Das Verfahren der Wärmespeicherung dient dazu, bereits erzeugte, aber aktuell nicht benötigte Wärme zu speichern, damit diese zu einem späteren Zeitpunkt bereitgestellt werden kann und Wärme nicht ungenutzt verloren geht. Ziel ist es, die Erzeugung und Nutzung von Wärme zeitlich voneinander zu lösen und so Schwankungen zwischen dem Wärmeangebot und der Wärmenachfrage ausgleichen zu können. Ein typisches Beispiel sind Fernwärmespeicher, die für Heizung und Warmwasseraufbereitung erforderliche Wärme bewahren und dann bereitstellen, wenn der Verbraucher sie benötigt. Da die Wärmenachfrage tagsüber deutlich höher ist als in der Nacht, wird die Wärme in der Regel nachts in den Speicher geladen, sodass der Wärmebedarf am Tag bedient werden kann.
Für die Wärmespeicherung wird ein stofflicher Wärmespeicher benötigt, welcher die thermische Energie aufnimmt und über einen gewissen Zeitraum erhält. Häufig wird dafür Wasser genutzt, da es eine hohe Wärmekapazität besitzt. Dampf, Beton oder Erde dienen ebenfalls als Speichermedium. Immer öfter wird auch Zeolith, ein silikathaltiges Mineral, zur Wärmespeicherung verwendet, da es thermische Energie auch nach einem langen Zeitraum ohne Wärmeverluste bereitstellen kann.
Wärme kann in unterschiedlichen Temperaturen gespeichert werden. Niedrigtemperaturspeicher erhalten eine Temperatur bis zu 100° Celsius, Hochtemperaturspeicher speichern Temperaturen über 500°. In Mitteltemperaturspeicher wird Wärme mit Temperaturen zwischen 100 bis 500° bewahrt.
Je nach Dauer der Wärmespeicherung gibt es Kurz- und Langzeitwärmespeicher. Kurzeitspeicher erhalten die Wärme nur für einige Stunden oder wenige Tage, Langzeitspeicher hingegen bewahren die Wärme über Wochen oder Monate. Da sie oft überschüssige Energie, die im Sommer beispielsweise durch Solarthermie erzeugt wurde, für die kältere Jahreszeit speichern, werden Langzeitspeicher auch als Saisonalspeicher bezeichnet.
Auch bei dem Funktionsprinzip der Wärmespeicherung gibt es Unterschiede. Bei sensiblen Wärmespeichern erhöht das Speichermedium seine eigene, fühlbare Temperatur, indem es die Wärme aus seiner Umgebung aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt. In Latentwärmespeichern verändert der Wärmespeicher bei der Wärmeaufnahme seinen Aggregatzustand, indem er beispielsweise von fest zu flüssig wechselt. Erfolgt ein erneuter Übergang in den ursprünglichen Aggregatzustand, wird die gespeicherte Wärme freigegeben. Thermochemische Wärmespeicher, auch Sorptionsspeicher genannt, erhalten die Wärme durch eine chemische Reaktion, beispielsweise durch den Einsatz von Zeolith.
