Energiedichte und Energieeffizienz, "Energiequalität" und Nutzwert einer Energieform, Umrechnung: 1 kWh = 3,6 MJ.
27.9.2025
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist die Energiedichte und wie ist sie definiert?
2. Wie wird Energiedichte berechnet?
3. Energiedichte Liste Vergleich MJ/kg und Wh/kg verschiedener Energieträger.
4. Vergleich gravimetrische mit der volumetrischen Energiedichte.
5. In welchen physikalischen Bereichen findet das Konzept der Energiedichte Anwendung?
6. Warum ist Energiequalität wichtig?
7. Was ist das Benzinäquivalent?
10. Kann man die Energiedichte von einzelnen Energieträgern vergleichen?
11. Vergleich: 1 KW h grüner Strom im Vergleich mit 1 Liter Benzin.
12. Vergleich: 1 KW h grüner Strom im Vergleich mit 1 Liter Heizöl.
1. Was ist die Energiedichte und wie ist sie definiert?
Welche physikalischen Grössen oder Systeme sind mit dem Konzept der Energiedichte verbunden?
Das Konzept der Energiedichte ist eine fundamentale physikalische Grösse, die beschreibt, wie viel Energie in einer bestimmten Menge eines Materials oder eines Systems gespeichert ist. Sie ist entscheidend für Diskussionen über Energieversorgung, Klimawandel und die Nutzung verschiedener Energiequellen.
Energiedichte wird in der Regel auf zwei Weisen angegeben:
Volumetrische Energiedichte:
Die volumetrische Energiedichte misst die Energie pro Volumen (z.B. Joule pro Kubikmeter [J/m³] oder Kilowattstunden pro Liter [kWh/L]). Nach DIN 5485 ist der Ausdruck „Energiedichte“ speziell für diese volumenbezogene Angabe vorgesehen. Eine höhere volumetrische Energiedichte bedeutet, dass eine Batterie bei gleicher Energiemenge kleiner ausfallen kann.
Gravimetrische Energiedichte (auch als spezifische Energie bezeichnet):
Sie misst die Energie pro Masse (z.B. Joule pro Kilogramm [J/kg] oder Kilowattstunden pro Kilogramm [kWh/kg]). Eine höhere gravimetrische Energiedichte bedeutet, dass eine Batterie bei gleicher Energiemenge leichter oder kompakter konstruiert werden kann.
Die grundlegende Energie, die diese Dichte beschreibt, kann weder erzeugt noch verloren gehen (erster Hauptsatz der Thermodynamik). Allerdings nimmt die „Nutzbarkeit“ oder „Qualität“ der Energie, die sogenannte Exergie, bei jeder Energieumwandlung ab (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).
Verschiedene physikalische Grössen und Systeme sind eng mit dem Konzept der Energiedichte verbunden:
Energieträger (Energieträger).
Dies sind Stoffe oder Phänomene, deren Energieinhalt in andere Formen wie mechanische Arbeit, Wärme oder elektrische Energie umgewandelt werden kann. Sie unterscheiden sich erheblich in ihrer Energiedichte.
Primäre Energieträger:
Werden in der Natur gefunden und umfassen fossile Brennstoffe (wie Erdöl, Erdgas, Kohle), Kernbrennstoffe (wie Uran, Plutonium) und erneuerbare Energien (wie Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft, Biomasse).
Sekundäre Energieträger:
Werden durch Umwandlung aus Primärenergieträgern gewonnen, beispielsweise Elektrizität, raffinierte Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Bioethanol) oder Wasserstoff.
Kraftstoffe und Brennstoffe:
Für diese Stoffe wird die Energiedichte oft als Heizwert (unterer Heizwert) oder Brennwert (oberer Heizwert) bezeichnet. Der Heizwert gibt die maximal nutzbare Wärmemenge an, die bei einer Verbrennung freigesetzt wird, ohne dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert. Der Brennwert berücksichtigt die gesamte freigesetzte Wärmemenge bei Verbrennung und anschliessender Abkühlung der Abgase, einschliesslich der Kondensationswärme des Wasserdampfes. Kraftstoffe mit hoher Energiedichte sind für mobile Anwendungen von Vorteil, da sie bei geringerem Gewicht oder Volumen eine längere Reichweite ermöglichen.
Beispiele für gravimetrische Heizwerte:
- Wasserstoff (ohne Tank): ca. 120 MJ/kg (33.3 kWh/kg).
- Methan: ca. 50 MJ/kg (13.9 kWh/kg).
- Benzin: ca. 43 MJ/kg (12.0 kWh/kg).
- Diesel: ca. 43 MJ/kg (11.9 kWh/kg).
- Erdöl (roh): ca. 42.8 MJ/kg (11.9 kWh/kg).
- Kohle: ca. 29.3–34 MJ/kg (7.5–9 kWh/kg).
- Ethanol: ca. 26.8 MJ/kg (7.4 kWh/kg).
Batterien und Akkumulatoren:
Die Energiedichte ist hier ein entscheidender Parameter, der die Leistungsfähigkeit und Laufzeit mobiler Geräte sowie die Reichweite von Elektrofahrzeugen bestimmt.
Beispiele für gravimetrische Energiedichten (Systemwerte):
Lithium-Ionen-Batterien: Ø 60 Wh/kg (System), mit Zellwerten bis 180 Wh/kg. In der Forschung werden zukünftige Li-Schwefel-Akkus mit über 400 Wh/kg und Li-Luft-Akkus mit über 800 Wh/L erwartet.
- Natrium-Nickelchlorid-Speicher: Ø 46 Wh/kg.
- Natrium-Ionen-Speicher: Ø 32 Wh/kg.
- Redox-Flow-Speicher: Ø 22 Wh/kg (Werte variieren stark, z.B. 9 Wh/kg bis 42 Wh/kg).
- Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH): ca. 80 Wh/kg.
- Bleiakkumulatoren: ca. 3–30 Wh/kg.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus haben zudem einen hohen Coulomb-Wirkungsgrad von nahezu 100%, was die Effizienz der Entnahme gespeicherter Energie angibt.
Kernenergie:
Kernbrennstoffe wie Uran-235 weisen eine extrem hohe gravimetrische Energiedichte auf, die eine enorme Energieerzeugung aus kleinen Mengen ermöglicht. Die vollständige Spaltung von 1 kg Uran-235 setzt beispielsweise 22,8 Millionen kWh Energie frei.
Erneuerbare Energien (Wind, Solar):
Bei Wind- und Solarenergie wird die Energiedichte nicht primär pro Masse oder Volumen des Energieträgers selbst definiert, sondern oft als Energie pro benötigte Fläche (z.B. Watt pro Quadratmeter [We/m²]). Eine geringere Energiedichte in diesem Kontext bedeutet einen grösseren Flächenbedarf für die Energieerzeugung.
Biologische Systeme und Nahrung:
Nahrung dient als Energieträger in Form chemischer Energie. Ihr Energiegehalt wird häufig in Kalorien (kcal) angegeben. Beispielsweise liefert tierisches Fett bis zu 39 MJ/kg. Adenosintriphosphat (ATP) ist ein Energiespeicher in biologischen Zellen.
Weitere physikalische Konzepte:
Elektrodynamik:
Energiedichte bezieht sich auf die Energie, die in elektrischen und magnetischen Feldern vorhanden ist.
Kontinuumsmechanik:
Betrifft verschiedene Energieformen wie die elastische Energie (Verformungsenergie) und die Schallenergiedichte.
Festkörperphysik:
Energiedichte bezieht sich auf die Energiedifferenz zum Grundzustand.
Allgemeine Relativitätstheorie:
Die Energiedichte ist der Zeitkomponente des Vierervektors im Energie-Impuls-Tensor zugeordnet und übernimmt aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie die Rolle der Massenverteilung.
Phasenübergänge:
Die spezifische oder molare latente Wärme beschreibt die Energie, die bei der Änderung des Aggregatzustands gespeichert oder freigesetzt wird.
Die chemischen Bindungen und atomaren Strukturen eines Materials beeinflussen seine Energiedichte massgeblich. Eine hohe Energiedichte ist in vielen technischen Anwendungen wünschenswert, da sie Transportkosten für den Energieträger geringhält und hohe Reichweiten oder lange Betriebszeiten mobiler Geräte ermöglicht. Allerdings bedeutet eine hohe Energiedichte nicht zwangsläufig eine geringe Umweltbelastung, wie bei fossilen Brennstoffen.
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2. Wie wird Energiedichte berechnet?
Die Energiedichte wird als eine physikalische Grösse definiert, die die Verteilung von Energie (E) auf eine bestimmte Grösse (X) angibt und somit immer die Gestalt E/X hat. Sie beschreibt, wie viel Energie in einer bestimmten Menge eines Materials oder Systems gespeichert ist.
Energiedichte ist MJ/kg und Wh/kg dieselbe Messgrösse?
Nein, Energiedichte in MJ/kg (Megajoule pro Kilogramm) und Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm) sind zwar beides Masse für die Energiedichte, aber nicht die gleiche Masseinheit, da sie auf unterschiedlichen Basiseinheiten basieren. MJ/kg ist eine Einheit für Energie pro Masse, während Wh/kg ebenfalls Energie pro Masse angibt, aber in einer anderen Form (Wattstunden statt Joule).
Man unterscheidet hauptsächlich zwei Arten der Energiedichte:
Volumetrische Energiedichte:
Misst die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes. Die SI-Einheit ist Joule pro Kubikmeter (J/m³). Nach DIN 5485 ist der Ausdruck „Energiedichte“ speziell dieser volumenbezogenen Angabe vorbehalten.
Gravimetrische Energiedichte (auch als spezifische Energie bezeichnet):
Misst die Energie pro Masse eines Stoffes. Die SI-Einheit ist Joule pro Kilogramm (J/kg). Nach DIN 5485 ist die „spezifische Energie“ speziell massenbezogen.
Energiedichte berechnen.
Um die Energiedichte zu berechnen, benötigt man die gesamte Energiemenge und die Masse oder das Volumen des Materials:
Volumetrische Energiedichte (J/m³): [ \text{Energiedichte (volumetrisch)} = \frac{\text{Energie (J)}}{\text{Volumen (m}^3)} ]
Gravimetrische Energiedichte (J/kg): [ \text{Energiedichte (gravimetrisch)} = \frac{\text{Energie (J)}}{\text{Masse (kg)}} ]
Die gravimetrische Energiedichte ist eine fundamentale physikalische Grösse, die angibt, wie viel Energie pro Masse eines Materials gespeichert ist. Sie wird auch als spezifische Energie bezeichnet. Gemäss DIN 5485 ist dieser Ausdruck speziell für massenbezogene Angaben vorgesehen.
