Leistungsdichte

Die Leistungsdichte (oder auch der Leistungsdichten-Quotient) bezeichnet in der Physik die Verteilung von enthaltener oder abgebbarer Leistung ${\displaystyle P}$ auf eine bestimmte Größe ${\displaystyle X}$ und hat folglich immer die Gestalt

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} X}}}$

Als Leistungsdichte werden je nach Anwendungsfall verschiedene physikalische Größen bezeichnet:

• Flächenleistungsdichten: Bei Transport- und Flussvorgängen werden flächenbezogene Leistungsgrößen mit der Einheit W/m² verwendet. Hierzu zählen als allgemeine Größe die Intensität I, als spezielle Größen elektromagnetische Leistungsdichte S bzw. Poynting-Vektor ${\displaystyle {\vec {S}}}$, Bestrahlungsstärke E, spezifische Ausstrahlung M, Wärmestromdichte q, Energieflussdichte ψ und Schallintensität I.
• Volumenleistungsdichte: Wird die Leistung auf das Volumen bezogen, in dem sie umgesetzt wird, hat die Größe die Dimension W/m³ und kann auch als volumenbezogene Leistung φ oder volumetrische Leistungsdichte bezeichnet werden. Diese Größe ist besonders bei technischen Energiewandlern (insoweit auch bei Energiespeichern, dort neben der Energiedichte) von Interesse, z. B. bei Dampferzeugern, Reaktoren oder Batterien.
• Massenleistungsdichte: Die Leistung kann, ebenfalls insbesondere zur Charakterisierung von Energiewandlern und -speichern, auch auf deren Masse bezogen, die Leistungsdichte also in W/kg angegeben werden. Spezielle Bezeichnungen lauten spezifische Leistung oder gravimetrische Leistungsdichte. Diese Größe ist besonders für Fahrzeuge und mobile Geräte relevant und spielt neuerdings etwa bei der Elektromobilität eine wesentliche Rolle. Radionuklidbatterien erzielen trotz im Allgemeinen schlechter Wirkungsgrade (einige Prozent bis 15 %) hohe Leistungsdichten, da „Brennstoffe“ wie ²³⁸PuO₂ oder ⁹⁰SrTiO₃ Werte von 0,57 W_th/g (Plutonium)^[1] oder 0,46 W_th/g (Strontium-Titanat)^[2] erreichen. Trotz der hohen Kosten finden diese Materialien Einsatz in der Weltraumtechnik und bei anderen Anwendungen, bei denen geringes Gewicht wesentlich ist.
• Spektrale Leistungsdichte: Bei Schwingungsvorgängen wird häufig die Verteilung der Leistung innerhalb des relevanten Frequenz- oder Wellenlängenbereiches betrachtet. Hierzu dient z. B. in der Nachrichtentechnik die spektrale Leistungsdichte S_ν oder S_λ, die für alle Frequenzen oder Wellenlängen angegeben ein Leistungsdichtespektrum bildet.

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Im Bereich der Strahlungsphysik (Wärmestrahlung, Elektromagnetische Wellen) entspricht die Leistungsdichte S dem Betrag des Poynting-Vektors. Bei einer Punktquelle nimmt die Leistungsdichte quadratisch mit der Entfernung ab. Schließlich muss sich die gleiche Leistung mit steigender Entfernung auf eine immer größere Fläche A verteilen. Dies wird auch als Freiraumdämpfung bezeichnet.

Aus der Leistungsdichte der einfallenden Welle und der Antennenwirkfläche lässt sich die der Welle entnommene Leistung ermitteln.

In der Kerntechnik stellt die Volumen-Leistungsdichte ein Maß für die in einem Reaktor freigesetzte Wärme pro Volumeneinheit dar. Hier rechnet man meist in der Einheit kW/l (1000 Watt/Liter). Die Einheit kW/kg_Schwermetall wird verwendet zur Beschreibung der Brennelementbelastung. Letztgenannte Einheit wird auch spezifische Leistung genannt.

Bei Brennstoffzellen, Akkumulatoren oder auch Kondensatoren bestimmt die Volumen-Leistungsdichte die Größe der Zellen, die Masse-Leistungsdichte (W/kg) das Gewicht. Bei der Elektromobilität spielt diese eine wesentliche Rolle. Ein Ragone-Diagramm setzt sie in Beziehung zur Energiedichte.

In der Solarenergie- und Windenergienutzung wird eine flächenbezogene Leistungsdichte verwendet, hier handelt es sich um die pro Fläche eingestrahlte Strahlungsleistung oder die Leistung des Windes, der durch eine Fläche strömt. Diese Leistungsdichte eines Energieträgers gibt an, wie viel Leistung in Watt pro Flächeneinheit in Quadratmeter umgesetzt wird. Je höher dieser Wert, desto kleiner kann z. B. ein Kraftwerk ausgelegt werden. Geringe Leistungsdichte bedeutet umgekehrt einen höheren Materialaufwand.

Die Leistungsdichte bei den erneuerbaren Energien wird meistens auf die Fläche bezogen, da

• der Teil der erneuerbaren Energien, der direkt (Solarthermie, Photovoltaik, Biomasse), indirekt (Wind) oder teilweise (oberflächennahe Geothermie) von der Globalstrahlung der Sonne abhängt, sinnvollerweise auf die Fläche bezogen wird und
• auch bei der tiefen Geothermie ein Bezug auf die Fläche sinnvoll ist, da diese Energie aus dem Erdinneren über die Kugeloberfläche nach außen / oben abgegeben wird.

• Leistungsgewicht

1. ↑ energy.gov
2. ↑ atomicinsights.com
3. ↑ Hamburger Bildungsserver
4. ↑ ^{a b c} Energiestatistik des BMWi (Memento vom 27. August 2010 im Internet Archive) (MS Excel; 2,3 MB)
5. ↑ [VDI Nachrichten 15-07-2011 Seite 18 "Solarthermische Großkraftwerke: Hoffnungsträger mit Schattenseiten"]
6. ↑ juwi und First Solar realisieren 53 MW-Photovoltaik-Kraftwerk in Brandenburg auf 162 ha mit einem geplanten Ertrag von 53 GWh/a PV Anlage Bad Liebnrose 21. April 2009, abgerufen am 3. Juni 2010
7. ↑ Could energy-intensiveindustries be powered bycarbon-free electricity? (PDF; 686 kB). Abgerufen am 15. Februar 2019.
8. ↑ heise online: Studie: Windkraftpotenzial auf ein Watt pro Quadratmeter begrenzt. Abgerufen am 28. September 2019.