Heizwert

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Der (untere) Heizwert ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt, bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs.

Das Formelzeichen für den Heizwert ist H_i (früher H_u). Das "i" steht dabei für inferior (lat. unterer).

Angegeben wird der Heizwert z. B. in Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg). Mit Hilfe der Dichte des Brennstoffs kann der massenbezogene Heizwert auch in einen volumenbezogenen Heizwert umgewandelt werden, also z. B. in (kJ/l) oder auch (kJ/m³). Üblich sind in der Haustechnik auch Angaben für Heizöl in (kWh/l) und für Gas in (kWh/m³). Letztere lässt sich beim zuständigen Energieversorgungsunternehmen erfragen (siehe auch Gasenergie)).

Bei gasförmigen Stoffen bezieht man den Heizwert auf das Volumen bei 101,325 kPa und 0 °C (Normbedingungen). Die Angabe erfolgt dann in Kilojoule pro Normkubikmeter (kJ/m³ i.N.) oder (kJ/m_N³), wobei das "N" die Normbedingungen symbolisiert.

Der Heizwert sagt nichts aus über die Brenngeschwindigkeit. So beträgt der Heizwert des Sprengstoffs TNT nur 1/4 des Wertes von Holz.

[Bearbeiten] Brennwert

Bei der Messung der Verbrennungswärme (s.a. Enthalpie, Standardverbrennungsenthalpie) wird ein Stoff unter Sauerstoffüberdruck verbrannt. Dabei entstehen als Verbrennungsprodukte gasförmiges Kohlendioxid und Wasser als Kondensat. Diese Werte werden üblicherweise in Tabellenwerken auf 25°C bezogen.

Der Brennwert ist identisch mit der 'Standardverbrennungsenthalpie. Er wird von Energieversorgern jedoch auf 0 °C bezogen und auch als "oberer Heizwert" bezeichnet.

Der Heizwert bzw. untere Heizwert eines Stoffes kann nicht direkt experimentell ermittelt werden. Der untere Heizwert bezieht sich auf eine Verbrennung, bei der nur gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen. Zur Berechnung wird daher vom Brennwert die Verdampfungsenthalpie des Wassers abgezogen. Die Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt z.B. 45,1 kJ/mol (0 °C), 44,0 kJ/mol (25 °C) oder 40,7 kJ/mol bei 100 °C (s.a. Verdampfungswärme).

Daher liegen die Heizwerte üblicher Brennstoffe durchwegs ca. 10 % unter ihren Brennwerten.

Das Formelzeichen für den Brennwert ist H_s (früher H_o).

[Bearbeiten] Berechnung von Heizwert und Brennwert

Gebräuchliche Brennstoffe wie Erdöl oder Kohle sind Stoffgemische, deren elementare Zusammensetzung meist durch Analyse bekannt ist. Mit folgenden Näherungsformeln können Heizwert und Brennwert solcher Stoffgemische aus der Zusammensetzung berechnet werden.

Heizwert von festen und flüssigen Brennstoffen

$Hu=(34{,}0 \cdot m(\mathrm{C}) + 101{,}6 \cdot m(\mathrm{H}) + 6{,}3 \cdot m(\mathrm{N}) + 19{,}1 \cdot m(\mathrm{S}) - 9{,}8 \cdot m(\mathrm{O}) - 2{,}5 \cdot m(\mathrm{H_2O}))\,\mathrm{MJ/kg}$

$m (C), m (H), m (N), m (S), m (H 2 O)$ sind die durch 100 dividierten prozentualen Massenanteile von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Wasser.

