Hybridheizungen

Für die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien ist die Hybridheizung ein zentrales Element, weil so gut wie immer einer der Energieträger eine erneuerbare Energie ist. Zudem erlauben es die kombinierten Heizsysteme, Erneuerbare-Energien-Anlagen in Bestandsbauten sinnvoll einzusetzen. Das am häufigsten anzutreffende Beispiel ist bislang (Stand: Winter 2022) die Kombination der Gasheizung mit einer Wärmepumpe.

Wie es mit den Gasheizungen allerdings in Zukunft weitergeht, bleibt natürlich aufgrund der besonderen Situation der Gasversorgung abzuwarten. Prinzipiell schaltet sich die Gasheizung allerdings nur bei starker Kälte zu, ansonsten genügt die Wärmepumpe. Die typische Konstruktionsart einer Hybridheizung ist bivalent. Das bedeutet: Zwei separate Wärmeerzeuger, die zwei unterschiedliche Energiequellen verwenden, kooperieren miteinander. Es gibt aber auch Hybridkompaktgeräte, welche die beiden Wärmeerzeuger baulich in einem Gerät vereinen.

Wie lange gibt es schon Hybridheizungen?

Im Prinzip gab es solche Systeme nach unserem heutigen Verständnis schon etwa ab 1970. Die verwendeten Technologien sind deutlich älter, die Solarthermie etwa kennt man schon seit der Antike. Im 19. Jahrhundert wurden solarthermische Systeme für die gezielte Warmwasseraufbereitung technisch auf einen neuen Stand gehoben, es gab hierfür einige Patentanmeldungen. Eingesetzt wurden sie allerdings kaum, weil die fossilen Brennstoffe damals extrem billig waren und das Bewusstsein für die Klimaschäden, die sie auslösen, noch kaum vorhanden war. Technisch war die Welt allerdings schon weiter.

Die erste Wärmepumpe als zweite Möglichkeit für hybride Heizsysteme wurde als Idee schon Mitte des 19. Jahrhunderts skizziert, 1919 meldete dann der Schweizer Tüftler Heinrich Zoelly die erste funktionierende Wärmepumpe zum Patent an. Ab den 1930er Jahren lieferten Wärmepumpen in der Schweiz und in den USA schon die Energie für Heiz- und Klimasysteme. Solarthermische Anlagen und Wärmepumpen erlebten dann während der Ölkrise der 1970er Jahre einen Aufschwung und wurden technisch auch für Hybridheizungen verwendet. Damit setzt die moderne Hybridheizung auf technische ausgereifte Systeme mit langer Tradition auf.

Nach der Jahrtausendwende erlebte sie einen neuerlichen Schub durch das wachsende Klimabewusstsein. Den dritten Aufschwung erlebt sie gerade jetzt im Jahr 2022 durch die Energiekrise. Immer mehr Hausbesitzer und Bauherren entscheiden sich für sie.

Bestandteile und Funktionsweise einer Hybridheizung

Die Hybridheizung besteht aus zwei und seltener auch aus drei oder sogar noch mehr Wärmeerzeugern. Die bei Weitem häufigste Bauform ist die bivalente Variante mit zwei Systemen, von denen eines die Grundlast abdeckt und sich das zweite nur bei einem Spitzenlastbedarf automatisch zuschaltet. Die grundlegenden Komponenten für eine Hybridheizung sind

• zwei oder mehr Wärmeerzeuger,
• ein Wärmespeicher und
• eine hybridfähige Regelung.

Die Wärmeerzeuger können beispielsweise eine solarthermische Anlage, ein Gas-, Öl- oder Pelletkessel und eine Wärmepumpe sein. Auch Abwärmeverwerter hinter Industrieanlagen kommen infrage. Der Wärmespeicher ist vor allem deshalb nötig, weil eine Hybridheizung durchaus auch für die Grundlast eine volatile Energiequelle nutzen kann.

Wärmespeicher sind sehr gut gedämmte Behälter, welche die Temperatur von aufgeheiztem Wasser sehr lange halten können. Sie können Heizungs-, Brauch- oder Trinkwasser speichern. Die Wärme des Grundlastwärmeerzeugers nehmen sie immer dann auf, wenn diese überhaupt und/oder günstig verfügbar ist. Ein Beispiel wäre tagsüber aufgeheiztes Wasser aus der solarthermischen Anlage. Der Wärmespeicher kann die enthaltene thermische Energie vorhalten und zeitversetzt abgeben. Gleichzeitig wirkt der Wärmespeicher als hydraulische Weiche. Immerhin gibt es verschiedene Wasserkreisläufe, beispielsweise das aufgeheizte Wasser aus der solarthermischen Anlage, das im Wärmespeicher seine Energie an das heiße Trinkwasser abgibt.

