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Bivalente und monovalente Anlagen

Definition: Anlagen, die zwei verschiedene (bivalent) bzw. eine einzige (monovalent) Komponente z. B. für die Deckung eines Wärmebedarfs haben

Englisch: bivalent and monovalent machines

Kategorien: Grundbegriffe, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.04.2012; letzte Änderung: 21.02.2017

Eine bivalente Anlage (z. B. Heizungsanlage oder Warmwasseranlage) ist eine Anlage, die einen Bedarf mit zwei unterschiedlichen Betriebsmitteln deckt. Dies steht im Gegensatz zu einer monovalenten Anlage mit nur einem Betriebsmittel. Der bivalente Betrieb kann bivalent-alternativ gestaltet sein, d. h. dass zu jeder Zeit nur eines der Betriebsmittel genutzt wird, oder bivalent-parallel, wenn auch ein gleichzeitiger Betrieb möglich ist. Bei einer Heizungsanlage gibt es dann z. B. als Bivalenzpunkt eine bestimmte Außentemperatur, unterhalb der von einer Wärmequelle auf eine andere umgestellt wird (bivalent-alternativ), oder der zweite Wärmeerzeuger zusätzlich angeschaltet wird (bivalent-parallel).

Im Falle, dass mehr als zwei verschiedene Betriebsmittel eingesetzt werden, spricht man von einer multivalenten Anlage. Ein Beispiel hierfür wäre ein Wärmenetz, welches mit einer Kombination von großer Solarthermie, Kraft-Wärme-Kopplung und einem Spitzenlast-Heizkessel gespeist wird.

Da der bivalente oder monovalente Betrieb je nach Situation ganz unterschiedliche Vor- und Nachteile haben kann, wird dies im Folgenden für unterschiedliche Systeme separat erläutert.

Wärmepumpen: bivalenter vs. monovalenter Einsatz

Wärmepumpen können als Teil einer Wärmepumpenheizung eingesetzt werden. Wenn die Wärmepumpenheizung monovalent ausgeführt ist, wird der gesamte Wärmebedarf mit diesem Gerät gedeckt; es gibt allenfalls noch einen nur ausnahmsweise (z. B. im Störungsfall oder bei besonders hohem Bedarf) eingesetzten zusätzlichen Elektroheizstab. In einer echt bivalenten Anlage (auch als Hybrid-Heizung bezeichnet) befindet sich zusätzlich meist ein Heizkessel, da ein oft verwendeter Elektroheizstab die effektive Jahresarbeitszahl und damit die Energieeffizienz stark vermindern würde. Von daher ist diese sogenannte monoenergetische Betriebsweise im Jahresmittel nicht effizient.

Eine echt bivalente Wärmepumpen-Heizungsanlage (d. h. nicht mit Elektroheizstab) hat verschiedene Vorteile:

  • Die Wärmepumpe kann in ungünstigen Betriebssituationen – insbesondere wenn hohe Vorlauftemperaturen benötigt werden und die Wärmequelle (z. B. Außenluft) gleichzeitig eine niedrige Temperatur aufweist – einfach abgeschaltet werden, so dass dann der Heizkessel die ganze Last übernimmt. Die Wärmepumpe kann in diesem bivalent-alternativen Betrieb eine wesentlich höhere Jahresarbeitszahl erreichen.
  • Ebenfalls kann die Wärmepumpe besser dem Lastmanagement unterworfen werden. Sie kann also bei Engpässen im Stromnetz selbst für längere Zeiten abgeschaltet werden. Der Stromversorger kann hierfür einen entsprechend günstigeren Stromtarif geben.
  • Die Wärmepumpe kann für eine deutlich niedrigere Wärmeleistung ausgelegt werden – etwa so, dass sie nur für mäßig kühle Tage ausreicht. Dies reduziert einerseits oft die Installationskosten, z. B. wenn weniger Erdwärmesonden benötigt werden, und andererseits wird der sonst oft unvermeidbare Taktbetrieb durch Überdimensionierung in der Übergangszeit reduziert.
  • Die Betriebssicherheit steigt, wenn bei Ausfall einer Komponente noch eine andere die benötigte Wärme liefern kann.

Auf der anderen Seite erhöht ein zusätzlicher Heizkessel natürlich sowohl die Investitionskosten (außer wenn ein Heizkessel ohnehin schon vorhanden ist) als auch die Wartungskosten. (Die etwas kompliziertere Regelung stellt dagegen normalerweise kein Problem dar.) Deswegen werden vor allem kleinere Wärmepumpen-Heizungen meist monovalent ausgeführt. Bei größeren Anlagen ist dies nicht zwingend, da die Investitionskosten weniger kritisch sind und gleichzeitig die Vorteile des bivalenten Ansatzes stärker zur Geltung kommen.

