通过向特定的化学材料提供热能可以破坏它们之间的分子间键合，并且分离成单独的反应物，如C+ΔH⇌A+B，在储热过程中化学反应物C吸收能量分解为生成物A和B，当不需要能量时，生成物A和B被单独存储起来，释热过程中储存的A和B充分接触发生化学反应生成初始反应物C，同时释放热量。热化学储热在潜力上要超过显热储热和潜热储热，其能量密度比潜热和显热储热系统分别高出2倍和8～10倍。同时因为生成物可以在室温环境下稳定储存没有热量损失，从理论上来讲它的储存时间和输送距离是无限的，可以实现季节性储能而不需要特殊的绝热措施。

热化学储热在储能密度以及工作温度范围上的优势是其他蓄热方式无可比拟的，然而还处于研究和开发阶段，大都还停留在概念层面，主要的热化学储能体系包括：金属氢化物体系、氢氧化物体系、碳酸盐体系、金属氧化物体系、氨基热化学体系、有机物体系和水合盐体系等。

金属氢化物化学储热是利用元素周期表d区元素以及f区元素中的金属的吸氢性能，其在高温高压下与氢气接触后将氢分子解析成氢离子，形成金属氢化物，同时放出大量的热能；当外界有热量加给氢化物时，金属氢化物受热分解，吸收大量的热，释放出氢气。反应通式为，式中M表示某种金属。推荐的高温储氢材料有LiH、MgH₂、CaH₂和TiH₂等，其中MgH₂由于储氢密度较高、反应可逆性较好，成为比较有前景的储能材料，其反应温度为250～500℃，反应方程式为：

MgH₂+ΔH⇌Mg+H₂　　ΔH=75千焦/摩尔

氢氧化物化学储热是利用氢氧化物分解和与水进行化合反应时的热效应进行能量的存储和释放。无机氢氧化物的研究主要集中在Ca(OH)₂/CaO体系和 Mg(OH)₂/MgO体系上：

Ca(OH)₂+ΔH⇌CaO+H₂O　　ΔH=104千焦/摩尔

Mg(OH)₂+ΔH⇌ MgO+H₂O　　ΔH=81千焦/摩尔

Ca(OH)₂和CaO安全无毒、价格低廉，Ca(OH)₂储热过程发生在410～550℃，反应可在常压下进行，而氧化钙水合过程在常温下可快速发生，水合率可达100%。

碳酸盐化学储热是利用碳酸盐受热发生分解这一特性，在合适的温度和压力条件下，碳酸盐吸收热量分解生成金属氧化物，释放出二氧化碳，之后金属氧化物和二氧化碳发生化合反应，重新生成碳酸盐，吸收大量的热。其反应通式为MCO₃+ΔH⇌MO+CO₂，M表示某种金属。碳酸盐储能体系储能密度高、无副反应、产物容易分离、原料成本低廉，具有广阔的应用前景。CaCO₃/CaO体系、PbCO₃/PbO体系的基本反应过程为：

CaCO₃+ΔH⇌CaO+CO₂　　ΔH=178千焦/摩尔

PbCO₃+ΔH⇌PbO+CO₂　　ΔH=88千焦/摩尔

金属氧化物化学储热是通过金属与金属氧化物之间的电子的得失或公用电子对的偏移实现储热和释热。高价态金属氧化物在高温下吸热分解，生成低价金属氧化物，低价金属氧化物与氧气发生氧化反应，释放出热量，化学反应通式为，反应温度通常在600～1000℃，特别适用于高温热能存储。比较有前途的金属氧化物储能体系包括Co₃O₄/CoO、Mn₃O₄/MnO、Fe₂O₃/FeO和CuO/Cu₂O等，其中Co₃O₄/CoO储能体系具有很高的储能密度和优异的动力学性能，其反应温度为700～850℃，反应式为：

2Co₃O₄+ΔH⇌6Co₃O+O₂　　ΔH=205千焦/摩尔

氨基热化学化学储热是利用合成氨和氨分解时的热效应进行能量的存储和释放，氨储能体系的反应式为2NH₃+ΔH⇌N₂+3H₂，该反应温度范围为400～700℃，压力为1.0～3.0兆帕，正逆反应都需要催化剂。氨基热化学体系基于成熟的合成氨工业，氨气原材料丰富便宜，反应容易控制、无副反应等优点成为理想的热化学储能体系之一。

有机物化学储热是通过对有机物进行高温裂解、重整以及气化的方式达到能量存储的目的。甲烷（CH₄）热化学重整反应是工业上技术成熟的制氢储能方法。CH₄热化学重整体系可以分为CH₄/CO₂干态重整和CH₄/H₂O蒸汽重整反应。其反应式分别为：

CH₄+CO₂+ΔH⇌2CO+2H₂　　ΔH=247千焦/摩尔

CH₄+H₂O+ΔH⇌CO+3H₂　　ΔH=206千焦/摩尔

水合盐化学储热是通过简单的水合与水解可逆反应完成蓄热和释热。水和盐吸收外界热量部分或全部脱去结晶水，生成无水盐和水蒸气储存起来，当需要释放热量时，让水蒸气和无水盐接触反应释放热量。水合盐反应过程条件温和，在安全性上展现出极大的优势，反应温度通常低于150℃，在低温蓄热方面的应用前景广阔。

热化学储/释热过程示意图