Eine weitere Funktion des Wärmespeichers ist die Bevorratung mit heißem Wasser für das Szenario, einen Wärmeerzeuger auszutauschen. Die hybridfähige Regelung ist nötig, um den Grundlastwärmeerzeuger bedarfsweise anzusteuern und den Spitzenlastwärmeerzeuger automatisch bei Bedarf zuzuschalten. Der Gaskessel springt nur an, wenn die Energie aus der solarthermischen Anlage oder von der Wärmepumpe nicht mehr genügt. Die Führungsgrößen für die Regelung können die Speicher- und/oder Außentemperaturen sein. Eine hybridfähige Regelung hat einen bestimmten Fokus, der eher auf der Ökonomie, dem Komfort oder der Ökologie liegen kann. Im letztgenannten Fall sorgt die Regelung dafür, dass fossile Brennstoffe so selten wie möglich zum Einsatz kommen.

Beim ökonomischen Fokus sollen die Heizkosten so niedrig wie möglich sein. Wenn es um den Komfort geht, soll die Hybridheizung einfach immer und unter allen Umständen genügend Wärme liefern – im Prinzip koste es, was es wolle.

Betriebsmodi der Hybridheizung

Die Hybridheizung arbeitet je nach Zahl der Wärmeerzeuger bivalent oder multivalent. Es gibt noch weitere Kategorien für die Unterscheidung, so etwa der parallele, teilparallele und alternative Betrieb sowie die multi- oder monoenergetische Energieverwertung (siehe weiter unten). Eine bivalente Hybridheizung verknüpft die Leistung zweier Wärmeerzeuger miteinander, wie erwähnt sehr oft die einer Wärmepumpe und einer Gasbrennwertheizung. Die Wärmepumpe verbraucht elektrische Energie und macht damit Umweltwärme nutzbar, die Gasheizung verbrennt Erd- oder Flüssiggas. Es gibt für alle Arten von Hybridheizungen diese Betriebsmodi:

• Modus bivalent parallel: Ein Wärmeerzeuger (oft die Wärmepumpe) liefert Grundlast, der zweite deckt die Spitzenlast ab und schaltet sich automatisch bedarfsweise zu. Bei der Koppelung von Wärmepumpe und Gasheizung schaltet sich Letztere ab einer bestimmten Außen- oder Speichertemperatur zu. Die Wärmepumpe läuft im Parallelbetrieb weiter.
• Modus bivalent teilparallel: Wiederum schaltet sich der zweite Wärmeerzeuger bei höheren Bedarfswerten zu, kann aber auch alleine die Versorgung übernehmen, wenn es vorteilhafter erscheint. So kann die Wärmepumpe alleine bei milden Temperaturen arbeiten, ab etwa 0 °C schaltet sich die Gasheizung zu, ab etwa -5 °C arbeitet die Gasheizung alleine, weil die Wärmepumpe dann nicht mehr wirtschaftlich arbeiten kann.
• Modus bivalent alternativ: Die Regelung definiert eine Außentemperatur als Bivalenzpunkt. Beim Erreichen dieser Außentemperatur schaltet die Regelung automatisch vom Grundlasterzeuger auf den Spitzenlasterzeuger um. Die beiden Wärmeerzeuger laufen damit niemals gemeinsam, sondern immer nur alternativ. Die Wärmepumpe würde also nur bis ~0 °C laufen, bei einer tieferen Temperatur schaltet sie sich ab, die Gasheizung springt an.
• Modus multivalent: Wenn die Hybridheizung aus drei oder noch mehr Wärmeerzeugern aufgebaut ist, kann sie diese parallel, teilparallel oder alternativ laufen lassen. Ein Beispiel wäre die aus Solarthermie, Gasbrennwertheizung und wasserführendem Kamin bestehende Hybridheizung, der sogar noch eine Wärmepumpe hinzugefügt werden könnte.
• Modus monoenergetisch: Es gibt auch monoenergetische Hybridheizungen, die mehrere (meistens zwei) Wärmeerzeuger verbinden, die mit dem gleichen Energieträger laufen. Es handelt sich zwar um die gleiche Energiequelle, aber unterschiedliche Wärmeerzeuger. Ein Beispiel wäre die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Elektroheizstab. Beide nutzen elektrische Energie. Die Wärmepumpe deckt die Grundlast, der Elektroheizstab die Spitzenlast ab.