Berechnung und Einheiten.
Die gravimetrische Energiedichte wird berechnet, indem die gesamte Energiemenge eines Materials durch seine Masse geteilt wird. Die Formel lautet: [ \text{Energiedichte (gravimetrisch)} = \frac{\text{Energie (J)}}{\text{Masse (kg)}} ].
Die Standard-SI-Einheit für die gravimetrische Energiedichte ist Joule pro Kilogramm (J/kg). In der Praxis werden jedoch oft auch Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) oder Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) verwendet. Es ist wichtig zu beachten, dass 1 kWh 3,6 Megajoule (MJ) entspricht.
Masseinheiten.
MJ/kg:
"Mega" steht für 1 Million (10^6), "J" für Joule, die Einheit für Energie, und "kg" für Kilogramm, die Einheit für Masse. Diese Einheit gibt an, wie viele Millionen Joule Energie in einem Kilogramm enthalten sind.
Wh/kg:
"W" steht für Watt, die Einheit für Leistung, "h" für Stunde, die Einheit für Zeit, und "kg" für Kilogramm, die Einheit für Masse. Wattstunden sind eine Energieeinheit, die sich aus Leistung und Zeit ergibt. Diese Einheit gibt an, wie viele Wattstunden Energie in einem Kilogramm gespeichert sind.
Umrechnung:
Da 1 Watt = 1 Joule/Sekunde (J/s) und 1 Stunde = 3600 Sekunden, kann man Wattstunden in Joule umrechnen: 1 Wh = 3600 J. Daher gilt für die Umrechnung von Wh/kg in MJ/kg: 1 Wh/kg = 3.6 kJ/kg = 0.0036 MJ/kg. Während beide Einheiten die Energiedichte beschreiben, ist eine Umrechnung zwischen ihnen notwendig, um sie direkt vergleichen zu können. Die Umrechnung von Wh/kg in MJ/kg erfolgt durch Multiplikation mit 0,0036.
1 kWh = 3,6 Megajoule (MJ).
3. Energiedichte Liste Vergleich MJ/kg und Wh/kg verschiedener Energieträger.
Energiedichte verschiedener Energieträger, sowohl in MJ/kg (Megajoule pro Kilogramm) als auch in Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm). Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie in einer bestimmten Masse des jeweiligen Stoffes gespeichert ist.
Vergleich der Energiedichte (ungefähre Werte):
Energieträger |
Energiedichte (MJ/kg) |
Energiedichte (Wh/kg) |
|
Wasserstoff (H2) |
120-142 |
33,3 |
|
Benzin |
42-44 |
12, 11,6-12,2 |
|
Diesel |
45,4 |
11,9, 12,5 |
|
Erdgas (Methan) |
30-50 |
13,9 |
|
Holz (lufttrocken) |
14,6-16,8 |
— |
|
Lithium-Ionen-Batterien (theoretisch) |
— |
Bis zu 711 Wh/kg (experimentell erreicht) |
|
Methanol |
22,7 |
5,5 |
|
Ethanol |
29,7 |
— |
|
Braunkohle |
28,47 |
— |
|
Steinkohle |
30 |
— |
|
Erdöl (roh) |
42,8 |
— |
|
Restmüll |
8-11 |
— |
Hinweise:
Die Energiedichte kann je nach genauer Zusammensetzung und Zustand des Energieträgers variieren. Wasserstoff hat eine sehr hohe massenbezogene Energiedichte, aber eine geringe volumetrische Energiedichte, wenn er gasförmig ist. Die Energiedichte von Batterien hängt stark vom Batterietyp und der Technologie ab. Die Umrechnung von MJ/kg in Wh/kg erfolgt je nach Batterietyp mit dem Faktor von mindestens 0,2778 (1 MJ/kg = 0,2778 Wh/kg).
Bedeutung und Einflussfaktoren.
Eine hohe gravimetrische Energiedichte ist in vielen technischen Anwendungen von grosser praktischer Bedeutung, insbesondere bei der Gestaltung von Energiespeichern wie Kraftstoffen und Batterien. Sie ist ein entscheidender Faktor für die erzielbare Reichweite von Fahrzeugen (z.B. Elektroautos) und die Betriebsdauer mobiler Geräte, da sie es ermöglicht, eine grosse Energiemenge in einem kleineren und leichteren Format zu speichern.
Die Höhe der gravimetrischen Energiedichte hängt von der chemischen Zusammensetzung und atomaren Struktur des Materials ab. Auch äussere Bedingungen wie Druck und Sauerstoffgehalt der Umgebung können eine Rolle spielen. Materialien mit einer hohen Massendichte können paradoxerweise eine niedrigere gravimetrische Energiedichte, aber eine höhere volumetrische Energiedichte aufweisen.
4. Vergleich gravimetrische mit der volumetrischen Energiedichte.
Im Gegensatz zur gravimetrischen Energiedichte, die sich auf die Masse bezieht, misst die volumetrische Energiedichte die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes (z.B. in Joule pro Kubikmeter). Für flüssige Kraftstoffe wie Benzin und Diesel wird der Verbrauch oft in Litern pro 100 km angegeben, wobei ihre Vorteile im Kraftstoffverbrauch auf ihrer höheren Dichte und dem entsprechend höheren Gewicht pro Liter beruhen, und nicht unbedingt auf einem höheren Energiegehalt pro Kilogramm.
Beispiele für gravimetrische Energiedichten.
Um die Unterschiede deutlich zu machen, hier einige Beispiele für die gravimetrische Energiedichte verschiedener Energieträger:
Wasserstoff:
Besitzt eine sehr hohe gravimetrische Energiedichte von rund 120 MJ/kg oder 33,3 kWh/kg (ohne Berücksichtigung des Tanks).
Benzin:
Die gravimetrische Energiedichte (Heizwert) liegt bei etwa 40,1-44 MJ/kg oder 12,0-12,7 kWh/kg.
Dieselkraftstoff:
Die gravimetrische Energiedichte (Heizwert) beträgt etwa 39,6 - 43,2 MJ/kg oder 11,8-11,9 kWh/kg.
Erdgas (Methan):
Der Heizwert liegt bei etwa 13,9 kWh/kg oder 30-50 MJ/kg.
Holz (lufttrocken):
Hat einen Heizwert von ca. 14,4-15,8 MJ/kg oder 4-4,4 kWh/kg.
Lithium-Ionen-Batterie:
Eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie hat eine gravimetrische Energiedichte von etwa 0,65 MJ/kg oder 250 Wh/kg (0,9 MJ/kg). Batterien für PV-Heimspeichersysteme auf Lithium-Ionen-Basis weisen eine mittlere Energiedichte von etwa 60 Wh/kg auf.
Andere Batterietypen:
- Lithium-Polymer-Akkus erreichen etwa 0,55 MJ/kg oder 140-180 Wh/kg.
- Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) liegen bei etwa 0,22 MJ/kg oder 80 Wh/kg.
- Zukünftige Lithium-Schwefel-Akkus könnten über 400 Wh/kg erreichen.
- Natrium-Nickelchlorid-Speicher erreichen in PV-Heimsystemen etwa 46 Wh/kg, und Natrium-Ionen-Speicher etwa 32 Wh/kg.
Kernbrennstoffe (z.B. Uran-235):
Weisen eine extrem hohe Energiedichte von ungefähr 90.000.000 MJ/kg bei Kernspaltung auf.
Diese Werte verdeutlichen, dass die gravimetrische Energiedichte je nach Energieträger stark variieren kann und eine wichtige Kennzahl für die Bewertung und den Vergleich von Energiespeichern darstellt.
Praktische Anwendung und Beispiele.
Die Berechnung der Energiedichte ist wichtig, um die Effizienz und den Nutzen von Energiequellen wie Batterien, Kraftstoffen und Nahrungsmitteln zu bewerten. Eine höhere Energiedichte bedeutet, dass mehr Energie in einer kleineren und leichteren Form gespeichert werden kann, was für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge entscheidend ist.
Beispiele für Berechnungen.
Benzin:
Hat eine spezifische gravimetrische Energiedichte von etwa 44 MJ/kg und eine volumetrische Energiedichte von etwa 32 MJ/L. Wenn man beispielsweise 5 kg Benzin hat, beträgt die Gesamtenergie: $44 \text{ MJ/kg} \times 5 \text{ kg} = 220 \text{ MJ}$.
Lithium-Ionen-Batterie:
Eine typische Lithium-Ionen-Batterie hat eine gravimetrische Energiedichte von etwa 250 Wh/kg (entspricht 0,9 MJ/kg) und eine volumetrische Energiedichte von etwa 700 Wh/L (entspricht 2,5 MJ/L). In der Praxis liegt die Energiedichte von handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien bei 150 Wh/kg, während in der Forschung zukünftige Li-Schwefel-Akkus mit über 400 Wh/kg und Li-Luft-Akkus mit über 800 Wh/L erwartet werden.
Experiment mit Batterien:
Wenn eine Batterie 540 J Energie liefert und 20 g wiegt, beträgt die gravimetrische Energiedichte $540 \text{ J} / 0,02 \text{ kg} = 27000 \text{ J/kg}$.
Faktoren, die die Energiedichte beeinflussen:
Die Energiedichte hängt nicht nur von Masse oder Volumen ab, sondern auch von der chemischen Zusammensetzung und atomaren Struktur des Materials sowie vom Druck und Sauerstoffgehalt der Umgebung. Beispielsweise haben Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in organischen Molekülen eine andere Energiedichte als Metall-Bindungen in Legierungen. Festbrennstoffe (z.B. Holz) haben in der Regel eine geringere Energiedichte als flüssige (z.B. Benzin) und gasförmige Brennstoffe (z.B. Wasserstoff)
Spezialfall Brennstoffe:
Bei Brennstoffen wird die Energiedichte oft als Heizwert (früher unterer Heizwert, Hi) oder Brennwert (Hs, veraltet oberer Heizwert) bezeichnet.
Der Heizwert ist die maximal nutzbare Wärmemenge bei einer Verbrennung, ohne dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert.
Der Brennwert berücksichtigt die gesamte freigesetzte Wärmemenge bei Verbrennung und anschliessender Abkühlung der Verbrennungsgase, einschliesslich der Kondensationswärme des Wasserdampfes.
Der Heizwert von wasserreichen Brennstoffen ist deshalb geringer als deren Brennwert.
Die experimentelle Bestimmung des Heizwerts erfolgt üblicherweise, indem man den Brennwert in einem Kalorimeter bestimmt und dann die Verdampfungsenthalpie des entstehenden Wassers subtrahiert.
Die Berechnung der Energiedichte ist ein fundamentales Werkzeug in der Physik und Technik ist, um die Effizienz von Energiespeichern und -quellen quantitativ zu vergleichen.
