Benutzer:Mein Name ist Niemand./Energiedichte von Energiespeichern

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Energiedichten von Akkus: Energie/Volumen bzw. Energie/Gewicht

Die Energiedichte von Energiespeichern bezeichnet, wie viel technisch nutzbare Energie ein Energiespeicher pro Volumen speichern kann. Die spezifische Energie eines Energiespeichers ist die entsprechende Größe bezüglich der Masse. Manchmal wird stattdessen von der „gravimetrischen Energiedichte“ gesprochen. Dies ist nicht ratsam, da sich Dichten immer auf ein Volumen beziehen sollten, vergleiche DIN 5485. Falls es dennoch geschieht, wird die eigentliche Energiedichte oft als „volumetrische Energiedichte“ bezeichnet.

Hier wird Energie nicht im Sinne der Physik verwendet, sondern im Sinne der Energiewirtschaft. Beide beziehen sich ursprünglich auf die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Doch während der Begriff in der Physik weiter abstrahiert wurde, bezieht die Energiewirtschaft ihn nur in Bezug auf den wirtschaftlichen Nutzen. Es wird zwischen Primärenergie, Endenergie und Nutzenergie unterschieden. Auf welches sich die Energiedichte bezieht, hängt von dem Kontext ab.

Wenn die Energie in einem Brennstoff gespeichert ist, ist es üblich die Energiedichte nur auf diesen zu beziehen und nicht auch auf den nötigen Sauerstoff, der gewöhnlich der Umgebung entnommen wird. Auch ist es wichtig, ob Brennwert und Heizwert angegeben wird. Bei Brennstoffen wird ein Tank oder ähnliches Behältnis nicht miteinbezogen. Bei Akkus wird dagegen die Energiedichte gewöhnlich auf das ganze Bauteil bezogen. Allerdings ist dies leider nicht immer der Fall.

Allgemein ist zu empfehlen nur die Energiedichte von Speichern ähnlicher Bauart direkt miteinander zu vergleichen. Selbst die Einheiten hängen stark von dem Anwendungsgebiet ab. So wird für die Energie Kilowattstunde, Joule oder Kalorie verwendet, für das Volumen Liter oder Kubikmeter, für die Masse Kilogramm oder Tonne.

