Energiedichte

Die Energiedichte eines Brennstoffs ist das Maß an Energie, das bei der vollständigen Verbrennung dieses Stoffs freigesetzt wird. Im Folgenden wird die Einheit genau definiert, die Energiedichten verschiedener Brennstoffe werden gegenübergestellt und ihre Relevanz für die moderne Technologie der Brennstoff­zelle erläutert.

Was versteht man unter Energiedichte?

Physikalisch bezeichnet die elektrische Energiedichte – wie die Zusammensetzung aus den Begriffen "Energie" und "Dichte" bereits vermuten lässt – die Verteilung von Energie (E) auf eine bestimmte Größe (X) oder die Menge eines Körpers bzw. Stoffs. Sie bezieht sich auf die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, und zwar bezüglich des wirtschaftlichen Nutzens einer Anwendung.

Meist verwendet man die Maßeinheit als sogenannte volumetrische oder als gravimetrische bzw. spezifische Energiedichte. Ersteres ist die Maßeinheit für die Energie pro Raumvolumen eines Stoffs (gemessen in Joule/m³), letzteres das Maß für die Energie pro Masse eines Stoffs (Joule/kg). Das bedeutet, dass die energetische Dichte eines Brennstoffs die Energie ist, die bei der vollständigen Verbrennung dieses Stoffs pro Masse- oder Volumeneinheit freigesetzt wird. Es gilt zum Beispiel: Je höher die volumetrische Dichte, desto kleiner fällt der Akku aus.

Man kann aber zu jeder physikalischen Größe eine energetische Dichte bestimmen. DIN 5485 sagt, dass der Begriff Energiedichte der volumetrischen Maßeinheit vorbehalten ist. Dahingegen ist die spezifische Energie laut DIN-Norm speziell massenbezogen.

In der Praxis spielt die Maßeinheit vor allem bei Energiespeichern wie Batterien und Kraftstoffen eine Rolle. Gerade in der Fahrzeugproduktion ist entscheidend, welche Dichte der jeweilige Energiespeicher hat, da diese über die erzielbare Reichweite entscheidet.^[1]

Was heißt hohe Energiedichte?

Die energetische Dichte ist ein ausschlaggebender Faktor bei der Auswahl von Brennstoffen oder Energiespeichern in der Energiebranche. So verfügt ein Kilo Benzin über eine höhere Dichte als die gleiche Menge Holz. Das wiederum heißt, dass beim Verbrennen von Benzin mehr Energie freigesetzt wird – auch wenn die gleiche Masse des Brennstoffs vorliegt.

Wie kann man die Energiedichte berechnen? Man berechnet sie, indem man die freigesetzte Energie (Joule) durch die Masse (Kilogramm) oder das Volumen (Kubikmeter) des jeweiligen Kraftstoffs teilt.

Dass Benzin eine so hohe energetische Dichte hat, macht den Brennstoff zum derzeit bevorzugten Antriebsmittel in der Automobilindustrie. Die hohe energetische Dichte des Stoffs ermöglicht eine längere Fahrstrecke.

Ein weiteres Beispiel ist die energetische Dichte von Lithium-Ionen-Batterien, die bei gleicher Größe und Gewicht mehr Energie speichern können als andere Arten von Batterien. Dadurch sind Lithium-Ionen-Batterien die bevorzugte Wahl für elektrische Fahrzeuge und mobile Geräte.^[2]

Was bedeutet es, wenn ein Brennstoff eine hohe Energiedichte hat?

Brenn- und Kraftstoffe beziehungsweise Energiespeicher mit einer hohen energetischen Dichte haben den Vorteil, dass man mit ihnen Energie in kleiner sowie leichter Form speichern kann. Dies ist gerade für mobile Einsatzzwecke wertvoll. Nachteilhaft kann gleichzeitig sein, dass energetisch hochdichte Brennstoffe (beispielsweise fossile Brennstoffe) eine höhere Umweltbelastung haben.^[2]

Welche Faktoren beeinflussen die Energiedichte?

Wie hoch die energetische Dichte eines Brennstoffs ist, hängt von der Zusammensetzung des Stoffs sowie vom Druck und Sauerstoffgehalt seiner Umgebung ab. Im Allgemeinen ist es so, dass Festbrennstoffe (z.B. Holz) eine geringere energetische Dichte haben als flüssige (z.B. Benzin, Heizöl). Der Grund sind die zwischen den einzelnen Partikeln der jeweiligen Brennstoffe enthaltenen Zwischenräume. Dennoch fällt sie sehr viel höher aus als bei den gasförmigen Brennstoffen.

