Energi tetthet

Fysisk størrelse
Etternavn volumetrisk energitetthet
Formel symbol
Avledet fra Energi per volum
Størrelse og
enhetssystem
enhet dimensjon
SI J · m -3 M · L −1 · T −2
Fysisk størrelse
Etternavn gravimetrisk energitetthet, spesifikk energi
Formel symbol
Størrelse og
enhetssystem
enhet dimensjon
SI J · kg -1 L 2 · T −2

I fysikk beskriver energitettheten fordelingen av energi over en viss størrelse og har følgelig alltid formen

Oftest brukes det som en

  • volumetrisk energitetthet , et mål på energien per romvolum av et stoff (SI-enhet: joule per kubikkmeter)
  • Gravimetrisk energitetthet eller spesifikk energi , et mål på energien per masse av et stoff (SI-enhet: joule per kilo).

Men til slutt kan du definere en tilsvarende energitetthet for hver fysiske størrelse. I henhold til DIN 5485 er begrepet energitetthet reservert for den dimensjonale , spesielt volumetriske informasjonen, den spesifikke energien spesifikt i forhold til masse; se " Energi " og " Beslektet mengde ".

Energitettheten til energilagringsenhetene som brukes i teknologi, som drivstoff og batterier, er av stor praktisk interesse . Spesielt i kjøretøykonstruksjon er energitettheten til den anvendte energilagringsenheten avgjørende for det oppnåelige området.

Energitetthet i elektrodynamikk

Energitetthet av elektromagnetiske bølger

Fra Maxwell-ligningene kan man konkludere med at den maksimale energiproduksjonen til elektromagnetiske bølger i et stoff er proporsjonal med kvadratet til feltamplitudene . Elektriske og magnetiske felt bidrar likt:

Energitetthet i platekondensatoren

Energien til en ladet platekondensator beregnes som følger

Følgende gjelder kapasiteten:

Spenningen U er resultatet av E · d. Ved å sette den inn får man for energien:

Dette fører til energitettheten:

Energi i magnetfeltet til en spole

For at energien av det magnetiske felt av en spole med mengden av den magnetiske flukstetthet , er tverrsnittsarealet , lengden , antall vindinger, den strømstyrke , de magnetiske felt konstantene og den relative permeabilitet resultatene

og fortsett deretter

for energitettheten til flytdensiteten .

Energitetthet av energilagring og primærenergibærere

Energitetthet av utvalgte energilagringssystemer

Energitettheten i brennstoffer kalles varmeverdi eller brennverdi , som i batterier kapasitet per volum eller kapasitet pr masse. For eksempel er energitettheten til et litiumpolymerbatteri 140–180 wattimer per kg masse (140–180 Wh / kg) og for et nikkelmetallhydridbatteri (NiMH) er 80 Wh / kg. I sammenligning med andre typer av elektrisk energi lagring av batteri skjærer tvers fra gunstig.

En høy energitetthet er ønsket for å holde transportkostnadene for energibæreren lave, men også for å oppnå lange driftstider for mobile enheter og lange avstander for kjøretøy. For eksempel kan modellhelikoptre fly lenger med et litiumpolymerbatteri enn med et NiMH-batteri av samme masse.

Energitettheten til næringsstoffer er også kjent som den fysiologiske brennverdien .

I tillegg til akkumulatorer, energilagringssystemer for understøttelse av kraftnettet blir superledende magnetisk energilagringssystemer (SMB), pumpes kraftverk og komprimert luft lagringsstrømanlegg .