5. In welchen physikalischen Bereichen findet das Konzept der Energiedichte Anwendung?
Das Konzept der Energiedichte findet in einer Vielzahl physikalischer Bereiche Anwendung, da es die Verteilung von Energie auf eine bestimmte Grösse, sei es Volumen oder Masse, beschreibt. Sie ist eine skalare physikalische Grösse, die einen Energieinhalt bezogen auf ein Volumen angibt.
Die Energiedichte wird hauptsächlich als volumetrische Energiedichte (Energie pro Raumvolumen, Einheit Joule pro Kubikmeter – J/m³) und als gravimetrische Energiedichte oder spezifische Energie (Energie pro Masse, Einheit Joule pro Kilogramm – J/kg) verwendet. Gemäss DIN 5485 ist der Ausdruck „Energiedichte“ der volumetrischen Angabe vorbehalten, während „spezifische Energie“ speziell massenbezogen ist.
Hier sind die verschiedenen physikalischen Bereiche, in denen das Konzept der Energiedichte Anwendung findet:
Energiespeicher und Brennstoffe:
Dies ist einer der wichtigsten Anwendungsbereiche in der Technik, insbesondere im Fahrzeugbau, wo die Energiedichte eines Energiespeichers entscheidend für die erzielbare Reichweite ist.
Kraftstoffe:
Die Energiedichte von Brennstoffen wird auch als Brennwert oder Heizwert bezeichnet. Eine hohe gravimetrische Energiedichte ermöglicht es, viel Energie in einer kleineren und leichteren Form zu speichern, was besonders für mobile Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und mobile Geräte vorteilhaft ist.
Beispiele für gravimetrische Energiedichten:
- Benzin (ca. 43 MJ/kg bzw. 12,0 kWh/kg)
- Dieselkraftstoff (39,6 - 43,2 MJ/kg bzw. 11,9 kWh/kg)
- Wasserstoff (119,9 MJ/kg bzw. 33,3 kWh/kg)
- Methan (50 MJ/kg bzw. 13,9 kWh/kg)
- Holz (13-20 MJ/kg)
- Steinkohle (30 MJ/kg).
Batterien und Akkumulatoren:
Bei Batterien wird die Energiedichte als Kapazität pro Volumen oder pro Masse angegeben.
Handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien haben eine gravimetrische Energiedichte von etwa 0,65 MJ/kg (ca. 150 Wh/kg). Zukünftige Lithium-Schwefel-Akkus könnten über 400 Wh/kg erreichen. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) liegen bei etwa 0,22 MJ/kg (80 Wh/kg) und Lithium-Polymer-Akkus bei etwa 0,55 MJ/kg (140-180 Wh/kg).
Der Wirkungsgrad von Elektromotoren ist etwa dreimal höher als bei Verbrennungsmotoren, was bedeutet, dass eine geringere Akkukapazität für die gleiche Reichweite ausreicht.
Kernbrennstoffe:
Kernbrennstoffe wie Uran-235 weisen eine extrem hohe gravimetrische Energiedichte auf, die bei der Kernspaltung bei etwa 90.000.000 MJ/kg liegen kann.
Elektrodynamik:
Die Energiedichte beschreibt die Energie, die in elektrischen und magnetischen Feldern vorhanden ist. Sie bezieht sich auf die maximale Energieabgabe elektromagnetischer Wellen, die proportional zum Quadrat der Feldamplituden ist. Beispiele sind die Energiedichte im Plattenkondensator und im Magnetfeld einer Spule.
Kontinuumsmechanik.
Elastische Energiedichte (Verformungsenergie):
- Die Energie, die in einem bestimmten Volumen eines Materials gespeichert ist, beispielsweise bei elastischen Prozessen oder mechanischen Tests wie einem Zugversuch.
- Schallenergiedichte: Die Energiedichte des Schallfelds.
- Scherenergiedichte: Die Energiedichte bei einer Scherung.
Nahrungsmittel:
Die Energiedichte von Nährstoffen wird als physiologischer Brennwert bezeichnet
Nahrung ist chemische Energie aus gespeicherter Sonnenstrahlung. Verschiedene Nahrungsmittel haben unterschiedliche Energiegehalte pro Kilogramm, zum Beispiel:
- essbare Blätter (ca. 1 MJ/kg)
- Samenkörner (ca. 15 MJ/kg)
- Nüsse (bis zu 25 MJ/kg)
- Eier (7-8 MJ/kg)
- rotes Fleisch (5,5-23 MJ/kg)
- tierisches Fett (bis zu 39 MJ/kg)
Weitere physikalische Konzepte:
Spektrale Energiedichte:
Beschreibt die Abhängigkeit der Energie eines Strahlungsspektrums von der Frequenz.
Massendichte:
Aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie nimmt die Energiedichte die Rolle der Massenverteilung ein.
Spezifische oder molare Umwandlungsenthalpie (latente Wärme):
Die Energie, die beim Wechsel des Aggregatzustands aufgewendet oder freigesetzt wird, bezogen auf 1 kg (spezifisch) oder 1 mol (molar).
Das Konzept der Energiedichte hilft, die Effizienz und den Nutzen von Energiequellen zu bewerten und Vergleiche zwischen verschiedenen Materialien und Systemen zu ermöglichen. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Beurteilung von Energiespeichern hinsichtlich ihrer Kompaktheit, ihres Gewichts und ihrer Leistungsfähigkeit.
6. Warum ist Energiequalität wichtig?
Die Energiequalität ist ein zentrales Konzept in der Physik und Energiewirtschaft, das den Nutzwert einer Energie beschreibt. Sie wird auch als Exergie bezeichnet, und man kann den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik so formulieren, dass bei jeder Energieumwandlung die Exergie abnimmt.
Die Wichtigkeit der Energiequalität lässt sich durch folgende Punkte zusammenfassen.
Unvermeidliche Verluste bei Energieumwandlung:
Energie kann zwar nicht erzeugt oder verloren gehen (Energieerhaltungssatz), aber nutzbare Energieformen werden in weniger oder gar nicht nutzbare Formen umgewandelt. Bei jeder Energieumwandlung müssen immer Verluste anfallen, eine verlustfreie Umwandlung ist nicht möglich. Dies bedeutet, dass die Qualität der Energie bei jeder Umwandlung abnimmt. Ein Grossteil der im Brennstoff enthaltenen Energie geht beispielsweise bei der Umwandlung in Bewegung in einem Verbrennungsmotor als Abwärme verloren.
Effiziente Nutzung und Vermeidung von Verschwendung:
Eine hohe Energiequalität bedeutet, dass die Energie vielseitig nutzbar ist. Zum Beispiel besitzt elektrische Energie (Strom) eine sehr hohe Energiequalität, da sie für verschiedenste Zwecke wie Lichterzeugung, Metallschmelze, Zugantrieb oder Computerbetrieb genutzt werden kann. Es gilt jedoch als Verschwendung, Strom für Zwecke einzusetzen, für die auch Energieformen mit geringerer Qualität ausreichen, etwa zur Hausheizung. Es ist wichtig, die Energiequalität der verwendeten Energieformen den spezifischen Bedürfnissen anzupassen.
Wirtschaftlicher und technologischer Nutzen:
In technischen Anwendungen, insbesondere bei Energiespeichern wie Kraftstoffen und Batterien, ist eine hohe Energiedichte (die auch die Qualität der Speicherung beeinflusst) von grosser praktischer Bedeutung. Sie ist entscheidend für die erzielbare Reichweite von Fahrzeugen oder die Betriebsdauer mobiler Geräte.
Langfristige Energieversorgung:
Obwohl die Erde ständig hochwertige Energie durch die Sonnenstrahlung erhält – jedes Jahr über 10.000-mal mehr als die Menschheit verbraucht – ist die Frage der Energieversorgung der Menschheit komplex. Dies liegt daran, dass es nicht an der Menge der Energie mangelt, sondern an der Entwertung der Energiequalität bei der Nutzung. Fossile Brennstoffe sind zwar gespeicherte Sonnenenergie, ihre Nutzung führt jedoch zu einem ständigen Verlust an Energiequalität. Die geringere Energiedichte der Sonnenenergie im Vergleich zu fossilen Energieträgern erfordert zudem die Entwicklung und Nutzung anderer Technologien.
Bewertung von Energiequellen:
Das Konzept der Energiedichte und die damit verbundene Energiequalität helfen dabei, die Effizienz und den Nutzen von Energiequellen zu bewerten. Materialien mit einer höheren Energiedichte können mehr Energie in einer bestimmten Masse oder einem bestimmten Volumen speichern, was für leistungsfähigere und langlebigere Energiequellen entscheidend ist.
Welche Energiedichte hat Benzin?
Benzin hat eine spezifische gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse) von etwa 43 bis 44 MJ/kg. Dies entspricht ungefähr 11,1 bis 12,0 kWh/kg.
Die volumetrische Energiedichte (Energie pro Volumen) von Benzin liegt bei etwa 31 bis 32 MJ/L. In anderen Einheiten ausgedrückt sind dies ungefähr 8,6 bis 8,9 kWh/L.
Zusammenfassend lässt sich die Energiedichte von Benzin wie folgt darstellen:
ca. 8760 kWh/m³ (entspricht 8,76 kWh/L)
Die Angabe der Energiedichte von Benzin als Referenzbrennstoff ist in verschiedenen Kontexten relevant, z.B. bei der Energieetikette für Personenwagen, wo Benzin ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 1,00 L/L zugewiesen wird. Eine höhere Energiedichte ist wünschenswert, um Transportkosten gering zu halten und hohe Reichweiten oder lange Betriebsdauern mobiler Geräte zu ermöglichen. Benzin wird aufgrund seiner hohen Energiedichte oft als bevorzugtes Antriebsmittel in der Automobilindustrie eingesetzt, da es eine längere Fahrstrecke ermöglicht. Es ist jedoch zu beachten, dass eine hohe Energiedichte bei fossilen Brennstoffen auch mit einer höheren Umweltbelastung verbunden sein kann.
Der Begriff "Heizwert" wird häufig für die Energiedichte von Brennstoffen verwendet und bezeichnet die nutzbare Wärmemenge, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, ohne dass der Wasserdampf im Abgas kondensiert. Der "Brennwert" hingegen berücksichtigt auch die Kondensationswärme des Wasserdampfes.
7. Was ist das Benzinäquivalent?
Das Benzinäquivalent (BÄ) dient dazu, die Energiedichte verschiedener Treibstoffe und Ladeströme zu vergleichen und in Bezug zu Benzin als Referenztreibstoff zu setzen. Eine höhere Energiedichte (und somit ein höheres Benzinäquivalent) ist wünschenswert, um grössere Reichweiten bei gleichem Tankvolumen zu ermöglichen.
Primärenergie-Benzinäquivalente (PE-BÄ) berücksichtigen zusätzlich die Vorprozesse der Treibstoff- und Strombereitstellung (Well-to-Tank), wie Förderung, Veredelung und Transport. Diese sind die relevante Grösse für die Energieeffizienzkategorie auf der Energieetikette. Im Gegensatz zum BÄ sind bei den PE-BÄ tendenziell niedrigere Werte von Vorteil, da dies bedeutet, dass weniger Energie für die Bereitstellung aufgewendet wurde.
Definition und Zweck.
Das Benzinäquivalent vergleicht getankte Treibstoffe oder den Ladestrom hinsichtlich ihrer Energiedichte.
Es ist ein fundamentales Instrument, um Personenwagen mit unterschiedlichen Antrieben bezüglich ihrer Energieeffizienz zu vergleichen.
Eine höhere Energiedichte ist wünschenswert, um Transportkosten gering zu halten und hohe Reichweiten oder lange Betriebsdauern mobiler Geräte bzw. Fahrzeuge zu ermöglichen.
Wenn ein Treibstoff beispielsweise ein Benzinäquivalent von 0,5 hat, bedeutet dies, dass er nur die Hälfte der Energiedichte von Benzin aufweist. Um die gleiche Reichweite wie ein Benzinfahrzeug bei gleichem Wirkungsgrad zu erzielen, müsste der Tank eines Fahrzeugs mit diesem Treibstoff doppelt so gross sein.
Verhältnis zu anderen Energiedichten.
Als Basis für den Vergleich verschiedener Treibstoffe wird häufig die Energiedichte betrachtet, die den Energieinhalt eines Treibstoffs pro Volumen angibt.
Das Benzinäquivalent setzt die Energiedichten von Treibstoffen ins Verhältnis zur Energiedichte von Benzin.
Im Gegensatz dazu beziehen die Primärenergie-Benzinäquivalente (PE-BÄ) auch die Vorprozesse der Treibstoff- und Strombereitstellung (Well-to-Tank) mit ein, wie die Förderung, Veredelung und den Transport der Energiequelle bis zum Tank. Diese sind die relevante Grösse für die Berechnung der Energieeffizienzkategorie auf der Energieetikette. Im Gegensatz zum Benzinäquivalent, das möglichst hoch sein soll (für grössere Reichweite bei gleichem Tankvolumen), sind bei den Primärenergie-Benzinäquivalenten tendenziell niedrigere Werte von Vorteil. Ein niedrigerer Wert bedeutet, dass weniger Energie für die Bereitstellung aufgewendet wurde.
Einheiten.
Das Volumen von flüssigen Treibstoffen wie Benzin, Diesel, Flüssiggas (LPG) und E-85 wird in Liter (L) angegeben.
Für gasförmige Treibstoffe wie Erdgas (CNG) und Wasserstoff wird die Einheit Kilogramm (kg) verwendet.
Für Strom kann keine volumetrische Energiedichte berechnet werden; stattdessen wird für die Energieetikette eine Energiedichte von 1 kWh/kWh zur Berechnung der Benzinäquivalente von Strom verwendet.
Spezifische Werte (Benzinäquivalente).
Benzin ist als Referenztreibstoff definiert und hat daher ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 1,00 L/L.
Beispiele für Benzinäquivalente (BÄ):
- Benzin: 1,00 L/L (Referenztreibstoff)
- Diesel: 1,14 L/L, Diesel hat ein Benzinäquivalent von 1,14 L/L und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 1,09 L/L, welches leicht höher ist als das von Benzin.
- Erdgas (CNG / 20 % Biogas): 1,52 L/kg, Erdgas (CNG / 20 % Biogas) hat ein Benzinäquivalent von 1,52 L/kg und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 1,23 L/kg.
- Wasserstoff: 3,82 L/kg
- Bioethanol (E85): 0,72 L/L, Bioethanol (E85) weist ein Benzinäquivalent von 0,72 L/L und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 1,67 L/L auf.
- Elektrizität (Verbraucherstrommix 2020-2022): 0,11 L/kWh
- Wasserstoff ab Schweizer Tankstelle hat ein Benzinäquivalent von 3,82 L/kg und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 7,51 L/kg, das je nach Herstellungsverfahren und Strommix stark variieren kann.
- Flüssiggas (LPG) hat ein Benzinäquivalent von 0,79 L/L und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 0,79 L/L.
- Elektrizität (Schweizer Verbraucherstrommix 2020-2022) hat ein Benzinäquivalent von 0,11 L/kWh und ein Primärenergie-Benzinäquivalent von 0,22 L/kWh.
Diese Angaben werden vom Bundesamt für Energie (BFE) auf Basis von Berichten, wie dem vom 13. Juni 2024 von treeze Ltd., erstellt und dienen als Grundlage für die Energieetikette für Personenwagen in der Schweiz.
Beispiele für Primärenergie-Benzinäquivalente (PE-BÄ):
- Benzin: 1,00 L/L
- Diesel: 1,09 L/L
- Bioethanol (E85): 1,67 L/L
- Wasserstoff ab Schweizer Tankstelle: 7,51 L/kg
- Erdgas (20 % Biogas): 1,23 L/kg
- Elektrizität (Schweizer Verbraucherstrommix 2020-2022): 0,22 L/kWh
Elektrodynamik.
In der Elektrodynamik bezieht sich die Energiedichte auf die Energie, die in elektrischen und magnetischen Feldern vorliegt. Sie ist proportional zum Quadrat der Feldamplituden.
Plattenkondensator:
Die Energiedichte in einem Plattenkondensator berechnet sich als $w_{el}={\frac {W}{V}}={\frac {1}{2}}\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}E^{2}$.
Magnetfeld einer Spule:
Auch hier lässt sich eine Energiedichte aus der magnetischen Flussdichte ableiten.
Kontinuumsmechanik.
In der Kontinuumsmechanik kann sich die Energiedichte auf verschiedene Energieformen beziehen, wie zum Beispiel die elastische Energiedichte (Verformungsenergie), die in einem bestimmten Volumen eines Materials gespeichert ist. Es gibt auch die Schallenergiedichte des Schallfelds.
Biologische/Nahrungsmittelkontext.
Die Energiedichte von Nährstoffen wird auch als physiologischer Brennwert bezeichnet. Nahrungsmittel wie Pflanzen, Eier, Fleisch und tierisches Fett haben spezifische Energiegehalte, die in MJ/kg angegeben werden.
Erneuerbare Energien (Wind, Solar).
Für Wind- und Solaranlagen ist die Angabe einer Energiedichte im klassischen Sinne oft unklar. Stattdessen wird gebräuchlich der Bezug auf die für eine Anlage notwendige Standortfläche verwendet (z.B. We/m²). Eine geringere Energiedichte in diesem Kontext bedeutet einen grösseren Landbedarf.
8. Was ist der Heizwert?
Der Heizwert, früher auch als Heizwert, Hu, oder Hi genannt, ist eine zentrale Messgrösse für die Energie, die in Brenn- und Kraftstoffen enthalten ist. Die wichtigsten Aspekte des Heizwerts sind:
Definition:
Der Heizwert ist die maximal nutzbare Wärmemenge, die bei einer Verbrennung freigesetzt wird, ohne dass es zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt. Die entstehenden Verbrennungsgase werden zwar auf 25 °C abgekühlt, der enthaltene Wasserdampf bleibt jedoch gasförmig. Viele Heizkessel und Verbrennungsmotoren geben dieses Wasser gasförmig ab, wodurch die Kondensationswärme nicht gewonnen wird.
Bezug und Einheiten:
Der Heizwert wird auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs bezogen. Die Grundeinheit ist Joule pro Kilogramm (J/kg), wobei in der Praxis häufig Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) oder Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) verwendet werden. Für die Umrechnung gilt: 1 kWh = 3,6 MJ. Der Heizwert kann auch als Energie pro Volumen in MJ/m³ oder kWh/m³ angegeben werden.
Unterschied zum Brennwert:
Der Brennwert (Hs, auch oberer Heizwert Ho genannt) ist ein Mass für die gesamte thermische Energie in einem Stoff. Er berücksichtigt die Wärmemenge, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, einschliesslich der Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes und der anschliessenden Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25 °C.
Der Heizwert ist geringer als der Brennwert, da er die Verdampfungsenthalpie des Wasserdampfes nicht berücksichtigt. Bei wasserreichen Brennstoffen ist dieser Unterschied besonders deutlich.
Brennwertkessel nutzen die Kondensationswärme (latente Wärme) des Wasserdampfes zur Wärmebereitstellung, im Gegensatz zu konventionellen Heizkesseln.
Bestimmung:
Die direkte experimentelle Bestimmung des Heizwerts ist schwierig. Üblicherweise wird der Brennwert mit einem Kalorimeter bestimmt und anschliessend die Verdampfungsenthalpie des entstehenden Wassers subtrahiert, um den Heizwert zu berechnen.
Bedeutung und Anwendung:
Der Heizwert (oder die Energiedichte) ist von grossem praktischem Interesse bei Energiespeichern wie Kraftstoffen und Batterien, insbesondere im Fahrzeugbau, wo sie entscheidend für die erzielbare Reichweite ist.
Eine hohe Energiedichte (bezogen auf den Heizwert) wird gewünscht, um Transportkosten für den Energieträger gering zu halten und hohe Betriebsdauern mobiler Geräte oder Reichweiten von Fahrzeugen zu erzielen.
Um Heizkosten niedrig zu halten, werden Brennstoffe mit möglichst hoher Energiedichte verwendet, da dies die Notwendigkeit des Nachkaufs reduziert.
Beispiele für Heizwerte (gravimetrisch):
- Wasserstoff: Mit etwa 120 MJ/kg oder 33,3 kWh/kg hat Wasserstoff einen sehr hohen Heizwert.
- Benzin: Der Heizwert liegt typischerweise bei etwa 40,1–41,8 MJ/kg (entspricht 11,1–11,6 kWh/kg), aber auch Werte um 42,6–43 MJ/kg (entspricht 12,0–12,7 kWh/kg) werden angegeben.
- Dieselkraftstoff: Der Heizwert beträgt etwa 39,6–43,2 MJ/kg (entspricht 11,8–11,9 kWh/kg).
- Erdgas (Methan): Hat einen Heizwert von ca. 50,0 MJ/kg oder 13,9 kWh/kg.
- Holz (lufttrocken): Der Heizwert liegt bei etwa 14,4–15,8 MJ/kg oder 4–4,4 kWh/kg.
- Steinkohle: Hat einen Heizwert von etwa 30 MJ/kg oder 7,5–9 kWh/kg.
Der Heizwert ist somit eine wesentliche Kennzahl zur Bewertung und zum Vergleich von Brennstoffen hinsichtlich ihres Energieinhalts und ihrer Effizienz in Verbrennungsprozessen.
9. Was ist der Brennwert?
Der Brennwert (Hs), auch als kalorischer Brennwert oder oberer Heizwert (Ho) bezeichnet, ist ein Mass für die gesamte thermische Energie, die in einem Stoff enthalten ist und bei dessen Verbrennung freigesetzt wird.
Die wichtigsten Aspekte des Brennwerts sind:
Definition:
Der Brennwert gibt die Wärmemenge an, die bei der Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzt wird, wenn die Verbrennungsgase auf eine Temperatur von 25 °C abgekühlt werden und der darin enthaltene Wasserdampf vollständig kondensiert. Dies bedeutet, dass die Kondensationswärme des Wassers, das bei der Verbrennung entsteht, mit berücksichtigt wird.
Unterschied zum Heizwert:
Der Brennwert unterscheidet sich vom Heizwert (Hi, früher unterer Heizwert Hu) dadurch, dass er die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme des Wasserdampfes einschliesst. Während der Heizwert die Wärmemenge ohne Kondensation des Wasserdampfes angibt, erfasst der Brennwert die gesamte freigesetzte Wärme, inklusive der latenten Wärme, die beim Übergang des Wasserdampfes in den flüssigen Zustand (Kondensation) anfällt. Daher ist der Brennwert von wasserreichen Brennstoffen deutlich höher als deren Heizwert.
Einheiten:
Die Grundeinheit für den Brennwert ist Joule pro Kilogramm (J/kg), aber auch Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) oder Megajoule pro Kubikmeter (MJ/m³) sind gebräuchlich. Die Umrechnung zwischen kWh und MJ ist: 1 kWh = 3,6 MJ.
Bestimmung:
Um den Heizwert zu ermitteln, wird üblicherweise zuerst der Brennwert experimentell mit einem Kalorimeter bestimmt und anschliessend die Verdampfungsenthalpie des entstehenden Wassers subtrahiert.
Bedeutung und Anwendung:
Brennwertkessel, im Gegensatz zu konventionellen Heizkesseln, nutzen die Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas zur Wärmebereitstellung, was eine effizientere Nutzung des Energieinhalts des Brennstoffs ermöglicht. Dies führt dazu, dass bei der Verbrennung von Gas in herkömmlichen Kesseln etwa 11 % der latenten Wärme verloren gehen, bei Heizöl EL sind es etwa 6 %.
Für die Berechnung der Umweltkennwerte von Treibstoffen und Strom für die Energieetikette von Personenwagen dient der Heizwert (als Energiedichte) als Bezugsgrösse, da die Kondensationswärme in Fahrzeugmotoren in der Regel nicht genutzt wird.
Beispiele für Brennwerte (in MJ/kg):
- Wasserstoff: 142 MJ/kg
- Methan: 55,6 MJ/kg
- Propan: 50,3 MJ/kg
- Butan: 49,5 MJ/kg
- Benzin: 47 MJ/kg
- Heizöl, extraleicht: 45,4 MJ/kg
- Kerosin: 43 MJ/kg
- Heizöl, schwer: 42,5 MJ/kg
- Ethanol: 29,7 MJ/kg
- Steinkohle: 30 MJ/kg
- Lufttrockenes Holz: 19 MJ/kg
- Rohbraunkohle: 10 MJ/kg
- Holzpellets: 20 MJ/kg
Der Brennwert stellt somit ein umfassenderes Mass für den Energieinhalt eines Brennstoffs dar, da er die gesamte potenziell nutzbare Wärmeenergie, einschliesslich der Kondensationswärme, berücksichtigt.
10. Kann man die Energiedichte von einzelnen Energieträgern vergleichen?
Faktoren, die die Energiedichte beeinflussen.
Die Höhe der Energiedichte hängt von der chemischen Zusammensetzung und atomaren Struktur des Materials sowie vom Druck und Sauerstoffgehalt der Umgebung ab. Chemische Bindungen und atomare Strukturen spielen eine wesentliche Rolle.
Vergleich in verschiedenen physikalischen Kontexten.
Die Vergleichbarkeit der Energiedichte ist von grossem praktischem Interesse, insbesondere bei der Auswahl von Brennstoffen oder Energiespeichern in der Energiebranche. Sie ist entscheidend für die erzielbare Reichweite von Fahrzeugen und die Betriebsdauer mobiler Geräte.
Kraftstoffe (Brennwert und Heizwert).
Bei Brennstoffen wird die Energiedichte oft als Heizwert (früher unterer Heizwert, Hᵢ) oder Brennwert (Hₛ, veraltet oberer Heizwert Hₒ) bezeichnet.
Der Heizwert ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der der im Abgas enthaltene Wasserdampf nicht kondensiert. Die meisten Heizkessel und Verbrennungsmotoren geben das entstehende Wasser gasförmig ab, wodurch die Kondensationswärme nicht gewonnen werden kann.
Der Brennwert gibt die Wärmemenge an, die bei Verbrennung und anschliessender Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25 °C sowie deren Kondensation freigesetzt wird. Der Brennwert berücksichtigt also die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser.
Der Heizwert von wasserreichen Brennstoffen ist deutlich geringer als deren Brennwert, um den Betrag der Verdampfungsenthalpie des Wasserdampfes.
Experimentelle Bestimmung:
Der Heizwert wird üblicherweise ermittelt, indem man experimentell den Brennwert in einem Kalorimeter bestimmt und dann die Verdampfungsenthalpie des entstehenden Wassers subtrahiert.
Beispiele für Energiedichten von Kraftstoffen (Heizwert, wenn nicht anders angegeben):
Wasserstoff.
Hat eine sehr hohe gravimetrische Energiedichte von etwa 120 MJ/kg (oder 33,3 kWh/kg) ohne Tank. Als flüssiger Wasserstoff (ohne Tank) erreicht er 10,1 MJ/L, und gasförmig bei 700 Bar (ohne Tank) etwa 5,6 MJ/L.
Benzin.
Gravimetrische Energiedichte (Heizwert) von etwa 40,1-41,8 MJ/kg, oder 43 MJ/kg, bzw. 42,6 MJ/kg (im Durchschnitt 42,6 MJ/kg), was 12,0 kWh/kg entspricht. Die volumetrische Energiedichte beträgt etwa 31 MJ/L bis 32 MJ/L oder 8,6 kWh/L bis 8,72 kWh/L. Das entspricht ca. 8760 kWh/m³.
Diesel.
Gravimetrische Energiedichte (Heizwert) liegt bei etwa 39,6 - 43,2 MJ/kg oder 42,6 MJ/kg bis 43,0 MJ/kg (im Durchschnitt 43,0 MJ/kg), was 11,8 kWh/kg entspricht. Die volumetrische Energiedichte beträgt etwa 35-36 MJ/L oder 9,9 kWh/L bis 9,91 kWh/L.
Erdgas.
Gravimetrische Energiedichte (Heizwert) liegt zwischen 32 und 45 MJ/kg (oder 13,9 kWh/kg), die volumetrische Energiedichte zwischen 31 und 41 MJ/m³ (oder 8,6-11,4 kWh/m³ bzw. 9,3 kWh/m³ bis 10,5 kWh/m³). Reines Methan hat 50,0 MJ/kg.
Holz.
Gravimetrischer Heizwert von lufttrockenem Holz liegt bei ca. 14,4-15,8 MJ/kg (oder 4-4,4 kWh/kg).
Batterien.
Die Energiedichte von Batterien wird als Kapazität pro Volumen oder Kapazität pro Masse angegeben. Eine hohe Energiedichte ist wünschenswert, um hohe Betriebsdauern mobiler Geräte zu erzielen.
Eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie hat eine gravimetrische Energiedichte von etwa 0,36 MJ/kg bis 0,65 MJ/kg (entspricht ca. 0,9 MJ/kg oder 250 Wh/kg). Die volumetrische Energiedichte liegt bei etwa 0,7-1,8 MJ/L (entspricht ca. 2,5 MJ/L oder 700 Wh/L). Die von untersuchten PV-Heimspeichersystemen auf Lithium-Ionen-Basis weisen eine mittlere Energiedichte von 60 Wh/kg auf.
Zukünftige wiederaufladbare Lithium-Akkumulatoren auf Basis von Li-Schwefel könnten Energiedichten von über 400 Wh/kg erreichen, und Li-Luft-Akkus bis zu 800 Wh/L.
Andere Batterietypen.
Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) haben etwa 80 Wh/kg bzw. 0,22 MJ/kg oder 0,28 MJ/kg. Lithium-Polymer-Akkus erreichen 140-180 Wh/kg bzw. 0,54 MJ/kg oder 0,55 MJ/kg. Ein 350 kg schwerer Akku kann faktisch 169 kWh produzieren, was der Energie von 20 Litern Benzin entspricht. Zum Vergleich: Ein Kilogramm Benzin enthält genauso viel Energie wie 350 Kilogramm eines Blei-Säure-Akkus.
Kernbrennstoffe.
Uran hat eine extrem hohe Energiedichte. Die gravimetrische Energiedichte von Uran-235 liegt bei ungefähr 90.000.000 MJ/kg bei Kernspaltung (bzw. 80 TJ/kg). Ein Kilogramm Uran-235 kann bei vollständiger Spaltung 22,8 Millionen kWh Energie freisetzen, was dem Wärmeinhalt von 2.800 Tonnen Steinkohle oder 1.965 Tonnen Erdöl entspricht.
11. Vergleich: 1 KW h grüner Strom im Vergleich mit 1 Liter Benzin.
Um 1 kWh grünen Strom mit 1 Liter Benzin zu vergleichen, müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden: der reine Energiegehalt, die CO2-Emissionen bei der Bereitstellung und die Effizienz der Nutzung in einem Fahrzeug.
Detaillierter Vergleich:
Reiner Energiegehalt:
1 Liter Benzin hat einen Energiegehalt (Heizwert) von typischerweise 31 MJ/l, was etwa 8,6 kWh/l entspricht. Andere Quellen geben ähnliche Werte an, z.B. 8,72 kWh/L oder 8,9 kWh/L für Superbenzin.
1 kWh grüner Strom ist bereits eine Einheit des Energiegehalts. Es ist wichtig zu beachten, dass 1 kWh Strom in Bezug auf den reinen Energieinhalt deutlich weniger Energie enthält als 1 Liter Benzin - etwa ein Neuntel davon.
CO2-Emissionen (Well-to-Tank – von der Quelle bis zum Tank/Steckdose):
1 Liter Benzin verursacht bei seiner Bereitstellung (von der Rohölförderung über die Raffinerie bis zur Tankstelle) 0,46 kg CO2.
Für 1 kWh grünen Strom hängen die Emissionen stark von der Definition von "grün" ab.
Der Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022 (basierend auf Herkunftsnachweisen, also vorwiegend erneuerbaren Energien) verursacht 24,4 g CO2/kWh (entspricht 0,0244 kg CO2/kWh).
Der "Mix erneuerbare Stromprodukte 2022" hat sogar noch geringere Emissionen von 10,2 g CO2/kWh (entspricht 0,0102 kg CO2/kWh).
Im Vergleich dazu verursacht der Schweizer Verbraucherstrommix (2020-2022), der auch fossile und nukleare Anteile enthält, 110 g CO2/kWh.
Fazit zu den CO2-Emissionen pro Energieeinheit (Well-to-Tank): 1 kWh grüner Strom (z.B. 10,2 g CO2) verursacht im Vergleich zu der Energiemenge in 1 Liter Benzin (ca. 8,7 kWh * 0,46 kg CO2/L = 4,00 kg CO2 pro 1 Liter Benzin) wesentlich geringere Emissionen pro nutzbarer Energieeinheit. Wenn wir die CO2-Emissionen pro einzelner kWh betrachten, ist der Unterschied noch drastischer: 1 Liter Benzin (0,46 kg CO2) verursacht fast das 19-fache bis 45-fache der CO2-Emissionen wie 1 kWh grüner Strom (0,0244 kg CO2 oder 0,0102 kg CO2).
Effizienz der Nutzung (im Fahrzeug – Well-to-Wheel):
Die Energiequalität beschreibt den Nutzwert einer Energieform, wobei elektrische Energie eine sehr hohe Energiequalität aufweist, da sie vielseitig nutzbar ist.
Elektromotoren haben einen Wirkungsgrad, der rund dreimal höher ist als der von Verbrennungsmotoren. Das bedeutet, dass ein Elektroauto aus 1 kWh Strom deutlich mehr mechanische Arbeit (und damit Reichweite) gewinnen kann als ein Verbrennungsmotor aus 1 kWh chemischer Energie (z.B. aus Benzin).
Konkret bedeutet dies, dass 1 kWh elektrischer Energie ein Elektroauto theoretisch etwa dreimal so weit fahren lässt wie 1 kWh chemischer Energie aus Benzin ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Um die gleiche Fahrleistung zu erzielen, die 1 Liter Benzin (8,6 kWh chemische Energie) in einem Verbrennungsmotor ermöglicht, wären daher nur etwa 2,87 kWh elektrischer Energie in einem Elektroauto erforderlich (8,6 kWh / 3 = 2,87 kWh). Umgekehrt könnte 1 kWh grüner Strom, aufgrund des dreifach höheren Wirkungsgrades im Elektromotor, eine ähnliche Fahrleistung erbringen wie etwa 0,35 Liter Benzin in einem Verbrennungsmotor (1 kWh / 8,6 kWh/L * 3 = 0,35 L).
Gesamtfazit:
Obwohl 1 Liter Benzin einen deutlich höheren reinen Energiegehalt als 1 kWh grüner Strom aufweist, ist grüner Strom in Bezug auf die CO2-Emissionen pro Einheit bereitgestellter Energie und die Effizienz der Nutzung im Fahrzeug (insbesondere im Kontext von Elektroautos) erheblich überlegen.
Die Energiebereitstellung von Benzin ist mit deutlich höheren CO2-Emissionen verbunden als die von grünem Strom.
Dank der viel höheren Effizienz von Elektromotoren kann 1 kWh Strom eine vergleichbarere Fahrleistung erzielen, wie sie eine deutlich grössere Menge Benzin in einem Verbrennungsmotor erzeugt.
12. Vergleich: 1 KW h grüner Strom im Vergleich mit 1 Liter Heizöl.
Um 1 kWh grünen Strom mit 1 Liter Heizöl zu vergleichen, müssen wir sowohl ihren reinen Energiegehalt als auch ihre Umweltwirkungen und die Effizienz ihrer Nutzung betrachten.
Energiegehalt.
1 Liter Heizöl (EL) hat einen Energiegehalt (Heizwert) von typischerweise 36 MJ/l, was 10,00 kWh/l entspricht. Dieselkraftstoff, der chemisch Heizöl EL sehr ähnlich ist, hat einen Heizwert von etwa 11,8 kWh/kg, was bei einer Dichte von 0,830 kg/l 9,8 kWh/l ergibt.
1 kWh grüner Strom ist bereits eine Einheit des Energiegehalts.
Im direkten Vergleich des Energiegehalts enthält 1 Liter Heizöl die zehnfache Menge an Energie wie 1 kWh Strom. Das bedeutet, dass 1 kWh Strom, rein energetisch betrachtet, nur etwa ein Zehntel der Energie eines Liters Heizöl liefert.
CO2-Emissionen (Well-to-Tank:
Von der Quelle bis zum Endverbraucher. Für eine umfassende Umweltbewertung ist es entscheidend, nicht nur die direkte Verbrennung oder Nutzung zu betrachten, sondern auch die Emissionen, die bei der Bereitstellung des Energieträgers entstehen (Well-to-Tank-Betrachtung).
1 Liter Heizöl (bzw. Diesel, dessen Bereitstellungswerte als vergleichbar angenommen werden können) verursacht bei seiner Bereitstellung (von der Förderung des Rohöls über die Raffinerie bis zur Tankstelle) fossile CO2-Emissionen von 0,43 kg CO2/L.
Für 1 kWh grünen Strom (basierend auf dem Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022, der auf Herkunftsnachweisen für erneuerbare Energien basiert) betragen die CO2-Emissionen der Bereitstellung 24,4 g CO2/kWh (entspricht 0,0244 kg CO2/kWh). Der "Mix erneuerbare Stromprodukte 2022" hat sogar noch geringere Emissionen von 10,2 g CO2/kWh.
Um eine vergleichbare Energiemenge zu betrachten:
1 Liter Heizöl enthält 10 kWh Energie. Wenn diese Energiemenge als grüner Strom bereitgestellt würde (unter Annahme des HKN Lieferantenstrommixes), würden 10 kWh * 0,0244 kg CO2/kWh = 0,244 kg CO2 emittiert.
Fazit zu den CO2-Emissionen (Well-to-Tank):
Die Bereitstellung von 1 Liter Heizöl (0,43 kg CO2) verursacht erheblich höhere CO2-Emissionen als die Bereitstellung einer energetisch äquivalenten Menge (10 kWh) an grünem Strom (ca. 0,244 kg CO2). Wenn wir 1 kWh grünen Strom direkt mit 1 Liter Heizöl vergleichen, sind die Emissionen des Heizöls um ein Vielfaches höher.
Effizienz der Nutzung und Energiequalität.
Die "Energiequalität" beschreibt den Nutzwert einer Energieform. Elektrische Energie, also Strom, hat eine sehr hohe Energiequalität, da sie vielseitig nutzbar ist (z.B. für Licht, Antrieb, Schmelzen von Metallen).
Heizöl wird typischerweise in Heizkesseln zur Wärmeerzeugung verbrannt. Dabei gehen prinzipbedingt Verluste als Abwärme verloren, die nicht nutzbar gemacht werden kann. Konventionelle Heizkessel verlieren beim Verbrennen von Heizöl EL etwa 6 Prozent der latenten Wärme (Kondensationswärme). Brennwertkessel können diese Kondensationswärme nutzen und somit den Brennwert des Brennstoffs effizienter ausnutzen.
Die Nutzung von grünem Strom für Heizzwecke kann sehr effizient sein, insbesondere durch Wärmepumpen. Die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (wie in Verbrennungsmotoren) oder Elektrizität ist immer mit unvermeidbaren Verlusten verbunden, da bei jeder Energieumwandlung die "Qualität der Energie abnimmt" und Exergie in Anergie umgewandelt wird. Direktstromheizungen können einen Wirkungsgrad von fast 100 % haben, aber exergetisch betrachtet ist die Nutzung von Strom für reine Heizzwecke (wenn auch andere, niedrigere Energiequalitäten ausreichen würden) eine Form der "Verschwendung", da der exergetische Wirkungsgrad nur etwa 7 % beträgt. Besser ist die Kraft-Wärme-Kopplung.
Elektromotoren sind rund dreimal effizienter als Verbrennungsmotoren.
Im Kontext der Elektromobilität ist der Wirkungsgradunterschied besonders relevant: Elektromotoren sind rund dreimal effizienter als Verbrennungsmotoren. Das bedeutet, dass ein Elektroauto mit 1 kWh Strom theoretisch etwa dreimal so weit fahren kann wie ein Verbrennungsmotorfahrzeug mit der gleichen Menge an chemischer Energie aus Benzin. Auch wenn sich die Quellen auf Benzin beziehen, lässt sich dies sinngemäss auf Heizöl übertragen, das ähnliche Verbrennungseigenschaften wie Diesel aufweist.
Zusammenfassende Bewertung.
Obwohl 1 Liter Heizöl einen deutlich höheren reinen Energiegehalt als 1 kWh grüner Strom aufweist, ist grüner Strom in Bezug auf die CO2-Emissionen pro bereitgestellter Energieeinheit und die Effizienz der Nutzung (insbesondere in Anwendungen, die elektrische Energie erfordern, wie z.B. Elektromobilität) erheblich umweltfreundlicher und vorteilhafter. Die Bereitstellung von Heizöl ist mit deutlich höheren Emissionen verbunden, und seine Umwandlung in nutzbare Energie (insbesondere mechanische Arbeit) ist ineffizienter als die Nutzung von Strom in Elektromotoren.
13. Hat der Energiewert im Hinblick auf die Energieeffizienz von grünem Strom überhaupt eine Bedeutung?
Der "Energiewert" von grünem Strom – also die reine Energiemenge, die als 1 kWh bereitgestellt wird – hat im Hinblick auf die Energieeffizienz eine grundlegende Bedeutung, da er die Basis für jede weitere Effizienzbetrachtung darstellt. Eine Kilowattstunde (kWh) ist eine Einheit der Energie. Ein Joule (J) ist die offizielle, international einheitliche SI-Einheit der Energie. 1 kWh entspricht 3,6 Megajoule (MJ).
Der Energiewert als isolierte Grösse ist jedoch nicht ausreichend, um die Gesamtenergieeffizienz oder die Umweltwirkung von grünem Strom im Vergleich zu fossilen Brennstoffen vollständig zu bewerten. Die Energieeffizienz von grünem Strom wird vor allem durch folgende Faktoren bestimmt, die über den reinen Energiewert hinausgehen:
Reiner Energiegehalt im Vergleich zu fossilen Brennstoffen:
- 1 Liter Benzin enthält typischerweise 8,6 kWh Energie.
