mini|upright=1.25|Energiedichten von Akkus: Energie/Volumen bzw. Energie/Gewicht, Daten von 2006

Als Energiedichte von Energiespeichern bezeichnet man in der Energiewirtschaft die Menge technisch „nutzbarer Energie“ in einem Energiespeicher je Masse- oder Volumen-Einheit. Sie leitet sich aus der physikalischen Größe der volumetrischen Energiedichte ab und bezieht sich wie diese auf die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, behandelt sie aber nicht abstrakt, sondern in Bezug auf den wirtschaftlichen Nutzen. Geht es um die volumetrische Energiedichte, sollte man dies nach DIN 5485 kenntlich machen.

Man unterscheidet je nach Kontext Primärenergie, Nutzenergie und Endenergie, außerdem zwischen Brennwert und Heizwert, soweit es sich um den Energiegehalt von Brennstoffen handelt. Bei diesen bleiben der zur Verbrennung nötige, meist der Umgebung entnommene Sauerstoff sowie ihr Behältnis, gewöhnlich ein Tank, als Bezug außer Acht. Bei Akkumulatoren gilt der Bezug dem ganzen Bauteil. Dies macht es schwierig, Energiedichten verschiedener Speicherbauarten direkt miteinander zu vergleichen.

Je nach Anwendungsgebiet sind verschiedene Energieeinheiten üblich und beim Vergleich zu beachten, nämlich Kilowattstunde, Joule oder Kalorie. Gleiches gilt für die Bezugsgrößen Volumen in Liter gleich Kubikdezimeter (dm³) oder Kubikmeter sowie Masse in Kilogramm oder Tonne.

