Brennwert und Heizwert von Wasserstoff

Verbrennt man Wasserstoff an der Luft, entsteht aufgrund der chemischen Umwandlung mit dem Sauerstoff aus der Luft Wärme. Er gilt daher als Brennstoff – und infolge seiner Tauglichkeit für den Einsatz in Kraftmaschinen auch als Kraftstoff.³ Weil diese Art der Verbrennung – im Gegensatz zu der, durch die Motoren Energie erzeugen – lediglich auf einer elektrochemischen Reaktion beruht, wird sie auch als "kalte Verbrennung" bezeichnet. Die Brennstoffzellen-Technologie macht sich das Prinzip zunutze: In der Wasserstoff-Brennstoffzelle beziehungsweise der Direktmethanol-Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Luftsauerstoff wieder zu Wasser. Gleichzeitig werden dadurch Strom und Wärme erzeugt. Der große Vorteil: Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Luftsauerstoff in der Brennstoffzelle entstehen keine schädlichen Nebenprodukte.⁵

Was ist der Heizwert von Wasserstoff? Der Heizwert von Wasserstoff, aber auch sein Brennwert dienen dazu, seinen Energiegehalt zu beziffern. Meist liegt der Brennwert dabei etwas höher als der Heizwert. Was ist der Brennwert von Wasserstoff? Der Brennwert eines Brennstoffs zeigt an, wie viel Energie (also Wärme) bei seiner Verbrennung gewonnen werden kann.¹

Warum ist der Brennwert höher als der Heizwert und was ist der Unterschied?

Anders als beim Heizwert von Wasserstoff, nimmt man beim Brennwert an, dass der in den Verbrennungsgasen enthaltene Wasserdampf vollständig kondensiert, also verflüssigt wird. ⁴ Beim Heizwert von Wasserstoff dagegen geht man davon aus, dass der Wasserdampf trotz der Abkühlung der Verbrennungsgase auf 25  Grad Celsius nicht kondensiert, sondern die Anlage gasförmig verlässt. Der Unterschied ist, dass der Heizwert von Wasserstoff die Kondensationswärme nicht erfasst und daher in der Regel geringer ausfällt als der Brennwert. Anders gesagt: Der Heizwert von Wasserstoff beziffert, wie viel Energie durch das einfache Verbrennen von Wasserstoff als Wärme nutzbar wird. Der Brennwert von Wasserstoff dagegen beschreibt, wie viel Energie in Form von Wärme gewonnen wird, wenn man auch den Verbrennungsabgasen Energie entzieht. Vom Heizwert von Wasserstoff ist dann die Rede, wenn das Reaktionsprodukt Wasser gasförmig ist. Ist es flüssig, ist die Rede vom Brennwert. Ein Beispiel: Die meisten Verbrennungsmotoren geben das entstehende Wasser gasförmig ab, weshalb keine Kondensationswärme gewonnen werden kann.²

Bestimmung des Brenn- und Heizwerts von Wasserstoff

Wie bereits beschrieben, wird durch die Kondensation zusätzliche Wärme frei, die sogenannte Kondensationswärme. Sie ist der Grund, warum der Brennwert meist höher ist, als der Heizwert von Wasserstoff. Dies ist nicht nur bei Wasserstoff, sondern bei fast allen Brennstoffen der Fall – zum Beispiel bei Erdgas, dessen Brennwert etwa zehn Prozent höher liegt als der Heizwert. Wie groß der Unterschied zwischen den Werten ist, hängt vom Brennstoff ab. So beträgt er bei der sehr wasserhaltigen Braunkohle sogar 20 Prozent. Nicht wasserstoffhaltige Brennstoffe wie Kohlenmonoxid dagegen haben nahezu identische Brenn- und Heizwerte.⁴

Die Einheit, in der Brenn- und Heizwert von Wasserstoff angegeben werden, ist Joule pro Kilogramm (J/kg) beziehungsweise Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg). Man findet aber auch Berechnungen in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg). Nimmt man die Dichte von Wasserstoff (in Kilogramm pro Liter (kg/l)) kann man den Heizwert von Wasserstoff auch in die pro Liter entstehende Energie umrechnen.

Im Vergleich mit anderen Brennstoffen wie beispielsweise Kohle oder Erdgas sind der Wasserstoff Heizwert, sowie sein Brennwert außergewöhnlich hoch.¹ So beträgt der Heizwert und damit der Energiegehalt von Benzin 43,6 Megajoule pro Kilogramm, der Heizwert von Wasserstoff liegt bei 120. Der Brennwert von Benzin beläuft sich auf 47 Megajoule pro Kilogramm, der von Wasserstoff auf 143.⁷ Der Heizwert von Wasserstoff und damit seine Energiedichte schlägt die von Benzin damit um rund das Dreifache.⁷

Wie wird der Heizwert und Brennwert von Wasserstoff bestimmt?

Direkt lässt sich der Heizwert von Wasserstoff nur schwer bestimmen. Dafür müsste man nicht nur die bei der Verbrennung erzeugte Wärme auf eine bestimmte Menge Wasser übertragen und anschließend die Temperaturzunahme messen, sondern auch sicherstellen, dass der erzeugte Wasserdampf nicht kondensiert. In der Regel geht man daher zur Berechnung des Heizwerts von Wasserstoff so vor: Mit Hilfe eines Kalorimeters bestimmt man den Wasserstoff Brennwert und bezieht dabei die möglichst vollständige Kondensation des Wasserdampfs ein. Auf dieser Grundlage berechnet man anschließend den Heizwert von Wasserstoff, indem man die Menge des kondensierten Wassers bestimmt und dann die Energie abzieht, die nötig ist, um das bei der Verbrennung erzeugte Wasser zu verdampfen.²

Welche Begriffe sollte man rund um den Heizwert von Wasserstoff noch kennen und verstehen?

• Kalorimeter: Messgerät, mit dem man Wärmeeffekte misst, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen erzeugt werden.⁹
• Hu: Der Heizwert wird auch unterer Heizwert (Hu) genannt.²
• Verbrennungsenthalpie: Menge an Energie, die bei der Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzt wird. Der Brennwert entspricht betragsmäßig der Verbrennungsenthalpie.⁴
• Verdampfungsethalpie: Menge an Energie, die notwendig ist um eine Flüssigkeit vollständig zu verdampfen.⁸

Brenn- und Heizwert von Wasserstoff in der Zusammenfassung:

Was sollte man noch über den Heizwert und den Brennwert von Wasserstoff wissen?

• Der Brennwert von Wasserstoff ist die Menge an Energie, die bei Verbrennung freigesetzt wird, wenn man das Abgas auf 25 Grad Celsius herunter kühlt. Dadurch gibt der durch die Verbrennung entstandene Wasserdampf seine Kondensationswärme ab.
• Der Heizwert von Wasserstoff ist die Menge an Energie, die bei Verbrennung freigesetzt wird, wenn man das Abgas auf 25 Grad Celsius herunterkühlt, der Wasserdampf aber gasförmig bleibt und keine Kondensationswärme erzeugt wird. ⁶