Wünschenswert ist für fast alle Anwendungen eine hohe energetische Dichte, da dieser Umstand die Transportkosten für den Energieträger niedrig hält. Außerdem erzielt man so hohe Reichweiten von E-Fahrzeugen sowie lange Betriebsdauern mobiler Geräte. So bleibt ein mit einem NiMH-Akku ausgestattetes Modellflugzeug, der 80 Gramm geladen hat, fünf Minuten lang in der Luft, während es mit einem Lithium-Polymer-Akku der gleichen Masse doppelt so lange fliegen kann.^[3]

Welche Einheiten werden häufig zur Angabe der Energiedichte verwendet?

Für die energetische Dichte werden – je nach Einsatzgebiet – verschiedene Einheiten verwendet. Dabei handelt es sich unter anderem um Kalorien pro Gramm (kal/g), Joule pro Kilogramm (J/kg) und British Thermal Units pro Pfund (BTU/lb).^[4]

Was gibt es sonst noch über die Energiedichte und SFC Energy zu wissen?

Eine besonders hohe energetische Dichte hat beispielsweise Wasserstoff, den SFC Energy für zahlreiche seiner mobilen Energieversorgungslösungen (Wasserstoff-Brennstoff­zelle) nutzt. Die Dichte von Wasserstoff liegt bei 33,3 Kilowattstunden pro Kilogramm und liegt damit beispielsweise deutlich über dem Wert von Benzin oder Diesel, aber auch über der Dichte von Methanol. Dies macht Wasserstoff als Brennstoff so interessant und spricht für den Ausbau der modernen Brennstoff­zelle. Ähnliches gilt für die Direktmethanol-Brennstoff­zelle, auch wenn die Wasserstoff Energiedichte im Vergleich deutlich höher ist als die Methanol Energiedichte.

Der Vorteil von Brennstoffen mit hoher energetischer Dichte ist, dass sie in der Lage sind, eine größere Menge an Energie pro Masse- oder Volumeneinheit freizusetzen. Es kann also sein, dass der jeweilige Stoff mehr Energie pro Verbrennungseinheit liefert und damit effizienter ist.

Vergleich der Dichte verschiedener Kraftstoffe in Kilowattstunden pro Kilogramm:^[5]

• Energiedichte Wasserstoff 33,3
• Energiedichte Benzin 12,0
• Energiedichte Diesel 11,9
• Energiedichte Methanol 5,5
• Energiedichte Methan 13,9
• Energiedichte Erdgas 6-13
• Energiedichte Propan 12,9
• Energiedichte Butan 12,7

Wie hoch die energetische Dichte eines Brennstoffs ist, spielt eine entscheidende Rolle dabei, für welche Anwendungen er in Frage kommt. Brennstoffe mit hoher energetischer Dichte eignen sich meist besser für Anwendungen, die besonders leichte oder kleine Energielieferanten erfordern. Gewicht oder Volumen des Brennstoffs sind zum Beispiel wichtige Faktoren bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, aber auch bei anderen Mobilitätsanwendungen wie Elektroautos.^[5]

Fazit

Die energetische Dichte spielt eine wichtige Rolle für die Wahl von Brennstoffen und Energiespeichern in der Energiebranche. Der Grund: Die energetische Dichte von Brennstoffen wirkt sich entscheidend auf die Effizienz und Leistung der jeweiligen Systeme aus. Die energetische Dichte lässt sich in die gravimetrische und die volumetrische Energiedichte unterteilen. Während die gravimetrische Energiedichte das Maß an Energie in Joule pro Masse in Kilogramm angibt, bezeichnet die volumetrische Energiedichte das Energiemaß in Joule pro Raumvolumen in Kubikmeter. Allgemein bezieht sich die energetische Dichte also auf die Menge an Energie, die je Masse- oder Volumeneinheit eines Brennstoffs freigesetzt wird. Die spezifische Energie hingegen misst die Energiemenge, die pro Maßeinheit des Brennstoffs freigesetzt wird. In der Regel haben feste Brennstoffe die niedrigste energetische Dichte, flüssige Brennstoffe haben eine etwas höhere energetische Dichte. Gasförmige Brennstoffe hingegen haben die höchste Dichte.