Densidade de energia

Densidade de energia é a relação entre a quantidade de energia contida em um dado sistema ou região do espaço e o volume ou a massa, dependendo do contexto, deste sistema/região.

Em contextos, é evidente qual grandeza é mais útil: por exemplo, em um foguete a densidade em relação à massa é o mais importante parâmetro; mas quando se estuda um gás pressurizado ou magnetoidrodinâmica, densidade em relação ao volume é o mais adequado. Em determinadas situações, (comparando, por exemplo, a eficiência de combustíveis, como hidrogênio e gasolina), ambos os valores são apropriados e devem ser explicitados. (O hidrogênio tem maior densidade energética por unidade de massa do que a gasolina, mas densidade energética por unidade de volume muito mais baixa.)

A densidade energética por unidade de volume tem as mesmas unidades físicas da pressão, e em muitas circunstâncias é um sinônimo exato: por exemplo, a densidade de energia do campo magnético podem ser expressa como (e se comporta como) uma pressão física, e a energia requerida para comprimir um gás pode ser calculada multiplicando-se a pressão do gás comprimido por sua alteração de volume.

Densidade de energia em armazenamento e em combustíveis

Em análises de armazenamento de energia, a densidade de energia relaciona a massa de um corpo com a energia nele armazenada. Quanto mais alta a densidade de energia, mais energia pode ser armazenada ou transportada pela mesma quantidade de massa.

No contexto de seleção de combustíveis, a densidade de um combustível é também chamada de energia específica deste combustível.

Densidade de energia gravimétrica e volumétrica de alguns combustíveis e tecnologias de armazenamento (modificado do artigo sobre gasolina):

Nota: Alguns valores podem não ser precisos por causa de isômeros ou outras irregularidades. Ver poder calorífico para uma tabela compreendendo energias específicas de combustíveis importantes.

Esta tabela não leva em consideração a massa e o volume do oxigênio exigido para muitas das reações químicas, porque se supõe que esteja disponível livre e presente na atmosfera. Nos casos onde isto não é verdadeiro (como o combustível de foguetes), o oxigênio é incluído como comburente.

Densidade de energia de vários meios de armazenagem.