Brennwert von festen und flüssigen Brennstoffen

$Ho=(34{,}0 \cdot m(\mathrm{C}) + 124{,}3 \cdot m(\mathrm{H}) + 6{,}3 \cdot m(\mathrm{N}) + 19{,}1 \cdot m(\mathrm{S}) - 9{,}8 \cdot m(\mathrm{O}))\,\mathrm{MJ/kg}$

Heizwert von Gasgemischen

$Hu=(282{,}98\cdot n(\mathrm{CO}) + 241{,}81\cdot n(\mathrm{H_2}) + 802{,}60 \cdot n(\mathrm{CH_4}) + 1323{,}15 \cdot n(\mathrm{C_2H_4})$

$+ 1428{,}64 \cdot n(\mathrm{C_2H_6}) + 1925{,}97 \cdot n(\mathrm{C_3H_6}) + 2043{,}11 \cdot n(\mathrm{C_3H_8}) + 2657{,}32 \cdot n(\mathrm{C_4H_{10}}))\,\mathrm{kJ/mol}$

$n (CO)$ usw. sind die Molenbrüche der Komponenten mit den in Klammern angegebenen Summenformeln.

Brennwert von Gasgemischen

$Ho=(282{,}98\cdot n(\mathrm{CO}) + 285{,}83\cdot n(\mathrm{H_2}) + 890{,}63 \cdot n(\mathrm{CH_4}) + 1411{,}18 \cdot n(\mathrm{C_2H_4})$

$+ 1560{,}69 \cdot n(\mathrm{C_2H_6}) + 2058{,}02 \cdot n(\mathrm{C_3H_6}) + 2219{,}17 \cdot n(\mathrm{C_3H_8}) + 2877{,}40 \cdot n(\mathrm{C_4H_{10}}))\,\mathrm{kJ/mol}$

[Bearbeiten] Verbrennungstemperatur

Die Verbrennungstemperatur ist abhängig vom Brennwert einerseits und von der Wärmekapazität sowohl der Ausgangsstoffe als auch der Endprodukte der Verbrennungsreaktion, nach der Energie-Bilanz-Formel:

Ausgangs-Temperatur · Wärmekapazität der Ausgangsstoffe + Brennwert = End-(oder Verbrennungs-)Temperatur · Wärmekapazität der Endprodukte.

Dabei wird die Wärmeabgabe an die Umgebung vernachlässigt (adiabate Betrachtung). Unbeteiligte, aber anwesende Stoffe sind unbedingt mit zu berücksichtigen: Es ist beispielsweise ein Unterschied, ob Magnesium in Luft verbrennt, wobei Brenntemperaturen von rund 2.000 °C erreicht werden, oder in reinem Sauerstoff. Bei einer Verbrennung in reinem Sauerstoff müssen keine unbeteiligten Stoffe, wie zum Beispiel Stickstoff, miterhitzt werden.

Aus dem selben Grund verwendet man zum Autogenschweißen Acetylen und reinen Sauerstoff, weil sonst nicht Temperaturen von etwa 3.000 °C erreicht werden könnten.

Meist ist eine adiabatische Betrachtung ungeeignet, die die Reaktionsgeschwindigkeit unberücksichtig lässt. So verbrennt ein Holzblock nur an der Oberfläche und die Wärme wird über die Zeit an die Umgebung abgeben. Hingegen reagiert Holzmehl mit Luft explosionsartig (Staubexplosion).

[Bearbeiten] Beispiele von Heiz- und Brennwerten

1 MJ/kg = 1000 kJ/kg; 1 MJ = 0,27778 kWh bzw. 1kWh = 3,6MJ

[Bearbeiten] Feste Brennstoffe

Brennstoff	Brennwert (in MJ/kg)	Heizwert (in MJ/kg)	Heizwert (in kWh/kg)
waldfrisches Holz	*	6,8	1,9
lufttrockenes Holz	19	14,4-15,8	4-4,4
Papier	*	15	4,2
Stroh	*	17	4,8 ^[1]
Holzpellets	*	18	5
Torf	23	15	4,2
Olivenkerne	*	20	5,6
Rohbraunkohle	10	8	2,2
Braunkohlebriketts	21	20	5,6
Steinkohle, div. Typen	29–32,7	27–32,7	7,5-9
Altreifen	*	32	9
Kohlenstoff (Graphit)	32,8	ident. Brennwert	9,1
Altgummi	*	35	9,7
Paraffin	49	45	12,5
Phosphor	25,2	ident. Brennwert	7
Schwefel	9,3	ident. Brennwert	2,6
Magnesium	25,2	ident. Brennwert	7
Trockenschlempe (DDGS)	ca. 20,5	ca. 19	ca. 5,3

