Heizwert

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).

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.

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 durchweg ca. 10% unter ihren Brennwerten.

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

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(C) + 101,6 \cdot m(H) + 6,3 \cdot m(N) + 19,1 \cdot m(S) - 9,8 \cdot m(O) - 2,5 \cdot m(H_2O)) MJ/kg

m(C), m(H), m(N), m(S), m(H_2O)

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(C) + 124,3 \cdot m(H) + 6,3 \cdot m(N) + 19,1 \cdot m(S) - 9,8 \cdot m(O)) MJ/kg

Heizwert von Gasgemischen

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

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

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

Brennwert von Gasgemischen

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

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

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).

Beispiele von Heiz- und Brennwerten

1 MJ/kg = 1000 kJ/kg; 1 MJ = 0.27778 kWh

Feste Brennstoffe

Brennstoff	Brennwert ^*	Heizwert ^*
Holz	19	15
Papier	15
Holzpellets	18
Torf	23	15
Olivenkerne	20
Rohbraunkohle	10	8
Braunkohlebriketts	21	20
Steinkohle, div. Typen	29 – 32,7	27 - 32,7
Kohlenstoff (Graphit)	32,8	ident. Brennwert
Altgummi	35
Paraffin	49	45
Phosphor	25,2	ident. Brennwert
Schwefel	9,3	ident. Brennwert
Magnesium	25,2	ident. Brennwert

Flüssige Brennstoffe (bei 25°C)

Brennstoff	Brennwert ^*	Heizwert ^*
Altfett	36
Biodiesel	40 (Rapsöl-Methylester)	37
Methanol	22,7	19,9
Ethanol	29,7	26,8
Isopropanol	33,6	30,7
Benzol	41,8	40,1
Heizöl	43 - 46	40 - 43
Diesel	46	43
Benzin	47	43
Paraffinöl	49	45

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).

Gasförmige Brennstoffe (bei 25°C)

Brennstoff	Brennwert ^*	Heizwert ^*	Brennwert ^*	Heizwert ^*
Wasserstoff	143	120	11.7	9.9
Kohlenmonoxid	10.1	ident. Brennwert	11.5	ident. Brennwert
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
Erdgas (s.u.)			35 - 45	32 - 42
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
Butan	49.5	45.7	117	108

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.

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
Fritten 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 Fritten.

Siehe auch den Artikel Energiedichte

Siehe auch

Wobbewert, Zustandszahl, Gasenergie, Heizwert (Dulong)

Physikalische Größe | Wärmeenergietechnik

Heating value | Lämpöarvo | 生理的熱量 | Calorische waarde | Výhrevnosť

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