Beispiele

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Stoff/System gravi-
metrische
Energie-
dichte
MJ/kg 		volu-
metrische
Energie-
dichte
MJ/l 		Bemerkung Anm.* Referenzen
NdFeB- und SmCo-Magnete 0,000 055 Bereich: 200–400 kJ/m3 BHmax, also 30–55 J/kg mag [1]
Elektrolytkondensator 0,000 4 Bereich: 0,01–0,1 Wh/kg, also 0,04–0,4 kJ/kg el [2]
Doppelschicht-Kondensator 0,01 Bereich: 0,1–3 Wh/kg, also 0,4–10 kJ/kg (Super Cap) el [2]
Bleiakkumulator 0,11 0,25 a) Bereich: 3–30 Wh/kg, also 10–110 kJ/kg b) 30–40 Wh/kg Energiedichte (MJ/l) Starterbatterie[3] chem a)[2] b)[4]
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 [5]
Kohle-Zink-Batterie 0,23 0,54 65 Wh/kg, also 230 kJ/kg chem [6]
NiCd-Akku 0,25 a) 40 Wh/kg b) Bereich: 4–70 Wh/kg, also 15–250 kJ/kg chem a)[6] b)[2] c)[4]
Silberoxid-Zink-Batterie 0,27 0,98 272 Wh/l, also 979,2 kJ/l chem [7]
NiMH-Akku 0,28 a) 2.300 mAh · 1,0 V / 30 g =76,7 Wh/kg b) 60 Wh/kg c) Bereich: 15–120 Wh/kg, also 50–400 kJ/kg d) 60–80 Wh/kg chem a)[8] b)[6] c)[2] d)[4]
Li-Titanat-Akku 0,32 90 Wh/kg, also 0,32 MJ/kg chem [9]
Schmelzenergie Eis 0,33 bei 1013,2 hPa und 0 °C Phasen-
übergang		 [10]
Nickel-Zink-Akkumulator 0,43 Bereich: 65–120 Wh/kg, also 0,23–0,43 MJ/kg chem [11]
Zebra-Batterie (Natrium-Nickelchlorid) 0,43 Bereich: 100–120 Wh/kg, also 0,36–0,43 MJ/kg chem [12][4] unklare Einheit
Alkali-Mangan-Batterie 0,45 1,26 125 Wh/kg, also 450 kJ/kg chem [6]
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)[13]b) ohne Ref.
Li-Polymer-Akku 0,54 a) 150 Wh/kg, also 540 kJ/kg b) 130–200 Wh/kg chem a)[6][2] b)[4]
Natrium-Schwefel-Akkumulator 0,45 a) 200 Wh/kg b) 100 – 120 Wh/kg c) theoretisch bis 750 Wh/kg chem a)[14] b)[15] c)[15]
Natrium-Ionen-Akkumulator 0,504 0,864 a) 140 Wh/kg also 504 KJ/kg und 240 Wh/L also 864 KJ/L a)[16]
Li-Ionen-Akku 0,65 0,7–1,8 a) 180 Wh/kg b) 100 Wh/kg c) Bereich: 40–200 Wh/kg, also 150–700 kJ/kg d) >160 Wh/kg chem a)[17] b)[6] c)[2] d)[4]
Wasserstoff (inkl. Hydridtank) 1,19 chem, O
Zink-Luft-Batterie 1,2 a) 340 Wh/kg, also 1 200 kJ/kg b) dreimal so groß wie Li-Batterie chem, O a)[6] b)[4]
Lithium-Luft-Akkumulator 1,6 a) > 450 Wh/kg b) sollte 1 000 Wh/kg erreichen c) > 400 Wh/kg chem, O a)[4]b)[18] c)[19]
Kondensationsenthalpie des Wassers 2,26 bei 1013,2 hPa und 100 °C 40,7 kJ/mol Phasen-
übergang		 [10]
Lithium-Thionylchlorid-Batterie 2,34 650 Wh/kg chem [20]
Thermit 4,0 18,4 Hochtemperatur-Anwendungen chem ([21] ?)
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)[22] b)[23]
