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
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 : =
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 : ≈ . Pour les combustibles, sauf mention contraire, le pouvoir calorifique supérieur est indiqué (en pratique une partie de cette énergie est perdue sous forme l'énergie absorbée par la vaporisation de la vapeur d'eau produite lors de la réaction chimique) ; pour les systèmes électrochimiques, les pertes internes sont écartées. Dans les deux cas, la valeur de la densité d'énergie pratique peut se réduire de 5 à 10 %. Le poids et le volume des équipements annexes indispensables (contenants et réservoirs, pompes et tuyaux, protections des opérateurs) ne sont pas pris en compte.
Source / Type Réaction Énergie spécifique()Énergie spécifique()Densité d’énergie() Utilisations AntimatièreAnnihilation matière-antimatière50 000 000 000 soit ~50 TWh/kg. E=mc ; . soit 180 PJ/kg Expérimentation, recherche et utilisation future Deutérium et tritium Fusion nucléaire93 718 719 Production d'électricité (en développement) Plutonium-239 Fission nucléaire23 230 277 Production d'électricité (surgénération) Uranium-235 Fission nucléaire22 083 333 Production d'électricité Hydrogène (comprimé à 700 bars) Chimique34,1 123 Moteurs de véhicules Essence Chimique13,1 47,2 34 Moteurs de véhicules Propane (ou GPL)Chimique12,8 46,4 26 Cuisson, chauffage domestique, Moteurs de véhicules Fioul / carburant Diesel Chimique12,6 45,4 36,4 Moteurs de véhicules, chauffage domestique Kérosène Chimique11,9 43 33 Moteurs d'avions Graisses (animales ou végétales) Chimique10,2 37 Nutrition humaine ou animale, moteurs de véhicules Éthanol Chimique8,25 29,7. 23,4 Moteurs de véhicules, chauffage, nutrition Charbon maigrehouille anthraciteuse Chimique6,2 29 Production d'électricité, chauffage domestique Lignite séché Chimique4,8 18 Production d'électricité, chauffage domestique Hydrates de carbone (y compris sucre) Chimique4,7 17 Nutrition humaine ou animale Protéines nutritives Chimique4,6 16,8 Nutrition humaine ou animale Bois Chimique4,5 16,2 Chauffage, cuisson Tourbe Chimique4,5 12 Chauffage, cuisson Accumulateur lithium-air Électrochimique 2,5 8 Appareils électroniques portables, véhicules électriques (en développement) TNT Chimique1,2 4,6 Explosifs Poudre noire Chimique0,83 3 Explosifs Accumulateur lithium Électrochimique0,5 1,8 4,32 Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeable) Accumulateur lithium-soufre Électrochimique0,5 1,8 Véhicules électriques Accumulateur lithium-ion Électrochimique0,2 0,72 0,9-2,23 Appareils électroniques portables, véhicules électriques Pile alcaline Électrochimique0,163 0,59 Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeables) Supercondensateur (graphene/SWCNT)Quiang Cheng et.al. "Graphene and carbon nanotube composite electrodes for supercapacitors with ultra-high energy density" Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, .http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cp/c1cp21910c Électrique0,1550.56 Véhicules électriques, régulation de puissanceAir comprimé (300 bar)Pneumatique0,1380,50,2Stockage d'énergie Batterie sodium-ion Électrochimique0,101 0,367 Équilibrage de charge, stockage d'énergie Accumulateur nickel-hydrure métallique Électrochimique0,080 0,288 0,504-1,08 Appareils électroniques portables, lampes de poche Supercondensateur Électrique 0,0277 0,1 Régulation de puissance Batterie au plomb Électrochimique0,0277 0,1 Démarrage de moteurs de véhicules Volant d'inertie Mécanique0,0100,036-0,5 Récupération de l'énergie cinétique (KERS) Condensateur Électrique0,0010,000036 Circuits 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) :
Notes et références
Voir aussi Dose absorbée ~ dose équivalente ~ dose efficace Densité d'énergie ~ Diagramme de Ragone
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