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Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.
Aufgrund gestiegener Rechnerleistung finden heutzutage
numerische Strömungssimulationen aus dem
Bereich der CFD (Computational Fluid Dynamics)
immer mehr Eingang in die Sicherheitstechnik.
Bisherige Berechnungsverfahren zur Schwergasausbreitung
basieren zum Teil auf empirischen
Annahmen und sind in ihrem Anwendungsbereich
eingeschränkt. Die zugrunde liegenden Formeln
und Theorien erlauben außerdem meist nur
eindimensionale Aussagen bezüglich der Konzentrationsverteilung
in der Umgebung. Anhand von
Literaturdaten und eigenen Freifeldversuchen zur
Schwergasausbreitung soll die Leistungsfähigkeit
von CFD-Berechnungen hinsichtlich ihres Kosten/
Nutzen-Verhältnisses sowie im Vergleich zu herkömmlichen
Modellen bewertet werden. Während
die eigenen Freifeldversuche hauptsächlich zur
Validierung der numerischen Simulationen dienen,
können anhand der in der Literatur veröffentlichten
Daten Vergleiche mit z. B. der VDI-Richtlinie 3783,
Blatt 2 durchgeführt werden.
Im Rahmen von Störfallauswirkungsbetrachtungen werden oft Szenarien betrachtet, in denen Gase freigesetzt werden, die schwerer als Luft sind. Für die Berechnung der Gefährdungsbereiche wird in Deutschland oft die Richtlinie VDI 3783 eingesetzt. Die Methodik zur Bestimmung der Konzentrationsverteilung bei der Freisetzung eines Schwergases ist im Blatt 2 der Richtlinie dargestellt und basiert auf Windkanaluntersuchungen mit verschiedenen Ausbreitungsgebieten. Unter der Zielsetzung, eine möglichst konservative Abschätzung des Gefährdungsbereichs zu erhalten, erfolgte die Gasfreisetzung am Boden. In der Praxis sind aber immer wieder Szenarien zu untersuchen, bei denen die Gasfreisetzung aus Anlagenteilen über Bodenniveau erfolgt. Durch Freilandversuche sollen Anhaltswerte für die Bestimmung einer kritischen Quellhöhe, ab der eine Schwergasausbreitung nicht mehr zu betrachten ist, ermittelt werden.
Eine Vielzahl von Schwergasunfällen der Vergangenheit verdeutlichen das Gefahrenpotential, das von brennbaren und vor allem toxischen Schwergasen ausgeht. Zur Bestimmung des Gefährdungsbereichs müssen in diesem Fall Ausbreitungsabschätzungen angestellt werden. Während der Gefährdungsbereich für brennbare Gase auf das Erreichen der unteren Explosionsgrenze (c > 1 Vol.-%) beschränkt ist, so ergibt sich bei der Freisetzung toxischer Gase ein weitaus größerer Gefahrenbereich. Toxische Gase haben auch in sehr geringen Konzentrationen (c < 3000 ppm) noch ein hohes Schadenspotenzial. Zur Abschätzung der Schwergasausbreitung kann die VDI-Richtlinie 3783 verwendet werden. Diese Richtlinie entspricht zurzeit dem Stand des Wissens in Deutschland. Die VDI 3783 macht keine Angaben zur Höhe und Breite der Schwergaswolke, welche sowohl im Rahmen von quantitativen Risikoanalysen als auch evtl. für die Kopplung eines Lagrangeschen-Partikelmodells mit dem Schwergasmodell erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Berechnungen mit verschiedenen Modellen zur Erweiterung der VDI 3783 durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse wurden mit experimentellen Untersuchungen zur Länge, Breite und Höhe des Schwer- und Neutralgasbereichs verglichen und bewertet. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Quellhöhe auf die Schwergasausbreitung untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass sich die Länge des Schwergasbereichs mit zunehmender Quellhöhe verringert und ab einer kritischen Höhe kein Schwergasbereich am Boden mehr vorliegt. Für Freisetzungshöhen über der kritischen Quellhöhe ist der Schwergaseffekt vernachlässigbar und es ist keine Berechnung nach der VDI 3783, Blatt 2 erforderlich. Die Freisetzung des Schwergases kann hierbei sowohl aus einer verfahrenstechnischen Anlage als auch aus handelsüblichen Gasflaschen erfolgen. Für die Freisetzung aus handelsüblichen Gasflaschen wurde ein mathematisches Modell zur Vorhersage des zeitabhängigen Massenstroms weiterentwickelt. Dieses Modell beinhaltet die Berechnung der instationären Wärmeleitung in der Flaschenwand, eine komplexe Beschreibung der Energieund Massenbilanzen sowie die Berücksichtigung einer Zweiphasenströmung. Zur Validierung des Modells wurden experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen Gasen, Gasflaschengrößen und –typen durchgeführt. Experimentelle Ergebnisse und Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung.