Densitate de energie

În fizică, densitatea de energie reprezintă energia conținută într-un sistem sau într-o regiune a spațiului, raportată la unitatea de volum. Aceasta nu trebuie confundată cu (energia pe unitate de masă) sau cu densitatea de energie gravimetrică, care exprimă conținutul energetic raportat la masă.

În anumite contexte aplicative se consideră doar energia disponibilă sau utilizabilă, neglijând contribuții energetice inaccesibile din punct de vedere practic (de exemplu energia asociată ). Totuși, în cosmologie și în cadrul relativității generale, densitatea de energie este definită riguros prin componentele tensorului energie–impuls, incluzând atât densitatea de energie de masă, cât și contribuțiile asociate presiunii și tensiunilor.

Energia pe unitate de volum are aceleași dimensiuni fizice ca presiunea (J/m3 ≡ Pa) și, în anumite situații, apare formal în ecuații într-un mod analog presiunii. De exemplu, densitatea de energie a unui câmp magnetic contribuie efectiv la o presiune magnetică. În mod similar, lucrul mecanic necesar comprimării unui gaz poate fi determinat din integrala presiunii în funcție de variația de volum. Un gradient de presiune indică capacitatea sistemului de a efectua lucru mecanic asupra mediului prin conversia energiei interne până la atingerea echilibrului termodinamic.

Prezentare generală Diferitele forme de energie pot fi stocate în sisteme materiale, iar eliberarea acestora are loc prin procese fizice distincte. În funcție de scara tipică a energiei implicate, procesele relevante includ interacțiile nucleare, procesele chimice, procesele electrochimice și procesele electrice.

Reacțiile nucleare au loc în stele și în reactoare nucleare, energia fiind eliberată din energia de legătură nucleară. Reacțiile chimice sunt utilizate de organismele vii pentru metabolism și de motoarele cu ardere internă pentru conversia energiei chimice a combustibililor în lucru mecanic. Hidrocarburile lichide (precum benzina, motorina și kerosenul) constituie, în prezent, un vector energetic cu densitate de energie ridicată pentru stocarea și transportul energiei chimice la scară largă (de exemplu, arderea a 1 kg de motorină implică oxigenul conținut în aproximativ 15 kg de aer). Reacțiile electrochimice stau la baza funcționării bateriilor și acumulatorilor utilizați în majoritatea dispozitivelor electronice portabile, unde energia chimică este convertită controlat în energie electrică.

Tipuri de conținut de energie Există mai multe tipuri de conținut de energie. Unul este cantitatea totală teoretică de care poate fi derivată dintr-un sistem, la o temperatură și presiune date impuse de mediul înconjurător. Aceasta se numește exergie. Altul este cantitatea teoretică de energie electrică care poate fi derivată din reactanți aflați la temperatura camerei și presiunea atmosferică. Aceasta este dată de variația entalpiei libere. Această energie este adesea utilizată pentru a alimenta dispozitive electronice și electrocasnice. Dar ca sursă de căldură sau pentru utilizare într-un motor termic, cantitatea relevantă este variația entalpiei standard sau puterea calorifică.

Există două tipuri de putere calorifică: Puterea calorifică superioară (Hs), sau puterea calorifică brută, include toată căldura degajată pe măsură ce produșii se răcesc la temperatura camerei și orice vapori de apă prezenți se condensează. Puterea calorifică inferioară (Hi), sau puterea calorifică netă, nu include căldura care ar putea fi degajată prin condensarea vaporilor de apă și poate să nu includă căldura degajată la răcire până la temperatura camerei.

Pentru o consultare rapidă a valorilor Hs și Hi ale diverșilor combustibili, se recomandă consultarea tabelelor.