Liste von Energiespeichern Angegeben sind jeweils in Spalte zwei die massenbezogene (gravimetrische) Energiedichte und, soweit verfügbar, in Spalte drei auch die volumetrische Energiedichte. Die nicht der kontrollierten Energiespeicherung dienenden Stoffe wie Sprengstoffe oder Zucker sind durch dunkleren Hintergrund markiert; Einträge physikalischer Größen zu Vergleichszwecken erkennt man dagegen am weißen Hintergrund. Stoff/System MJ/kg MJ/dm³ Bemerkung Anm.* Referenzen Magnete NdFeB- und SmCo-Magnete 0,000 055 200–400 kJ/m3 BHmax, also 30–55 J/kg mag Kondensatoren Elektrolytkondensator 0,000 4 0,01–0,1 Wh/kg, also 0,04–0,4 kJ/kg el Doppelschicht-Kondensator 0,01 0,1–3 Wh/kg, also 0,4–10 kJ/kg (Stand 2014) el Superkondensator 0,1 5–30 Wh/kg, also 20–125 kJ/kg (Stand 2019) el Akkumulatoren, Batterien, Mechanische Energie u. a. m. Schwerkraft 1e−5 1 kg im Gefälle von 1 m besitzt die potenzielle Energie von m·g·h = 1 kg·9,81 m/s²·1 m = 9,81 J. Bei Wasser im Staukraftwerk beträgt der Volumensverbrauch dabei 10 l mech Bleiakkumulator 0,11 0,25 a) 3–30 Wh/kg, also 10–110 kJ/kg b) 30–40 Wh/kg Energiedichte (MJ/L) Starterbatterie chem a) b) Redox-Flow Zellen ohne Stack (nur leistungs- aber nicht kapazitätsbegrenzend) und Tank (je größer, desto weniger relativer Anteil). Vanadium, Zink-Brom, Metall-Lösungs, aber auch organische Moleküle mit flüssigen Ausgangs- und Endstoffen chem Adenosintriphosphat (ATP) 0,128 das entspricht bei der Spaltung beider Bindungen 64,6 kJ/mol bei 0,507 kg/mol chem Schwungradspeicherung mit CFK 0,18 49 Wh/kg mech Kohle-Zink-Batterie 0,23 0,54 65 Wh/kg, also 230 kJ/kg chem NiCd-Akku 0,25 a) 40 Wh/kg b) 4–70 Wh/kg, also 15–250 kJ/kg chem a) b) c) Silberoxid-Zink-Batterie 0,27 0,98 272 Wh/L, also 979,2 kJ/L chem ZPower Size 312 Rechargeable Battery (XR41) (Datenblatt) NiMH-Akku 0,28 a) 2,3 Ah · 1,0 V / 30 g =76,7 Wh/kg b) 60 Wh/kg c) 15–120 Wh/kg, also 50–400 kJ/kg d) 60–80 Wh/kg chem a) b) c) d) Li-Titanat-Akku 0,32 90 Wh/kg, also 0,32 MJ/kg chem Schmelzenergie von Wasser 0,33 bei 1013,2 hPa und 0 °C Phasen-übergang Nickel-Zink-Akkumulator 0,43 65–120 Wh/kg, also 0,23–0,43 MJ/kg chem Zebra-Batterie (Natrium-Nickelchlorid) 0,43 100–120 Wh/kg, also 0,36–0,43 MJ/kg chem unklare Einheit Alkali-Mangan-Batterie 0,45 1,26 125 Wh/kg, also 450 kJ/kg chem Druckluft (ohne Tank) 0,46 0,14 a) 138 · 106 Ws/m3 bei 300 kg/m3 b) Mit Druckbehälter ist die Energiedichte bis 10 Mal geringer mech a)b) ohne Ref. Li-Polymer-Akku 0,54 a) 150 Wh/kg, also 540 kJ/kg b) 130–200 Wh/kg chem a) b) Natrium-Schwefel-Akkumulator 0,45 a) 200 Wh/kg b) 100 – 120 Wh/kg c) theoretisch bis 750 Wh/kg chem a) b) c) Natrium-Ionen-Akkumulator 0,504 0,864 a) 140 Wh/kg also 504 kJ/kg und 240 Wh/L also 864 kJ/L a) Li-Ionen-Akku 0,65 0,7–1,8 a) 180 Wh/kg b) 100 Wh/kg c) 40–200 Wh/kg chem a) b) c) d) Sand-Batterie 0,68 0,85 Auf 400..1000 °C erhitzter Sand in einem abgeschlossenen Speichervolumen therm Zink-Luft-Batterie 1,2 a) 340 Wh/kg, also 1 200 kJ/kg b) dreimal so groß wie Li-Batterie chem, O a) b) Lithium-Luft-Akkumulator 1,6 a) > 450 Wh/kg b) sollte 1 000 Wh/kg erreichen c) > 400 Wh/kg chem, O a)b) c) Kondensationsenthalpie von Wasser 2,26 bei 1013,2 hPa und 100 °C 40,7 kJ/mol Phasen-übergang Lithium-Thionylchlorid-Batterie 