La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata in un dato sistema o regione dello spazio per unità di volume o per unità di massa, a seconda del contesto, anche se nel secondo caso si parla più correttamente di energia specifica. In alcuni casi risulta chiaro dal contesto quale quantità sia più idonea: ad esempio, nella missilistica si fa riferimento all'energia per unità di massa, mentre nello studio dei gas in pressione e nella magnetoidrodinamica l'energia per unità di volume è più appropriata. In alcune applicazioni (quando ad esempio si compara l'efficacia dell'idrogeno come carburante rispetto alla benzina) entrambi i valori sono importanti e devono essere dichiarati esplicitamenteL'idrogeno ha infatti una maggiore densità energetica per unità di massa rispetto alla benzina, ma possiede una densità energetica per volume assai minore in tutte le applicazioni.
L'energia per unità di volume ha sempre le stesse unità fisiche ("dimensioni") della pressione, e in molte circostanze è davvero un sinonimo esatto: ad esempio, la densità di energia del campo magnetico può essere espressa (e si comporta) come una pressione in fisica, e l'energia richiesta per comprimere un gas può essere determinata moltiplicando la pressione del gas compresso per la sua variazione di volume.
Densità dell'energia in immagazzinamento e carburanti Nell'applicazione dello stoccaggio dell'energia, la densità di energia è correlata alla massa di stoccaggio e all'energia che immagazzina. Con una maggiore densità di energia, più energia può essere stoccata o trasportata a parità di massa. Nel contesto di una scelta del carburante più adatto alle proprie disponibilità e necessità, la densità energetica di un carburante viene definita anche energia specifica, anche se in genere, un motore che usi quel combustibile fornirà meno energia a causa delle inefficienze e a considerazioni di termodinamica; per questo il consumo specifico di carburante di un motore sarà maggiore rispetto al reciproco dell'energia specifica di un carburante.
La densità gravimetrica e volumetrica di alcuni carburanti e tecnologie di immagazzinamento (modificate dalla voce inglese riguardante la benzina): Nota: Alcuni valori possono non essere precisi a causa della presenza di isomeri o di altre irregolarità. Vedere potere calorifico per una tabella che comprende le energie specifiche di alcune fonti e mezzi di trasporto dell'energia significativi o molto abbondanti (sterco, spazzatura). Questa tabella non contabilizza la massa e il volume dell'ossigeno richiesto per molte reazioni chimiche, che si assume essere liberamente disponibile e presente alle sue concentrazioni abituali nell'atmosfera. In alcuni casi dove questo assunto non è vero (come nel combustibile per razzi), l'ossigeno viene incluso in peso come un ossidante necessario.
Tavola delle densità di energia + Tavola delle Densità di EnergiaTipo di stoccaggioDensità di energiaper massa(MJ/kg)Densità di energiaper volume(MJ/L)Picco dell'efficienzadi recupero %Efficienzadi recuperopratica %Equivalenza massa-energia89.876.000.000 Energia di legame del nucleo di Elio-4683.000.0008,57 × 1024 Fusione nucleare dell'idrogeno (fonte di energia del Sole)645.000.000 Fusione nucleare deuterio-trizio337.000.000 Fissione nucleare (dell'U 235 puro) (Usato all'80-90% in bombe atomiche e nel reattore nucleare a fissione dei sottomarini nucleari)88.250.0001.500.000.000 Uranio (naturale) (99,3% U238, 0,7% U235) nel reattore nucleare veloce autofertilizzante24,000,000 50% Uranio arricchito (3,5% U235) nel reattore nucleare ad acqua naturale3.456.000 30%Isomero Hf-178m21.326.00017.649.060 Uranio naturale (0,7% U235) nel reattore nucleare ad acqua naturale443.000 30%Isomero del Ta-180m41.340689.964 Idrogeno (liquefatto a -235 °C)14310,1 Idrogeno (gassoso compresso a 700 bar)1435,6 Idrogeno(gassoso a temperatura ambiente)1430,01079 Berillio (tossico)(bruciato in aria)67,6125,1 Boroidruro di litio (bruciato in aria)65,243,4 Boro (bruciato in aria)58,9137,8 