Densité d'Énergie

Quantité d'énergie stockée par unité de volume (ou de masse)

Qu'est-ce que la densité d'énergie ?

En physique, la densité d'énergie correspond à la quantité d'énergie d’une matière par unité de volume. On parle également de densité énergétique.

Dans le système de mesure adopté par la communauté scientifique internationale, l'unité de densité d'énergie couramment utilisée est le joule par mètre cube (J/m3) équivalent au Pascal (Pa).

La densité d'énergie est une notion clé dans le domaine du stockage des énergies et des carburants.

Les spécificités de la densité d'énergie

En matière de stockage des énergies, on distingue 2 types de densités énergétiques :

1. la densité d'énergie massique, c'est-à-dire la quantité d’énergie stockée par unité de masse : elle s'exprime en watt-heure par kilogramme (Wh/kg) : 1 Wh/kg correspond alors à 3600 J/kg ;
2. la densité d'énergie volumique, c'est-à-dire la quantité d’énergie stockée par unité de volume : elle s'exprime en watt-heure par litre (Wh/L) ou watt-heure par mètre cube (Wh/m3). L’unité de densité volumique exprimée en Wh/L est généralement utilisée pour mesurer la densité d’énergie volumique des combustibles liquides (comme les carburants), par opposition aux combustibles solides comme le bois ou le charbon.

Grâce à ces mesures, il est possible de comparer les performances de différents procédés permettant de générer de l’énergie :

• la combustion d'hydrocarbures de type essence (13,1 kWh/kg) ou Diesel (12,6 kWh/kg), et de carburants comme l'hydrogène (34,1 kWh/kg) ;
• une réaction électrochimique produite au sein de batteries au plomb (0,027 7 kWh/kg) ou d'accumulateurs au lithium-ion (0,5 kWh/kg)
• l'utilisation de condensateurs (0,001 kWh/kg) ou super-condensateurs (0,155 kWh/kg) utilisés pour capter une énergie cinétique et la stocker sous forme électrostatique à restituer ultérieurement...

Pour un moyen de transport, le choix d’une source d’énergie à utiliser est en lien avec la densité d’énergie pouvant être déployée, et varie selon le rendement du groupe motopropulseur.

Exemples et mise en pratique

La densité énergétique est un indicateur clé en matière de stockage électrochimique de l'électricité dans les batteries.

En effet, les 3 principaux indicateurs de mesure d'une batterie électrique sont :

• la tension en volts (V) indiquant la différence de potentiel mesurée entre les 2 bornes (+/-) ;
• la capacité pouvant être exprimée en Coulombs (C) ou Ampère-heure (Ah) correspondant à la quantité de charges électriques pouvant être stockées par la batterie ;
• la densité énergétique de la batterie par volume ou masse.

En la matière, les recherches portent sur le développement de technologies qui permettront d’alléger au maximum le poids et le volume des batteries. C’est un point clé dans la fabrication de véhicules électriques. Le challenge ? Obtenir des batteries performantes offrant une bonne autonomie, tout en étant les plus petites et légères possible.

Déjà utilisé dans les batteries Li-ion, le Lithium est actuellement au centre de nouvelles recherches prometteuses. Des chercheurs américains et japonais ont ainsi réussi à mettre au point une batterie d’accumulateurs Lithium-air permettant d’obtenir une densité énergétique supérieure à 500 Wh/kg.

La densité d'énergie des batteries en chiffres

Il existe aujourd’hui différents types de batteries sur le marché : batteries au plomb, NiCd, NiMH, Li-ion.... Leur densité énergétique étant fonction de la technologie mise en œuvre, elles sont choisies de façon à pouvoir satisfaire les besoins en énergie.

À titre d’exemple, voici la densité d'énergie massique donnée pour certaines batteries équipant les véhicules de transport :

• 0,027 7 kWh/kg pour les batteries au plomb servant au démarrage des véhicules à moteur thermique ;
• 0,2 kWh/kg pour les accumulateurs lithium-ion, voire 0,5 kWh/kg pour les accumulateurs lithium-soufre équipant les véhicules électriques.