在应对全球气候变化、降低温室气体排放的目标驱动下，能源体系正加速向低碳能源体系转变。这一转变不仅是能源生产方式的改变，也意味着能源储存模式的变化。随着可再生能源占比不断提高，储能的作用将由小时至日尺度的电力平衡拓展至更大规模和更长时间尺度的能源储存。尤其对于冬季采暖、夏季制冷等季节性巨大能源需求，若仍主要依靠化石能源供应，将成为能源系统实现碳中和的重要制约。因此，未来能源体系非常需要能够大规模积累、长期储存并低成本扩展的能源储存方式，以实现可再生能源的跨季节调配。

在众多新型储能技术中，金属钠提供了一条值得关注的路径。金属钠可由氯化钠或氢氧化钠经电解制备，使可再生电力转化为可储存的化学能，并以金属钠的形式储存和运输；在能源需求产生时，储存的金属钠通过化学反应释放氢气和热能。这种“电力制钠—金属钠储存—按需释能”的路径，使金属钠有望成为连接可再生电力与长期能源供应的物质能源载体。本文分析金属钠作为能源载体的制备、储存、运输和能量释放路径，并进一步探讨其形成大规模可再生能源库存的潜在价值。

1 面向大规模长期储存的可再生能源载体

煤炭、石油和天然气本身就是一种物质化的能源储存形式。它们可以在开采后长期储存，并在需要的时间和地点释放能量，因此，化石能源同时承担了能源供应、储存和调配等多重功能。如图1所示，未来能源系统如果要实现可再生能源对化石能源的全面替代，同样需要推动能源生产与储存能力协同发展。

1.1 从电力储存到物质能源储存

风能和太阳能主要以电力形式实现能源转换，仅依靠传统储能在短时间尺度上的电能储存和调节，不能满足季节性能源平衡需求。传统储能主要解决小时至日尺度的电力平衡，即在电力富余时储存能量，并在需求增加时释放。当储能时间尺度进一步扩展至数月甚至跨年度时，核心问题将由短时电力平衡转变为季节性能源供需平衡。冬季采暖和夏季制冷形成了规模巨大的季节性能源需求，需要将能源从需求较低的时期储存至能源需求高峰期。若将满足这些季节性需求的能源全部以电能形式储存，就需要配置大规模电力储能设施，并长期承担相应的基础设施成本。因此，面向季节性乃至更长时间尺度的能源需求，仅依靠现有电能储存技术难以形成大规模、长期且经济可行的能源库存。

在这种情况下，可以将可再生电力转化为能够脱离发电过程而独立存在的物质能源载体。能源载体可以在可再生能源富余时生产，并以物质形态长期储存和运输，在能源需求产生时再转化为热能、氢气、电力或其他形式的能源。由此，能源储存的功能也从单纯的电力时间转移进一步扩展到能源积累、长期储备和跨区域供应。

从这一角度看，电力储存与物质能源储存并非相互替代，而是面向不同时间尺度和能源需求的互补路径。电池、抽水蓄能等技术仍将在短时间尺度的电力平衡和电网调节中发挥重要作用；而对于季节性、跨年度乃至战略性能源储备，则需要进一步发展能够以物质形态长期保存和调配能源的载体。

1.2 可再生能源的物质储能路径

氢气是目前最直接的可再生能源物质储存形式之一。通过电解水，可以将可再生电力直接转化为氢能，再应用于燃料电池发电、工业过程、交通和供热等领域。氢气具有较广泛的能源利用途径，但其物质性质也使其大规模、长时间储存面临较高要求。氢分子尺寸小、易扩散且具有较高的可燃性，对储存系统的密封性和安全性提出了较高要求；同时，部分储氢材料还可能面临氢脆等问题，需要对储氢设备的材料和结构进行专门设计。气态氢通常需要高压压缩储存，液态氢则需要低温液化并长期维持低温状态，这不仅增加了储存设备和安全管理要求，也带来了持续的能量消耗和维护成本。此外，氢气的储存规模受到储氢容器及配套设备容量的限制，扩大储存规模通常需要同步增加相应的储存设施。因此，对于需要储存数月甚至更长时间的大规模季节性能源而言，氢气在安全、设备、维护成本以及储存规模扩展等方面存在难以克服的问题。

