Um Energieinhalte von Stoffen zu beschreiben, können zwei verschiedene Kenngrößen herangezogen. Insbesondere bei Anwendungen im Wasserstoffsektor stellt sich daher des öfteren die Frage: Muss zur Berechnung des Energieinhalts von Wasserstoff der Heizwert oder Brennwert verwendet werden?
Allgemeines
Der Heizwert beschreibt den Energiegehalt eines Stoffes, der sich durch einfaches Verbrennen als Wärme nutzbar machen lässt. Bei einer solchen „einfachen“ Verbrennung geht allerdings i.d.R. immer etwas an Energie über das abgeführte heiße Abgas verloren. Wird diese im Rauchgas enthaltene Energie ebenfalls verwertet, spricht man vom Brennwert. Daher ist der Brennwert immer etwas höher als der Heizwert.
Der Heiz- bzw. Brennwert kann jeweils entweder auf ein Volumen (bei Gasen meist in kWh/m3) oder auf ein Gewicht (kWh/kg) bezogen werden. Mehr dazu hier: Energieinhaltsrechner
Wasserstoff wird jedoch nur in den seltensten Fällen direkt „verbrannt“, sondern meist in einem elektrochemischen Prozess verwertet. Welche Energieinhaltsangabe ist im Wasserstoffsektor also für Berechnungen anzusetzen? Brennwert (39,4kWh/kg) oder Heizwert (33,3kWh/kg)?
Chemischer Hintergund
Für die Antwort ist der zugrundeliegende Prozess entscheidend: Bei der Verbrennung von wasserstoffhaltigen Verbindungen entsteht Wasser, welches je nach Art des Prozesses flüssig oder gasförmig sein kann. Wenn das Wasser als Wasserdampf ungenutzt entweicht, wird der Heizwert zur Berechnung verwendet. Falls es sich jedoch innerhalb des betrachteten Prozesses verflüssigt, wird die Verdampfungsenthalpie des Wassers mit „genutzt“, weshalb hier der Brennwert anzusetzen ist. Die Diskrepanz zwischen Heiz- und Brennwert entspricht also betragsmäßig der Verdampfungsenthalpie des Produktwassers.
Je nach Art und Auslastung einer Brennstoffzelle fällt das „Abgas“ (Wasser/Wasserdampf) in unterschiedlicher Zusammensetzung an. In den meisten H2-PKWs ist beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle verbaut, welche bei durchschnittlicher Auslastung überwiegend Wasserdampf, aber auch flüssiges Wasser produziert. Das flüssige Wasser entsteht allerdings meist erst zu einem späteren Zeitpunkt durch Kondensation und nicht direkt im elektrochemischen Prozess, weshalb die Verdampfungsenthalpie nicht während der Stromerzeugung, sondern höchstens noch die entstehende Abwärme genutzt werden kann.
Fazit – Heizwert oder Brennwert?
Um den Energieinhalt zu berechnen, der sich innerhalb der Brennstoffzelle letztendlich in elektrischen Strom umwandeln lässt, sollte also in den allermeisten Fällen der Heizwert herangezogen werden!
Wird z.B. ein Prozess betrachtet bei dem auch die entstehende (Kondensations-)Wärme verwertet wird, kann je nach Aufbau der Brennstoffzelle auch der Brennwert zur Berechnung der nutzbaren Energie eingesetzt werden. Auch kann bei speziellen Brennstoffzellenarten nicht allgemein ausgeschlossen werden, dass die Verdampfungsenthalpie nicht auch bereits elektrochemisch verwertet werden kann. Wichtiger für die Berechnung der Energieausbeute ist allerdings ohnehin die Verwendung eines passenden Wirkungsgrades (welcher im besten Falle auch den prozentualen Anteil an Wärmeenergie und elektrischer Energie beschreibt), da hier die möglichen Schwankungen meist weit höher sind als der prozentuale Unterschied zwischen Heiz- und Brennwert.
Energieinhalte von anderen Stoffen oder H2-haltigen Verbindungen: https://www.energie-lexikon.info/wasserstoff.html
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