エネルギー密度

エネルギー貯蔵において、エネルギー密度は貯蔵エネルギーと貯蔵装置（例えば燃料タンク）の体積との関係を示す指標です。燃料のエネルギー密度が高いほど、同じ体積でより多くのエネルギーを貯蔵または輸送できます。燃料の単位質量あたりのエネルギーは、比エネルギーと呼ばれます。

隣の図は、いくつかの燃料と貯蔵技術の重量エネルギー密度と体積エネルギー密度を示しています（ガソリンに関する記事から改変）。異性体やその他の不規則性のため、一部の値は正確ではない場合があります。燃料の発熱量は、その比エネルギーをより包括的に表しています。

化学燃料の密度値には、燃焼に必要な酸素の重量は含まれていません。炭素と酸素の原子量はほぼ同じですが、水素ははるかに軽いためです。このような数値は、実際にはバーナー周辺にのみ空気が取り込まれる燃料について示されています。これは、酸化剤を内包する物質（火薬やTNTなど）のエネルギー密度が見かけ上低い理由を説明しています。酸化剤の質量が実質的に重量を増加させ、燃焼エネルギーの一部を吸収して解離し、酸素を放出して反応を継続させるためです。また、サンドイッチのエネルギー密度がダイナマイト1本よりも高いように見えるなど、いくつかの見かけ上の異常もこれで説明できます。

ガソリンのエネルギー密度が高いことを考えると、水素やバッテリーなど、自動車の動力源となるエネルギーを貯蔵するための代替媒体の探索は、代替媒体のエネルギー密度によって大きく制限されます。たとえば、同じ質量のリチウムイオン蓄電では、ガソリン車に比べて航続距離がわずか2%の車になってしまいます。航続距離を犠牲にすることが望ましくない場合は、はるかに大きな蓄電容量が必要になります。エネルギー密度を高め、充電時間を短縮するためのエネルギー貯蔵の代替オプションとして、スーパーキャパシタなどが議論されています。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

単一のエネルギー貯蔵方法には、比出力、比エネルギー、エネルギー密度のいずれにおいても最高の性能を誇るものは存在しない。プーケルトの法則は、（鉛蓄電池の場合）得られる有効エネルギーの量が、そのエネルギーがどれだけ速く引き出されるかに依存することを示している。

一般的に、エンジンは非効率性や熱力学的要因により、発生する運動エネルギーが少なくなる。したがって、エンジンの燃料消費率は、運動エネルギーの発生率よりも常に大きくなる。

エネルギー密度は、エネルギー変換効率（投入量あたりの正味出力）や内在エネルギー（エネルギー生産にかかるコスト。収穫、精製、流通、汚染処理など、すべてエネルギーを消費する）とは異なります。大規模で集約的なエネルギー利用は、気候、廃棄物貯蔵、環境への影響に影響を与え、またそれらからも影響を受けます。

核燃料は一般的に、体積エネルギー密度が化学燃料の少なくとも数万倍高い。高さ1インチのウラン燃料ペレットは、約1トンの石炭、120ガロンの原油、または17,000立方フィートの天然ガスに相当する。^{[ 15 ]}軽水炉では、1kg の天然ウランは、適切な濃縮を経て発電に使用されるが、約10,000kg の鉱物油または14,000kg の石炭のエネルギー含有量に相当する。^{[ 16 ]}比較すると、石炭、ガス、石油は現在の米国の主要エネルギー源であるが^{[ 17 ]}、エネルギー密度ははるかに低い。

軽水炉（加圧水型原子炉（PWR）または沸騰水型原子炉（BWR））の炉心に含まれる熱エネルギー密度は、1  GW (1000  MW の電気エネルギーは、約 3000  MW の熱出力は、システム内の考慮される場所 (炉心自体 (約 3000 MW の熱出力) に応じて、冷却水 1 立方メートルあたり 10 ～ 100 MW の熱エネルギーの範囲です。 30  m ³ )、原子炉圧力容器 (≈ 50  m ³ )、または一次回路全体 (≈ 300  m ³ ))。これは、原子炉の緊急停止後であっても、炉心から熱を除去するために常に高速で水を流し続ける必要があるほどのエネルギー密度を表しています。

2011年の津波の後、福島第一原子力発電所の3基の沸騰水型原子炉（BWR）の炉心を冷却することができず、その結果、外部からの電力供給と冷却源が失われたため、東北地方太平洋沖地震直後に3基の原子炉が正しく停止されたにもかかわらず、わずか数時間で炉心溶融が発生しました。この極めて高い出力密度は、原子力発電所（NPP）を火力発電所（石炭、燃料、ガスを燃焼させる）や化学プラントと区別する特徴であり、原子力発電所の炉心から残留熱を除去し、中性子反応度を恒久的に制御するために必要な大規模な冗長性を説明するものです。

反物質と物質の相互作用は、静止質量を放射エネルギーに完全に変換するため、この反応のエネルギー密度は、使用される物質と反物質の密度に依存します。中性子星は、物質と反物質の対消滅が可能な最も高密度の系に近似します。ブラックホールは、中性子星よりも高密度ですが、同等の反粒子形態は持ちませんが、ホーキング放射の形で質量をエネルギーに100%変換する同じ変換率を提供します。比較的小さなブラックホール（天体よりも小さい）の場合でも、その出力は莫大なものになります。

パルスレーザーが表面に当たると、放射照射量、つまり単位表面積あたりに沈着するエネルギーは、エネルギー密度またはフルエンスとも呼ばれる。^{[ 19 ]}

特に明記されていない限り、以下の表の値は、酸化剤の質量や体積を考慮しない完全燃焼の低位発熱量です。燃料電池で電気を生成したり、仕事をしたりする場合、理論上の上限値を設定するのは反応のギブズ自由エネルギー（ ΔG ）です。生成されたH₂Oが蒸気の場合、これは一般的に燃焼の低位発熱量よりも大きくなりますが、生成された_H₂Oが蒸気の場合は、₂ Oは液体であり、一般的に燃焼の高熱よりも小さい。しかし、水素の最も関連性の高いケースでは、水蒸気が生成されるとGは 113液体の水が生成されると 118 MJ/kg となり、どちらも燃焼の低熱 (120 MJ/kg) より小さい。 ^{[ 20 ]}   

フックの法則に従う材料が破壊に至るまで変形したときの機械的エネルギー貯蔵容量、すなわち弾性は、引張強度に最大伸びを掛けて2で割ることによって計算できます。フックの法則に従う材料の最大伸びは、その材料の剛性を引張強度で割ることによって計算できます。次の表は、ヤング率を剛性の尺度として計算したこれらの値を示しています。