- 1 Liter Heizöl (EL) enthält typischerweise 10,00 kWh Energie.
Im direkten Vergleich enthält 1 Liter Benzin rund 8,6-mal mehr Energie als 1 kWh Strom, und 1 Liter Heizöl etwa 10-mal mehr Energie als 1 kWh Strom. Rein quantitativ liefert 1 kWh grüner Strom also eine deutlich geringere Energiemenge als die genannte Volumenmenge fossiler Brennstoffe.
Effizienz der Energiebereitstellung (Well-to-Tank):
Die fossilen Kohlendioxidemissionen der Bereitstellung des Schweizer HKN Lieferantenstrommixes 2022 (basierend auf Herkunftsnachweisen für erneuerbare Energien) betragen 24,4 g CO2/kWh. Der "Mix erneuerbare Stromprodukte 2022" hat sogar noch geringere Emissionen von 10,2 g CO2/kWh.
Im Gegensatz dazu verursacht die Bereitstellung von 1 Liter Benzin 0,46 kg CO2/L und 1 Liter Diesel 0,43 kg CO2/L.
Der Primärenergie-Benzinäquivalent (PE-BÄ) berücksichtigt den gesamten Energieverbrauch von der Energiequelle bis zum Tank (Well-to-Tank). Für den Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022 beträgt der PE-BÄ 0.17 L/kWh, während Benzin ein PE-BÄ von 1.00 L/L hat und Diesel 1.09 L/L. Tiefere PE-BÄ-Werte sind vorteilhaft, da sie bedeuten, dass weniger Energie für die Förderung, Aufbereitung und den Transport eines Treibstoffs oder Stroms aufgewendet wird.
Effizienz der Nutzung (Well-to-Wheel) und Energiequalität:
Elektrische Energie (Strom) besitzt eine sehr hohe Energiequalität, da sie ein vielseitiger Energieträger ist und zum Beispiel für Licht, Antrieb oder das Schmelzen von Metallen genutzt werden kann.
Elektromotoren haben einen rund dreimal höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. Dies bedeutet, dass ein Elektroauto mit 1 kWh Strom theoretisch etwa dreimal so weit fahren kann wie ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und der gleichen Menge an chemischer Energie aus Benzin. Während ein Elektromotor einen Wirkungsgrad von 93 % aufweisen kann, liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im realen Betrieb bei 20-30 %.
Die Energieetikette für Personenwagen beurteilt Fahrzeuge anhand der gesamten Wirkungskette, also von der Energiequelle bis zum Rad (Well-to-Wheel).
Fazit:
Der reine "Energiewert" von 1 kWh grünem Strom ist zwar numerisch kleiner als der Energiegehalt eines Liters fossilen Brennstoffs. Seine wahre Bedeutung für die Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit ergibt sich jedoch aus der signifikant geringeren Umweltbelastung bei der Bereitstellung und dem wesentlich höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung in nutzbare Arbeit (insbesondere im Vergleich zu Verbrennungsmotoren). Die hohe Energiequalität des Stroms ermöglicht zudem eine sehr effiziente und vielseitige Nutzung. Daher ist die "1 kWh" grünen Stroms, trotz ihres geringeren reinen Energiegehalts pro Volumeneinheit im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, in der Gesamtbetrachtung (von der Quelle bis zur Nutzung im Fahrzeug) deutlich effizienter und umweltfreundlicher.
Hat die höhere Energiedichte von fossilen Brennstoffen im Hinblick auf die sehr tiefe Energieeffizienz und den schlechten Wirkungsgrad überhaupt eine Bedeutung?
Die Frage, ob die höhere Energiedichte von fossilen Brennstoffen im Hinblick auf deren sehr tiefe Energieeffizienz und schlechten Wirkungsgrad überhaupt eine Bedeutung hat, erfordert eine differenzierte Betrachtung der physikalischen Eigenschaften und der gesamten Energie- und Umweltbilanz.
Die Energiedichte beschreibt die Verteilung von Energie auf eine bestimmte Grösse, am häufigsten als volumetrische Energiedichte (Energie pro Raumvolumen, z.B. Joule/m³) oder als gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse, z.B. Joule/kg). Eine hohe Energiedichte ist allgemein wünschenswert, um Transportkosten für den Energieträger gering zu halten und hohe Betriebsdauern mobiler Geräte oder hohe Reichweiten von Fahrzeugen zu erzielen. Im Kontext von Brennstoffen wird die Energiedichte auch als Brennwert oder Heizwert bezeichnet.
Vergleich der Energiedichten von Heizöl und Strom.
Quantitativ betrachtet enthält 1 Liter Heizöl (EL) einen Energiegehalt (Heizwert) von typischerweise 36 MJ/L oder 10,00 kWh/L. 1 kWh grüner Strom ist bereits eine Energieeinheit von 1 kWh. Rein energetisch gesehen, liefert 1 Liter Heizöl also die zehnfache Energiemenge im Vergleich zu 1 kWh Strom. Dieselkraftstoff, der chemisch Heizöl EL sehr ähnlich ist, hat einen Heizwert von etwa 11,8 kWh/kg, was bei einer Dichte von 0,830 kg/l 9,8 kWh/l ergibt. Benzin liegt bei etwa 8,6 kWh/L.
Die Bedeutung der hohen Energiedichte fossiler Brennstoffe.
Trotz der Nachteile hat die hohe Energiedichte fossiler Brennstoffe in bestimmten Anwendungsbereichen weiterhin Bedeutung:
Reichweite und Transportfähigkeit:
Besonders im Fahrzeugbau ist die Energiedichte des Energiespeichers entscheidend für die erzielbare Reichweite. Da Kraftstoffe in Fortbewegungsmitteln mitgeführt werden müssen, werden häufig Stoffe mit hoher Energiedichte eingesetzt. Ein Liter Benzin hat beispielsweise rund 8,6-mal mehr Energie als 1 kWh Strom, und ein Liter Heizöl etwa 10-mal mehr [Vorherige Antwort]. Das bedeutet, dass grosse Energiemengen kompakt gespeichert und transportiert werden können.
Kompaktheit und Gewicht:
Brennstoffe und Energiespeicher mit hoher Energiedichte ermöglichen es, Energie in kleinerer und leichterer Form zu speichern, was insbesondere für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge oder Flugzeuge wertvoll ist. Zum Beispiel kann eine Fahrt von 500 km mit einem Elektroauto heute Batterien mit 140 kWh benötigen, was (bei 7 kg/kWh Batterie) eine Tonne Batterien im Auto bedeuten würde. Demgegenüber ist der Tank eines Verbrenners für die gleiche Reichweite deutlich leichter und kleiner.
Die geringe Effizienz und der schlechte Wirkungsgrad fossiler Brennstoffe.
Hier kommen die erheblichen Nachteile ins Spiel, die die Vorteile der reinen Energiedichte stark relativieren:
Energiequalität und Umwandlungsverluste (2. Hauptsatz der Thermodynamik): Energie kann zwar nicht verloren gehen (1. Hauptsatz der Thermodynamik), aber ihre Nutzbarkeit oder "Qualität" (Exergie) nimmt bei jeder Umwandlung ab. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Motoren oder Heizkesseln entstehen unvermeidlich Verluste in Form von Abwärme, die nicht vollständig nutzbar gemacht werden kann. Direkte elektrische Energie (Strom) hingegen besitzt eine sehr hohe Energiequalität und ist vielseitig nutzbar.
Geringere Nutzungseffizienz:
Verbrennungsmotoren vs. Elektromotoren:
Elektromotoren haben einen rund dreimal höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. Das heisst, ein Elektroauto kann mit 1 kWh Strom theoretisch etwa dreimal so weit fahren wie ein Verbrennungsmotorfahrzeug mit der gleichen chemischen Energie aus Benzin. Während ein Elektromotor einen Wirkungsgrad von über 90 % erreichen kann, liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors im realen Betrieb eher bei 20-30 %.
Heizkessel:
Konventionelle Heizkessel verlieren beim Verbrennen von Heizöl EL etwa 6 Prozent der latenten Wärme (Kondensationswärme). Brennwertkessel können diese Wärme zwar nutzen und somit den Brennwert effizienter ausnutzen.
Exergetischer Wirkungsgrad:
Obwohl Direktheizungen mit Strom einen Wirkungsgrad von fast 100 % haben können, ist die Nutzung von Strom für reine Heizwecke exergetisch betrachtet eine Form der "Verschwendung", da der exergetische Wirkungsgrad nur etwa 7 % beträgt. Effizienter ist die Kraft-Wärme-Kopplung.
Gesamtenergiebilanz und Umweltwirkungen (Well-to-Wheel):
Bereitstellungsemissionen (Well-to-Tank):
Die Bereitstellung von 1 Liter Heizöl verursacht fossile CO2-Emissionen von 0,43 kg CO2/L. Für 1 kWh grünen Strom (HKN Lieferantenstrommix 2022) betragen die Emissionen nur 24,4 g CO2/kWh (entspricht 0,0244 kg CO2/kWh). Wenn man die energetisch äquivalente Menge (10 kWh) an grünem Strom betrachtet, wären die Emissionen bei der Bereitstellung 0,244 kg CO2. Die Bereitstellung von Heizöl verursacht also deutlich höhere CO2-Emissionen als die Bereitstellung einer energetisch vergleichbaren Menge an grünem Strom.
Primärenergie-Benzinäquivalente (PE-BÄ):
Diese Grösse berücksichtigt den gesamten Energieverbrauch von der Energiequelle bis zum Tank (Well-to-Tank) und dient als Mass für die Energieeffizienz von Personenwagen. Tiefere PE-BÄ-Werte sind vorteilhaft. Der PE-BÄ für Diesel beträgt 1.09 L/L (Benzin ist Referenz mit 1.00 L/L). Für den Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022 beträgt er hingegen nur 0.17 L/kWh. Dies zeigt den geringeren Primärenergiebedarf von Strom bei der Bereitstellung.
Umfassende Bewertung:
Die Energieetikette für Personenwagen beurteilt Fahrzeuge anhand der gesamten Wirkungskette, also von der Energiequelle bis zum Rad (Well-to-Wheel). Hier schneiden Elektrofahrzeuge aufgrund der Effizienz des Elektromotors und des umweltfreundlicheren Strommix deutlich besser ab.
Ressourcenverbrauch:
Die Förderung fossiler Energien kann mit erheblichen Umweltproblemen verbunden sein; die Förderung eines Liters Erdöl verschlingt beispielsweise 2,5 kWh Energie, den Transport nicht eingerechnet. Lithium ist nahezu zu 100 % recycelbar, verbranntes Erdöl hingegen nicht.
Fazit.
Die höhere Energiedichte von fossilen Brennstoffen hat eine unbestreitbare Bedeutung für die Kompaktheit und Reichweite von Energiespeichern, insbesondere in mobilen Anwendungen, wo das Volumen und Gewicht des Energieträgers entscheidend sind. Dies ist der Hauptgrund, warum sie historisch und auch aktuell in vielen Verkehrsbereichen dominieren.
Allerdings wird diese Bedeutung durch die sehr tiefe Energieeffizienz und den schlechten Wirkungsgrad bei der Nutzung (insbesondere in Verbrennungsmotoren) sowie die erheblich höheren Umweltwirkungen (insbesondere CO2-Emissionen) stark relativiert und in vielen Anwendungsbereichen übertroffen. Grüner Strom mag eine geringere Energiedichte pro Volumeneinheit aufweisen, punktet aber mit:
Wesentlich geringeren CO2-Emissionen über die gesamte Bereitstellungskette (Well-to-Tank).
Deutlich höherer Effizienz bei der Umwandlung in nutzbare Arbeit, insbesondere im Elektroantrieb.
Einer höheren Energiequalität, die vielseitigere und effizientere Anwendungen ermöglicht.
Daher ist die höhere Energiedichte von fossilen Brennstoffen zwar ein physikalischer Vorteil, aber im Hinblick auf eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung ist sie aufgrund der systemischen Ineffizienzen und der negativen Umweltbilanz der fossilen Kette von untergeordneter Bedeutung. Die Gesamtbetrachtung (Well-to-Wheel) zeigt, dass grüne Elektrizität trotz geringerer "Volumen-Energiedichte" pro genutzter Einheit Energie effizienter und umweltfreundlicher ist.
14. Was ist in Zukunft wichtiger: hohe Energiedichte oder besserer Umwandlungseffizienz / höherer Wirkungsgrad?
Die Umwandlungseffizienz beziehungsweise ein höherer Wirkungsgrad erfordert eine Betrachtung der Entwicklungen im Energiesektor und der zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien. Grundsätzlich sind beide Aspekte für die effektive Nutzung von Energie entscheidend. Die Energiedichte beschreibt die Menge an Energie, die in einer bestimmten Masse oder einem bestimmten Volumen eines Materials gespeichert ist, gemessen beispielsweise in Joule pro Kilogramm (gravimetrisch) oder Joule pro Kubikmeter (volumetrisch).
Eine hohe Energiedichte ist wünschenswert, um Transportkosten für den Energieträger gering zu halten und hohe Reichweiten von Fahrzeugen oder lange Betriebsdauern mobiler Geräte zu erzielen. Der Wirkungsgrad oder die Umwandlungseffizienz hingegen beschreibt, wie viel der ursprünglichen Energie bei einer Umwandlung in nutzbare Arbeit umgesetzt werden kann, wobei ein Teil der Energie aufgrund des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer als nicht nutzbare Abwärme verloren geht.
Die Bedeutung der hohen Energiedichte fossiler Brennstoffe in der Vergangenheit und Gegenwart.
Fossile Brennstoffe wie Benzin, Diesel und Heizöl besitzen eine sehr hohe Energiedichte. Benzin hat einen Heizwert von etwa 8,6 kWh/L und Diesel von etwa 9,8 kWh/L. Diese hohe Energiedichte ermöglichte die Entwicklung kompakter und reichweitenstarker Fahrzeuge, da der Kraftstoff in kleiner und leichter Form mitgeführt werden kann. Dies ist der Hauptgrund, warum sie in mobilen Anwendungen, wie im Fahrzeugbau, lange Zeit dominiert haben.
Die wachsende Bedeutung des Wirkungsgrades und der Gesamteffizienz in der Zukunft.
Mit dem zunehmenden Fokus auf Klimaschutz und Nachhaltigkeit verschiebt sich die Priorität stark hin zu einer höheren Umwandlungseffizienz und einem geringeren ökologischen Fussabdruck über die gesamte Energiebereitstellungskette hinweg.
Umwandlungseffizienz von Motoren:
Elektromotoren haben einen rund dreimal höheren Wirkungsgrad (über 90%) als Verbrennungsmotoren (durchschnittlich 20-30% im realen Betrieb). Das bedeutet, dass ein Elektroauto mit der gleichen Energiemenge (chemische Energieäquivalente) aus der Batterie theoretisch etwa dreimal so weit fahren kann wie ein Verbrennungsmotorfahrzeug.
Gesamtenergiebilanz (Well-to-Wheel):
Die Energieetikette für Personenwagen beurteilt Fahrzeuge anhand der gesamten Wirkungskette, von der Energiequelle bis zum Rad (Well-to-Wheel). Hier schneiden Elektrofahrzeuge aufgrund der Effizienz des Elektromotors und des umweltfreundlicheren Strommix besser ab.
Primärenergie-Benzinäquivalente (PE-BÄ):
Diese Kennzahl, die den gesamten Energieverbrauch von der Quelle bis zum Tank (Well-to-Tank) berücksichtigt, zeigt, dass Strom einen deutlich geringeren Primärenergiebedarf hat als fossile Brennstoffe. Zum Beispiel beträgt der PE-BÄ für den Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022 nur 0.17 L/kWh, während er für Diesel 1.09 L/L beträgt. Tiefere PE-BÄ-Werte sind vorteilhaft, da sie bedeuten, dass weniger Primärenergie für die Bereitstellung aufgewendet wird.
Kohlendioxidemissionen der Bereitstellung:
Die Bereitstellung von grünem Strom (Schweizer HKN Lieferantenstrommix 2022) verursacht deutlich geringere fossile CO2-Emissionen (24.4 g CO2/kWh) als die Bereitstellung von Benzin (0.46 kg CO2/L) oder Diesel (0.43 kg CO2/L)36.
Energiequalität:
Elektrische Energie (Strom) besitzt eine sehr hohe Energiequalität (Exergie) und ist vielseitig nutzbar. Bei jeder Energieumwandlung nimmt die Exergie ab. Die Nutzung von Strom für reine Heizzwecke ist exergetisch ineffizient (exergetischer Wirkungsgrad nur etwa 7%), effizienter ist die Kraft-Wärme-Kopplung.
Ressourcenverbrauch und Umweltbilanz:
Die Förderung fossiler Energien ist mit erheblichen Umweltproblemen und hohem Energieaufwand verbunden. Die Förderung eines Liters Erdöl verschlingt beispielsweise 2,5 kWh Energie, den Transport nicht eingerechnet. Lithium, ein wichtiger Bestandteil von Batterien, ist nahezu zu 100% recycelbar, während verbranntes Erdöl nicht recycelbar ist.
Entwicklung alternativer Speichertechnologien:
Obwohl Lithium-Ionen-Batterien derzeit die höchste Energiedichte unter den etablierten Batteriesystemen aufweisen (typischerweise 100–160 Wh/kg), befinden sich alternative Technologien wie Natrium-Ionen- und Natrium-Nickelchlorid-Speicher noch in einer frühen Entwicklungsphase. Diese Alternativen sind derzeit in fast allen Effizienzparametern Lithium-Ionen-Speichern unterlegen, weisen aber den Vorteil auf, dass ihre Rohstoffe weltweit häufiger vorkommen und günstiger sind. Um sich auf dem Markt zu etablieren, müssen diese alternativen Batteriesysteme ihre Systemeffizienz (z.B. Batteriewirkungsgrad, Umwandlungswirkungsgrad, Bereitschaftsverluste, Regelungsverluste) erheblich verbessern.
Fazit für die Zukunft:
In Zukunft wird die bessere Umwandlungseffizienz und der höhere Wirkungsgrad – betrachtet über die gesamte Energiekette (Well-to-Wheel) – von entscheidend grösserer Bedeutung sein als die reine Energiedichte. Obwohl eine hohe Energiedichte in spezifischen Nischen wie dem Langstreckentransport, wo Volumen und Gewicht des Energiespeichers kritisch sind, weiterhin eine Rolle spielen wird, wird ihre Bedeutung durch die systemimmanenten Ineffizienzen und die erheblichen Umweltauswirkungen fossiler Brennstoffe stark relativiert. Die inhärent geringere Energiedichte vieler erneuerbarer Energieträger (z.B. Sonnen- und Windenergie) macht einen maximalen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und -nutzung unerlässlich, um diese Quellen wettbewerbsfähig zu machen.
Die Dringlichkeit des Klimawandels erfordert den nahezu vollständigen Verzicht auf fossile Energieträger und eine drastische Reduktion von Treibhausgasemissionen. In diesem Kontext ist die Gesamteffizienz der Energienutzung – von der Primärenergiequelle bis zur Anwendung – der primäre Hebel zur Erreichung der Klimaziele. Die Forschung im Bereich Batterietechnologien zielt zwar weiterhin auf eine Steigerung der Energiedichte ab, dies geschieht jedoch immer im Einklang mit der Reduzierung des Verbrauchs seltener Rohstoffe und der Verbesserung der Lebensdauer und Sicherheit.
Der Fokus verschiebt sich von der blossen "Energiedichte" als isoliertem Vorteil (wie bei fossilen Brennstoffen) hin zur nachhaltigen Effizienz der gesamten Energiekette, bei der die Umwandlungsverluste minimiert und die Umweltwirkungen reduziert werden.
Fortschritte bei Batterietechnologie:
Verbesserung der Energiedichte:
Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien wird stetig verbessert, und es werden neue Batterietechnologien wie Feststoffbatterien entwickelt, die eine höhere Energiedichte versprechen.
Feststoffbatterien:
Feststoffbatterien haben das Potenzial, die Energiedichte von Batterien deutlich zu erhöhen, sind aber noch in der Entwicklung und teurer als Lithium-Ionen-Batterien.
Umweltauswirkungen:
Herstellung:
Die Herstellung von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, hat Umweltauswirkungen, da sie die Gewinnung von Rohstoffen wie Lithium erfordert und Energie verbraucht.
Entsorgung:
Auch die Entsorgung von Batterien ist ein Thema, da sie Schadstoffe enthalten können.
Obwohl die Energiedichte von Batterien im Vergleich zu fossilen Brennstoffen eine Herausforderung darstellt, gibt es Fortschritte bei der Verbesserung der Batterietechnologie, die diese Herausforderungen angehen könnten. Es ist wichtig, die Umweltauswirkungen der Batterieherstellung und -entsorgung zu berücksichtigen und nachhaltige Lösungen zu entwickeln.
Disclaimer / Abgrenzung
Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.