甲醇、氨以及合成燃料等属于由氢气进一步转化形成的物质能源载体。可再生电力分解水制取氢气，再利用氢气与碳源、氮源等进一步合成甲醇、氨以及合成有机燃料等产品。与氢气相比，这些物质通常具有更加便利的储存和运输条件，还可以利用现有的燃料储运和终端使用基础设施，并能够与化工、交通运输等产业直接衔接。然而，从能源储存的角度看，这类路径是在“可再生电力—氢气”的基础上增加了物质合成环节，转换环节更多，整体能源转换效率也随之降低。例如，甲醇的制备需要先制取氢气并获得稳定的碳源，再经过合成和精制等过程；若最终需求仍然是氢气，还需要进一步将甲醇转化为氢气，造成额外的能源损失。氨同样需要经过氢气制备和合成过程，其直接燃烧还可能产生氮氧化物，并对燃烧设备提出更高要求。因此，甲醇、氨等物质能源载体更适合用于需要特定化学原料的工业领域；而对于以氢气或热能为主要需求的场景，直接采用这些载体增加不必要的能源转换环节和使用成本。

总体而言，氢气、甲醇、氨以及合成燃料构成了目前可再生电力向物质能源转化的主要路径，为可再生能源的长期储存、运输和多领域利用提供了重要选择，但其储存、运输、能量转换效率和系统成本仍存在不同程度的局限。

1.3 金属能源载体

除氢气及其衍生燃料外，将可再生电力转化为金属并以金属的化学能形式储存，也是实现物质能源储存的一种可能路径。其基本过程是利用可再生电力将金属化合物还原为金属，使电能转化为能够独立存在的化学能，并在能源需求产生时通过化学反应释放储存的能量。铁、铝、镁等金属受到相关研究关注。

与气态或液态能源载体相比，金属能源载体具有固态储存、长期稳定和易于规模化积累等特点。部分金属原料来源广泛，能够为大规模能源库存提供物质基础；金属以固体单质形式储存化学能，通常不需要像压缩氢或液氢那样通过高压或低温条件维持储存状态，从而有利于降低长期储存过程中的维持能耗。此外，金属可以在可再生能源资源丰富的地区生产，并以固体物质形式储存和运输，使能源生产与能源消费在时间和空间上实现分离。

然而，金属在制备能耗、生产成本、化学反应活性以及能量释放方式等方面往往难以兼顾，其作为大规模、长期储存能源载体的适用性不能仅由单一性能决定，而需要从制备、储存、运输到能量释放的全过程进行综合评价。

2  金属钠的能源储存与利用路径

在金属能源载体中，金属钠具有完整的能源转化与利用路径，可以实现能源的跨时间和跨区域调配。

2.1  可再生电力制钠：从电能到物质能源

工业上采用熔融氯化钠电解的盐法制备金属钠，如公式（1）所示，约2.54 t氯化钠可生成1 t金属钠和1.54 t氯气。根据氯化钠的标准生成焓，NaCl分解为金属钠和氯气对应的理论能量需求约为5,000 kWh/t-Na，即每生产1 t金属钠，约有5,000 kWh的能量被储存在金属钠和氯气的化学状态中。实际生产过程中，电解槽运行还需要额外的加热、保温及过程能耗，电解槽环节的实际能耗约为7,500 kWh/t-Na；进一步考虑原料处理、产品分离和精制等环节，工业金属钠的综合电力消耗约为12,000–16,000 kWh/t-Na。因此，现有工业制钠的实际能耗仍明显高于其理论能量需求，降低电解及辅助过程能耗、减少非必要的精制环节，是降低储能级金属钠生产成本的重要方向。

2NaCl → 2Na +Cl₂                                                                   (1)

人们通常认为金属钠价格较高，主要是由于传统金属钠生产规模相对有限、生产技术和安全要求较高，同时工业产品通常具有较高的纯度要求。随着新的制钠企业进入市场，金属钠价格已经出现明显下降。附表对比了中盐化工制钠厂与新疆哈密制钠厂的生产情况。尽管两地在电价、生产规模以及氯气副产品利用条件等方面存在明显差异，但新建制钠企业较低的产品价格表明，随着生产规模扩大、能源成本降低以及副产品综合利用水平提高，金属钠的生产成本仍具有进一步下降的空间。

表1 不同制钠企业生产规模及成本对比

 对于能源储存用途而言，金属钠的主要功能是储存和释放化学能，并不一定需要达到传统工业用途所要求的高纯度。因此，可以从生产流程和产品要求两方面降低储能级金属钠的生产成本。如图2所示，现有盐法制钠首先需要对氯化钠原料进行精制和干燥，并与氯化钙等氯盐混合后进入熔融电解槽；电解产生的熔融金属钠中含有一定量的钙，经过静置后可先分离部分纯度较高的金属钠，其余含钙熔融金属还需要经过离心、压榨、过滤等步骤进一步提纯，同时产生约占金属钠产量10%的高钙钠副产品（含钙约50%）。电解所需的加热和电流输入属于制钠过程的必要能耗，而后续离心、压榨和过滤等精制环节则增加了额外的设备投入、操作环节和能源消耗。