[Bearbeiten] Flüssige Brennstoffe (bei 25 °C)

Brennstoff	Brennwert (in MJ/kg)	Heizwert (in MJ/kg)	Heizwert (in kWh/kg)
Altfett	*	36	10
Biodiesel	40 (Rapsöl-Methylester)	37	10,2
Methanol	22,7	19,9	5,5
Ethanol	29,7	26,8	7,4
Isopropanol	33,6	30,7	8,5
Benzol	41,8	40,1	11,1
Heizöl	43–46	40–43	11,1-11,9
Diesel	46	43	11,9
Benzin	47	43	11,9
Paraffinöl	49	45	12,5

Anmerkung: * bedeutet z. Zt nicht bekannt

„Altfett“ sind Ester von langkettigen Fettsäuren (meist C18) mit Glycerin (z.B. Rapsöl).

„Biodiesel“ ist ein Ester von langkettigen Fettsäuren (meist C18) mit Methanol (z.B. Rapsöl-Methylester).

[Bearbeiten] Gasförmige Brennstoffe (bei 25 °C)

Brennstoff	Brennwert (in MJ/kg)	Heizwert (in MJ/kg)	Brennwert (in MJ/m³)	Heizwert (in MJ/m³)	Brennwert (in kWh/m³)
Wasserstoff	143	120	11,7	9,9	3,25
Kohlenmonoxid	10,1	ident. Brennwert	11,5	ident. Brennwert	3,24
Gichtgas (s. u.)	1,5–2,1	1,5–2,1	2,5–3,4	2,5–3,3
Stadtgas (s. u.)			19–20	17–18	5,2-5,36
Erdgas (s. u.)			35–45	32–42	9,7-12,5
Methan	55,5	50,0	36,3	32,7
Ethan	51,9	47,5	63,6	58,2
Ethylen (Ethen)	.... *	.... *	57,8	54,2
Acetylen (Ethin)	.... *	.... *	53,4	51,6
Propan	50,3	46,3	90,4	83,2	25
Butan	49,5	45,7	117	108	32,5

Gichtgas besteht aus ca. 2-4 % Wasserstoff, 20-25 % Kohlenmonoxid und 70-80 % Inertgasen (Kohlendioxid, Stickstoff).

Stadtgas besteht aus ca. 19-21 % Methan, 51 % Wasserstoff, 9-18 % Kohlenmonoxid und 10-15 % Inertgasen.

Erdgas „L“ besteht aus ca. 85 % Methan, 4 % (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 11 % Inertgasen.

Erdgas „H“ (Nordsee) besteht aus ca. 89 % Methan, 8 % (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 3 % Inertgasen.

Erdgas „H“ (GUS-Staaten) besteht aus ca. 98 % Methan, 1 % (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 1 % Inertgasen.

[Bearbeiten] Temperaturabhängigkeit

Energieversorger verwenden auf 0 °C bezogene Brennwerte; gegenüber 25 °C entspricht dies ca. 0,2 % höheren Verbrennungswärmen. Bei „gasförmigen“ Brennstoffen hat dies jedoch wegen höherer Gasdichten ca. 10 % höhere Brennwerte zur Folge.

z. B. bei 25 °C 55,5 MJ/kg – bei 0 °C 55,6 MJ/kg (Methan CH₄; Brennwert auf Masse bezogen)
z. B. bei 25 °C 36,3 MJ/m³ – bei 0 °C 39,9 MJ/m³ (Methan CH₄; Brennwert auf Volumen bezogen)

Zum Vergleich: Nährwerte in MJ/kg

Apfel 2 MJ/kg
Kartoffeln 4 MJ/kg
Pommes frites 10 MJ/kg
Weizen 13 MJ/kg
Butter 30 MJ/kg

Bei einer katalytischen Oxidation (Verbrennung) stört der Wasseranteil nicht, er verringert lediglich den Anteil der oxidierbaren Masse. Deshalb ist beispielsweise der Nährwert eines Apfels mit seinem hohen Wasseranteil kleiner als der von Pommes frites.

Siehe auch den Artikel Energiedichte