Tipo de armazenagem	Densidade de energia por massa (MJ/kg)	Densidade de energia por volume (MJ/L)	Pico de eficiência de recuperação (%)	Eficiência de recuperação prática (%)
Equivalência massa-energia	89.876.000.000
Energia de ligação do núcleo hélio-4	683.000.000	8.57x1024
Fusão nuclear do hidrogênio (fonte energia do Sol)	645.000.000
Fissão nuclear (de U-235) (Usado em usinas nucleares)	88.250.000	1.500.000.000
Urânio natural (99,3% U238, 0,7% U235) em reator reprodutor rápido	24.000.000			50%sm=n
Urânio enriquecido (3,5% U235) em reator de água leve	3.456.000			30%
Isômero Hf-178m2	1.326.000	17.649.060
Urânio natural (0,7% U235) em reator de água leve	443.000			30%
Isômero Ta-180m	41.340	689.964
Hidrogênio líquido	143	10.1
Hidrogênio gasoso comprimido a 700 bar	143	5,6
Hidrogênio gasoso a temperatura ambiente[carece de fontes?]	143	0,01079
Berílio (tóxico) (queimado ao ar)	67,6	125,1
Borohidreto de lítio (queimado ao ar)	65,2	43,4
Boro (queimado ao ar)	58,9	137,8
Gás natural comprimido a 200 bar	53,6 sm=n	10
LPG propano	49,6	25,3
LPG butano	49,1	27,7
Gasolina	46,9	34,6
Óleo diesel/residencial óleo de calefação	45,8	38,7
Plástico polietileno	46,3 sm=n	42,6
Plástico polipropileno	46,3 sm=n	41,7
gasohol (10% etanol 90% gasolina)	43,54	28,06 (não consistente com detalhe)
Lítio (queimado ao ar)	43,1	23,0
Jet A combustível de aviação / querosene	42,8	33
Óleo biodiesel (óleo vegetal)	42,20	33
DMF (2,5-dimetilfurano)	42 sm=n	37,8
Óleo cru (de acordo com a definição de tonelada equivalente de óleo)	41,87	37 sm=n
Plástico poliestireno	41,4 sm=n	43,5
Metabolismo de gordura corporal	38	35	2222-26%sm=n
Butanol	36,6	29,2
Energia específica orbital da baixa órbita terrestre	33 (aprox.)sm=n
Grafita (queimada ao ar)	32,7	72,9
Carvão antracita	32,5	72,4		3636%sm=n
Silício (queimado ao ar)	32,2	75,1
Alumínio (queimado ao ar)	31,0	83,8
Etanol	30	24
Plástico poliéster	26,0 sm=n	35,6
Magnésio (queimado ao ar)	24,7	43,0
Carvão betuminoso	24	20
Plástico PET	23,5 (impuro) sm=n
Metanol	19,7	15,6
Hidrazina (tóxica) queimada a N2+H2O	19,5	19,3
Amônia (queimada a N2+H2O)	18,6	11,5
Plástico PVC (combustão tóxica imprópria)	18,0 sm=n	25,2
Metabolismo de açúcares, carboidratos e proteínas	17	26,2(dextrose)sm=n	2222-26% sm=n
Cl2O7 + CH4 - calculado	17,4
Carvão lignita	1414-19
Cálcio (queimado ao ar)	15,9	24,6
Esterco de bovinos seco e de camelos	15,5 sm=n
Madeira	6–17 sm=n	1,81,8–3,2sm=n
Hidrogênio líquido + oxigênio (como oxidante) (1:8 (p/p), 14,1:7,0 (v/v))	13,333	5,7
Sódio (queimado a úmico a hidróxido de sódio)	13,3	12,8
Decomposição de Cl2O7 - calculado	12,2
Nitrometano	11,3	12,9
Lixo doméstico	88-11 sm=n
Sódio (queimado a seco a óxido de sódio)	9,1	8,8
Octanitrocubano explosivo - calculado	7,4
Sódio (reagindo com cloro)	7,0349
Amonal (Al+NH4NO3 oxidante)	6,9	12,7
Tetranitrometano + hidrazina explosiva - calculado	6,6
Hexanitrobenzeno explosivo - calculado	6,5
Zinco (queimado ao ar)	5,3	38,0
Plástico Teflon (combustão tóxica, mas retardante de chama)	5,1	11,2
Ferro (queimado a óxido de ferro (III))	5,2	40,68
Ferro (queimado a óxido de ferro (II))	4,9	38,2
TNT	4,184	6,92
Termita de cobre (Al + CuO como oxidante)	4,13	20,9
Termita (pé de Al + Fe2O3 como oxidante)	4,00 sm=n	18,4
Ar comprimido a 300 bar (a 12 °C), sem recipiente	0,512	0,16
ANFO	3,88
Decomposição de peróxido de hidrogênio (como monopropelente)	2,7	3,8
Bateria íon lítio com nanofios	25,42,54-2,72?sm=n	29 sm=n		95%sm=n
Bateria de cloreto de lítio tionilo	2,5
Bateria de íon fluoreto	1,71,7-(?)sm=n	2,8(?)2,8(?)sm=n
Célula combustível regenerativa (célula combustível com reservatório interno de hidrogênio muito usado como uma bateria)	1,62 sm=n
Decomposição (tóxica) de hidrazina (como monopropelente)	1,6	1,6
Decomposição de nitrato de amônia (como monopropelente)	1,4	2,5
Capacitor por EEStor (capacidade aclamada)	1,0 sm=n
"Brisa molecular"	1~1sm=n
Bateria sódio-enxofre		1,23 sm=n		85%sm=n
Nitrogênio líquido	0,77[1]sm=n	0,62
Bateria de íon lítio[2]	0.540,54–0,72sm=n	0.90,9–1,9sm=n	95%sm=n
Bateria de lítio enxofre	0,540,54-1,44sm=n
Penetrador de energia cinética	1,91,9-3,4sm=n	3030-54sm=n
Projétil 5,56 × 45 mm NATO	0,40,4-0,8sm=n	3,23,2-6,4sm=n
Bateria Zn-ar	0,40,40 a 1,7sm=n	5,95,9sm=n
Bateria inercial	0,5			8181-94%[carece de fontes?]sm=n
Gelo	0,335	0,335
Bateria de fluxo zinco-bromo	0,270,27–0,306 sm=n
Ar comprimido a 20 bar (a 12 °C), sem recipiente	0,27	0,01		64%sm=n
Bateria NiMH	0,22 sm=n	0,36		60% sm=n
Bateria NiCd	0.140,14-0,22sm=n			80% sm=n
Bateria ácido chumbo	0,090,09–0,11 sm=n	0,140,14–0,17sm=n	7575-85%sm=n
Ar comprimido in fiber-wound bottle at 200 bar (at 24 °C)	0.1	0.1
Commercial lead acid battery pack	0.0720.072-0.079 sm=n
Vanadium redox battery	0.09 sm=n	0.1188		7070-75%sm=n
Vanadium bromide redox battery	0.18 sm=n	0.252		81%
compressed air in steel bottle at 200 bar (at 24 °C)	0.04	0.1
Ultracapacitor	0.0206 sm=n	0.050
Supercapacitor	0.01		98.5%	90%sm=n
Capacitor	0.002 sm=n
Water at 100 m dam height	0.001	0.001		8585-90%sm=n
Spring power (clock spring), torsion spring	0.0003 sm=n	0.0006

Referências

1. C. Knowlen, A.T. Mattick, A.P. Bruckner and A. Hertzberg, "High Efficiency Conversion Systems for Liquid Nitrogen Automobiles" Arquivado em 17 de dezembro de 2008, no Wayback Machine., Society of Automotive Engineers Inc, 1988.
2. A typically available lithium ion cell with an Energy Density of 201 wh/kg Arquivado em 1 de dezembro de 2008, no Wayback Machine.

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