Eksempler

Stoff / system gravimetrisk
energitetthet
MJ / kg
volumetrisk
energitetthet
MJ / l
kommentar Merk * legitimasjon
NdFeB og SmCo magneter 0,000 055 Rekkevidde: 200–400 kJ / m 3 BH maks , dvs. 30–55 J / kg som
Elektrolytkondensator 0,000 4 Område: 0,01-0,1 Wh / kg, dvs. 0,04-0,4 kJ / kg el
Dobbeltlag kondensator 0,01 Område: 0,1–3 Wh / kg, dvs. 0,4–10 kJ / kg ( Super Cap ) el
Blyakkumulator 0,11 0,25 a) Rekkevidde: 3–30 Wh / kg, dvs. 10–110 kJ / kg b) 30-40 Wh / kg

Energitetthet (MJ / l) startbatteri

kjem a) b)
Adenosintrifosfat (ATP) 0,128 = 64,6 kJ / mol (med spalting av begge bindinger) ved 0,507 kg / mol kjem
Svinghjulslager med CFRP 0,18 49 Wh / kg mech
Karbon-sink batteri 0,23 65 Wh / kg, dvs. 230 kJ / kg kjem
NiCd batteri 0,25 a) 40 Wh / kg
b) Område: 4–70 Wh / kg, dvs. 15–250 kJ / kg
kjem a)
b) c)
NiMH batteri 0,28 a) 2300 mAh · 1,0 V / 30 g = 76,7 Wh / kg
b) 60 Wh / kg
c) Område: 15–120 Wh / kg, dvs. 50–400 kJ / kg
d) 60–80 Wh / kg
kjem a)
b)
c)
d)
Li-titanat batteri 0,32 90 Wh / kg, dvs. 0,32 MJ / kg kjem
Smelting av is 0,33 ved 1013,2 hPa og 0 ° C Faseovergang
Nikkel-sink akkumulator 0,43 Rekkevidde: 65-120 Wh / kg, dvs. 0,23-0,43 MJ / kg kjem
Sebrabatteri (natriumnikkelklorid) 0,43 Område: 100-120 Wh / kg, dvs. 0,36-0,43 MJ / kg kjem , med uklar enhet
Alkalisk manganbatteri 0,45 125 Wh / kg, dvs. 450 kJ / kg kjem
Trykkluft (uten tank) 0,46 0,14 a) 138 · 10 6 Ws / m 3 ved 300 kg / m 3
b) Med en trykkbeholder er energitettheten opptil 10 ganger lavere
mech a)
b) uten ref.
Li-polymer batteri 0,54 a) 150 Wh / kg, dvs. 540 kJ / kg
b) 130–200 Wh / kg
kjem a)
b)
Li-ion batteri 0,65 0,7-1,8 a) 180 Wh / kg
b) 100 Wh / kg
c) Område: 40–200 Wh / kg,
dvs. 150–700 kJ / kg d)> 160 Wh / kg
kjem a)
b)
c)
d)
Hydrogen (inkludert hydridtank ) 1.19 kjem, O
Sink-luft batteri 1.2 a) 340 Wh / kg, dvs. 1200 kJ / kg b) tre ganger så stort som Li-batteri kjem, O a) b)
Litium-luft akkumulator 1.6 a)> 450 Wh / kg
b) skal nå 1000 Wh / kg
c)> 400 Wh / kg
kjem, O a)
b)
c)
Varme av kondens av vann 2.26 ved 1013,2 hPa og 100 ° C. 40,7 kJ / mol Faseovergang
Litium tionylkloridbatteri 2.34 650 Wh / kg kjem
Thermite 4.0 18.4 Høy temperatur applikasjoner kjem (?)
Trinitrotoluen (TNT) 4.6 6,92 1.046 kJ / mol / (227 g / mol). Oksidasjonsmiddel er inneholdt i molekylet. kjem TNT-ekvivalent
Aluminium-luft batteri 4.7 a) 1.300 Wh / kg, dvs. 4.700 kJ / kg
