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Energiedichte

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

23.11.2020

Letztes Update

17.08.2022

Energiedichte – Definition, Beispiele für Brennstoffe, Bedeutung für die Elektromobilität

Inhalt des Wiki-Artikels

Energiedichte von Brennstoffen und Batterien – plus weitere Speicherformen

Die Definition von Energiedichte bezieht sich auf die Energiemenge, die pro Volumen oder Masseneinheit vorkommt. Energiedichten unterteilen sich in verschiedene Arten, es gibt unter anderem die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte. Während die volumetrische Energiedichte die gespeicherte Energiemenge pro Volumen erfasst, zeigt die gravimetrische Energiedichte – auch spezifische Energie genannt – die Energiemenge abhängig von der Masse an. Vor allem beim Antrieb von Fahrzeugen sind Energieträger mit einer hohen volumetrischen Energiedichte von Vorteil, um den Tank für Kraftstoffe möglichst klein zu halten beziehungsweise Batterien mit großer Speicherkapazität für Elektroautos bereitstellen zu können.1

Die Energiedichte berechnen

Für die Energiedichte steht das Formelzeichen w. Die volumetrische Energiedichte wird in Joule pro Kubikmeter (J/m3) oder Megajoule pro Liter (MJ/l) angegeben, die gravimetrische Energiedichte in der Einheit Joule pro Kilogramm (J/kg). In der Physik steht die Energiedichte für die Menge der Energie (E), die sich auf eine Fläche mit bestimmter Größe (G) verteilt. Berechnet wird sie mit der Formel:

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Grundsätzlich ist es möglich, die Energiedichte jeder physikalischen Größe zu bestimmen, der Ausdruck bezieht sich in der Regel jedoch auf dimensionale und vor allem volumetrische Angaben.2

Energiedichte von Brennstoffen

Bei Brennstoffen leitet sich die Energiedichte entweder von ihrem Heizwert oder von ihrem Brennwert ab. Feste und flüssige Brennstoffe weisen eine höhere Energiedichte auf als gasförmige. Je höher die Energiedichte, desto eher lohnt sich der Transport eines Brennstoffs auch über weite Strecken. Über eine besonders hohe Energiedichte verfügen Kernbrennstoffe wie Uran.3 Die folgende Tabelle listet Brennstoffe mit ihrer Energiedichte auf:

Brennstoff Energiedichte in Kilowattstunden pro Kilogramm
Rohöl 11,6
Diesel 11,9
Benzin 12
Propan 12,9
Erdgas 10,6 bis 13,1
Methan 13,9
Wasserstoff 33,3

 

Im Vergleich hat Wasserstoff eine deutlich höhere Energiedichte als andere Brennstoffe, weshalb er manchen als Kraftstoff der Zukunft gilt.4

Energiedichte bei Batterien

Der Begriff Batterie zielt sowohl auf nicht wiederaufladbare Primär- als auch auf wiederaufladbare Sekundärzellen ab. Letztere werden auch Akkumulator oder Akku genannt. Eine Batterie speichert chemische Energie. Von der Energiedichte der eingesetzten Stoffe hängen Größe und Gewicht ab. In der mobilen Kommunikationstechnik werden immer kleinere und leichtere Batterien mit höherer Energiedichte entwickelt. Für die Elektromobilität sind wiederaufladbare Batterien mit hoher Energiedichte von immenser Bedeutung. Bislang sind Lithium-Ionen-Akkus das Maß der Dinge, an innovativen Speicherlösungen wie der Lithium-Luft-Batterie wird noch geforscht. Prinzipiell wären Energiedichten weit über 400 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) in Batterien für Elektroautos möglich. Mit steigender Energiedichte der Batterie erhöht sich die Reichweite von E-Fahrzeugen, so dass sie gegenüber Autos mit Verbrennungsmotor stetig konkurrenzfähiger werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht aber nicht nur im Hinblick auf die Energiedichte, sondern auch auf die zyklische Lebensdauer von E-Auto-Batterien.5

Leistungsstarke und langlebige Speicherlösungen werden in vielen Bereichen gebraucht, neben der Elektromobilität und der mobilen Kommunikationstechnik sind auch für Industrieanwendungen und in der Medizintechnik hohe Energiedichten gefragt. Deshalb unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit 2007 die Batterieforschung. Gefördert werden Forschungen zu verschiedenen Aspekten wiederaufladbarer Batterien, Werkstoff- und Prozessentwicklung in der Lithium-Ionen-Technologie sowie die Erforschung und Entwicklung von Post-Lithium-Ionen-Technologien. Schwerpunkte der geförderten Arbeiten sind Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer von Batterien.6

Energiedichte verschiedener Speicherformen

Einfluss auf die potenzielle Energiedichte hat die Speicherform. Ein Kondensator weist eine vergleichsweise geringe Energiedichte auf. Kondensatoren sind Bauteile, die elektrische Energie in einem Feld zwischen ihren Kondensatorplatten speichern. Sie bieten den Vorteil, dass auch nach mehreren Millionen Lade- und Entladevorgängen keine bedeutenden Materialveränderungen auftreten. Superkondensatoren bilden eine Zwischenform von Kondensatoren und Batterien. Ihre Energiedichte ist höher als die von Kondensatoren, aber niedriger als bei einer Batterie.

Eine recht hohe Energiedichte hat die Lithium-Ionen-Batterie – durch den Einsatz neuer Materialien für die Kathoden konnte ihre Energiedichte innerhalb von zehn Jahren beinahe verdoppelt werden. Eine noch höhere Energiedichte als Batterien weisen Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren und Wasserstoff für Brennstoffzellen auf. Vor allem an Wasserstoff, der auf die Masse bezogen die dreifache Energiedichte von Benzin hat, werden im Verkehrssektor große Erwartungen gestellt, da er ohne schädliche Emissionen verbrennt und darüber hinaus auch noch in praktisch unbegrenzter Menge verfügbar ist. Bislang sind die Kosten für Brennstoffzellen allerdings noch zu hoch, als dass sich damit betriebene Autos auf dem Markt durchsetzen könnten.7

Weitere Energiedichte-Arten

Der Ausdruck Energiedichte findet in vielen unterschiedlichen Bereichen Verwendung. Dementsprechend gibt es neben der volumetrischen und der gravimetrischen weitere Arten an Energiedichte:

  • Mechanische Energiedichte: elastische Energie, die in einem bestimmten Volumen gespeichert ist.
  • Spektrale Energiedichte: beschreibt die Abhängigkeit der Energie eines Strahlungsspektrums von der Frequenz.
  • Schallenergiedichte: Energiedichte eines Schallfelds.
  • Brennwert/Heizwert: Energiedichte von Brennstoffen.
  • Spezifische oder molare latente Wärme: im Aggregatzustand gespeicherte Energie.
  • Energiedichte in der Ernährung: zur Kategorisierung von Lebensmitteln.
  • Scherenergiedichte: Energiedichte bei einer Scherung.

In der Ernährung ist ein hoher Energiedichte-Wert bei Lebensmitteln mit vielen Kalorien verbunden, so dass entsprechenden Produkte während einer Diät besser vermieden werden.8

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