stärkste Sprengstoffe 7 Oxidator ist im Molekül enthalten. siehe Sprengstoff
Restmüll 8–11 O, Hw [24]
Braunkohle 11,3 a) Bereich 8,4–11,3 MJ/kg b) 9,1 MJ/kg O, Hw a)[24] b)[25]
Wasserstoff (flüssig, gebunden an LOHC) 13,2 10,4 Heizwert ohne Methanol als Trägerstoff auf Basis der maximalen Beladung von 0,11 kgH2 / kgMethanol. O, Hw [26]
Zucker 16,7 O [27]
Holz (lufttrocken) 16,8 a) Bereich 14,6–16,8 MJ/kg b) 14,7 MJ/kg O, Hw a)[24] b)[28]
Stroh und Klärschlamm (trocken) 17 ausgefaulter Klärschlamm hat etwa 11 MJ/kg O, Hw [24][29]
Polylactid (PLA) 17,9–19,2 a) 17,9 MJ/kg b) 18,2 MJ/kg c) 19,2 MJ/kg O, Hw a)[30] b)[31] c)[32]
Holzpellets und Holzbriketts 18 O, Hw [29]
Braunkohle (Brikett) 19,6 O, Hw [25]
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 [24]
Silicium 32,6 75,9 O [33]
Kohlenstoff 32,8 74,2 O [33]
Steinkohle 34 a) Bereich 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)[24] b)[34] c)[25]
Benzin und Rohöl 40–42 29–32 Schweröl, Bunkeröl, Rückstandsöl hat ca. 40 MJ/kg O, Hw [35][34]
Diesel und Heizöl leicht 42,8–43 35–36 O, Hw [36][24][25]
Kerosin 43,1 34,2 Die Spezifikationen einzelner Flugbenzinsorten können abweichen [37]
Propan (flüssig) 46,3 23,4 −42,1 °C oder 8,36 bar O, Hw [38]
Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) 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)[24] b)[34] c)[28]
Wasserstoff 1 Bar (ohne Tank) 120 0,01079 O, Hw [34], ([39] ?)
Wasserstoff 700 Bar (ohne Tank) 120 5,6 O, Hw [34], ([39] ?)
Wasserstoff flüssig (ohne Tank) 120 10,1 bei 20,324 K O, Hw [34], ([39] ?)
Atomarer Wasserstoff 216 spontane Reaktion zu molekularem Wasserstoff chem
Radioisotopengenerator 5e3 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch) nukl.
Kernspaltung Natururan (0,72 % 235U) 6.48e5 entspricht 7,5 GWd/t SM nukl.
Abbrand (Kerntechnik) 3.802e6 Wert gemäß dem durchschnittlichen Abbrand von heute ca. 40 GWd/t. Spaltmaterial bis zu 500 GWd/t SM entspricht 43.200.000 MJ/kg. nukl. [40]
Zerfall des freien Neutrons 7.46e7 780 keV (1,250 · 10−13 J) pro Neutron (1,674 · 10−27 kg) nukl.
Kernspaltung 235U 7.939e7 1.5e9 entspricht 1.042 GWd/t SM nukl. [41]
Kernspaltung 232Th 7.942e7 9.292e8 nukl. [41]
Kernfusion (Kernwaffe, Kernfusionsreaktor) 3e8 entspricht 3.472 GWd/t SM nukl.
Proton-Proton-Reaktion 6.27e8 Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne; entspricht 7.256 GWd/t SM nukl.
vollständige Umwandlung von Masse in Energie 8.98e10 entspricht 1.042.000 GWd/t SM nukl. E = mc²

Anmerkungen:

  • mag: magnetische Energie
  • el: elektrische Energie
  • chem: Reaktionsenthalpie
  • mech: bei mechanischer Umwandlung
  • nukl: Umwandlung von Atomkernen oder Elementarteilchen
  • Hw: Heizwert
  • GWd/t SM: Gigawatt-Tage pro Tonne Schwermetall
  • O = Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt.

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

Siehe auch

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Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie

Einzelnachweise

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  1. ↑ Supermagnete. Webcraft GmbH, abgerufen am 22. November 2014 (kommerzielle Herstellerseite).
  2. ↑ a b c d e f g Klaus Lipinski: Energiedichte. DATACOM Buchverlag GmbH, abgerufen am 22. November 2014.
  3. ↑ kfz.net - Autobatterie Größen. 9. Oktober 2018 (kfz.net [abgerufen am 25. Februar 2019]).
  4. ↑ a b c d e f g h Reinhard Löser: ABC der Batteriesysteme. Informationen rund um die gängigen Akkumulatoren. BEM / Bundesverband eMobilität e.V., April 2012, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 3. Dezember 2014; abgerufen am 23. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.bem-ev.de
  5. ↑ Schwungrad und Schwungradspeicher. Energie im Nahverkehr. Energieprofi.com GmbH i.Gr., abgerufen am 23. November 2014.
  6. ↑ a b c d e f g Rolf Zinniker: Merkblatt Batterien und Akkus. (PDF; 151 kB) 25. August 2003, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 28. November 2010; abgerufen am 3. Mai 2011.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www2.ife.ee.ethz.ch
  7. ↑ ZPower Size 312 Rechargeable Battery (XR41) (Datenblatt)
  8. ↑ NiMH-Akku Bauform AA mit 2300 mAh, 1,2 V, 30 g. Energizer, abgerufen am 22. November 2014 (kommerzielle Herstellerseite).
  9. ↑ Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V., archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 24. August 2014; abgerufen am 23. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.carmen-ev.de
  10. ↑ a b E.D.T. Atkins, P.W. Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33247-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. ↑ Mathias Bloch: Neue Energiespeicher: Der Nickel-Zink-Akku. In: elektroniknet.de. 28. Mai 2013, abgerufen am 23. April 2021.
  12. ↑ Batteriehersteller FZ Sonick sieht Markt für Zebra-Batterien skeptisch. Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG, 12. April 2010, abgerufen am 23. November 2014.
  13. ↑ I. Cyphelly, Ph. Brückmann, W. Menhardt: Techn. Grundlagen der Druckluftspeicherung. (PDF, 1,27 MB) und deren Einsatz als Ersatz für Bleibatterien. Im Auftrag des Bundesamtes für Energie, Bern, September 2004, abgerufen am 23. November 2014 (Seite 37).
  14. ↑ Bernard Austin Partridge, Thomas Rhys Jenkins, Michael McGuire: Sodium-sulphur battery cells. In: Patent US3982959. 28. September 1976, abgerufen am 1. August 2022 (englisch).
  15. ↑ a b Batterieforum Deutschland: Natrium-Schwefel-Thermalbatterie - Batterieforum Deutschland. Abgerufen am 15. September 2021.
  16. ↑ Golem.de: IT-News für Profis. Abgerufen am 23. April 2023.
  17. ↑ Lithium-Ionen-Akkus. Energiedichte. Elektronik-Kompendium.de, abgerufen am 23. November 2014.
  18. ↑ 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, abgerufen am 21. November 2014 (englisch, Almaden Institute 2009. Scalable Energy Storage: Beyond Lithium Ion).
  19. ↑ Hoffnungsträger Feststoffakku: Serienproduktion Gestartet. Chip, abgerufen am 24. November 2018.
  20. ↑ Tadiran Lithium Batterien. Tadiran GmbH, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 8. Dezember 2015; abgerufen am 5. Dezember 2015 (kommerzielle Herstellerseite).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.tadiranbatteries.de
  21. ↑ Hans Goldschmidt: Über die Energiedichte des Thermits und einige neue technische Anwendungen der Aluminothermie. In: Angewandte Chemie. Band 15, Nr. 28, 1902, S. 699–702, doi:10.1002/ange.19020152803.
  22. ↑ Shaohua Yang, Harold Knickle: Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles. In: Journal of Power Sources. Band 112, Nr. 1, 2002, S. 162–173, doi:10.1016/S0378-7753(02)00370-1 (sciencedirect.com).
  23. ↑ Thomas Kuther: Metall-Luft-Zelle nimmt Elektromobilisten die Reichweitenangst. emoPraxis, 8. April 2013, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 6. März 2015; abgerufen am 23. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.elektromobilitaet-praxis.de