b) Fremtidig mål: 8.000 Wh / kg = 28 MJ / kg
kjem, O a)
b)
sterkeste eksplosiver 7. Oksidasjonsmiddel er inneholdt i molekylet. se eksplosiver
restavfall 8-11 O, Hw
Brunt kull 11.3 a) Område 8,4-11,3 MJ / kg
b) 9,1 MJ / kg
O, Hw a)
b)
Hydrogen (flytende, bundet til LOHC ) 13.2 10.4 Brennverdi uten bærer ( metanol ). Basert på maksimal belastning på 0,11 kg H2 / kg metanol . O, Hw
sukker 16.7 O
Tre (lufttørk) 16.8 a) Område 14,6-16,8 MJ / kg b) 14,7 MJ / kg O, Hw a) b)
Halm og kloakkslam (tørt) 17. fordøyd kloakkslam har ca 11 MJ / kg O, Hw
Trepellets og trebriketter 18. O, Hw
Brunt kull (brikett) 19.6 O, Hw
Metanol 19.7 15.6 O, Hw
Ammoniakk (flytende) 22.5 15.3 −33 ° C eller 9 bar O, Hw
Etanol 26.7 21.1 O, Hw
Gamle dekk 29.5 O, Hw
Silisium 32.6 75.9 O
karbon 32.8 74.2 O
Hard kull 34 a) Område 27-34 MJ / kg
b) 29,3 MJ / kg
c) 30 MJ / kg, koks 28,7 MJ / kg, briketter 31,4 MJ / kg
O, Hw a)
b)
c)
Bensin og råolje 40-42 29-32 Tung olje, bunkerolje, restolje har ca. 40 MJ / kg O, Hw
Diesel og fyringsolje lett 42,8-43 35-36 O, Hw
Propan (flytende) 46.3 23.4 −42,1 ° C eller 8,36 bar O, Hw
Metan (hovedkomponent i naturgass ) 50 0,0317 a) 50 MJ / kg / 35,9 MJ / m 3
b) 55,5 MJ / kg / 39,8 MJ / m 3
c) 31,7 MJ / m 3
O, Hw a)
b)
c)
Hydrogen 1 bar (uten tank) 120 0,01079 O , (?)
Hydrogen 700 bar (uten tank) 120 5.6 O , (?)
Flytende hydrogen (uten tank) 120 10.1 O , (?)
Atomisk hydrogen 216 spontan reaksjon for å danne molekylært hydrogen kjem
Radioisotopgenerator 5e3 elektrisk (60.000 MJ / kg termisk) kjerne
Nuklear fisjon naturlig uran (0,72% 235 U) Sjette.48e5 tilsvarer 7,5 GWd / t SM kjerne
Utbrenthet (atomteknologi) 3.802eSjette Verdi basert på gjennomsnittlig utbrenthet på rundt 40 GWd / t i dag. Fissilt materiale opp til 500  GWd / t SM tilsvarer 43.200.000 MJ / kg. kjerne
Forfall av det frie nøytronet 7..46e7. 780 keV (1.250 10 −13 J) per nøytron (1.674 10 −27  kg) kjerne
Kjernefisjon 235 U 7..939e7. 1.5e9 tilsvarer 1.042 GWd / t SM kjerne
Kjernefisjon 232 Th 7..942e7. 9.292e8. plass kjerne
Kjernefusjon (atomvåpen, kjernefusjonsreaktor) 3e8. plass tilsvarer 3.472 GWd / t SM kjerne
Proton-proton-reaksjon Sjette.27e8. plass Den viktigste fusjonsreaksjonen i solen ; tilsvarer 7256 GWd / t SM kjerne
fullstendig konvertering av masse til energi 8. plass.98e10 maksimal mulig energitetthet; tilsvarer 1.042.000 GWd / t SM kjerne E = mc²

