Um Energieinhalte von Stoffen zu beschreiben, können zwei verschiedene Kenngrößen herangezogen werden. 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?
General Info
Der Heizwert beschreibt den Energiegehalt eines Stoffes, der sich durch einfache Verbrennung 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: Energy Density
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 (39,4 kWh/kg) oder Heizwert (33,3 kWh/kg)?
Background
Für die Antwort ist der zugrundeliegende Prozess entscheidend: Bei der Umsetzung von Wasserstoff 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 Protonenaustauschmembran-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 dabei freiwerdende Verdampfungsenthalpie nicht zur elektrochemischen Stromerzeugung beiträgt, sondern höchstens noch als Abwärme genutzt werden kann.
Auch bei anderen Brennstoffzellenarten kann sich das Verhalten unterscheiden, grundsätzlich gilt jedoch, dass nur ein Teil der im Brennstoff enthaltenen Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Conclusion
In order to calculate the energy content that can ultimately be converted into electricity within the fuel cell, the lower heating value should therefore be used in the vast majority of cases!
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 zusätzlich anfallende Wärme energetisch genutzt wird; eine direkte elektrochemische Nutzung der Verdampfungsenthalpie erfolgt jedoch nicht. 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.
Hinweis: Bei der Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse muss zur energetischen Bewertung mindestens der Brennwert angesetzt werden, da dieser die gesamte im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie beschreibt und somit die theoretische Untergrenze für den Energieeinsatz bei einem Wirkungsgrad von 100 % darstellt.
Zusatzinfo: Thermodynamische Einordnung (Gibbs-Energie):
Die in Wasserstoff enthaltene Energie lässt sich thermodynamisch durch die Enthalpie (ΔH) und die freie Gibbs-Energie (ΔG) beschreiben. Während ΔH der gesamten bei der Reaktion freiwerdenden Energie entspricht (Brennwert), beschreibt ΔG den Anteil, der maximal in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Differenz zwischen ΔH und ΔG ist temperaturabhängig und muss als Wärme abgegeben werden. Brennstoffzellen sind daher grundsätzlich durch die Gibbs-Energie limitiert und können selbst im Idealfall nicht die gesamte Enthalpie in Strom umwandeln. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass Wirkungsgrade üblicherweise auf den Heizwert bezogen werden.
Energieinhalte von anderen Stoffen oder H2-haltigen Verbindungen: https://www.energie-lexikon.info/wasserstoff.html
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