyno šiluminės energijos konvertavimas yra technologija, kuri naudoja natūralią šiluminės energijos kaupimą jūroje. Naudojant šią technologiją, elektros energija gali būti gaminama šilumos varikliu, kurį varo temperatūros skirtumas tarp seklių ir gilesnių vandens telkinių. Paprastai giluminio vandenyno vanduo yra šaltesnis nei vanduo mažesniame gylyje. Šis šiluminės energijos kaupimo panaudojimas veikia panašiais principais kaip ir turbinose, perkeliant šiluminę energiją į darbo energiją, o vėliau į elektrą.