Verbrennungstemperatur
Physikalische Größe
Name Heizwert
Größenart spezifische Energie (2)
Energiedichte (3)
Formelzeichen der Größe Hi (1)
Größen- und
Einheiten-
system
Einheit Dimension
SI J·kg−1 (2)
J·m−3 (3)
L2T−2 (2)
M L−1T−2 (3)
Anmerkungen
(1) EN 437 ersetzt Hu
(2) Feststoffe; (3) Schüttgut, Flüssigkeiten (je Liter), Gase (i.N.)
Siehe auch: Brennwert, Verbrennungsenthalpie

Inhaltsverzeichnis

Definition

Der Heizwert (umgangssprachlich unpräzise „Energiegehalt“ oder „Energiewert“ genannt) 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 (in Unterscheidung zum Brennwert).

Der Heizwert ist also das Maß für die spezifisch je Bemessungseinheit nutzbare Energie. Der Heizwert sagt nichts aus über die Verbrennungsgeschwindigkeit. So beträgt der Heizwert des Sprengstoffs TNT nur ¼ des Wertes von Holz.

Die physikalische Größe

Angegeben wird der Heizwert als massenbezogener Heizwert z. B. in Kilojoule pro Kilogramm in kJ/kg, Gramm oder Tonne. Mit Hilfe der Dichte des Brennstoffs kann der massenbezogene Heizwert auch in einen volumenbezogenen Heizwert umgewandelt werden, also z. B.je Liter in kJ/l oder auch je Kubikmeter in kJ/m³. Üblich sind in der Haustechnik auch Angaben in kWh, für Heizöl also in kWh/l oder für Gas in kWh/m³.

Das Formelzeichen für den Heizwert ist Hi. Das «i» steht dabei für lat. inferior „unterer“. Hu wie auch kJ/mN³ mit indizierter Maßeinheit für das Normalvolumen bei Gasen sind nicht mehr normgerecht.

technisch/kaufmännische Vereinfachung

In technischen als auch kaufmännischen Anwendungen wird der Heizwert in Deutschland noch häufig in Steinkohleeinheiten, international oft über die dimensionslose Öleinheit (ÖE) angegeben. In Tabellen kann durch weitere Einheiten der Vergleich sowohl Masse- als auch Volumenbezogen sein. Einheiten wie Kilogramm Öleinheiten (kgÖE) oder auch Tonnen Öleinheiten (tÖE) als auch z.B. Kubikmeter Öleinheiten (m³ÖE) oder flüssige US-Gallone Öleinheiten (US.liq.gal.ÖE) sind möglich.

Heizwert und Brennwert

Bei der Messung der Verbrennungswärme 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 Heizwert eines Stoffes kann nicht direkt experimentell ermittelt werden. Der Heizwert bezieht sich auf eine Verbrennung, bei der nur gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen. Zur Berechnung wird daher vom Brennwert die Verdampfungsenthalpie des Wassers abgezogen. Daher liegen die Heizwerte üblicher Brennstoffe ca. 10 % unter ihren Brennwerten.
  • Der Brennwert ist identisch mit der Standardverbrennungsenthalpie ΔVH° der allgemeinen Thermodynamik. Heiztechnisch gesprochen heißt das, dass der Wassergehalt bei dieser Berechnung nicht dampfförmig sondern vor und nach der Verbrennung in flüssiger Form vorliegt. Darum ist für Heizzwecke der Heizwert der bessere Kennwert, weil dabei der Wasserdampf im Allgemeinen aus der Anlage entweicht, und die Energie, die nötig ist, ihn zu verdampfen, verloren ist. Darauf bezieht sich auch der Ausdruck Brennwerttechnik für Heizanlagen: Hierbei wird auch die im Wasserdampf „verschwendete“ Energie zur Wärmeproduktion genutzt.
Beispiel: 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 (siehe auch Verdampfungswärme).

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 als kJ/m³ i.N., wobei das «i.N.» „in Normbedingung“ heißt. Der Brennwert ist bei gasförmigen Brennstoffen höher als bei anderen Stoffen, da hier im Gegensatz zu Heizöl oder sogar Holz (nur 4 %), der Wasserstoffgehalt sehr hoch ist.

Der Brennwert wird auch bei der Abrechnung von Heizenergie berücksichtigt. Er wird von Energieversorgern jedoch auf 0 °C bezogen. Dann ist der Brennwert der Gase wegen der höherer Gasdichten (also höherer Energiedichte) noch einmal ca. 10 % höher.

Beispiel: Brennwert Methan CH4
  • 50,0 MJ/kg bei 25 °C – 55,5 MJ/kg bei 0 °C (auf Masse bezogen)
  • 36,3 MJ/m³ bei 25 °C – 39,9 MJ/m³ bei 0 °C (auf Volumen bezogen)

Berechnung von Heizwert und Brennwert

Gebräuchliche Brennstoffe wie Erdöl oder Kohle sind Gemische aus Stoffen, deren elementare Zusammensetzung meist aus Analysen bekannt ist. Mit Näherungsformeln kann der Heizwert solcher Stoffgemische für technische Anwendungen hinreichend genau aus der Zusammensetzung berechnet werden. [1] [2]

Weiterhin existiert noch eine Heizwertbestimmung nach Dulong.