Merknader:

  • liker: magnetisk energi
  • el: elektrisk energi
  • kjemisk: reaksjonens entalpi
  • mech: med mekanisk konvertering
  • nukl: omdannelse av atomkjerner eller elementære partikler
  • Hw: brennverdi
  • GWd / t SM: gigawatt dager per tonn tungmetall
  • O = oksidasjonsmiddel er luft og blir ikke tatt med i referansemassen.

1 J = 1  W s ; 1 MJ = 0,2778  kWh ; 1 kWh = 3,6  MJ ; 1  G W d = 24 GWh = 86,4  T J

Flere energitettheter

  • Mekanisk energitetthet: Det elastiske energi som er lagret i et visst volum av et materiale, som kalles mekanisk energitetthet (symbol for det meste ) og blir bestemt i mekaniske prøvinger (for eksempel i en strekkprøve ) , hvorved den mekaniske spenningen og den forlengelse er . Den mekaniske energitettheten i tilfelle materialfeil tjener som en lett målt parameter for seigheten til et materiale, men korrelerer ikke alltid med bruddstyrken målt ved bruddmekanikk .
  • Spektral energitetthet: Avhengighet av energien til et strålingsspektrum på frekvensen.
  • Lydenergitetthet : Energidensiteten til lydfeltet.
  • Brennverdi , brennverdi (der også sammenligning av forskjellige energitettheter for typiske drivstoff)
  • Spesifikk eller molær latent varme : Energien som er lagret i fysisk tilstand.
  • Gravimetrisk energitetthet av mat , brukt i Volumetrics Diet
  • Skjærenergitetthet: Energitettheten under skjæringen .