2,34 650 Wh/kg chem Thermit 4,0 18,4 Hochtemperatur-Anwendungen chem ( ?) Trinitrotoluol (TNT) 4,6 6,92 1.046 kJ/mol / (227 g/mol). Oxidator ist im Molekül enthalten chem TNT-Äquivalent Aluminium-Luft-Batterie 4,7 a) 1 300 Wh/kg, also 4 700 kJ/kg b) Zukünftiges Ziel: 8 000 Wh/kg = 28 MJ/kg chem, O a) b) Wasserstoffpaste (Powerpaste) 5,76 6,84 nach Quelle 1,6 kWh/kg bzw. 1,9 kWh/l wiederverwendbar; drucklose Speicherung bei normaler Tempetartur Fraunhofer IFAM stärkste Sprengstoffe 7 Oxidator ist im Molekül enthalten. siehe Sprengstoff Müll, Festbrennstoffe u. a. m. Restmüll 8–11 O, Hw Braunkohle 11,3 a) 8,4–11,3 MJ/kg b) 9,1 MJ/kg O, Hw a) b) Zucker 16,7 O BMI-Rechner.net Holz (lufttrocken) 16,8 a) 14,6–16,8 MJ/kg b) 14,7 MJ/kg O, Hw a) b) Stroh und Klärschlamm (trocken) 17 ausgefaulter Klärschlamm hat etwa 11 MJ/kg O, Hw Polylactid (PLA) 17,9–19,2 a) 17,9 MJ/kg b) 18,2 MJ/kg c) 19,2 MJ/kg O, Hw a) b) c) Holzpellets und Holzbriketts 18 O, Hw Braunkohle (Brikett) 19,6 O, Hw Alkohole, Kohle u. a. m. Methanol 19,7 15,6 O, Hw Ammoniak (flüssig) 22,5 15,3 −33 °C oder 9 bar O, Hw Ethanol 26,7 21,1 O, Hw Altreifen 29,5 O, Hw Silicium 32,6 75,9 O Kohlenstoff 32,8 74,2 O Steinkohle 34 a) 27–34 MJ/kg b) 29,3 MJ/kg c) 27,7 MJ/kg, Koks 28,7 MJ/kg, Briketts 31,4 MJ/kg O, Hw a) b) c) KohlenwasserstoffeBenzin und Rohöl40–4229–32Schweröl, Bunkeröl, Rückstandsöl hat ca. 40 MJ/kgO, HwDiesel und Heizöl leicht 42,8–43 35–36 O, Hw Kerosin 43,1 34,2 Die Spezifikationen einzelner Flugbenzinsorten können abweichen Propan (flüssig) 46,323,4 −42,1 °C oder 8,36 bar O, Hw Flüssiggas mit Stahltank 23 ca. Netto plus Tara O, Hw Methan 50 0,0317 a) 50 MJ/kg / 35,9 MJ/m3 b) 55,5 MJ/kg / 39,8 MJ/m3 c) 31,7 MJ/m3 O, Hw a) b) c) Erdgas mit Stahltank 5 ca. Netto plus Tara O, Hw a) b) c) Wasserstoff Wasserstoff 1 Bar (ohne Tank) 120 0,01079 O, Hw , ( ?) Wasserstoff 700 Bar (ohne Tank) 120 5,6 O, Hw , ( ?) Wasserstoff flüssig (ohne Tank) 120 10,1 bei 20,324 °K bzw. −252,826 °C O, Hw , ( ?)Wasserstoff (als LOHC) 13 ca. Heizwert ohne Methanol als Trägerstoff (0,11 kgH2 / kgMethanol). O, Hw Wasserstoff (inkl. Hydridtank) 1,19 ca. chem, O Wasserstoff mit Stahltank 700 bar 1,2 ca. Netto plus Tara O, Hw , ( ?) Kernenergie u. a. m. Radioisotopengenerator elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch) nukl. Kernspaltung Natururan(0,72 % 235U) entspricht 7,5 GWd/t Schwermetall nukl. Abbrand (Kerntechnik) Wert gemäß dem durchschnittlichen Abbrand von heute ca. 40 GWd/t. Spaltmaterial bis zu 500 GWd/t Schwermetall nukl. Zerfall des freien Neutrons 780 keV (1,25 · 10−13 J) pro Neutron (1,67 · 10−27 kg) nukl. Kernspaltung 235U entspricht 1,04 GWd/t Schwermetall nukl. Kernspaltung 232Th nukl. Kernfusion (auch als Waffe) entspricht 3,47 GWd/t Schwermetall nukl. Proton-Proton-Reaktion

Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne; entspricht 7.256 GWd/t Schwermetall nukl. Annihilation von Materie und Antimaterie

entspricht 1.042.000 GWd/t Schwermetall nukl. E = mc²

Anmerkungen

Umrechnung der Einheiten 1 J = 1 Ws 1 MJ = 0,2778 kWh 1 kWh = 3,6 MJ 1 GWd = 24 GWh = 86,4 TJ

Siehe auch

Tabellen von Heizwerten verschiedener Stoffe

Einzelnachweise

Kategorie:Energiespeichertechnik Kategorie:Werkstoffeigenschaft