Siltumenerģijas uzkrāšana ir enerģijas uzkrāšanas līdzeklis vēlākai izmantošanai, izmantojot termisko rezervuāru. Ir vairāki dažādu veidu termiskie rezervuāri, daži tiek uzturēti augstākā temperatūrā nekā apkārtējā vide, bet daži tiek uzturēti zemākā temperatūrā. Uzglabātā ledus vai aukstā ūdens izmantošana ēku vai citu vidi atdzesēšanai dienas laikā ir viens no siltumenerģijas uzkrāšanas pielietojumiem. Vēl viens pielietojums ir siltuma uzglabāšana no iekārtām, kas uztver saules siltumenerģiju, piemēram, izolētā krātuvē ēku un citu vidi vēlākai apkurei vai apsildāma ūdens ražošanai komerciālai vai dzīvojamai lietošanai.
Siltumenerģijas uzglabāšanas tehnoloģija parasti balstās uz ūdens spēju uzglabāt lielu daudzumu siltuma vai aukstuma. Šo ūdens īpašību sauc par saplūšanas siltumu. Tas ir mērs, cik daudz siltumenerģijas ir jāuzņem vielai, lai tā no cieta stāvokļa pārvērstos šķidrā vai otrādi. Salīdzinoši neliels ūdens tilpums var uzglabāt lielu enerģijas daudzumu. Tipisks kodolsintēzes siltuma mērījums varētu būt enerģijas daudzums, ko var uzglabāt, piemēram, viens kubikmetrs ūdens, kas ir 93 kilovati.
Viens no visizplatītākajiem siltumenerģijas uzglabāšanas rūpnieciskajiem lietojumiem ir gaisa kondicionēšanas sistēmas lielām ēkām. Komerciālās ēkās gaisa kondicionēšanas sistēmas bieži vien ir lielākais elektroenerģijas patēriņš dienas laikā, īpaši vasarā. Tādējādi, izmantojot siltumenerģijas uzglabāšanu ledus veidā, gaisa kondicionēšanas iekārtas var darbināt ekonomiskāk, dzesētāja iekārtas darbojoties nakts laikā, kad elektrība var būt lētāka, un uzglabājot enerģiju ledus veidā, lai to izmantotu dzesēšanas gaisā dienas laikā.
Okeāna siltumenerģijas pārveide ir tehnoloģija, kas izmanto dabisko siltumenerģijas uzkrāšanu, kas pastāv jūrā. Izmantojot šo tehnoloģiju, elektroenerģiju var ražot siltumdzinējs, ko darbina temperatūras atšķirība starp seklu un dziļāku ūdeni. Parasti dziļais okeāna ūdens ir vēsāks nekā ūdens seklākos dziļumos. Šī siltumenerģijas uzkrāšanas izmantošana darbojas pēc līdzīgiem principiem kā turbīnās, pārnesot siltumenerģiju darba enerģijā un pēc tam elektroenerģijā.