Was ist Energiedichte?
Definition
Die Energiedichte ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Energie in einem bestimmten Volumen oder einer bestimmten Masse eines Stoffes gespeichert ist. Sie wird in der Regel in Joule pro Kubikmeter (J/m³) oder Joule pro Kilogramm (J/kg) angegeben. Je höher die Energiedichte eines Stoffes ist, desto mehr Energie kann er bei gleichem Volumen oder gleicher Masse speichern.
Man unterscheidet zwischen volumetrischer und gravimetrischer Energiedichte. Die volumetrische Energiedichte gibt an, wie viel Energie pro Volumeneinheit gespeichert werden kann, während die gravimetrische Energiedichte die Energie pro Masseneinheit beschreibt.
Wie wird die Energiedichte berechnet?
Berechnung
Energiedichte = Energie / Volumen (für volumetrische Energiedichte)
Energiedichte = Energie / Masse (für gravimetrische Energiedichte)
Dabei wird die Energie üblicherweise in Joule (J), Kilowattstunden (kWh) oder Megajoule (MJ) angegeben, das Volumen in Kubikmetern (m³) oder Litern (l) und die Masse in Kilogramm (kg).
Warum ist die Energiedichte wichtig?
Die Energiedichte spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl von Energieträgern und -speichern. Je höher die Energiedichte eines Stoffes ist, desto mehr Energie kann er bei gleichem Volumen oder gleicher Masse bereitstellen. Das ist besonders wichtig, wenn der Platz begrenzt ist oder das Gewicht eine Rolle spielt, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen oder tragbaren Geräten.
Eine hohe Energiedichte ermöglicht kompakte und leichte Energiespeicher, die trotzdem viel Energie liefern können. Das verbessert die Reichweite von Elektrofahrzeugen und verlängert die Laufzeit von Akkus in Laptops oder Smartphones.
Welche Stoffe haben eine hohe Energiedichte?
Zu den Stoffen mit besonders hoher Energiedichte zählen fossile Brennstoffe wie Benzin, Diesel oder Kerosin. Sie haben eine gravimetrische Energiedichte von rund 12 kWh/kg und eine volumetrische Energiedichte von etwa 10 kWh/l. Auch Wasserstoff hat mit 33 kWh/kg eine sehr hohe gravimetrische Energiedichte, ist aber aufgrund seiner geringen Dichte schwierig zu speichern.
Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Elektroautos und Elektronikgeräten verwendet werden, erreichen derzeit eine Energiedichte von etwa 250 Wh/kg und 450 Wh/l. Durch Weiterentwicklungen soll die Energiedichte in Zukunft noch deutlich gesteigert werden.
Wo spielt die Energiedichte eine Rolle?
Elektromobilität
Für Elektroautos sind Akkus mit hoher Energiedichte wichtig, um eine große Reichweite zu ermöglichen und gleichzeitig Gewicht und Platz zu sparen.
Portable Elektronik
Auch Laptops, Smartphones und andere tragbare Geräte profitieren von Akkus mit hoher Energiedichte, da sie so länger betrieben werden können, ohne schwer oder sperrig zu sein.
Energiespeicher
Um erneuerbare Energien wie Wind- und Solarstrom zu speichern und bei Bedarf abzurufen, werden Speicher mit hoher Energiedichte benötigt.
Luftfahrt
In Flugzeugen ist jedes Gramm Gewicht entscheidend. Kraftstoffe mit hoher Energiedichte ermöglichen eine größere Reichweite und Zuladung.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Energiedichte?
Eine der größten Herausforderungen ist es, die Energiedichte von Akkus weiter zu erhöhen, um die Leistungsfähigkeit von Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen zu verbessern. Dafür werden neue Materialien und Technologien erforscht, wie etwa Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Akkus.
Auch die Speicherung von Wasserstoff ist aufgrund seiner geringen volumetrischen Energiedichte eine Herausforderung. Hier werden Lösungen wie Hochdrucktanks oder die Speicherung in chemischen Verbindungen untersucht.
Zudem müssen bei der Entwicklung von Energiespeichern mit hoher Energiedichte auch Aspekte wie Sicherheit, Lebensdauer und Kosten berücksichtigt werden.
Was ist der Unterschied zwischen Energiedichte und Leistungsdichte?
Während die Energiedichte angibt, wie viel Energie in einem bestimmten Volumen oder einer bestimmten Masse gespeichert ist, beschreibt die Leistungsdichte, wie schnell diese Energie abgegeben oder aufgenommen werden kann. Die Leistungsdichte wird in Watt pro Kilogramm (W/kg) oder Watt pro Liter (W/l) angegeben.
Für manche Anwendungen, wie Elektroautos oder Stromnetze, ist neben einer hohen Energiedichte auch eine hohe Leistungsdichte wichtig, um schnell große Mengen an Energie bereitstellen oder aufnehmen zu können. Andere Anwendungen, wie Smartphones oder Laptops, benötigen hingegen vor allem eine hohe Energiedichte, um lange Laufzeiten zu ermöglichen.