Energiedichte von Energiespeichern

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 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/SystemMJ/kgMJ/LBemerkungAnm.*Referenzen
Magnete
NdFeB- und SmCo-Magnete0,000 055200–400 kJ/m3 BHmax, also 30–55 J/kgmag⁠A[1]
Kondensatoren
Elektrolytkondensator0,000 40,01–0,1 Wh/kg, also 0,04–0,4 kJ/kgel⁠E[2]
Doppelschicht-Kondensator0,010,1–3 Wh/kg, also 0,4–10 kJ/kg (Stand 2014)el[2]
Superkondensator0,15–30 Wh/kg, also 20–125 kJ/kg (Stand 2019)el[3]
Akkumulatoren, Batterien, Mechanische Energie u. a. m.
Bleiakkumulator0,110,25a) 3–30 Wh/kg, also 10–110 kJ/kg b) 30–40 Wh/kg Energiedichte (MJ/L) Starterbatterie[4]chem⁠Ca)[3] b)[5]
Adenosintriphosphat (ATP)0,128das entspricht bei der Spaltung beider Bindungen 64,6 kJ/mol bei 0,507 kg/molchem
Schwungradspeicherung mit CFK0,1849 Wh/kgmech⁠M[6]
Kohle-Zink-Batterie0,230,5465 Wh/kg, also 230 kJ/kgchem[7]
NiCd-Akku0,25a) 40 Wh/kg b) 4–70 Wh/kg, also 15–250 kJ/kgchema)[7] b)[2] c)[5]
Silberoxid-Zink-Batterie0,270,98272 Wh/L, also 979,2 kJ/Lchem[8]
NiMH-Akku0,28a) 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/kgchema)[9] b)[7] c)[2] d)[5]
Li-Titanat-Akku0,3290 Wh/kg, also 0,32 MJ/kgchem[10]
Schmelzenergie von Wasser0,33bei 1013,2 hPa und 0 °CPhasen-
übergang		[11]
Nickel-Zink-Akkumulator0,4365–120 Wh/kg, also 0,23–0,43 MJ/kgchem[12]
Zebra-Batterie (Natrium-Nickelchlorid)0,43100–120 Wh/kg, also 0,36–0,43 MJ/kgchem[13][5] unklare Einheit
Alkali-Mangan-Batterie0,451,26125 Wh/kg, also 450 kJ/kgchem[7]
Druckluft (ohne Tank)0,460,14a) 138 · 106 Ws/m3 bei 300 kg/m3 b) Mit Druckbehälter ist die Energiedichte bis 10 Mal geringermecha)[14]b) ohne Ref.
Li-Polymer-Akku0,54a) 150 Wh/kg, also 540 kJ/kg b) 130–200 Wh/kgchema)[7][2] b)[5]
Natrium-Schwefel-Akkumulator0,45a) 200 Wh/kg b) 100 – 120 Wh/kg c) theoretisch bis 750 Wh/kgchema)[15] b)[16] c)[16]
Natrium-Ionen-Akkumulator0,5040,864a) 140 Wh/kg also 504 kJ/kg und 240 Wh/L also 864 kJ/La)[17]
Li-Ionen-Akku0,650,7–1,8a) 180 Wh/kg b) 100 Wh/kg c) 40–200 Wh/kgchema)[18] b)[7] c)[2] d)[5]
Zink-Luft-Batterie1,2a) 340 Wh/kg, also 1 200 kJ/kg b) dreimal so groß wie Li-Batteriechem, Oa)[7] b)[5]
Lithium-Luft-Akkumulator1,6a) > 450 Wh/kg b) sollte 1 000 Wh/kg erreichen c) > 400 Wh/kgchem, Oa)[5]b)[19] c)[20]
Kondensationsenthalpie von Wasser2,26bei 1013,2 hPa und 100 °C 40,7 kJ/molPhasen-
übergang		[11]
Lithium-Thionylchlorid-Batterie2,34650 Wh/kgchem[21]
Thermit4,018,4Hochtemperatur-Anwendungenchem([22] ?)
Trinitrotoluol (TNT)4,66,921.046 kJ/mol / (227 g/mol). Oxidator ist im Molekül enthaltenchemTNT-Äquivalent
Aluminium-Luft-Batterie4,7a) 1 300 Wh/kg, also 4 700 kJ/kg b) Zukünftiges Ziel: 8 000 Wh/kg = 28 MJ/kgchem, Oa)[23] b)[24]
stärkste Sprengstoffe7Oxidator ist im Molekül enthalten.siehe Sprengstoff