Metano (1,013bar, 15 °C)55,60,0378 Gas naturale (compresso) a 200 bar53,610 GPL: propano49,625,3 GPL: butano49,127,7 Benzina46,934,6 Gasolio/Gasolio da riscaldamento45,842,3 Plastica: Polietilene46,342,6 Plastica" Polipropilene46,341,7 Miscela di etanolo E10 (10% etanolo, 90% benzina per volume)43,5433,72 Miscela di etanolo E85 (85% etanolo, 10% benzina per volume)33,125,65 Litio (bruciato in aria)43,123,0 Jet-A / kerosene42,833 Olio Biodiesel (Olio vegetale)42,233 DMF (2,5-dimetilfurano) 4237,8 Petrolio (secondo la definizione di tonnellata equivalente di petrolio) 41,8737 Plastica: Polistirene41,4selection.pdf su www.aquafoam.com 43,5 Metabolismo degli acidi grassi38352222-26%Ebike_Energy.pdf su www.ebikes.caButanolo (combustibile)36,629,2 Energia orbitale specifica della bassa orbita terrestre~33 Grafite (bruciata in aria)32,772,9 Carbone (Antracite)32,572,4 36%Silicio (bruciato in aria)32,275,1 Alluminio (bruciato in aria)31,083,8 Etanolo3024 Plastica: Poliestere26,0 35,6 Magnesio (bruciato in aria)24,743,0 Carbone bituminoso2420 Plastica:PET23,5 (impuro) Metanolo19,715,6 Idrazina (tossico), con combustione a N2+H2O19,519,3 Ammoniaca liquida (con combustione a N2+H2O)18,611,5 Plastica PVC (Tossico da impropria combustione)18,025,2 Metabolismo degli zuccheri1726,2 (destrosio)2222-26%Cl2O7 + CH4 - calcolato17,4 Carbone: Lignite1414-19 Calcio (bruciato in aria)15,924,6 Glucosio15,5523,9 Sterco secco di vacca e cammello15,5 Legno6–17 Sodio (bruciato in umido fino a Idrossido di sodio)13,312,8 Cl2O7decomposizione - calcolato12,2 Nitrometano11,312,9 Spazzatura (domestica)88-11 Sodio (bruciato in ossido di sodio secco)9,18,8 Ottanitrocubanoesplosivo - calcolato8,517 Tetranitrotetraedranoesplosivo - calcolato8,3 Eptanitrocubanoesplosivo - calcolato8,2 Dinitroacetileneesplosivo - calcolato 7,9 Sodio (reagendo con cloro)7,035 Tetranitrocubano esplosivo - calcolato6,95 Ammonal (Al+NH4NO3 ossidante)6,912,7 Tetranitrometano + idrazina bipropellente - calcolato6,6 Esanitrobenzene esplosivo - calcolato6,5 Octogenesplosivo - calcolato6,3 ANNM (Nitrato ammonio + Nitrometano) 6,26 Zinco (ossidato in aria)5,338,0 Plastica:Teflon(tossico da combustione, ritardante la fiamma) 5,111,2 Ferro(ossidato a ossido ferrico)5,240,68 Ferro(ossidato a ossido ferroso)4,938,2 TNT (esplosivo)4,186,92 Termite-Cuprica (Al + CuO come ossidante)4,1320,9 Termite (Polvere di Al + Fe2O3 come ossidante)4,00 18,4 ANFO(nitrato d'ammonio + gasolio)3,7 Decomposizione del Perossido di idrogeno (come mono-propellente)2,73,8 Batteria a ioni di litio su nanocavi2,54 2,54-2,72?29 95%Batteria litio cloruro di tionile2,5 condensatore costruito da EEStor (capacità del prodotto venduto in massa) (dato da verificare perché il componente indicato non sembra esistere, alcuni siti indicano la notizia come bufala https://www.greentechmedia.com/articles/read/the-eestor-ultracapacitor-saga-continues)2,465,45 Acqua transcriticabollente in pressione(220,64 bar a 373,8 °C)1,9680,708 Penetratore a energia cinetica (APFSDS)1,91,9-3,43030-54 Batteria a fluoruro ione1,71,7-(?)2,8 (?)2,8 (?) Cella a combustibile rigenerativa (pila a combustibile con riserva interna di idrogeno usata come una batteria)1,62 Decomposizione dell'idrazina (tossico) (come monopropellente)1,61,6 Decomposizione del nitrato d'ammonio (come monopropellente)1,42,5 Condensatore della EEStor (claimed prototype capacity)1,02,18 Molla molecolare1~1 Batteria sodio-solfuro 1,23 85%Azoto liquido0,77C. Knowlen, A.T. Mattick, A.P. Bruckner and A. Hertzberg, "High Efficiency Conversion Systems for Liquid Nitrogen Automobiles" , Society of Automotive Engineers Inc, 1988.0,62 Batteria litio-ioneA typically available lithium ion cell with an Energy Density of 201 wh/kg 0,54 0,54–0,72 0,90,9–1,9 95% Batteria litio-solfuro0,540,54-1,44 Aria compressa a 300 bar (12 °C), senza includere il contenitore0,5120,16 Volano (meccanica)0,5 8181-94%Proiettile NATO calibro5,56 × 45 mm0,40,4-0,83,23,2-6,4 Pila zinco-aria0,40,40 to 1,75,95,9 Liquefazione del