Energiedichte

Was steckt hinter dem Begriff Energiedichte?

Egal, um welchen Energiespeicher es sich handelt – eine möglichst hohe Energiedichte ist für alltägliche Anwendungen von Vorteil. Beispielsweise hängt die Betriebsdauer mobiler, elektronischer Geräte von der Energiedichte der darin verbauten Batterien oder Akkus ab. Je höher die Energiedichte einer Batterie ist, umso mehr Energie speichert sie und umso länger kann der Nutzer das Gerät betreiben. Zudem nehmen Akkus mit einer hohen Energiedichte weniger Platz weg und wiegen weniger.

Welche Energiespeicher gibt es?

Es gibt eine Vielzahl an Energiespeichern, die in unserem Alltag gang und gäbe sind. In Bezug auf Strom spielen vor allem elektrochemische Energiespeicher eine wichtige Rolle. Dazu gehören Batterien und Akkus wie Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind in der Lage, etwa 200 kWh/m3 zu speichern. Eine weitaus höhere Energiedichte erreichen chemische Energiespeicher wie Benzin (12.000 kWh/m³) oder Wasserstoff (etwa 700 bis 2.400 kWh/m³). Thermische Energiespeicher wie Wasser oder mechanische Energiespeicher wie Druckluftspeicher erreichen im Vergleich dazu recht geringe Energiedichten: Wasser und Beton besitzen eine Energiedichte von 20–80 kWh/m3, Druckluftspeicher sogar nur 1,3 kWh/m3 bei 30 bar.

In welchen Bereichen ist die Energiedichte von Bedeutung?

Die Energiedichte ist in allen Bereichen von Bedeutung, in denen eine effiziente Energiespeicherung erforderlich ist. Dazu gehören unter anderem Akkus, wie sie in modernen Smartphones verbaut sind. Der Trend geht zu immer größeren Displays, Einbußen in der Akkuleistung möchten Nutzer dafür allerdings nicht in Kauf nehmen – somit muss mehr Leistung her. Lithium-Ionen-Batterien besitzen zum Beispiel eine dreimal so hohe Energiedichte und sind deutlich leichter als Blei-Säure-Batterien. Sie sind in fast allen Smartphones, Tablets oder Kameras verbaut.

Häufig wird die Energiedichte auch mit Elektroautos und deren Kapazität für die Energiespeicherung in Verbindung gebracht. Die Energiedichte transportabler Energie- beziehungsweise Stromspeicher in Elektroautos gibt an, wie viel Restenergie in der Autobatterie vorhanden ist. Anhand der verbleibenden Energie ist zu erkennen, wie lange das Auto noch fahren kann, bis ein Ladevorgang notwendig wird.

Um Besitzern von Elektroautos möglichst lange Strecken ohne Ladevorgang zu ermöglichen, entwickelt die Automobilindustrie die Batterietechnik stetig weiter – mit dem Ziel, die Energiespeicher noch leichter und besser transportabel zu machen. Lithium-Ionen-Batterien haben besonders viel Potenzial für Weiterentwicklung.

Des Weiteren ist die Energiedichte auch beim Heizen von Bedeutung. In Bezug auf Brennstoffe ist die Energiedichte auch als Brenn- oder Heizwert bekannt und bezeichnet in diesem Zusammenhang die nutzbare Wärmemenge. Um die Heizkosten möglichst niedrig zu halten, ist es ratsam, Brennstoffe mit einer hohen Energiedichte zum Heizen zu verwenden. Denn je ergiebiger die Energieträger sind, umso seltener ist es notwendig, Brennstoffe nachzukaufen.

Energiedichte zum Ausgleich von Schwankungen

Es ist nicht ungewöhnlich, dass es im Stromnetz gelegentlich zu Spannungsschwankungen kommt. Doch damit der Verbraucher nichts davon merkt und ohne Störungen seine elektronischen Geräte zu Hause nutzen kann, ist es wichtig, im Stromnetz eine Art Puffer zu integrieren. Diese Puffer speichern Energie, verbessern die Energiedichte und helfen dabei, etwaige Schwankungen im Stromnetz auszugleichen.

Häufig kommen dafür Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz. Sie wandeln den Strom zunächst in mechanische Energie um, bis zusätzlicher Strom benötigt wird. Turbinen erzeugen aus Wasser letztendlich wieder Strom, sodass er eingespeist und dort, wo er benötigt wird, verbraucht werden kann.

Einem ähnlichen Prinzip folgen Wärmespeicher. Sie speichern die durch Brennstoffe erzeugte Wärmeenergie, die gerade nicht für warmes Wasser oder zum Heizen benötigt wird. Auf diese Weise hat der Verbraucher zu jeder Zeit schnell und problemlos Zugriff darauf. Zwar erhöhen Wärmespeicher nicht die Energiedichte der verwendeten Brennstoffe selbst, helfen aber dabei, dass weniger der erzeugten Wärmeenergie verlorengeht.