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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Oberer und unterer Heizwert

Einleitung

Heizwerte werden immer dann angegeben, wenn man irgendeinen Brennstoff charakterisiert. Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist der Heizwert eine Größe, die beschreibt, wie viel Energie bei der Verbrennung dieses Brennstoffes nutzbar gemacht wird. Hierbei wird zwischen dem oberen Heizwert (Ho bzw Hs) und dem unteren Heizwert (Hu bzw. Hi) unterschieden. Wikipedia liefert eine recht gute Erklärung des Heizwertes im Allgemeinen und fügt auch einige Beispielwerte bei, weshalb ich hier nicht näher auf die "abstrakte" Definition eingehen, sondern alles an einem Beispiel, dem Methan, das der Hauptbestandteil von Erdgas ist, erläutern werde.

Der Buchstabe H wird in der Chemie als Formelzeichen für die Reaktionsenthalpie genutzt, einer thermodynamischen Größe, die angibt, wie viel Energie bei einer chemischen Reaktion umgesetzt wird. Dass der Heizwert ebenfalls durch ein H gekennzeichnet wird, ist kein Zufall, denn eigentlich handelt es sich beim Heizwert H um eben diese Reaktionsenthalpie einer Verbrennungsreaktion. Möchte man also den Heizwert bestimmen, muss man sich die Verbrennungsreaktion des Stoffes ansehen, in unserem Beispiel also die des Methans.

Verbrennung von Methan

Bei Methan handelt es sich das einfachste Alkan, eine Verbindung mit der Molekülformel CH4. Ein Methanmolekül besteht also aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen. Verbrennt man nun Methan, so findet im Grunde eine chemische Reaktion mit Sauerstoff, eine sogenannte Oxidation, statt. Hierbei entstehen Kohlendioxid und Wasser. Außerdem wird Energie frei.

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O ; ΔRH=-890 kJ/mol

Verbrennt man also ein Molekül Methan, so benötigt man hierzu zwei Moleküle Sauerstoff und erhält ein Molekül Kohlendioxid und zwei Wassermoleküle. Setzt man auf die gleiche Weise ein Mol, also 602,3 Trilliarden Moleküle, um, so erhält man hierbei außerdem 890 kJ Wärmeenergie (Quelle:Wikipedia).

Diese 890 kJ/mol sind die Standardreaktionsenthalpie für die Verbrennung von Methan. Hierbei geht man davon aus, dass am Ende der Reaktion alle Reaktionsprodukte bei Raumtemperatur in dem Aggregatzustand vorliegen, den man erwartet. D.h. das Wasser ist flüssig und das Kohlendioxid gasförmig.

Oberer Heizwert - flüssiges Wasser

Gibt man den oberen Heizwert, der auch Brennwert genannt wird an, so meint man automatisch, dass das bei der Verbrennung entstehende Wasser flüssig ist - man führt also genau die oben beschreibene Reaktion durch. Da ein Mol Methan eine Masse von 16 g besitzt, lässt sich die insgesamt umgesetzte Teilchenzahl bei Verbrennung von 1 kg Methan ermitteln:

1000g : (16g/mol) = 62,5 mol

1 kg Methan sind also 62,5 mol. Jedes Mol liefert bei der Verbrennung 890 kJ Energie. Man erhält also:

62,5 mol · 890kJ/mol =55625 kJ =55.6MJ = 15,45kWh

Der obere Heizwert von Methan beträgt also 55,6 MJ/kg oder 15,45 kWh/kg.

Unterer Heizwert - gasförmiges Wasser

Bei der Angabe des unteren Heizwertes geht man davon aus, dass das gebildete Wasser am Ende der Verbrennung als Gas entweicht. Da nun zum Verdampfen von Wasser Energie nötig ist, die hinterher im Wasserdampf gespeichert ist, enthält gasförmiges Wasser mehr Energie als flüssiges Wasser, nämlich genau die Verdampfungswärme. Diese Verdampfungswärme des gebildeten Wassers wird unserem System also entzogen und der Heizwert verringert sich entsprechend.

Bei der Verbrennung von 1 mol Methan entstehen entsprechend der obigen Reaktionsgleichung 2 mol Wasser - bei Verbrenunng von 62,5 mol Methan (1kg) entsehen also 130 mol Wasser. Da 1 mol Wasser 18 g wiegt, entstehen also

18 g/mol · 130 mol = 2340 g = 2,34 kg Wasser.

Die Verdampfungswärme des Wasser hängt relativ stark von der Temperatur ab. Für 100 °C gib Wikipedia einen Wert von 2,26 MJ/kg an. Die 2,34 kg Wasserdampf würden unserem System also

2,34 kg · 2,26 MJ/kg = 5,29 MJ

Energie gegenüber dem Verbrennungsfall mit flüssigem Wasser entziehen. Als unterer Heizwert ergäbe sich dann:

55,6 MJ - 5,29 MJ = 50,31 MJ = 13,97 kWh

Der untere Heizwert von Methan beträgt also 50,31 MJ/kg Gas und ist damit ca 10 % niedriger als der obere Heizwert.

Nutzbare Energie

Ein 10%iger Unterschied zwischen den beiden Heizwerten - was soll das? Welcher Wert ist jetzt der, den ich normalerweise nutzen kann, z.B. in meiner Erdgasheizung? Eine schwierige Frage. Theoretisch steht in jeder Anwendung die höhere Energiemenge zur Verfügung, aber die technische Umsetzung ist schwierig. Um tatsächlich die dem oberen Heizwert entsprechende Energie nutzen zu können, muss das gasförmig anfallende Wasser kondensiert und die dabei frei werdende Kondensationswärme ebenfalls genutzt werden. Ein solches Szenario ist beim Heizen im Prinzip denkbar aber schwer vollständig umzusetzen. Nutzt man die Energie zur Bewegung, also etwa im Motor eines Autos, ist es unmöglich, diese Energie zu nutzen. In den allermeisten Anwendungsfällen wird man also derzeit nur die dem unteren Heizwert entsprechende Energiemenge nutzen können.