همانطور که می‌توانید تصور کنید، تقاضای انرژی اغلب همزمان با تولید انرژی، به خصوص در مورد تامین انرژی تجدیدپذیر رخ نمی‌دهد،. بسیار واضح است که عدم تطابق فصلی بین تقاضای گرمایش در آب و هوای نسبتاً سرد و پتانسیل انرژی خورشیدی در همان اقلیم است. اما همان طور که در این شکل نشان داده شده است، تفاوت‌های ساعتی بین تقاضا و عرضه نیز وجود دارد که هر روز رخ می‌دهد. می‌توان از ذخیره انرژی حرارتی (Thermal Energy Storage) برای غلبه بر این عدم تطابق و استفاده بهتر از پتانسیل‌های انرژی استفاده کرد.
به طور کلی می‌توان از آن برای ذخیره انرژی حرارتی برای استفاده‌های بعدی استفاده کرد. این روش می‌تواند مانند استفاده از انرژی در زمان قیمت پایین، یا کاهش ظرفیت تجهیزات مورد نیاز، مزایای زیادی داشته باشد، زیرا اوج تقاضا می‌تواند با انرژی حرارتی ذخیره شده تامین شود.
انرژی حرارتی را می‌توان به سه نوع تقسیم کرد: 1- انرژی حرارتی محسوس که مربوط به دما است. 2- انرژی گرمایی نهان که انرژی مورد نیاز برای دستیابی به تغییر فاز یک ماده و 3- در نهایت انرژی گرمایی است که ذخیره انرژی حرارتی در پیوندهای شیمیایی است. در تمام این موارد انرژی به وسیله گرما به سیستم ذخیره و از آن منتقل می‌شود. امروز ما عمدتا در مورد انرژی حرارتی معقول بحث خواهیم کرد.
ذخیره گرمای محسوس با تغییر دمای محیط ذخیره‌سازی به دست می‌آید که معمولاً از آب استفاده می‌شود، اما می‌تواند ماسه یا بتن نیز جایگزین شود. همچنین در توده حرارتی ساختمان‌ها – به عنوان مثال در دیوارهای بتنی یا آجری – انرژی می‌تواند ذخیره شود. مقدار گرمای محسوس ذخیره شده با ضرب جرم مربوطه در ظرفیت گرمایی ویژه و اختلاف دما قبل و بعد از شارژ یا تخلیه ذخیره سازی محاسبه می‌شود.
به عنوان مثال، انرژی حرارتی ذخیره شده در مخزن آب گرم نشان داده شده است: حجم دیگ 200 لیتر است و دما با 30 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد. ظرفیت گرمایی ویژه آب 4.2 کیلوژول بر کیلوگرم در کلوین است.
بنابراین انرژی حرارتی ذخیره شده 200 برابر 30 ضربدر 4.2 است که برابر با 25200 کیلوژول است. اگر این مقدار را بر 3600 تقسیم کنید، محتوای انرژی را بر حسب واحد کیلووات ساعت را بدست خواهید آورد و در نتیجه مقدار 7 کیلووات ساعت انرژی حرارتی ذخیره شده به دست می آید. این برای 7 کیلو وات ساعت برای دوش گرفتن 5 دقیقه‌ای کافی است.
از همین اصل حتی برای ذخیره انرژی حرارتی بزرگتر استفاده می‌شود، به همین ترتیب می‌توان از سیستم ذخیره انرژی گرمایی برای ساختمان‌های چند خانواده کوچکتر یا بزرگتر یا ساختمان‌های غیر مسکونی و حتی برای محله ها استفاده کرد. مخزن بسیار بزرگ نشان داده شده در سمت چپ حتی می تواند برای ذخیره سازی فصلی استفاده شود.
همانطور که می‌بینید، حجم عظیمی برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی فصلی مورد نیاز است. بنابراین، اغلب از سطح زیرین زمین برای ذخیره سازی انرژی حرارتی فصلی استفاده می‌شود. سفره‌های زیرزمینی – لایه های زیرزمینی ماسه با آب زیرزمینی – می‌توانند برای ذخیره گرما استفاده شوند. این سیستم ها، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی آبخوان ATES (Aquifier Thermal Energy Storage) نامیده می شوند. در این سیستم‌ها، دو چاه حفر می‌شود که به یک چاه سرد و یک چاه گرم تبدیل می‌شود. در تابستان، از چاه سرد آب زیرزمینی استخراج می‌شود و از یک مبدل حرارتی عبور می کند تا ساختمان را خنک کند. گرمای ساختمان به آب زیرزمینی منتقل می‌شود و سپس به داخل چاه گرم تزریق می‌شود. در تابستان، برعکس این اتفاق می‌افتد: آب گرم از چاه گرم استخراج می‌شود تا برای گرمایش ساختمان استفاده شود. از آنجایی که آب ذخیره شده معمولاً حداکثر دمای 25 درجه دارد، از پمپ حرارتی برای ارتقاء بیشتر دما استفاده می‌شود. آب زیرزمینی سرد شده دوباره در چاه سرد تزریق می‌شود. به طور سالانه، گرما و سرمای استخراج شده باید در تعادل باشند.
همچنین مبدل‌های حرارتی زمینی را می‌توان برای سرمایش و گرمایش ساختمان‌ها به همراه پمپ حرارتی استفاده کرد. این سیستم ها، سیستم های BTES (Borehole Thermal Energy Storage)، “سیستم ذخیره انرژی حرارتی گمانه” نامیده می شوند. گمانه‌های عمودی رایج‌ترین هستند، اما همچنین، مبدل های حرارتی زمینی افقی را نیز می‌توان اعمال کرد. شکل سمت راست طرحی از یک خانه با پمپ حرارتی با استفاده از مبدل حرارتی زمینی افقی به عنوان منبع پمپ حرارتی را نشان می‌دهد.
امکان سنجی یک سیستم ATES به ویژگی‌های سطح زیرین بستگی دارد. نقشه جهانی را برای استفاده از سیستم های ATES در مکان مناسب را نشان می دهد.
از این رو، ذخیره انرژی حرارتی معقول را در اندازه‌های مختلف و برای دوره‌های ذخیره‌سازی مختلف، از ذخیره‌سازی فصلی کوتاه مدت تا بلند مدتف می‌توان یافت.
اکنون می‌خواهیم به طور خلاصه به ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نهان اشاره کنیم. در تغییر فاز یک ماده – برای مثال از مایع به جامد یا از جامد به مایع – گرمای زیادی مورد نیاز یا آزاد می‌شود. از این پدیده می‌توان برای ذخیره انرژی استفاده کرد. شناخته شده‌ترین ماده تغییر فاز بدیهی است که آب است: در تغییر فاز از آب به یخ، انرژی آزاد شده، 80 برابر انرژی آزاد شده‌ای است که با پایین آوردن درجه‌ی همان مقدار آب با یک درجه سانتیگراد، آزاد می‌شود. برای محیط ساخته شده انواع مختلفی از مواد تغییر فاز توسعه یافته‌اند و هنوز هم در حال توسعه هستند. این‌ها معمولاً نقطه ذوب بالاتری دارند، به این معنی که انرژی زیادی در این دماها ذخیره می‌شود.
