Energiedichte

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Physikalische Größe
Name Energiedichte
Größenart spezifische Energie
Formelzeichen der Größe w,ρel
Größen- und
Einheiten-
system		 Einheit Dimension
SI J·m−3  (1)
J·kg−1  (2)		 E·L−3  (1)
E·M−1  (2)
Anmerkungen
(1) volumetrische Energiedichte
(2) gravimetrische Energiedichte, spezifische Energie nach DIN 5485

Die Energiedichte bezeichnet in der Physik die Verteilung von Energie E auf eine bestimmte Größe X, und hat folglich immer die Gestalt

w = \frac{dE}{dX} .

Am häufigsten wird sie verwendet als

  • ein Maß für die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes (volumetrische Energiedichte, Einheit Joule/m³)
  • ein Maß für die Energie pro Masse eines Stoffes (gravimetrische Energiedichte, spezifische Energie, Einheit Joule/kg).

Doch letztendlich kann man zu jeder physikalischen Größe eine entsprechende Energiedichte definieren. Nach DIN 5485 ist der Ausdruck Energiedichte der dimensionalen, insbesondere volumetrischen Angabe vorbehalten, die spezifische Energie speziell massenbezogen; siehe hierzu Energie und Bezogene Größe.

Von großem praktischem Interesse ist die Energiedichte bei den in der Technik verwendeten Energiespeichern wie Kraftstoffen und Batterien. Insbesondere im Fahrzeugbau ist die Energiedichte des verwendeten Energiespeichers entscheidend für die erzielbare Reichweite.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Energiedichte in der Elektrodynamik

[Bearbeiten] Energiedichte elektromagnetischer Wellen

Aus den Maxwell-Gleichungen kann man schließen, dass die maximale Energieabgabe elektromagnetischer Wellen in einem Stoff proportional zum Quadrat der Feldamplituden ist. Elektrisches und magnetisches Feld tragen gleichermaßen bei:

w = \frac{1}{2}\left(\vec E \cdot \vec D + \vec H \cdot \vec B\right)

[Bearbeiten] Energiedichte im Plattenkondensator

Die Energie eines geladenen Plattenkondensators berechnet sich durch

W=\frac{1}{2}CU^2

Für die Kapazität gilt:

C=\varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{A}{d}

Die Spannung U ergibt sich aus E·d. Durch Einsetzen erhält man für die Energie

W=\frac{1}{2}\varepsilon_0 \varepsilon_r\frac{A}{d}E^2d^2

Dies führt auf die Energiedichte

\rho_{el} = \frac{W}{V}=\frac{1}{2} \varepsilon_0 \varepsilon_r E^2

[Bearbeiten] Energiedichte von Energiespeichern

Energiedichten ausgewählter Energiespeicher

Die Energiedichte von Brennstoffen nennt man Heizwert, die von Batterien Kapazität pro Volumen oder Kapazität pro Masse. Beispielsweise beträgt die Energiedichte eines Lithium-Polymer-Akku 140–180 Wattstunden pro kg Masse (140–180 Wh/kg) und die eines Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) 80 Wh/kg. Im Vergleich mit anderen Arten der elektrischen Energiespeicherung schneidet der Akkumulator recht günstig ab.

Gewünscht ist eine hohe Energiedichte, um Transportkosten für den Energieträger gering zu halten, aber auch, um hohe Betriebsdauern mobiler Geräte bzw. hohe Reichweiten von Fahrzeugen zu erzielen. Beispielsweise kann ein Modellhubschrauber mit einer Zuladung von 80 Gramm 5 Minuten lang fliegen, wenn er seine Energie aus einem NiMH-Akku bezieht. Mit einem Lithium-Polymer-Akku der gleichen Masse bleibt er doppelt so lange in der Luft.

[Bearbeiten] Beispiele

Stoff/System Energiedichte in MJ/kg Bemerkung
Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg
Doppelschicht-Kondensator 0,02
Adenosintriphosphat (ATP) 0,0643 Energiespeicher in biologischen Zellen
Schwungradspeicherung 0,03-0,18[1] theoretisches Maximum: 0,8 (Material CFRP)[2]
Bleiakkumulator 0,11
NiCd-Akku 0,14[3]
Kohle-Zink-Batterie 0,23[3]
Li-Titanat-Akku 0,25–0,32 Quelle: Lithium-Titanat-Akku
NiMH-Akku 0,36[4]
Li-Ionen-Akku 0,36[3]–0,5 letztere Zahl siehe: Akkumulator
Alkali-Mangan-Batterie 0,45[3]
Li-Polymer-Akku 0,54[3]
Lithium-Batterie 0,9 Lithium/Eisendisulfid (Li/FeS2)
Zink-Luft-Batterie 1,2[3] Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (inkl. Hydridtank) ca. 1,19 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Trinitrotoluol ca. 4,0 Oxidator ist im Molekül enthalten
Aluminium-Luft-Batterie 4,68 eff.[5] Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
stärkste Sprengstoffe ca. 7 Oxidator ist im Molekül enthalten
mitteleuropäische Nutzhölzer 13–20
Methanol 22,7 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Ethanol 26,78 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Braunkohle 28 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Steinkohle 30 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Pflanzenöl 37 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Kerosin 40 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Dieselkraftstoff 39,6–43,2 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Benzin 43 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (ohne Tank) 119,9 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Atomarer Wasserstoff 216 spontane Reaktion zu molekularem Wasserstoff
Radioisotopengenerator ca. 5.000 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch)
Kernspaltung Natururan (0,72 % U-235) 648.000
Kernspaltung U-235 90.000.000
Kernfusion (Kernwaffe) 300.000.000
Proton-Proton-Reaktion 627.000.000 Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne
Umwandlung von Masse in Energie 90.000.000.000
1 J = 1 Ws; 1 MJ = 0,2778 kWh; 1 kWh = 3,6 MJ

[Bearbeiten] Weitere Energiedichten

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. ↑ Schwungrad und Schwungradspeicher, mechanische Energie im Nahverkehr. Abgerufen am 27. Mai 2009.
  2. ↑ Storage Technology Report ST6: Flywheel, Seite 7. Abgerufen am 29. Mai 2009.
  3. ↑ a b c d e f ETHZ – Merkblatt Batterien und Akkus
  4. ↑ Energizer Produkt-Webseite: NiMH-Akku Bauform AA mit 2500 mAh, 1,2 V, 30 g
  5. ↑ Design and analysis of aluminium/air battery system for electric vehicles" Shaohua Yang, Harold Knickle Journal of Power Sources 112 (2002) 162–173.
Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte“
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