Densité massique d'énergie

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 :

${\displaystyle D\ =\ {\frac {E}{m}}\ }$

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

Pour un élément de matière homogène, de masse volumique ${\displaystyle {\rho }=\ {\frac {m}{V}}\ }$ et de volume V, la densité massique d'énergie est reliée à la densité volumique d'énergie par :

${\displaystyle D\ =\ {\frac {1}{\rho }}\ {\frac {E}{V}}}$

Utilisant le volume massique ${\displaystyle v\ =\ {\frac {V}{m}}\ =\ {\frac {1}{\rho }}\ }$ au lieu de masse volumique, cela devient :

${\displaystyle D\ =\ v\ {\frac {E}{V}}}$

Densité d'énergie dans les stockages d'énergie et les carburants

Densité volumique d'énergie (en MJ/l) en fonction de la densité massique d'énergie (en MJ/kg) pour quelques carburants (valeurs brutes).

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

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. Pour les combustibles, sauf mention contraire, le pouvoir calorifique supérieur est indiqué (en pratique une partie de cette énergie est perdue sous forme l'énergie absorbée par la vaporisation de la vapeur d'eau produite lors de la réaction chimique) ; pour les systèmes électrochimiques, les pertes internes sont écartées. Dans les deux cas, la valeur de la densité d'énergie pratique peut se réduire de 5 à 10 %. Le poids et le volume des équipements annexes indispensables (contenants et réservoirs, pompes et tuyaux, protections des opérateurs, etc.) ne sont pas pris en compte.

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^[réf. nécessaire]	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
Éthanol	Chimique	8,25	29,7[3]	23,4	Moteurs de véhicules, chauffage, nutrition
Charbon maigre houille anthraciteuse	Chimique	6,2	29		Production d'électricité, chauffage domestique
Lignite séché	Chimique	4,8	18		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
Tourbe	Chimique	4,5	12		Chauffage, cuisson
Accumulateur lithium-air	Électrochimique	2,5	8		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)[4]	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

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) :

1 Sv = 1 Gy = 1 J/kg

Notes et références

1. (en) « 180 PJ/kg in Twh/kg », sur WolframAlpha.
2. E=mc² ; (en) Gerald A. Smith, « High density storage of antimatter for space propulsion applications », AIP Conference Proceedings, AIP, vol. 552,‎ 2001, p. 939–943 (DOI 10.1063/1.1358031, lire en ligne, consulté le 21 mai 2022).
3. Patrice Lecomte, « Éthanol de synthèse », sur Techniques de l'ingénieur, 1994 (consulté le 4 mai 2023), Fiche produit éthanol CH3CH2OH.
4. 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

• Dose absorbée ~ dose équivalente ~ dose efficace
• Densité d'énergie ~ Diagramme de Ragone

• Portail de l’énergie
• Portail de la physique