Heizwert

Der Heizwert eines Gases ist die Wärme, die bei vollständiger Verbrennung eines Kubikmeters Gas - gerechnet im Normzustand - frei wird, wenn die Anfangs- und Endprodukte eine Temperatur von 25°C haben und das bei der Verbrennung entstandene Wasser dampfförmig vorliegt.

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 lat. inferior „unterer“.

Angegeben wird der Heizwert (umgangssprachlich unpräzise „Energiegehalt“ oder „Energiewert“ genannt) als massenbezogener 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 in kWh, für Heizöl also in (kWh/l) oder für Gas in (kWh/m³). Verglichen wird der Heizwert über das Öläquivalent in kg/l OE für Festbrennstoffe und l/l OE für alle Brennstoffe.

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 ist also das Maß für die nutzbare spezifische Energie. Der Heizwert sagt nichts aus über die Verbrennungsgeschwindigkeit. So beträgt der Heizwert des Sprengstoffs TNT nur 1/4 des Wertes von Holz.

Heizwert und 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 ca. 10 % unter ihren Brennwerten.

Das Formelzeichen für den Brennwert ist H_s (früher H_o). Das „s“ steht dabei für lat. superior „oberer“.

Berechnung von Heizwert und Brennwert

Gebräuchliche Brennstoffe wie Erdöl oder Kohle sind Gemische aus Stoffen, deren elementare Zusammensetzung meist aus Analysen bekannt ist. Mit folgenden Näherungsformeln können Heizwert und Brennwert solcher Stoffgemische aus der Zusammensetzung berechnet werden. Bei festen und flüssigen Brennstoffen gehen die Formeln auf die üblichen Anteile brennbarer Stoffe ein, die Formel für den Brennwert berücksichtigt nur den Wasserstoff, die des Heizwerts auch den Wasseranteil.
Heizwert von festen und flüssigen Brennstoffen:

{\begin{aligned}H_{i}&=(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_{2}O} ))\,\mathrm {MJ/kg} \end{aligned}}

Brennwert von festen und flüssigen Brennstoffen:

{\begin{aligned}H_{s}&=(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} \end{aligned}}

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

Bei Gasgemischen geht die Berechnung auf Wasserstoffgas und die wichtigsten Kohlenwasserstoffe ein.
Heizwert von Gasgemischen:

{\begin{aligned}H_{i}&=(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_{2}H_{4}} )\\&+1428{,}64\cdot n(\mathrm {C_{2}H_{6}} )+1925{,}97\cdot n(\mathrm {C_{3}H_{6}} )+2043{,}11\cdot n(\mathrm {C_{3}H_{8}} )+2657{,}32\cdot n(\mathrm {C_{4}H_{10}} ))\,\mathrm {kJ/mol} \end{aligned}}

Brennwert von Gasgemischen:

{\begin{aligned}H_{s}&=(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_{2}H_{4}} )\\&+1560{,}69\cdot n(\mathrm {C_{2}H_{6}} )+2058{,}02\cdot n(\mathrm {C_{3}H_{6}} )+2219{,}17\cdot n(\mathrm {C_{3}H_{8}} )+2877{,}40\cdot n(\mathrm {C_{4}H_{10}} ))\,\mathrm {kJ/mol} \end{aligned}}

Die $n(\mathrm {CO} )$ usw. sind die Molenbrüche der Komponenten mit den in Klammern angegebenen Summenformeln.

Weiterhin existiert noch eine Heizwertbestimmung nach Dulong.

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 bzw. 1kWh = 3,6MJ

Feste Brennstoffe

Brennstoff	Brennwert (in MJ/kg)	Heizwert I (in MJ/kg)	Heizwert II (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]
Holzbrikett	18,7	17,6	4,8-5,0
Holzpellets	*	18	4,9
Hanfbriketts	*	16,7	4,7
Torf	23	15	4,2
Olivenkerne	*	20	5,6
Rohbraunkohle	10	8	2,2
Braunkohlebriketts	21	19,6	5,6
Braunkohlekoks	*	29,9	8,3
Braunkohlestaub	*	22,0	6,1
Steinkohle, div. Typen	29–32,7	27–32,7	7,5-9
Steinkohlekoks	*	28,7	7,97
Petrolkoks	*	31,5	8,8
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

(*) zur Zeit nicht bekannt

Flüssige Brennstoffe (bei 25 °C)

Brennstoff	Brennwert (in MJ/kg)	Heizwert I (in MJ/kg)	Heizwert II (in kWh/kg)	Dichte (in kg/dm³)
Benzin	47	43,6	12,1	0,72 - 0,80
Ethanol	29,7	26,8	7,4	0,7894
Methanol	22,7	19,9	5,5	0,7869
Diesel	46	35,6	11,9	0,835
Biodiesel	40 (Rapsöl-Methylester)⁽²⁾	37	10,2	0,86 - 0,9
Heizöl	43 – 46	40 – 43	11,1 - 11,9	0,84 - 0,97
Erdöl	*	42,8	11,9	0,78 - 1,00
Isopropanol	33,6	30,7	8,5	0,785
Benzol	41,8	40,1	11,1	0,879
Bibo⁽³⁾	*	*	11,6	0,796
Paraffinöl	49	45	12,5	*
Altfett⁽¹⁾	*	36	10	*

(*) zur Zeit nicht bekannt

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

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

(3) Benzin-Benzol-Gemisch (Ottokraftstoff) in der meistens verwendeten Mischung "aus 6 Teilen Benzin und 4 Teilen Benzol"

Gasförmige Brennstoffe (bei 25 °C)

Brennstoff	Brennwert I (in MJ/kg)	Heizwert I (in MJ/kg)	Brennwert II (in MJ/m³)	Heizwert II (in MJ/m³)	Heizwert III (in kWh/m³)
Wasserstoff	143	120	11,7	9,9	3,0
Kohlenmonoxid	10,1	ident. Brennwert	11,5	ident. Brennwert	3,24
Gichtgas⁽¹⁾	1,5 – 2,1	1,5 – 2,1	2,5 – 3,4	2,5 – 3,3
Stadtgas⁽²⁾			19 – 20	17 – 18	5,2 - 5,36
Erdgas⁽³⁾			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

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

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

(3) Sorten von Erdgas:

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.

Umrechnung Heizwert/Brennwert nach deutscher EnEV

Brennstoff	Brennwert/Heizwert	Umrechnungs-Faktor
Heizöl	1,06	0,943
Erdgas	1,11	0,901
Flüssiggas	1,09	0,917
Steinkohle	1,04	0,962
Braunkohle	1,07	0,935
Holz	1,08	0,926
KWK	1,00	1,00
Fernwärme	1,00	1,00
Strom	1,00	1,00

Quelle: DIN 18599

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

Nennwärmebelastung / Kesselwirkungsgrad

Der Heizwert der einem Wärmeerzeuger zugeführten Menge Brennstoffes in kW (kJ/s) ist dessen Wärmebelastung. Die größte Wärmebelastung auf die ein Wärmeerzeuger eingestellt werden darf und die nicht überschritten werden darf, wird auf dem Typenschild angegeben. Ebenso die kleinste Wärmebelastung, die Brennstoffmenge, die entsprechend ihrem Heizwert mindestens zugeführt werden muss und nicht unterschritten werden darf. Die Nennwärmebelastung liegt dazwischen und ist die bei einer Messung im konstanten Dauerbetrieb mit Nennwärmeleistung zugeführte Brennstoffmenge. Aus dem Verhältnis von Nennwärmeleistung in Prozent von der Nennwärmebelastung ergibt sich der Kesselwirkungsgrad $\eta _{K}$ (%).

Siehe auch

Wobbewert, Zustandszahl, Gasenergie, Kenngrößen der Wirkung eines Heizstoffs
Abgasverlust, ein Maß für die Effizienz einer Heizanlage

Wiktionary: Heizwert – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Quellen

↑ http://energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm

[1] ttp://energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm

[1]