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Densité massique d'énergie

En physique, la densité massique d'énergie désigne le quotient d'une énergie E par la masse m de matière dans laquelle cette énergie est déposée ou stockée :

Pour le stockage d'énergie, quand il s'agit d'une propriété intrinsèque du matériau (ou du dispositif) considéré, on l'appelle énergie spécifique.

L'unité dérivée de référence pour exprimer la densité massique d'énergie dans le Système international est le joule par kilogramme (J/kg).

Rapport à la densité d'énergie

Pour un élément de matière homogène, de masse volumique et de volume V, la densité massique d'énergie est reliée à la densité volumique d'énergie par :

Utilisant le volume massique au lieu de masse volumique, cela devient :

Densité d'énergie dans les stockages d'énergie et les carburants

Densités d'énergie volumique et massique brutes de quelques carburants.

Dans le domaine du stockage d'énergie, la densité massique d'énergie est utilisée conjointement avec la densité volumique d'énergie pour comparer les performances des technologies de stockage. L'unité généralement utilisée dans ce domaine est le watt-heure par kilogramme : Wh/kg = 3 600 J/kg

Plus la densité d'énergie est élevée, plus il y a d'énergie pouvant être stockée ou transportée pour un volume ou une masse donné. Ceci est particulièrement important dans le domaine des transports (automobile, avion, fusée…). On notera que le choix d'un carburant pour un moyen de transport, outre les aspects économiques, tient compte du rendement du groupe motopropulseur.

Les sources d'énergie de plus forte densité sont issues des réactions de fusion et de fission. En raison des contraintes générées par la fission, elle reste cantonnée à des applications bien précises. La fusion en continu, elle, n'est pas encore maîtrisée à ce jour. Le charbon, le gaz et le pétrole sont les sources d'énergie les plus utilisées au niveau mondial, même s'ils ont une densité d'énergie beaucoup plus faible, le reste étant fourni par la combustion de la biomasse qui a une densité d'énergie encore plus faible.

Densités d'énergie typiques

La liste suivante fournit la densité d'énergie de matières potentiellement utilisables pour le stockage ou la production d'énergie. La liste ne prend pas en compte la masse des réactifs nécessaires comme l'oxygène pour la combustion ou la matière pour l'annihilation avec l'antimatière. La conversion d'unités suivante peut être utile pour la lecture du tableau : MJ0,28 kWh. Il faut parfois déduire de l'énergie libérée par la combustion des carburants usuels, l'énergie absorbée par la vaporisation de la vapeur d'eau produite lors de la réaction chimique, ce qui peut réduire la valeur de la densité d'énergie de 5 à 10 %.

Source / TypeRéaction Énergie spécifique (kWh/kg)Énergie spécifique

(MJ/kg)

Densité d’énergie

(MJ/l)

Utilisations
AntimatièreAnnihilation matière-antimatière 25 000 000 000
soit ~50 TWh/kg[1]
180 000 000 000[2]
soit 180 PJ/kg
Expérimentation, recherche et utilisation future
Deutérium et tritiumFusion nucléaire 93 718 719337 387 3886 368 000 000Production d'électricité (en développement)
Plutonium-239Fission nucléaire 23 230 27783 629 0001 657 000 000Production d'électricité (surgénération)
Uranium-235Fission nucléaire 22 083 33379 500 0001 534 000 000Production d'électricité
Hydrogène (comprimé à 700 bars)Chimique 34,11235,6Moteurs de véhicules
EssenceChimique 13,147,234Moteurs de véhicules
Propane (ou GPL)Chimique 12,846,426Cuisson, chauffage domestique, Moteurs de véhicules
Fioul / carburant DieselChimique 12,645,436,4Moteurs de véhicules, chauffage domestique
KérosèneChimique 11,94333Moteurs d'avions
Graisses (animales ou végétales)Chimique 10,237Nutrition humaine ou animale, moteurs de véhicules
ÉthanolChimique 8,2529,7[3]23,4Moteurs de véhicules, chauffage, nutrition
Charbon maigre
houille anthraciteuse
Chimique 6,229Production d'électricité, chauffage domestique
Lignite séchéChimique 4,818Production d'électricité, chauffage domestique
Hydrates de carbone (y compris sucre)Chimique 4,717Nutrition humaine ou animale
Protéines nutritivesChimique 4,616,8Nutrition humaine ou animale
BoisChimique 4,516,2Chauffage, cuisson
TourbeChimique 4,512Chauffage, cuisson
Accumulateur lithium-airÉlectrochimique 2,58Appareils électroniques portables, véhicules électriques (en développement)
TNTChimique 1,24,6Explosifs
Poudre noireChimique 0,833Explosifs
Accumulateur lithium Électrochimique 0,51,84,32Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeable)
Accumulateur lithium-soufreÉlectrochimique 0,51,8Véhicules électriques
Accumulateur lithium-ionÉlectrochimique 0,20,720,9-2,23Appareils électroniques portables, véhicules électriques
Pile alcalineÉlectrochimique 0,1630,59Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeables)
Supercondensateur (graphene/SWCNT)[4]Électrique 0,1550.56Véhicules électriques, régulation de puissance
Air comprimé (300 bar) Pneumatique 0,138 0,5 0,2 Stockage d'énergie
Batterie sodium-ionÉlectrochimique 0,1010,367Équilibrage de charge, stockage d'énergie
Accumulateur nickel-hydrure métalliqueÉlectrochimique 0,0800,2880,504-1,08Appareils électroniques portables, lampes de poche
SupercondensateurÉlectrique 0,02770,1Régulation de puissance
Batterie au plombÉlectrochimique 0,02770,1Démarrage de moteurs de véhicules
Volant d'inertieMécanique 0,0100,036-0,5Récupération de l'énergie cinétique (KERS)
CondensateurÉlectrique 0,0010,000036Circuits électroniques

Autres applications

En physique médicale, de nombreuses grandeurs physiques sont par définition des densités massiques d'énergie. C'est le cas de la dose absorbée et des grandeurs qui en sont dérivées, par exemple la dose équivalente et la dose efficace. On utilise alors des noms spécifiques pour le joule par kilogramme : le gray (Gy) et le sievert (Sv) :

Sv = Gy = J/kg

Notes et références

  1. (en) « 180 PJ/kg in Twh/kg », sur WolframAlpha.
  2. (en) Gerald A. Smith, « High density storage of antimatter for space propulsion applications », AIP Conference Proceedings, AIP, vol. 552, , p. 939–943 (DOI 10.1063/1.1358031, lire en ligne, consulté le ).
  3. Patrice Lecomte, « Éthanol de synthèse », sur Techniques de l'ingénieur, (consulté le ), Fiche produit éthanol CH3CH2OH.
  4. Quiang Cheng et.al. "Graphene and carbon nanotube composite electrodes for supercapacitors with ultra-high energy density" Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, DOI 10.1039/C1CP21910C.http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cp/c1cp21910c

Voir aussi

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