  24. ↑ a b c d e f g h Brennwert / Heizwert. Land Steiermark, abgerufen am 21. November 2014.
  25. ↑ a b c d Heizwerte der Energieträger und Faktoren für die Umrechnung von natürlichen Einheiten in Energieeinheiten zur Energiebilanz 2020. AG Energiebilanzen e.V., abgerufen am 30. August 2022 (Diese Liste bzw. ihre Vorgänger werden u. a. in der Publikation "Energiedaten (BMWi bis 2020)" und "Energiedaten (BMWK seit 2021) als Quelle genannt).
  26. ↑ M. Niermann, S. Drünert, M. Kaltschmitt, K. Bonhoff: Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) – techno-economic analysis of LOHCs in a defined process chain. In: Energy & Environmental Science. Band 12, Nr. 1, 2019, ISSN 1754-5692, S. 300, doi:10.1039/C8EE02700E (rsc.org [abgerufen am 29. Mai 2019]).
  27. ↑ BMI-Rechner.net
  28. ↑ a b Infos Energie. Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (UM), archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 2. Dezember 2014; abgerufen am 23. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www4.um.baden-wuerttemberg.de
  29. ↑ a b Josef Rathbauer, Manfred Wörgetter: Standardisierung von festen Biobrennstoffen. Bundesanstalt für Landtechnik, 2. August 1999, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 23. September 2015; abgerufen am 27. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.blt.bmlfuw.gv.at
  30. ↑ Daniel Maga, Markus Hiebel, Stephan Kabasci, Nils Thonemann: Recycling von Biowerkstoffen zur effizienten Kaskadennutzung – Ökologische und sozio-ökonomische Bewertung zur Strategieentwicklung in Richtung hochwertiger Recyclingoptionen – LCA PLA-Recycling. Hrsg.: Forschungsverbund – Nachhaltige Verwertungsstrategien für Produkte und Abfälle aus biobasiserten Kunststoffen (= Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT [Hrsg.]: Fraunhofer Umsicht). Oberhausen März 2018, Seite: 30, doi:10.24406/UMSICHT-N-484636 (fraunhofer.de [PDF; 1,9 MB; abgerufen am 27. August 2022]).
  31. ↑ Benedikt Kauertz, Andreas Detzel, Susanne Volz: Ökobilanz von Danone Activia-Verpackungen aus Polystyrol und Polylactid. (Endbericht). Hrsg.: ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg. Heidelberg 29. März 2011, Seite: 42 (foodwatch.org [PDF; 3,0 MB; abgerufen am 27. August 2022]).
  32. ↑ Hans-Josef Endres, Torsten Schmidt: Potenzialanalyse zum Einsatz von Biokunststoffen in der Region Hannover. (Studie zur Phase 1 des Projekts: Masterplan Stadt und Region Hannover – 100 % für den Klimaschutz). Hrsg.: IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe – Hochschule Hannover – Fakultät II – Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik. Hannover 9. April 2015, Seite: 44 (silo.tips [PDF; 3,3 MB; abgerufen am 27. August 2022]).
  33. ↑ a b Norbert Auner: Silicon as an intermediary between renewable energy and hydrogen. (PDF; 386 kB) Deutsche Bank Research, 5. Mai 2004, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 27. März 2009; abgerufen am 21. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.dbresearch.com
  34. ↑ a b c d e f Energietabelle für die Umrechnung verschiedener Energieeinheiten und -äquivalente. Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. (DWV), Berlin, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 9. Mai 2015; abgerufen am 23. November 2014.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.dwv-info.de
  35. ↑ Matthias Kramer: Integratives Umweltmanagement: Systemorientierte Zusammenhänge Zwischen … Springer, 2010, ISBN 3-8349-8602-X, S. 534 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  36. ↑ Erich Hahne: Technische Thermodynamik: Einführung und Anwendung. Oldenbourg Verlag, 2010, ISBN 3-486-59231-9, S. 406, 408 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  37. ↑ Kerosin. Abgerufen am 28. September 2022.
  38. ↑ Eigenschaften von Flüssiggas. Abgerufen am 11. März 2019.
  39. ↑ a b c Louis Schlapbach, Andreas Züttel: Hydrogen-storage materials for mobile applications. In: Nature. Nr. 414, 2001, S. 353–358, doi:10.1038/35104634 (nature.com).
  40. ↑ Answers To Unanswered Questions. 25th Annual Regulatory Information Conference. U.S. Nuclear Regulatory Commission, 12. März 2013, abgerufen am 21. November 2014.
  41. ↑ a b Energy density calculations of nuclear fuel. Whatisnuclear, abgerufen am 10. April 2015.

Kategorie:Energiespeichertechnik Kategorie:Werkstoffeigenschaft

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