Se også

Individuelle bevis

  1. Othmar Marti: Magnetfeltets energi. Experimental Physics, Ulm University, 23. januar 2003, åpnet 23. november 2014 (forelesningsbilder).
  2. a b c Info-energi. Baden-Württemberg departement for miljø, klimabeskyttelse og energisektoren (UM), åpnet 23. november 2014 .
  3. supermagneter. Webcraft GmbH, åpnet 22. november 2014 (nettsted for kommersiell produsent).
  4. a b c d e f g Klaus Lipinski: Energitetthet. DATACOM Buchverlag GmbH, åpnet 22. november 2014 .
  5. kfz.net - størrelser på bilbatterier . 9. oktober 2018 ( kfz.net [åpnet 25. februar 2019]).
  6. a b c d e f g h Reinhard Löser: ABC av batterisystemer. Informasjon om vanlige akkumulatorer. (Ikke lenger tilgjengelig online.) BEM / Bundesverband eMobilität eV, april 2012, arkivert fra originalen 3. desember 2014 ; åpnet 23. november 2014 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.bem-ev.de
  7. Svinghjul og svinghjulsminne. Energi i lokal transport. Energieprofi.com GmbH i.Gr., åpnet 23. november 2014 .
  8. a b c d e f g Rolf Zinniker: Informasjonsark om batterier og akkumulatorer. (PDF; 151 kB) (Ikke lenger tilgjengelig online.) 25. august 2003, arkivert fra originalen 28. november 2010 ; Hentet 3. mai 2011 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www2.ife.ee.ethz.ch
  9. NiMH batteritype AA med 2300 mAh, 1,2 V, 30 g. Energizer, åpnet 22. november 2014 (kommersielt nettsted).
  10. Litiumionbatterier. Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk eV, åpnet 23. november 2014 .
  11. a b E. DT Atkins, PW Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie . John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33247-2 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book Search).
  12. ^ Mathias Bloch: Ny energilagring: Nikkel-sink-batteriet. I: elektroniknet.de. 28. mai 2013, åpnet 23. april 2021 .
  13. Batteriprodusent FZ Sonick er skeptisk til markedet for Zebra-batterier. Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG, 12. april 2010, åpnet 23. november 2014 .
  14. I. Cyphelly, Ph Bruckmann, W. Menhardt :. . Tekniske grunnleggende av trykkluft lagring. (PDF, 1,27 MB) og deres bruk som erstatning for blybatterier. På vegne av Federal Office for Energy, Bern, september 2004, åpnet 23. november 2014 (side 37).
  15. Litiumionbatterier. Energi tetthet. Elektronik-Kompendium.de, åpnet 23. november 2014 .
  16. Steven J. Visco, Eugene Nimon, Bruce Katz, May-Ying Chu, Lutgard De Jonghe: Lithium / Air Semi-fuel Cells: High Energy Density Batteries Based on Lithium Metal Electrodes. 26. august 2009, tilgjengelig 21. november 2014 (engelsk, Almaden Institute 2009. Scalable Energy Storage: Beyond Lithium Ion).
  17. Solid batteripakke med håp: serieproduksjon startet. Chip, åpnet 24. november 2018 .
  18. Tadiran litiumbatterier. Tadiran GmbH, åpnet 5. desember 2015 (kommersiell produsentens nettsted).
  19. Hans Goldschmidt: Om energitettheten til Thermite og noen nye tekniske anvendelser av aluminotermi . I: Angewandte Chemie . teip 15 , nei. 28 , 1902, s. 699-702 , doi : 10.1002 / anie.19020152803 .
  20. Shaohua Yang, Harold Knickle: Design og analyse av aluminium / luft batterisystem for elektriske kjøretøyer . I: Journal of Power Sources . teip 112 , nei. 1 , 2002, s. 162-173 , doi : 10.1016 / S0378-7753 (02) 00370-1 ( sciencedirect.com ).
  21. Thomas Kuther: Metalluftcellen fjerner frykten for rekkevidde for elektriske kjøretøyer. (Ikke lenger tilgjengelig online.) EmoPraxis, 8. april 2013, arkivert fra originalen 6. mars 2015 ; åpnet 23. november 2014 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.elektromobilitaet-praxis.de
  22. a b c d e f g h Brennverdi / brennverdi. State of Styria, åpnet 21. november 2014 .
  23. en b c d Brenn verdier av energikildene og faktorer for omdannelse av naturlige enheter inn i energienheter for 2014 energibalansen. AG Energiebilanzen (er nevnt som en kilde i BMWi publikasjon " Energi data "), vist på 7. januar 2017 .
  24. M. Niermann, S. Drünert, M. Kaltschmitt, K. Bonhoff: Flytende organiske hydrogenbærere (LOHCs) - tekno-økonomisk analyse av LOHCs i en definert prosesskjede . I: Energi- og miljøvitenskap . teip 12 , nei. 1 , 2019, ISSN  1754-5692 , s. 300 , doi : 10.1039 / C8EE02700E ( rsc.org [åpnet 29. mai 2019]).
  25. BMI-Rechner.net
  26. a b Josef Rathbauer, Manfred Wörgetter: Standardisering av faste biodrivstoffer. Federal Institute for Agricultural Engineering, 2. august 1999, åpnet 27. november 2014 .
  27. ^ A b Norbert Auner: Silisium som et mellomledd mellom fornybar energi og hydrogen. (PDF; 386 kB) Deutsche Bank Research, 5. mai 2004, åpnet 21. november 2014 .
  28. a b c d e f Energitabell for konvertering av forskjellige energienheter og ekvivalenter. (Ikke lenger tilgjengelig online.) German Hydrogen and Fuel Cell Association (DWV), Berlin, arkivert fra originalen 9. mai 2015 ; åpnet 23. november 2014 . Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.dwv-info.de
  29. Matthias Kramer: Integrativ miljøledelse: Systemorientert forhold mellom ... Springer, 2010, ISBN 3-8349-8602-X , s. 534 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).
  30. Ich Erich Hahne: Teknisk termodynamikk: Introduksjon og anvendelse . Oldenbourg Verlag, 2010, ISBN 3-486-59231-9 , s. 406, 408 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).
  31. Egenskaper for flytende gass. Hentet 11. mars 2019 .
  32. ^ A b c Louis Schlapbach, Andreas Züttel: Hydrogenlagringsmaterialer for mobile applikasjoner . I: Natur . Nei. 414 , 2001, s. 353-358 , doi : 10.1038 / 35104634 ( nature.com ).
  33. Svar på ubesvarte spørsmål. 25. årlige regelverkskonferanse. US Nuclear Regulatory Commission, 12. mars 2013, åpnet 21. november 2014 .
  34. a b Energitetthetsberegninger av kjernefysisk drivstoff. Whatisnuclear, åpnet 10. april 2015 .