Kombinationsmöglichkeiten von Energieträgern und Wärmeerzeugern für die Hybridheizung

Es sind alle möglichen Kombinationen denkbar, aber nicht alle lohnen sich. Die schon mehrfach erwähnte Kombination aus Wärmepumpe und Gasheizung ist sehr häufig anzutreffen, ebenso aus Wärmepumpe oder Solarthermie und Gas- oder Ölheizung. Eine solarthermische Anlage kann in acht bis neun Monaten des Jahres ausreichende Energie liefern.

Eine ebenfalls häufiger anzutreffende Variante ist die Kombination eines wasserführenden Ofens mit der Gas- oder Ölheizung. Dieses System kann noch mit Solarthermie und/oder einer Wärmepumpe erweitert werden. Auch die Kombination der Solarthermie mit einer Wärmepumpe kann sich lohnen. Weil die Solarthermie das warme Wasser liefert, verbraucht die Wärmepumpe mit der erhöhten Vorlauftemperatur weniger Strom. Wer sehr autark, preisgünstig und umweltfreundlich wirtschaften möchte, kann diesen Strom noch mit einer eigenen PV-Anlage erzeugen.

Wichtig zu wissen: Hybridheizungen können natürlich auch mehrere konventionelle Energieträger kombinieren, so die Pellet- mit der Gas- oder Ölheizung. Der Trend geht aber zum Einsatz von mindestens einer erneuerbaren Energieform.

Vor- und Nachteile einer Hybridheizung

Die Hybridheizung hat sehr viele Vorteile, doch es gibt auch einige Nachteile, die wiederum von der Bauart abhängen. Wer sich für diese Heizungsform interessiert, sollte diese Nachteile kennen. Auch die konkrete Bauform bedarf einer gewissen Expertise. So muss der Wärmespeicher (Pufferspeicher) richtig dimensioniert sein. Seine Größe soll das optimale Zusammenspiel der einzelnen Heiztechnologien ermöglichen. Ein Fachbetrieb berechnet präzise die richtige Größe. Die Vor- und Nachteile von Hybridheizungen lassen sich im Überblick so darstellen:

Vorteile

• Grundsätzlich ist die Verknüpfung von mehreren Wärmeerzeugern ausfallsicherer als eine einzelne Heizung.
• Die meisten modernen Hybridheizungen nutzen mindestens eine erneuerbare Energiequelle und sind daher umweltfreundlich, wobei die fossile Energiequelle zuverlässig für die Spitzenlastabdeckung sorgt.
• Die Grundheizlast können Wärmepumpen manchmal schon ganzjährig, solarthermische Anlagen zumindest in bis zu neun Monaten abdecken.
• Die Anlagen können sehr kostengünstig arbeiten.
• Auch der Aufbau kann zumindest für Mehrfamilienhäuser durchaus kostengünstig erfolgen. Das hängt von den eingesetzten Wärmeerzeugern ab. Solarthermieanlagen gelten immer noch als relativ teuer.
• Die Investitionskosten liegen unter denen einer reinen Wärmepumpenlösung mit sehr hoher Heizleistung.
• In Verbindung mit einer PV-Anlage kann die Hybridheizung zu energetischer bzw. heiztechnischer Autarkie führen.
• Die Betreiber sind weniger abhängig von den Marktpreisen für fossile Energieträger, was seit 2022 als sehr bedeutsam gilt.

Nachteile

• Mindestens zwei Anlagen einer Hybridheizung bedingen eine komplexere, wartungsbedürftige Anlagentechnik.
• Es ist beim Einsatz einer Brennwertheizung (Gas oder Öl) nach wie vor ein Kamin erforderlich.
• Der Platzbedarf steigt durch die Hybridheizung.
• Die Anschaffungskosten sind höher als für eine einzelne Heizung.

Fazit

Hybridheizungen machen die Heizung sicherer und sind meistens sehr umweltfreundlich. Sie amortisieren sich aber etwas später als eine einzelne Heizung.