Feste und flüssige Brennstoffe

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. Dabei sind m(C),m(H),m(N),m(S),m(O),m(H2O) die durch 100 dividierten prozentualen Massenanteile von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Wasser.

Brennwert:

\begin{align} 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{align}

Heizwert:

\begin{align} 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_2O}))\,\mathrm{MJ/kg} \end{align}

Gasgemische

Bei Gasgemischen geht die Berechnung auf Wasserstoffgas und die wichtigsten Kohlenwasserstoffe ein. Die n(CO) usw. sind die Molenbrüche der Komponenten mit den in Klammern angegebenen Summenformeln.

Brennwert:

\begin{align} 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_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} \end{align}

Heizwert:

\begin{align} 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_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} \end{align}

Heizwert und 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, mit erhitzt werden.

Aus demselben 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 unberücksichtigt 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).

Heizwert und 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.
  • Das Verhältnis von Nennwärmeleistung zur Nennwärmebelastung ist der Kesselwirkungsgrad ηK .

Tabellen

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
Hausmüll * 9-11
lufttrockenes Holz 19 14,4-15,8 4-4,4
Papier * 15 4,2
Stroh * 17 4,8 [3]
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 (Liter))
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, Heizöl EL 45,4 42,6 11,8 0,845
Biodiesel 40 (Rapsöl-Methylester)(2) 37 10,2 0,86 - 0,9
Heizöl S (schwer) 42,5 39,5 10,0 0,96 - 0,99
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) * 41,8 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)(4) Heizwert II (in MJ/m³)(4) Heizwert III (in kWh/m³)(4)
Wasserstoff 143 120 11,7 9,9 3,0
Kohlenmonoxid 10,1 10,1 11,5 11,5 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) 36 – 50 38 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) 50,3 47,1 57,8 54,2
Acetylen (Ethin) 49,9 48,2 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.
(4) Die Brenn- und Heizwerte können nicht absolut miteinander verglichen werden, wenn sie auf das Volumen bei 25°C bezogen sind. Ein m³ Butan oder Propan enthält bei 25°C mehr Masse an Brennstoff als beispielsweise ein m³ Stadt- oder Erdgas.

Umrechnungsfaktoren Heizwert nach Brennwert und umgekehrt nach deutscher EnEV

Brennstoff Heizwert -> Brennwert Brennwert -> Heizwert
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, EnEV

Normen und Standards

  • EN 437:2003 Test gases - Test pressures - Appliances categories; deutsch: DIN EN 437:2003-09 Prüfgase - Prüfdrücke - Gerätekategorien und ÖNORM EN 437:1994-05-01 Geräte für den Betrieb mit Brenngasen – Prüfgase – Prüfdrucke und Gerätekategorien
    Diese Euronorm führt auch in Sinne der internationalen Harmonisierung das Formelzeichen Hs ein
  • DIN 5499 Brennwert und Heizwert, Begriffe (Januar 1972)
  • DIN 51900 Bestimmung des Brennwertes mit dem Bombenkalorimeter und Berechnung des Heizwertes
    • Teil 1 Allgemeine Angaben, Grundgeräte, Grundverfahren (April 2000)
    • Teil 2 Verfahren mit isoperibolem oder static-jacket Kalorimeter (Mai 2003)
    • Teil 3 Verfahren mit adiabatischem Mantel (Juli 2004)
  • DIN 1340 Gasförmige Brennstoffe und sonstige Gase, Arten, Bestandteile, Verwendung (Dezember 1990)
  • DIN 1871 Gasförmige Brennstoffe und sonstige Gase - Dichte und andere volumetrische Größen (Mai 1999)
  • DIN 51857 Gasförmige Brennstoffe und sonstige Gase - Berechnung von Brennwert, Heizwert, Dichte, relativer Dichte und Wobbeindex von Gasen und Gasgemischen (März 1997)
  • DIN 51612 Prüfung von Flüssiggas; Berechnung des Heizwertes (Juni 1980)
  • DIN 51854 Prüfung von gasförmigen Brennstoffen und sonstigen Gasen; Bestimmung des Ammoniakgehaltes (September 1993)
  • DIN V 18599 Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Dubbel: Taschenbuch für dem Maschinenbau, 14. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 1981, ISBN 3-540-09422-9
  2. Boie, W: Vom Brennstoff zum Rauchgas. Feuerungstechnisches Rechnen mit Brennstoffgrössen und seine Vereinfachung mit Mitteln der Statistik. Teubner Verlag, Stuttgart 1957
  3. Brennstoffdaten und Infos für Getreidekorn und Halmgut. Energiegetreide, Stroh, Strohpellets Miscanthus etc. Heizwert, Schüttgewicht, Aschegehalt, Schmelzpunkt, chemische Zusammensetzung, Brennstoff- und Energiekosten

Literatur

Brandt, F.: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung, Vulkan Verlag Essen, 3. Auflage 2004, ISBN 3-8027-5801-3


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