 因此，如果储能用途允许适当降低金属钠纯度，则可以减少原料精制和产品提纯环节，将满足能源释放要求的粗钠直接作为物质能源载体，从而减少生产流程和能源消耗。例如，若将原料盐成本由约700元/t降低，并进一步减少精制环节、优化电解过程以及提高系统自动化和集成水平，则储能级金属钠的生产成本有望明显低于传统工业级产品。按照现有工业生产水平，生产1 t工业级金属钠的综合电力消耗约为12,000–16,000 kWh；随着生产工艺优化和储能级产品要求的调整，未来具有大幅度降低的潜力。

此外，制钠厂的建设应结合当地能源和副产品利用条件进行合理布局。氯气具有较高的运输和储存要求，其区域利用条件对制钠企业的经济性具有重要影响，因此在具有稳定氯气需求的地区建设制钠设施，有利于提高副产品综合利用价值。同时，在可再生能源资源丰富、电力成本较低的地区建设制钠厂，可以进一步降低可再生电力转化为金属钠的成本。通过原料、能源和副产品的区域协同，可形成更加经济的可再生电力制钠模式。

熔融氢氧化钠电解是较为传统的金属钠制备方法，也具有一定的工业技术基础。与氯化钠电解相比，该路线以工业上来源广泛的氢氧化钠为原料，且不产生氯气，钠与氢氧化钠之间可以形成较为简单的物质循环，有利于简化物料处理和副产品利用过程。同时，氢氧化钠具有较低的熔点，其熔融电解可在较低温度下进行，有利于降低生产过程中的加热和保温能耗。该路线生产1 t工业级金属钠的电力消耗约为10,000 kWh。若进一步降低产品纯度要求、减少后续精制环节，其生产能耗和成本仍具有一定的下降空间，因此为储能级金属钠的大规模制备提供了另一种值得关注的技术路径。

4NaOH→ 4Na + O₂ + 2H₂O                                                             (2)

可再生电力制钠是金属钠能源储存链条的起点，其核心是利用电解过程将原本即时产生的可再生电力转化为可以进一步储存、运输和利用的化学能。两种路线均能够实现由电能向金属化学能的直接转化，为可再生电力进入物质能源库存提供了技术基础。随着可再生能源规模不断扩大，金属钠的生产量也可以相应增加，从而为形成大规模能源库存提供物质基础。

2.2  金属钠的长期储存与运输：能源库存的形成

金属钠能源储存通过增加金属钠储存量来扩展能源库存规模，而不需要随着储存容量增加而同步增加大量复杂的储能部件。传统电化学储能系统的储存容量与电极、电解质、容器及其他功能部件密切相关，而金属钠的化学能主要储存在金属钠本身。因此，能源库存规模扩大时，主要增加的是金属钠的生产、储存及相应的基础设施，有利于以较低的边际成本持续扩展能源储存规模。

金属钠以固态单质形式储存化学能，在避免与水分和氧气接触的条件下，可以长期保持稳定。与压缩氢、液氢等需要通过高压或低温维持储存状态的能源载体不同，金属钠的储存状态相对简单，不需要持续输入能源维持其储存状态；同时，与电化学储能系统相比，金属钠以物质形态储存能源，不存在电池自放电所导致的能量损失。因此，金属钠能够以较低的储存维持成本长期保存化学能，具有长时间储存的能力。

 金属钠具有较高的能量密度，以较小的物质质量即可储存较大的化学能，使其不仅适合集中储存，也具有能源运输的潜力。在可再生能源资源丰富的地区，可以利用富余电力生产金属钠，将其作为物质能源进行储存和运输，并在能源需求地区加以利用。由此，金属钠不仅能够实现能源在时间尺度上的长期储存，还能够实现能源在空间上的转移。

经过长期工业应用，金属钠已经形成了成熟的包装、储存、物料装卸和运输方式，并积累了相应的安全管理经验和技术规范。这些已有的工业基础为金属钠发展为大规模能源库存提供了重要的工程条件。

2.3  金属钠的能量释放：从化学能到氢能与热能

能源库存最终需要能够在能源需求产生时即时释放所储存的能量。对于金属钠而言，其储存的化学能可以通过化学反应直接转化为可利用的能源。其中，金属钠与水反应是一条具有代表性的能量释放路径：

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Q                                                        (3)

如公式（3）所示，该反应使储存在金属钠中的化学能转化为氢能和热能。按照化学计量关系，每消耗1 吨金属钠可生成约43.8 kg氢气，同时释放约7.9 GJ（约2.2 MWh）的反应热。对于工业供热、蒸汽生产等需要热能的场景，热源温度越高，能够直接利用的热能品质越如，能源利用价值也越大。产物氢氧化钠可以循环制备金属钠，或作为大规模可广泛应用的的基础化工原料应用化工领域。

金属钠能源释放的核心是通过反应环境调控，将高活性的化学反应转化为可预测、可控制和可连续运行的能源释放过程。虽然无法降低金属钠自身的化学活性，但可以通过调节反应环境控制水与金属钠的有效接触，使储存的化学能按照需求逐步释放。其中，水蒸气浓度是调节钠—水反应速率的重要参数。与液态水直接接触相比，水蒸气可以通过调节其浓度和供给速率，控制单位时间内参与反应的水量，从而调节金属钠的消耗速率，使储存于金属钠中的化学能按照需求释放出来。

3  碳中和目标下的跨季节能源调度

随着全球气候变化影响日益显现，极端高温等气候事件对人类社会和能源系统的影响更加突出。尽早减少温室气体排放、加快能源体系低碳转型，已成为实现可持续发展的迫切任务。实现碳中和不仅需要以可再生能源逐步替代化石能源的生产方式，还需要解决能源生产与终端需求在时间上的错配问题。其中，季节性能源需求尤为突出。热能是人类社会最基础、最容易直接利用的终端能源形式，但其需求规模巨大。中国冬季采暖具有需求规模大、持续时间长和季节性明显等特点，每年消耗约2亿吨标准煤；夏季制冷同样形成规模巨大的季节性能源需求，尤其随着人工智能等高算力产业快速发展，数据中心不仅需要大量电力，其持续运行所产生的热量也带来了巨大的制冷能源需求。若采暖、制冷等季节性能源需求仍主要依靠煤炭、天然气等化石能源满足，即使可再生能源发电规模持续扩大，终端能源消费仍将保留重要的碳排放来源，碳中和目标也难以真正实现。因此，如何将可再生能源从能源富余时期储存至季节性需求高峰，成为未来能源系统实现深度脱碳必须解决的重要问题。

金属钠为实现这一目标提供了一种物质能源储存路径。可在可再生能源较为充足的时期高效的将富余电力转化为金属钠，并以固态物质形式长期储存或远距离运输；金属钠的化学能直接储存在物质本身，长期储存无需持续输入能源维持储存状态，并可通过增加金属钠的生产和储存量扩展能源库存规模，有利于降低大规模、长时间尺度能源储存的单位成本和能量损失。进入冬季采暖或夏季制冷需求高峰后，再通过受控的钠—水反应释放储存的化学能，即时产生氢气和热能。热能可以直接用于冬季采暖和工业供热，也可以用于驱动制冷过程，满足夏季空调以及数据中心等设施的冷却需求；氢气则可作为工业原料或交通能源，并可进一步用于发电。反应生成的氢氧化钠还可循环用于金属钠制备，或作为化工原料用于工业生产。由此，金属钠将可再生能源进行储存和调配，使能源从富余时期转移至需求高峰期，从而减少季节性能源供需错配，并为化石能源提供新的能源供应路径。

除跨季节调度外，大规模金属钠能源库存还能够在可再生能源持续低出力等情况下提供补充能源。当电能和氢能的供应逐渐依赖风能、太阳能等波动性能源时，能源系统仍需要一定规模的长期能源库存，以提高能源供应的稳定性。金属钠能源库存与电池、抽水蓄能等短时储能技术承担不同的时间尺度和能源功能，前者主要面向跨季节及更长时间尺度的能源储存，后者主要承担短时间尺度的电力平衡与调节，二者协同可以进一步提高可再生能源系统的稳定性和能源保障能力。

4  结语

全球气候变化持续加剧，推动能源体系加速脱碳已成为实现碳中和目标的迫切任务。未来能源系统以可再生能源替代化石能源，不仅取决于可再生能源的生产能力，也受制于能源的长时储存能力。本文提出以金属钠作为可再生能源物质载体，将可再生电力转化为能够长期储存、运输和按需供应的物质能源，从而推动可再生能源由“即时生产、即时利用”向“生产、储存与调配相分离”转变。这一思路拓展了传统电力储能的边界，为可再生能源跨季节储存与调配提供了一种新的路径，也为加速能源体系脱碳、推动碳中和目标实现提供了新的可能。

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