Densité massique d'énergie

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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 : 1 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[modifier | modifier le code]

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 : 1 MJ ≈ 0,28 kWh. Il faut parfois déduire de l'énergie libérée par la combustion des carburants usuels, l'énergie dégagée la vaporisation de la vapeur d'eau produite par la réaction chimique, ce qui peut réduire la valeur de la densité d'énergie de 5 à 10 %.

Source / Type Réaction Énergie spécifique (kWh/kg) Énergie spécifique

(MJ/kg)

Densité d’énergie

(MJ/l)

Utilisations
Antimatière Annihilation 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 tritium Fusion nucléaire 93 718 719 337 387 388 6 368 000 000 Production d'électricité (en développement)
Plutonium-239 Fission nucléaire 23 230 277 83 629 000 1 657 000 000 Production d'électricité (surgénération)
Uranium-235 Fission nucléaire 22 083 333 79 500 000 1 534 000 000 Production d'électricité
Hydrogène (comprimé à 700 bars) Chimique 34,1 123 5,6 Moteurs de véhicules
Essence Chimique 13,1 47,2 34 Moteurs de véhicules
Propane (ou GPL) Chimique 12,8 46,4 26 Cuisson, chauffage domestique, Moteurs de véhicules
Fioul / carburant Diesel Chimique 12,6 45,4 36,4 Moteurs de véhicules, chauffage domestique
Kérosène Chimique 11,9 43 33 Moteurs d'avions
Graisses (animales ou végétales) Chimique 10,2 37 Nutrition humaine ou animale, moteurs de véhicules
Charbon Chimique 6,6 24 Production d'électricité, chauffage domestique
Hydrates de carbone (y compris sucre) Chimique 4,7 17 Nutrition humaine ou animale
Protéines nutritives Chimique 4,6 16,8 Nutrition humaine ou animale
Bois Chimique 4,5 16,2 Chauffage, cuisson
Accumulateur lithium-air Électrochimique 2,5 9 Appareils électroniques portables, véhicules électriques (en développement)
TNT Chimique 1,2 4,6 Explosifs
Poudre noire Chimique 0,83 3 Explosifs
Accumulateur lithium Électrochimique 0,5 1,8 4,32 Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeable)
Accumulateur lithium-soufre Électrochimique 0,5 1,8 Véhicules électriques
Accumulateur lithium-ion Électrochimique 0,2 0,72 0,9-2,23 Appareils électroniques portables, véhicules électriques
Pile alcaline Électrochimique 0,163 0,59 Appareils électroniques portables, lampes de poche(non-rechargeables)
Supercondensateur (graphene/SWCNT)[3] Électrique 0,155 0.56 Véhicules électriques, régulation de puissance
Air comprimé (300 bar) Pneumatique 0,138 0,5 0,2 Stockage d'énergie
Batterie sodium-ion Électrochimique 0,101 0,367 Équilibrage de charge, stockage d'énergie
Accumulateur nickel-hydrure métallique Électrochimique 0,080 0,288 0,504-1,08 Appareils électroniques portables, lampes de poche
Supercondensateur Électrique 0,0277 0,1 Régulation de puissance
Batterie au plomb Électrochimique 0,0277 0,1 Démarrage de moteurs de véhicules
Volant d'inertie Mécanique 0,010 0,036-0,5 Récupération de l'énergie cinétique (KERS)
Condensateur Électrique 0,001 0,000036 Circuits électroniques

Autres applications[modifier | modifier le code]

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 = 1 Gy = 1 J/kg

Notes et références[modifier | modifier le code]

  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. 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[modifier | modifier le code]