Müll, Festbrennstoffe u. a. m.
Restmüll8–11O,⁠o Hw⁠w[25]
Braunkohle11,3a) 8,4–11,3 MJ/kg b) 9,1 MJ/kgO, Hwa)[25] b)[26]
Zucker16,7O[27]
Holz (lufttrocken)16,8a) 14,6–16,8 MJ/kg b) 14,7 MJ/kgO, Hwa)[25] b)[28]
Stroh und Klärschlamm (trocken)17ausgefaulter Klärschlamm hat etwa 11 MJ/kgO, Hw[25][29]
Polylactid (PLA)17,9–19,2a) 17,9 MJ/kg b) 18,2 MJ/kg c) 19,2 MJ/kgO, Hwa)[30] b)[31] c)[32]
Holzpellets und Holzbriketts18O, Hw[29]
Braunkohle (Brikett)19,6O, Hw[26]
Alkohole, Kohle u. a. m.
Methanol19,715,6O, Hw
Ammoniak (flüssig)22,515,3−33 °C oder 9 barO, Hw
Ethanol26,721,1O, Hw
Altreifen29,5O, Hw[25]
Silicium32,675,9O[33]
Kohlenstoff32,874,2O[33]
Steinkohle34a) 27–34 MJ/kg b) 29,3 MJ/kg c) 27,7 MJ/kg, Koks 28,7 MJ/kg, Briketts 31,4 MJ/kgO, Hwa)[25] b)[34] c)[26]
Kohlenwasserstoffe
Benzin und Rohöl40–4229–32Schweröl, Bunkeröl, Rückstandsöl hat ca. 40 MJ/kgO, Hw[35][34]
Diesel und Heizöl leicht42,8–4335–36O, Hw[36][25][26]
Kerosin43,134,2Die Spezifikationen einzelner Flugbenzinsorten können abweichen[37]
Propan (flüssig)46,323,4−42,1 °C oder 8,36 barO, Hw[38]
Flüssiggas mit Stahltank23 ca.Netto plus TaraO, Hw[38]
Methan500,0317a) 50 MJ/kg / 35,9 MJ/m3 b) 55,5 MJ/kg / 39,8 MJ/m3 c) 31,7 MJ/m3O, Hwa)[25] b)[34] c)[28]
Erdgas mit Stahltank5 ca.Netto plus TaraO, Hwa)[25] b)[34] c)[28]
Wasserstoff
Wasserstoff 1 Bar (ohne Tank)1200,01079O, Hw[34], ([39] ?)
Wasserstoff 700 Bar (ohne Tank)1205,6O, Hw[34], ([39] ?)
Wasserstoff flüssig (ohne Tank)12010,1bei 20,324 °K bzw. −252,826 °CO, Hw[34], ([39] ?)
Wasserstoff (als LOHC)13 ca.Heizwert ohne Methanol als Trägerstoff (0,11 kgH2 / kgMethanol).O, Hw[40]
Wasserstoff (inkl. Hydridtank)1,19 ca.chem, O⁠o
Wasserstoff mit Stahltank 700 Bar1,2 ca.Netto plus TaraO, Hw[34], ([39] ?)
Atomarer Wasserstoff216spontane Reaktion zu molekularem Wasserstoffchem
Liste der Kernenergien
Stoff/SystemMJ/kgMJ/LBemerkungAnm.*Referenzen
Kernenergie u. a. m.
Radioisotopengenerator5.00e3elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch)nukl.⁠N
Kernspaltung Natururan
(0,72 % 235U)		6.48e5entspricht 7,5 GWd/t Schwermetallnukl.
Abbrand (Kerntechnik)3.80e6Wert gemäß dem durchschnittlichen Abbrand von heute ca. 40 GWd/t. Spaltmaterial bis zu 500 GWd/t Schwermetallnukl.[41]
Zerfall des freien Neutrons7.46e7780 keV (1,25 · 10−13 J) pro Neutron (1,67 · 10−27 kg)nukl.
Kernspaltung 235U7.94e71.50e9entspricht 1,04 GWd/t Schwermetallnukl.[42]
Kernspaltung 232Th7.94e79.29e8nukl.[42]
Kernfusion3.00e8(auch als Waffe) entspricht 3,47 GWd/t Schwermetallnukl.
Proton-Proton-Reaktion6.27e8Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne; entspricht 7.256 GWd/t Schwermetallnukl.
Wandlung Masse in Energie8.98e10entspricht 1.042.000 GWd/t Schwermetallnukl.E = mc²

