Densité énergétique


Dans d’autres langues:English
La densité énergétique des combustibles est abordée sur cette page, pour la densité énergétique des dispositifs de stockage comme les piles, cliquez ici.
Figure 1. Une bande dessinée XKCD montrant la densité énergétique comparative de l'uranium.[1]

La densité énergétique est la quantité d'énergie qui peut être stockée dans une masse donnée d'une substance ou d'un système.[2][3] Plus la densité énergétique d'un système ou d'un matériau est élevée, plus la quantité d'énergie stockée dans sa masse est considérable.[4] L'énergie peut être stockée dans de nombreux types de substances et de systèmes différents.

Un matériau peut libérer de l'énergie dans quatre types de réactions. Ces réactions sont nucléaires, chimiques, électrochimiques et électriques.[5] Lorsqu'on calcule la quantité d'énergie dans un système, on ne mesure le plus souvent que l'énergie utile ou extractible. Dans les équations scientifiques, la densité d'énergie est souvent indiquée par U.[6]

La densité énergétique s'exprime généralement de deux manières, bien que la première soit la plus courante :

  • Densité énergétique volumétrique - la quantité d'énergie qu'un système contient par rapport à son volume ; généralement exprimée en wattheures par litre (Wh/L) ou en Mégajoules par litre (MJ/L).[7]
  • Densité énergétique gravimétrique (Énergie spécifique) - la quantité d'énergie qu'un système contient par rapport à sa masse ; généralement exprimée en wattheures par kilogramme (Wh/kg), ou en Mégajoules par kilogramme (MJ/kg).[7]

Le fait d'avoir une densité énergétique élevée ne donne aucune information sur la rapidité avec laquelle cette énergie peut être utilisée. Cette information est contenue dans la densité de puissance d'une substance, qui décrit le taux auquel son énergie peut être dépensée. En général, une densité énergétique élevée s'accompagne d'une faible densité de puissance. Visitez densité énergétique vs densité de puissance pour plus d'informations et des exemples.

Densité énergétique des combustibles

De nombreux matériaux différents peuvent stocker de l'énergie, de la nourriture au diesel en passant par l'uranium. Ces matériaux sont connus collectivement sous le nom de combustibles, et tous ces combustibles sont utilisés comme sources d'énergie pour une variété de systèmes. Lorsque les combustibles proviennent directement de la nature (comme le pétrole brut), ce sont des combustibles primaires ; lorsque les combustibles doivent être modifiés pour pouvoir être utilisés (comme l'essence), on parle de combustibles secondaires. Le tableau ci-dessous indique la densité énergétique d'une variété de combustibles courants.

Pour une représentation visuelle de ces valeurs, la figure 1 et le graphique de droite montrent des comparaisons des densités énergétiques de différents combustibles.

Type de combustible Type de réaction Densité énergétique
(MJ/kg)
Usages typiques
Bois Chimique 16 Chauffage des locaux, Cuisiner
Charbon Chimique 24 Centrales électriques, Production d'électricité
Éthanol Chimique 26,8 Mélange d'essence, Alcool, Produits chimiques
Biodiesel Chimique 38 [8] Moteur automobile
Pétrole brut Chimique 44 Raffinerie, Produits pétroliers
Diesel Chimique 45 Moteur diesels
Essence Chimique 46 Moteur à essences
Gaz naturel Chimique 55 Chauffage domestique, Production d'électricité
Uranium-235 Nucléaire 3 900 000 Réacteur nucléaire
Production d'électricité
Table 1 : La densité énergétique (MJ/kg) d'une variété de combustibles différents.[9]

Jusqu'où pouvez-vous aller ?

Les sources d'énergie ne cèdent pas leur énergie de la même manière, mais en supposant qu'elles le puissent, quelle distance chacune d'entre elles permettrait de déplacer un véhicule ? Pour le savoir, on peut utiliser le charbon comme base de référence. Si la quantité d'énergie contenue dans une masse donnée de charbon est égale à 10 mètres - la longueur d'un bus scolaire, l'énergie disponible dans cette même masse d'uranium est donc égale à la distance entre Vancouver, en Colombie-Britannique, et Saskatoon, au Saskatchewan (figure 2). Vous trouverez ci-dessous une liste d'autres combustibles comparés au charbon pour calculer l'énergie par distance afin de comparer ceux-ci au charbon.

  • Bois - 7 mètres, soit environ la largeur d'un garage pour deux voitures
  • Charbon - 10 mètres, soit la longueur d'un bus scolaire
  • Pétrole brut - 18 mètres, soit la longueur approximative d'une baleine à bosse
  • Uranium-235 - 1 625 000 m (1 625 km), plus grande que la distance entre Vancouver et Saskatoon
Figure 2. La distance entre Vancouver, BC et Saskatoon, SK en utilisant la densité énergétique de l'uranium.

Pour commencer avec une autre série de chiffres, un kilogramme de pétrole brut permet à une voiture de parcourir environ 20 km. Les produits pétroliers, comme l'essence, sont utilisés car ils sont denses en énergie. Un kilogramme de combustible nucléaire, comme l'uranium-235, permettrait à une voiture de parcourir 1,77 million de kilomètres. Quelle distance cela fait-il ? C'est un voyage de la Terre, à la Lune, et le retour. Deux fois.[10] Les combustibles nucléaires sont incroyablement denses en énergie.

Références

  1. XKCD. Log Scale [Online], Available: http://xkcd.com/1162/
  2. C. Dillon. (2009, October). How Far Will Energy Go? - An Energy Density Comparison [Online]. Available: http://www.cleanenergyinsight.org/interesting/how-far-will-your-energy-go-an-energy-density-comparison/
  3. A. Golnik and G. Elert. (2003). Energy Density of Gasoline [Online]. Available: http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml.
  4. Uni. South Carolina. (2003, October). Description of Energy and Power [Online]. Available: http://www.che.sc.edu/centers/RCS/desc_e_and_p.htm
  5. B. E. Layton, "A comparison of Energy Densities of Prevalent Energy Sources in Units of Joules Per Cubic Meter," Int. J. Green Energy, vol. 5, no. 6, pp. 438-455, Dec. 2008.
  6. E. W. Weisstein. (2007). Energy Density -- from Eric Weisstein’s World of Physics [Online]. Available: http://scienceworld.wolfram.com/physics/EnergyDensity.html
  7. 7,0 et 7,1 C. Simpson, "Characteristics of Rechargeable Batteries," National Semiconductor. Texas Instruments Inc., Dallas, 2011.
  8. Y. Chisti, “Biodiesel from microalgae,” Biotechnol. Adv., vol. 25, no. 3, pp. 294–306, May-Jun. 2007.
  9. I. Hore-Lacy, "Future Energy Demand and Supply," in Nuclear Energy in the 21st Century, 2nd ed., London, UK: WNUP, 2011, ch.1, sec.6, pp.9
  10. Wolfram Alpha, entry: 1772727273 m

Auteurs et rédacteurs

Ethan Boechler, Paul Frey, Jordan Hanania, Braden Heffernan, James Jenden, Ryan Leeson, Tamsin Mah, Jasper Martin, Kailyn Stenhouse, Luisa Vargas Suarez, Dayna Wiebe, Jason Donev
Dernière mise à jour : 18 octobre, 2021
Obtenir une citation