Bivalente Wärmepumpenanlagen werden manchmal auch als Hybridwärmepumpen bezeichnet, besonders wenn es sich um Kompaktgeräte mit in einem Gehäuse kombinierten Komponenten handelt. Die Bezeichnung Hybridwärmepumpe wird allerdings auch für ganz andere Systeme verwendet, was der entsprechende Lexikonartikel erläutert.

Solarheizung

Solare Heizungsanlagen arbeiten fast immer bivalent, d. h. in Kombination mit einer anderen Wärmequelle wie z. B. einer Pelletheizung. Dies ist deswegen schwer anders machbar, weil gerade an Tagen mit besonders hohem Heizwärmebedarf eine Solaranlage kaum Energie bereitstellen kann. Eine Möglichkeit ist zwar im Prinzip die Verwendung eines Pufferspeichers, doch dieser müsste sehr groß sein, um längere kalte und trübe Tage überbrücken zu können.

Heizöl und Holz

Auch zwei unterschiedliche Arten von Heizkesseln können in einer bivalenten Anlage genutzt werden. Beispielsweise kann ein Holzkessel immer dann arbeiten, wenn er manuell befeuert wird, und der Restbedarf automatisch von einem Heizöl- oder Gas-kessel gedeckt werden. Sinnvollerweise wird der Holzkessel dann vorzugsweise bei hohem Wärmebedarf befeuert, da er für kleinere Leistungen weniger geeignet ist: Die Verbrennung von Holz erfolgt am besten bei hoher Leistung mit guter Luftzufuhr. Dagegen arbeitet z. B. ein moderner Brennwertkessel auch im Teillastbetrieb sehr effizient.

Es gibt auch Heizkessel, die bivalent arbeiten, d. h. mit unterschiedlichen Brennstoffen. Besonders gebräuchlich ist dies bei großen Heizkesseln, die mit Heizöl oder Erdgas befeuert werden können. Ein solcher Kessel ist einfach mit unterschiedlichen Brennern bestückt. Auch für Hausheizungen werden vereinzelt Kombiheizkessel oder Wechselbrandkessel eingesetzt, die z. B. Scheitholz und Holzpellets verbrennen können, oder Heizöl und Scheitholz. Die Optimierung für einen einzigen Brennstoff erlaubt jedoch häufig eine höhere Energieeffizienz, vor allem wenn die Brennstoffe sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Blockheizkraftwerke

In einem Blockheizkraftwerk wird die eigentliche Anlage für die Kraft-Wärme-Kopplung meist mit einem Heizkessel kombiniert. Sie wird dann so ausgelegt, dass sie nur die Grundlast des Wärmebedarfs deckt, und für die Spitzenlast dient der Heizkessel (der in der Regel dann parallel, nicht alternativ eingesetzt wird).

Warmwasserbereitung

Ein Durchlauferhitzer (z. B. mit Erdgas betrieben) eignet sich oft gut als Teil einer bivalenten Warmwasserversorgung. Ein Pufferspeicher wird beispielsweise mit einer Solaranlage gespeist. Solange die Temperatur im Speicher bei der Warmwasseranforderung nicht ausreicht, wird der Durchlauferhitzer das Wasser ausreichend nacherhitzen. Auf diese Weise muss nicht ein Teil des Speichers immer warm gehalten werden. Bereitschaftsverluste betreffen also nur die solar gewonnene Wärme.

Oft werden bivalente Warmwassersysteme jedoch so ausgeführt, dass der obere Teil des Warmwasserspeichers z. B. über einen eingebauten Wärmeübertrager mit Hilfe eines Heizkessels immer warm gehalten wird. Der untere Teil wird dann solar oder mit einer Wärmepumpe beheizt. Ein solcher bivalent beheizter Warmwasserspeicher hat freilich den Nachteil, dass er immer Bereitschaftsverluste hat.

Erdgasautos

Autos mit Erdgasantrieb oder auch mit Flüssiggas enthalten oft einen zusätzlichen Benzintank, um in Regionen mit wenig Gas-Tankstellen Probleme zu vermeiden. Der bivalente Betrieb ist im Prinzip einfach realisierbar, da ein Ottomotor mit beiden Kraftstoffen betrieben werden kann. Allerdings ist ein solcher Motor nicht für beide Kraftstoffe optimiert und erreicht deswegen nicht den mit einem reinen (monovalenten) Erdgasantrieb möglichen Wirkungsgrad: Das Verdichtungsverhältnis muss nämlich niedriger gehalten werden, als es mit Erdgas möglich wäre.

Hybridantrieb

Hybridantriebe können an sich auch als bivalente Systeme angesehen werden, obwohl der Begriff hier weniger gebräuchlich ist.

Siehe auch: Wärmepumpe, Heizkessel, Hybridwärmepumpe, Solaranlage, Blockheizkraftwerk, Durchlauferhitzer, Warmwasserspeicher, Hybridantrieb
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Wärme und Kälte

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