Brennwert und Heizwert

Brennwert und Heizwert nach DIN 5499

Grundlagen

Technisch wird Wärmeenergie fast ausschließlich durch Verbrennen fossiler Brennstoffe (Erdöl, Steinkohle, Braunkohle, Erdgas...) gewonnen.

Organische Substanzen liefern bei vollständiger Verbrennung außer Wärmeenergie nach Reaktionsgleichung

aus C → CO₂
aus H → H₂O

je nach Zusammensetzung des Brennstoffes aber auch

aus S → SO₂
aus N → NO₂

nach Reaktionsbedingungen mit dem Sauerstoff der Luft
(Ursache des "sauren" Regens)

Brennwert und Heizwert sind

Reaktionsenergien (bei Verbrennung unter konstantem Volumen) oder
Reaktionsenthalpien (bei Verbrennung unter konstantem Druck)

die vom System abgegeben werden (deshalb negatives Vorzeichen).

Die Differenz zwischen Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie ist die Volumenarbeit, welche die Verbrennungsgase verrichten:

ΔH = ΔU - p * Δ V

In der Praxis laufen Reaktionen, die der Wärmeerzeugung dienen, unter konstantem Druck ab.

Es wird grundsätzlich vorausgesetzt, daß die Temperatur der Reaktionsprodukte nach der Verbrennung gleich ist der Temperatur vor der Verbrennung. Für Berechnungen J = 25 °C.

Der Unterschied zwischen Brennwert und Heizwert:

Viele Brennstoffe enthalten

1. bereits vor der Verbrennung Wasser (Feuchte),
2. wasserstoffhaltige Verbindungen, die beim Verbrennen Wasser, H₂O, bilden.

Liegt Wasser - rechnerisch! - nach der Verbrennung vor

in flüssigem Zustand (kondensiert), spricht man von Brennwert,
in gasförmigen Zustand (Wasserdampf von J = 25 °C), spricht man von Heizwert.

Somit entspricht der Brennwert dem Heizwert zuzüglich der Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes und der Abkühlungswärme des kondensierten Wassers auf 25 °C.

Brennwert = Heizwert + Kondensations- und Abkühlungswärme
H_o = H_u + r (H₂O) * w (H₂O)

Die Indices zum Formelzeichen H stammen von der früheren Bezeichnung

o: oberer Heizwert
u: unterer Heizwert
r (H₂O): spezifische Verdampfungsenthalpie des Wassers bei 25 °C = 2442 kJ/kg)

Brennwerte und Heizwerte werden untergliedert in

Brennwert bezogen auf	Heizwert bezogen auf
Masse [in kJ / kg]
Spezifischer Brennwert H_o Reaktionsenthalpie	Spezifischer Heizwert H_u
(s. vorstehend)
Stoffmenge [in kJ / mol]
Molarer Brennwert H_{o, n}	Molarer Heizwert H_{u, n} H_{u, n} = H_{o, n} - r_m (H₂O) * x (H₂O) r_m (H₂O) = molare Verdampfungsenthalpie des Wasser bei 25 °C = r (H₂O) * M (H₂O) = 44,0 kJ / mol ¹)
Volumen [in kJ / m³]
Volumenbezogener Brennwert H_{o, n}	Volumenbezogener Heizwert H_{u, n}
(s. 11.5.3)

Hierzu wird der Brennstoff in einer "kalorimetrischen Bombe" mit überschüssigem Sauerstoff unter Druck gezündet. Die entstehende Wärme überträgt sich auf Wasser in einem Kalorimeter; die Temperaturerhöhung des Wassers wird gemessen. Das Verfahren ist nach DIN 51708 genormt.

Da man in der kalorimetrischen Bombe die Reaktionsenergie ΔU (V = konstant) erhält, muß auf die Reaktionsenthalpie ΔH umgerechnet werden.

¹) Die Zahlenwerte (DIN 5499) enthalten nicht die Volumenarbeit des Wasserdampfes. Sie beträgt für 1kg Wasser: ΔH_R = Δ_n * R * T = 55,5 mol * 8,3143 * 10^-3 kJ/mol * K * 298 K ≈ 137 kJ

11.5	Brennwert und Heizwert
11.5.1	Grundlagen