Anmerkungen

A 
mag: magnetische Energie
E 
el: elektrische Energie
M 
mech: bei mechanischer Umwandlung
N 
nukl: Umwandlung von Atomkernen oder Elementarteilchen
o 
O: Oxidator Luft bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
w 
Hw: Heizwert
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

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

Einzelnachweise

  1. ↑ Supermagnete. Webcraft GmbH, abgerufen am 22. November 2014 (kommerzielle Herstellerseite).
  2. ↑ a b c d e f Klaus Lipinski: Energiedichte. DATACOM Buchverlag GmbH, abgerufen am 22. November 2014.
  3. ↑ a b Klaus Lipinski: Energiedichte. DATACOM Buchverlag GmbH, 23. Oktober 2019, abgerufen am 4. November 2023.
  4. ↑ kfz.net - Autobatterie Größen. 9. Oktober 2018 (kfz.net [abgerufen am 25. Februar 2019]).
  5. ↑ 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.
  6. ↑ Schwungrad und Schwungradspeicher. Energie im Nahverkehr. Energieprofi.com GmbH i.Gr., abgerufen am 23. November 2014.
  7. ↑ 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.
  8. ↑ ZPower Size 312 Rechargeable Battery (XR41) (Datenblatt)
  9. ↑ NiMH-Akku Bauform AA mit 2300 mAh, 1,2 V, 30 g. (PDF) Energizer, abgerufen am 22. November 2014 (kommerzielle Herstellerseite).
  10. ↑ 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.
  11. ↑ 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).
  12. ↑ Mathias Bloch: Neue Energiespeicher: Der Nickel-Zink-Akku. In: elektroniknet.de. 28. Mai 2013, abgerufen am 23. April 2021.
  13. ↑ Batteriehersteller FZ Sonick sieht Markt für Zebra-Batterien skeptisch. Heise Zeitschriften Verlag GmbH & Co. KG, 12. April 2010, abgerufen am 23. November 2014.
  14. ↑ 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).
  15. ↑ Patent DE2509982C2: Natrium-Schwefel-Batteriezelle. Angemeldet am 7. März 1975, veröffentlicht am 15. Dezember 1983, Anmelder: The Secretary of State for Industry in her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Erfinder: Bernard Austin Partridge, Thomas Rhys Jenkins, Michael McGuire.‌
  16. ↑ a b Batterieforum Deutschland: Natrium-Schwefel-Thermalbatterie - Batterieforum Deutschland. Abgerufen am 15. September 2021.
  17. ↑ Golem.de: IT-News für Profis. Abgerufen am 23. April 2023.
  18. ↑ Lithium-Ionen-Akkus. Energiedichte. Elektronik-Kompendium.de, abgerufen am 23. November 2014.
  19. ↑ 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. (PDF) 26. August 2009, abgerufen am 21. November 2014 (englisch, Almaden Institute 2009. Scalable Energy Storage: Beyond Lithium Ion).
  20. ↑ Hoffnungsträger Feststoffakku: Serienproduktion Gestartet. Chip, abgerufen am 24. November 2018.
  21. ↑ Tadiran Lithium Batterien. (PDF) Tadiran GmbH, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 8. Dezember 2015; abgerufen am 5. Dezember 2015 (kommerzielle Herstellerseite).
  22. ↑ 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.
  23. ↑ 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).
  24. ↑ 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.
  25. ↑ a b c d e f g h i Brennwert / Heizwert. Land Steiermark, abgerufen am 21. November 2014.
  26. ↑ a b c d Heizwerte der Energieträger und Faktoren für die Umrechnung von natürlichen Einheiten in Energieeinheiten zur Energiebilanz 2020. (PDF) 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).
  27. ↑ BMI-Rechner.net
  28. ↑ a b c 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.
  29. ↑ a b Josef Rathbauer, Manfred Wörgetter: Standardisierung von festen Biobrennstoffen. (PDF) Bundesanstalt für Landtechnik, 2. August 1999, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 23. September 2015; abgerufen am 27. November 2014.
  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, S. 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, S. 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, S. 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.
  34. ↑ a b c d e f g h 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.
  35. ↑ Matthias Kramer: Integratives Umweltmanagement: Systemorientierte Zusammenhänge Zwischen … Springer, 2010, ISBN 978-3-8349-8602-3, S. 534 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  36. ↑ Erich Hahne: Technische Thermodynamik: Einführung und Anwendung. Oldenbourg Verlag, 2010, ISBN 978-3-486-59231-3, S. 406, 408 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  37. ↑ Kerosin. Abgerufen am 28. September 2022.
  38. ↑ a b Eigenschaften von Flüssiggas. Abgerufen am 11. März 2019.
  39. ↑ a b c d 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. ↑ 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]).
  41. ↑ Answers To Unanswered Questions. (PDF) 25th Annual Regulatory Information Conference. U.S. Nuclear Regulatory Commission, 12. März 2013, abgerufen am 21. November 2014.
  42. ↑ a b Energy density calculations of nuclear fuel. Whatisnuclear, abgerufen am 10. April 2015.
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte_von_Energiespeichern