În aplicațiile de stocare a energiei și ale combustibililor miniatura|400x400px|Graficul densităților de energie selectate În aplicațiile de stocare a energiei, densitatea de energie exprimă raportul dintre energia stocată într-un sistem de stocare și volumul instalației de stocare, de exemplu un rezervor de combustibil. Cu cât densitatea de energie a unui combustibil sau a unui sistem de stocare este mai mare, cu atât poate fi stocată sau transportată mai multă energie pentru același volum. Având în vedere densitatea de energie volumetrică ridicată a benzinei, dezvoltarea unor tehnologii alternative de stocare a energiei pentru propulsia autovehiculelor, precum hidrogenul sau bateriile, este limitată în mare măsură de densitatea de energie a vectorului energetic utilizat. De exemplu, pentru aceeași masă, stocarea electrochimică cu ioni de litiu ar asigura o autonomie semnificativ mai mică decât cea obținută cu combustibili lichizi convenționali; dacă reducerea autonomiei nu este acceptabilă, devine necesară transportarea unei mase mai mari de sistem de stocare sau de combustibil.

Densitatea de energie raportată la unitatea de masă a unui combustibil se numește . În practică, un motor care utilizează acel combustibil transformă doar o fracțiune din energia chimică în energie cinetică, din cauza pierderilor și a limitărilor impuse de principiul al doilea al termodinamicii; prin urmare, consumul specific de combustibil este întotdeauna mai mare decât energia mecanică utilă produsă raportată la combustibilul consumat.

Densitatea de energie nu trebuie confundată cu randamentul (raportul dintre energia utilă și energia consumată) sau cu (energia totală necesară pentru producție, inclusiv , rafinarea, distribuția și gestionarea poluării). Utilizarea intensivă a energiei la scară largă influențează și este influențată de climă, de gestionarea deșeurilor și de defrișare.

Nicio tehnologie de stocare a energiei nu oferă simultan valori optime pentru , și densitate de energie. Legea lui Peukert descrie dependența energiei utile extrase (în special în cazul acumulatoarelor plumb-acid) de rata de descărcare.

Se analizează în mod curent tehnologii alternative de stocare a energiei pentru creșterea densității de energie și reducerea timpului de încărcare.

Figura de mai sus prezintă densitatea de energie gravimetrică (raportată la masă) și volumetrică (raportată la volum) pentru diferiți combustibili și tehnologii de stocare (modificată din articolul benzină).

Unele valori pot prezenta incertitudini din cauza izomerilor sau a altor variații compoziționale. Pentru valori detaliate ale energiilor specifice ale combustibililor importanți, vezi Putere calorifică.

În general, valorile densității de energie pentru combustibilii chimici nu includ masa oxigenului necesar arderii. Deoarece oxigenul este preluat din aer în timpul combustiei, această convenție permite compararea directă a combustibililor în condiții practice de utilizare. Aceasta explică și densitatea de energie aparent mai redusă a materialelor care conțin propriul oxidant (de exemplu, praful de pușcă sau TNT), unde masa oxidantului contribuie la masa totală fără a crește proporțional energia utilă eliberată în reacția de combustie.

Densitățile de energie ale materialelor Pentru compararea diferitelor materiale energetice se utilizează, în mod uzual, energia specifică (MJ/kg) și densitatea de energie volumică (MJ/L). Conversiile uzuale sunt: 1 kW⋅h = 3,6 MJ 1 m3 = 1000 L Prin urmare, 1 MJ/L = 1 GJ/m3 și 1 MJ/L ≈ 0,278 kW⋅h/L.

Combustibili chimici (oxidare) Dacă nu se specifică altfel, valorile din tabel reprezintă puterea calorifică inferioară (Hi) pentru ardere completă, fără a include masa oxidantului (oxigenul din aer). Pentru procese electrochimice (de exemplu pile de combustie), limita teoretică superioară a lucrului util este determinată de variația energiei libere Gibbs (ΔG), nu de puterea calorifică.

+ Densitatea de energie a unor combustibili reprezentativi Material Energie specifică (MJ/kg) Densitate de energie volumică (MJ/L) Observații Hidrogen (lichid) ≈120 ≈8,5 Densitate volumică scăzută; necesită criogenie Hidrogen (gaz, 1 atm) ≈120 ≈0,01 Densitate energetică volumică foarte redusă Metan ≈50–55 ≈0,036 (gaz) / ≈22 (GNL) Component principal al gazului natural GPL (propan–butan) ≈46–50 ≈25–28 Combustibil lichefiat sub presiune Benzină ≈44–46 ≈32–34 Combustibil lichid pentru motoare cu aprindere prin scânteie Motorină ≈42–46 ≈35–39 Densitate volumică ridicată a energiei Kerosen (combustibil de aviație) ≈42–43 ≈33–35 Utilizat în motoare cu reacție Etanol ≈26–30 ≈20–24 Biocombustibil lichid Metanol ≈19–20 ≈15–16 Combustibil lichid cu densitate energetică mai redusă Cărbune (antracit) ≈26–33 ≈30–40 Combustibil solid; valori dependente de compoziție Lemn ≈15–18 ≈10–15 Biomasa; depinde de umiditate

Valorile densității de energie pentru combustibili chimici sunt de regulă raportate fără masa oxigenului necesar arderii, deoarece oxidantul este preluat din aer în condiții practice de utilizare. Această convenție permite compararea directă a combustibililor din punctul de vedere al stocării și transportului energiei.

De asemenea, trebuie făcută distincția între densitatea de energie (MJ/L), relevantă pentru aplicațiile de stocare și transport, și energia specifică (MJ/kg), relevantă pentru analiza performanței sistemelor energetice și a propulsiei.

În reacțiile nucleare Energia specifică a reacțiilor nucleare este cu ordine de mărime mult mai mare decât cea a reacțiilor chimice, deoarece o fracțiune din masa sistemului este convertită direct în energie conform relației E = mc2. Valorile de mai jos sunt estimări teoretice pentru conversia completă a energiei de reacție și nu reflectă neapărat randamentele tehnologice reale.

+ Energie specifică a unor reacții nucleare (valori aproximative) Material / reacție Energie specifică (MJ/kg) Observații Antimaterie (anihilare materie–antimaterie) ≈ 9×1010 (≈ 90 PJ/kg) Conversie aproape totală a masei în energie; valoare teoretică maximă Fuziune nucleară (4H → 4He) ≈ 6,4×108 O parte din energie este transportată de neutrin Deuteriu–tritiu (fuziune) ≈ 3,4×108 Reacția principală studiată în reactoarele de fuziune Deuteriu (fuziune D–D) ≈ 5,7×108 Valori dependente de lanțul de reacții nucleare Uraniu-235 (fisiune) ≈ 8,0×107 Energie termică eliberată în reactoare cu fisiune Plutoniu-239 (fisiune) ≈ 8,0×107 Combustibil nuclear utilizat în reactoare și arme nucleare Toriu-232 (ciclu de fisiune) ≈ 7,9×107 Necesită reactoare reproducătoare (ciclul Th–U) Plutoniu-238 ≈ 2,2×106 Utilizat în generatoare termoelectrice radioizotopice (RTG)

Alte mecanisme de stocare și eliberare a energiei În afara reacțiilor chimice și nucleare, energia poate fi stocată și eliberată prin procese electrochimice, mecanice sau termice. Densitățile de energie ale acestor sisteme sunt, în general, mult mai mici decât cele ale combustibililor chimici și incomparabil mai mici decât cele ale reacțiilor nucleare.

+ Densitatea de energie a unor sisteme de stocare a energiei Sistem Energie specifică (MJ/kg) Observații Acumulator litiu-ion ≈ 0,4–0,9 Principală tehnologie pentru dispozitive portabile și vehicule electrice Baterie alcalină ≈ 0,4–0,6 Baterii primare de uz general Acumulator cu plumb ≈ 0,1–0,2 Utilizat în aplicații auto și staționare Supercondensator ≈ 0,01–0,03 Putere specifică foarte mare, energie specifică redusă Acumulator sodiu-sulf ≈ 0,5–0,9 Sisteme de stocare la scară industrială Aer comprimat (stocare CAES) ≈ 0,1–0,5 Energie potențială a aerului comprimat Volantă ≈ 0,1–0,5 Stocare mecanică a energiei cinetice Apă la 100 m înălțime (hidroenergie) ≈ 0,001 Energie potențială gravitațională

În deformarea materialelor Energia mecanică poate fi stocată elastic în materiale deformabile. Pentru un material elastic liniar (aproximativ hookean), densitatea de energie elastică (numită și reziliență elastică) reprezintă energia pe unitate de volum care poate fi stocată până la limita elastică fără apariția deformațiilor plastice.

Pentru un material supus tracțiunii uniaxiale, densitatea maximă de energie elastică poate fi estimată prin: