🔥 Heizwert (Brennwert)
Kurz gefasst
Bestimmung des Brennwerts und des Heizwerts fester, flüssiger und gasförmiger Brennstoffe durch Verbrennung der Probe in der Kalorimeterbombe in Sauerstoffatmosphäre unter Druck. Die Prüfung erfolgt nach PN-ISO 1928:2020-05; Messbereich: 5–45 MJ/kg (typisch). Das Verfahren umfasst 12 Schritte (insgesamt rund 1 Std. 6 Min.–1 Std. 25 Min.); eingesetzt wird sie unter anderem für: Preisbildung und Handel mit festen Brennstoffen (Kohle, Koks, Briketts), Qualitätskontrolle von Biomasse, Pellets und Holzbriketts, Energiebilanzierung von Heizwerken und Heizkraftwerken.
Auf einen Blick
- Norm: PN-ISO 1928:2020-05
- Kategorie: Petrochemie
- Verfahrensschritte: 12
- Gesamtdauer der Schritte: 1 Std. 6 Min.–1 Std. 25 Min.
- Messbereich: 5–45 MJ/kg (typisch)
- Präzision: ±0,1–0,3 % CV (Wiederholbarkeit)
- Probenmasse: 0,8–1,2 g (feste Brennstoffe), 0,5–0,7 g (flüssige)
Übersicht
Der Brennwert (oberer Heizwert, engl. gross calorific value — GCV) ist die gesamte Energiemenge, die bei vollständiger Verbrennung einer Masseneinheit Brennstoff in reiner Sauerstoffatmosphäre freigesetzt wird. Er schließt die Kondensationswärme des Wasserdampfs ein, der bei der Verbrennung des im Brennstoff enthaltenen Wasserstoffs entsteht. Der Heizwert (unterer Heizwert, engl. net calorific value — NCV) ist um die Verdampfungswärme des Wassers niedriger als der Brennwert und stellt die unter technischen Bedingungen tatsächlich nutzbare Energiemenge dar.
Die Bestimmung des Brennwerts mit der Bombenkalorimetrie ist eine grundlegende Prüfung in Energiewirtschaft, Petrochemie und Brennstoffhandel. Die Ergebnisse dienen der Preisbildung von Brennstoffen (Preis je GJ), der Energiebilanzierung von Heizwerken und Kraftwerken sowie der Qualitätskontrolle von Kohle, Biomasse, Pellets, Briketts, Heizölen, Koks und Ersatzbrennstoffen aus Abfällen. Die Norm ISO 1928 wird für feste Brennstoffe angewendet, für flüssige Brennstoffe die parallele Norm ASTM D240.
Die Bombenkalorimetrie ist das einzige Referenzverfahren, das von Zollbehörden, Warenbörsen (ARA, Richards Bay) und für den Brennstoffhandel akkreditierten Laboren anerkannt wird. Die Präzision der Messung beträgt typisch 0,1–0,3 % des CV, was bei einem Wert von ~30 MJ/kg einer Unsicherheit von etwa 50–100 kJ/kg entspricht.
Das Verfahren wird auch bei Prüfungen des Brandverhaltens von Bauprodukten (EN ISO 1716), bei der Analyse von Siedlungsabfällen als Ersatzbrennstoffe (RDF/SRF) und bei der Bewertung fester Biobrennstoffe nach EN ISO 18125 angewendet.
Prinzip der Methode
Eine eingewogene Brennstoffprobe (~1 g) wird in einen Kalorimetertiegel im Inneren einer druckfesten Stahlbombe (Aufschlussgefäß) gegeben. Die Bombe wird mit reinem Sauerstoff auf einen Druck von 30 bar gefüllt und anschließend in das mit einer abgemessenen Wassermenge gefüllte Kalorimetergefäß gestellt. Die Probe wird elektrisch gezündet (Zünddraht Ni-Cr oder Baumwollfaden). Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme erhöht die Temperatur des Wassers im Kalorimetergefäß. Aus dem Temperaturanstieg und der bekannten Kalorimeterkonstante des Geräts wird der Brennwert berechnet. Die Kalibrierung erfolgt mit zertifizierter Benzoesäure (Brennwert 26 454 J/g). Der Heizwert wird berechnet, indem die Kondensationswärme des Wassers (2 442 kJ/kg H₂O bei 25 °C) abgezogen wird.
Anwendungen
- Preisbildung und Handel mit festen Brennstoffen (Kohle, Koks, Briketts)
- Qualitätskontrolle von Biomasse, Pellets und Holzbriketts
- Energiebilanzierung von Heizwerken und Heizkraftwerken
- Bewertung von Ersatzbrennstoffen aus Abfällen (RDF/SRF)
- Prüfung von Heizölen und flüssigen Brennstoffen
- Zertifizierung fester Biobrennstoffe (EN ISO 18125)
- Prüfungen von Werkstoffen zum Brandverhalten (EN ISO 1716)
- Energetische Analyse von Siedlungsabfällen
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Messbereich | 5–45 MJ/kg (typisch) |
| Präzision | ±0,1–0,3 % CV (Wiederholbarkeit) |
| Probenmasse | 0,8–1,2 g (feste Brennstoffe), 0,5–0,7 g (flüssige) |
| Sauerstoffdruck | 30 bar (3 MPa) |
| Bezugstemperatur | 25 °C |
| Messdauer | 15–25 min (isoperibolischer Modus), 8–12 min (dynamisch) |
Norm
- Normnummer
- PN-ISO 1928:2020-05
- Titel (PL)
- Paliwa stałe — Oznaczanie ciepła spalania metodą spalania w bombie kalorymetrycznej i obliczanie wartości opałowej
- Title (EN)
- Solid mineral fuels — Determination of gross calorific value by the bomb calorimetric method and calculation of net calorific value
Schritt-für-Schritt-Verfahren
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Probenvorbereitung
Brennstoffprobe auf eine Korngröße <0,2 mm mahlen. Analysenfeuchte bestimmen (Trocknung bei 105 °C). ~1 g Probe zu einer Tablette pressen oder in eine Kapsel geben.
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Einwaage der Probe
Tablette/Kapsel auf der Analysenwaage auf 0,1 mg genau wägen. Masse aufzeichnen (typisch 0,8–1,2 g).
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Zusammenbau der Bombe
Tiegel mit Probe in den Halter der Bombe setzen. Zünddraht zwischen den Elektroden befestigen, sodass er die Probe berührt. 1 mL Wasser auf den Boden der Bombe geben (Absorption von HNO₃). Bombe verschließen.
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Befüllen mit Sauerstoff
Bombe mit Sauerstoff spülen (2× auf 10 bar füllen und ablassen). Auf 30 bar füllen. Dichtheit prüfen (Eintauchen in Wasser — keine Bläschen).
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Einsetzen in das Kalorimeter
Bombe in das Kalorimetergefäß stellen. Mit abgemessener Wassermenge füllen (2 000 mL ±0,5 mL). Zündelektroden anschließen. Kalorimeter schließen.
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Vorperiode
Rührer starten. Temperatur 5 Minuten lang alle 1 min aufzeichnen (Stabilisierung der thermischen Drift). Die Ablesung muss einen gleichbleibenden Trend zeigen.
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Zündung und Hauptperiode
Elektrische Zündung auslösen. Temperatur alle 15–30 s aufzeichnen. Maximalen Temperaturanstieg notieren (typisch 2–3 °C). Die Hauptperiode dauert bis zur Stabilisierung der neuen Drift.
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Nachperiode
Nach Erreichen des Maximums die Aufzeichnung 5 min fortsetzen (Stabilisierung der Enddrift).
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Zerlegen der Bombe
Bombe herausnehmen, Gase langsam ablassen (>1 min). Bombe öffnen. Vollständigkeit der Verbrennung prüfen (keine Rückstände). Innenraum mit destilliertem Wasser ausspülen.
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Säurekorrektur
Bombenwaschlösung mit Na₂CO₃ 0,1 mol/L titrieren (Phenolphthalein). Korrektur für HNO₃ und H₂SO₄ berechnen (Korrektur ~50–100 J).
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Berechnungen
Qv = [(ε × ΔT) − e₁ − e₂ − e₃] / m, wobei ε = Kalorimeterkonstante, ΔT = korrigierter Temperaturanstieg, e₁ = Zünddrahtkorrektur, e₂ = Säurekorrektur, e₃ = Schwefelkorrektur, m = Probenmasse.
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Berechnung des Heizwerts
Qi = Qs − 24,42 × (9H + W), wobei Qs = Brennwert [kJ/kg], H = Wasserstoffgehalt [%], W = Feuchte [%]. Ergebnis in MJ/kg.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| Isoperibolisches Bombenkalorimeter | IKA C 6000, Parr 6400, LECO AC-600 | 60 000–180 000 PLN |
| Kalorimeterbombe (Aufschlussgefäß) | IKA C 7012, Parr 1108 (Cr-Ni-Stahl, säurebeständig) | 15 000–30 000 PLN |
| Sauerstoffflasche (Reinheit ≥99,5 %) | Medizinischer/technischer Sauerstoff mit Druckminderer bis 40 bar | 500–1 500 PLN (Flasche + Miete) |
| Analysenwaage (0,1 mg) | Mettler Toledo ME204, Sartorius Entris II BCE | 5 000–15 000 PLN |
| Tablettenpresse | IKA C 21 — zum Pressen pulverförmiger Proben | 3 000–8 000 PLN |
| Labortrockenschrank (105 °C) | Binder FD 56, Memmert UF110 | 5 000–15 000 PLN |
| Kühler für das Kalorimeter | IKA KV 600 oder eingebaute Peltier-Kühlung | 8 000–20 000 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Zertifizierte Benzoesäure (CRM) | 65-85-0 | Kalibrierstandard, Brennwert 26 454 ± 3 J/g, rückführbar auf NIST SRM 39j, Tabletten 1 g |
| Druckgas Sauerstoff ≥99,5 % | 7782-44-7 | Reinheit mindestens 99,5 %, ohne organische Verunreinigungen, Arbeitsdruck 30 bar |
| Zünddraht Ni-Cr | — | Nickel-Chrom ø 0,2 mm oder Baumwollzündfaden mit bekanntem Brennwert (~50 J) |
| Na₂CO₃-Lösung 0,1 mol/L | 497-19-8 | Zur Titration der Bombenwaschlösung (Säurekorrektur HNO₃ und H₂SO₄) |
| Destilliertes Wasser | 7732-18-5 | Zum Befüllen des Kalorimetergefäßes (2 000–2 500 mL) und Spülen der Bombe |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Bombe unter 30 bar Druck — Explosionsgefahr bei Undichtheit, Kontrolle des technischen Zustands verpflichtend
- Druckgas Sauerstoff — starkes Oxidationsmittel, Kontakt mit Ölen und Fetten verboten
- Verbrennung — Bombe nicht vor vollständiger Abkühlung und Ablassen der Gase öffnen
- Verbrennungsgase enthalten NOₓ und SO₂ — Ablassen nur unter dem Abzug
- Benzoesäure — reizend, Handschuhe und Schutzbrille verwenden
Häufige Fragen
Welche Norm beschreibt diese Prüfung?
Die Prüfung erfolgt nach PN-ISO 1928:2020-05 — „Solid mineral fuels — Determination of gross calorific value by the bomb calorimetric method and calculation of net calorific value“.
Wie funktioniert diese Methode?
Eine eingewogene Brennstoffprobe (~1 g) wird in einen Kalorimetertiegel im Inneren einer druckfesten Stahlbombe (Aufschlussgefäß) gegeben. Die Bombe wird mit reinem Sauerstoff auf einen Druck von 30 bar gefüllt und anschließend in das mit einer abgemessenen Wassermenge gefüllte Kalorimetergefäß gestellt.
Wie groß sind Messbereich und Genauigkeit?
Messbereich: 5–45 MJ/kg (typisch); Präzision: ±0,1–0,3 % CV (Wiederholbarkeit); Probenmasse: 0,8–1,2 g (feste Brennstoffe), 0,5–0,7 g (flüssige); Sauerstoffdruck: 30 bar (3 MPa).
Wie lange dauert die Prüfung?
Die für die einzelnen Schritte angegebenen Zeiten ergeben zusammen rund 1 Std. 6 Min.–1 Std. 25 Min. Das Verfahren umfasst 12 Schritte.
Welche Geräte werden benötigt?
Isoperibolisches Bombenkalorimeter, Kalorimeterbombe (Aufschlussgefäß), Sauerstoffflasche (Reinheit ≥99,5 %), Analysenwaage (0,1 mg), Tablettenpresse, Labortrockenschrank (105 °C), Kühler für das Kalorimeter. Richtpreis für das Kerngerät (Isoperibolisches Bombenkalorimeter): 60 000–180 000 PLN.
Wo wird diese Prüfung eingesetzt?
Preisbildung und Handel mit festen Brennstoffen (Kohle, Koks, Briketts); Qualitätskontrolle von Biomasse, Pellets und Holzbriketts; Energiebilanzierung von Heizwerken und Heizkraftwerken; Bewertung von Ersatzbrennstoffen aus Abfällen (RDF/SRF); Prüfung von Heizölen und flüssigen Brennstoffen; Zertifizierung fester Biobrennstoffe (EN ISO 18125); Prüfungen von Werkstoffen zum Brandverhalten (EN ISO 1716); Energetische Analyse von Siedlungsabfällen.
Welche Sicherheitsmaßnahmen gelten?
Bombe unter 30 bar Druck — Explosionsgefahr bei Undichtheit, Kontrolle des technischen Zustands verpflichtend; Druckgas Sauerstoff — starkes Oxidationsmittel, Kontakt mit Ölen und Fetten verboten; Verbrennung — Bombe nicht vor vollständiger Abkühlung und Ablassen der Gase öffnen; Verbrennungsgase enthalten NOₓ und SO₂ — Ablassen nur unter dem Abzug; Benzoesäure — reizend, Handschuhe und Schutzbrille verwenden.
Welches Labor führt diese Prüfung durch?
Die Prüfung führen nach ISO/IEC 17025 akkreditierte Labore durch. Auf LabCoda finden Sie sie über die Normnummer PN-ISO 1928.