ghiaccio0,3350,335 Zinc-bromine flow battery0,270,27–0,306 Aria compressa a 20 bar (12 °C), without container0,270,01 64%NiMH Battery0,22 0,36 60% Batteria nichel-cadmio0,140,14-0,22 80% Batteria piombo-acido0,090,09–0,11 0,14 0,14 – 0,17 7575-85% Aria compressa in bottiglia a fibre di carbonio (200 bar a 24 °C)0,10,1 Batteria redox al vanadio0,09 0,1188 7070-75%Batterie redox al vanadio0,18 0,252 81%Aria compressa in bottiglia di acciaio (200 bar a 24 °C)0,040,1 Condensatore: Supercondensatore Maxwell 3.0V3400F0,030960,039 (15,3kJ/0.39l) Condensatore Supercondensatore0,01 98,5%90%Condensatore0,002 Energia potenziale dell'acqua in diga (alta 100 m)0,0010,001 8585-90% Molla (molla di orologio), molla di torsione0,0003 0,0006
Commento alla tabella Le fonti di energia a maggiore densità sono la fusione nucleare e la fissione nucleare. L'energia del Sole è una forma di fusione nucleare (deuterio-deuterio) che si calcola come disponibile per circa 5 miliardi di anni (sotto forma di luce solare e altre radiazioni), ma attualmente un reattore a fusione in grado di produrre energia elettrica in modo stabile è ancora in fase sperimentale (vedi Tokamak, ITER). La fissione del U-235 nelle centrali nucleari sarà ancora disponibile per milioni di anni a causa della vasta disponibilità dell'elemento sulla Terra (filtrando o facendo evaporare l'acqua di mare, nel sedimento ottenuto si trova cloruro di sodio, manganese, carbonato di calcio e terre rare, tra queste gli attinidi e tra questi l'uranio.).
Il carbone e il petrolio sono le principali fonti di energia primaria negli Stati Uniti ma possiedono una densità energetica molto minore. La combustione delle biomasse locali può soddisfare le limitate necessità di energia domestiche di utenze isolate (case ben coibentate, con cogenerazione) in zone rurali e periferiche (riscaldamento, lampada a olio, ecc.) a livello mondiale.
La densità energetica (quanta energia si ha per unità di peso o volume) non è una misura della efficienza della conversione in energia (energia fornita in rapporto a quella immessa) o energia incorporata (quanto costa in energia la fornitura energetica in rapporto alla coltivazione-estrazione, raffinazione, distribuzione, e la gestione dell'inquinamento). Come ogni processo su larga scala, l'uso intensivo dell'energia causa un impatto sull'ambiente: ad esempio, l'effetto serra, l'accumulo di scorie nucleari, la deforestazione, l'inquinamento dei mari, sono alcune delle conseguenze della scelta tra diversi tipi di energia.
Dividendo per 3,6 le cifre per megajoule/kilogrammo le si convertonon in kilowatt-ora/kilogrammo. L'energia disponibile dall'estrazione da una riserva energetica è sempre meno rispetto all'energia immagazzinata, come spiegato dalle leggi della termodinamica. Nessun particolare metodo di immagazzinamento fornisce il meglio in tutto tra potenza specifica, energia specifica, e densità di energia. La legge di Peukert descrive come la rapidità nell'ottenere una certa quantità di energia dipenda da quanto velocemente la tiriamo fuori.
Densità gravimetrica La densità gravimetrica di una batteria è il rapporto tra la quantità di energia in essa contenuta e il suo peso (Wh/kg). Tale unità di misura è utile per determinate il peso complessivo del pacco batterie di un'auto elettrica in base alla quantità di energia che deve essere stoccata a bordo del mezzo per garantirne una data autonomia.
Densità di energia di campi elettrici e magnetici I campi elettrici e magnetici contengono energia. Nel vuoto, la densità di energia per unità di volume (in unità SI) è data da
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dove E e B sono rispettivamente i moduli del campo elettrico e di quello magnetico.
Nel contesto della magnetoidrodinamica, la fisica dei fluidi conduttori, la densità di energia magnetica si comporta come un termine di pressione che si somma alla pressione del gas del plasma.
Nella materia, la densità di energia è
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