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Organisationseinheit der BAM
Für den Explosionsschutz in Biogasanlagen ist es erforderlich, die Explosionsgrenzen des Gases in Luft zu kennen. Biogase aus landwirtschaftlichen Anlagen haben jedoch eine schwankende Zusammensetzung, sodass für jede Gemischzusammensetzung die Explosionsgrenzen experimentell bestimmt werden müssten. Dies ist i. d. R. mit erheblichem Aufwand verbunden. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, bei der mithilfe von zwei Explosionsdiagrammen die Explosionsgrenzen von Biogas mit bekannter Zusammensetzung abgeschätzt werden können. Dabei werden neben dem Methan- und Kohlendioxidanteil des Biogases auch mögliche Anteile von Wasserdampf berücksichtigt.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid, aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um es dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogasund Elektrolyseanlagen. Mithilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 1839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.
Renewable energies became more and more important in the last years. The production of biogas using agricultural waste and the use of wind and solar energy in combination with water electrolysis is one way to substitute natural gas. Therefore the number of biogas plants is growing very fast in Germany. In the meantime, the operation of such plants is responsible for a significant number of accidents. New safety regulations on biogas plants and a short statistical summary of accidents in Germany are presented in the first part of this presentation. The main focus of the paper is the principle hazards arising from the substances and materials in biogas and hybrid power plants. Primarily, these are the hazards of fire and explosion induced by flammable methane gas. However, further hazards are the dangers of asphyxiation and poisoning by gases such as carbon dioxide, hydrogen sulphide and ammonia. Furthermore, hydrogen is produced by water electrolysis in hybrid power plants and mixed with bio methane in some cases. In order to prevent explosions when handling biogas and hydrogen it is necessary to know the explosion limits of gas and gas mixtures in mixture with air. However, biogas from agricultural plants can vary significantly in its composition. Therefore, for each gas composition the explosion limits would have to be determined. This would require a considerable amount of time and effort. Due to this fact, the explosion limits of biogas are frequently referred to only by the methane fraction of the gas mixture in the safety-relevant literature. In reality as biogas can consist of methane, carbon dioxide and further residual gases the explosion limits are generally over or underestimated. A calculation method for explosion limits was developed by means of explosion diagrams to avoid such errors. In a last topic methods are shown for the calculation of gas spreading in case of leakages in gas buffers for risk evaluation and land use planning. For this purpose the German directive VDI 3783 was evaluated.
The paper provides a summary of safety characteristics of hydrogen and hydrogen fuel gases. The inves-tigations focus on water electrolysis, the feeding of hydrogen into the natural gas grid and the use ofhydrogen for the fermentation process in biogas plants. The safety characteristics of hydrogen such as avery low minimum ignition energy, very large explosion range and high flame velocity with the resultingrapid pressure increase of hydrogen explosions are of particular importance for explosion protection andthey differ strongly from those of natural gas. Explosion ranges of hydrogen-methane-carbon dioxidemixtures have been measured for the use of hydrogen in biomethane production. The paper also showsand discusses explosion ranges of hydrogen and hydrogen-natural gas mixtures. Pressure and tempera-ture dependencies of the explosion limits of mixtures were investigated. Furthermore, pressure rise rates(KGvalues) were measured with regard to constructive explosion protection. The maximum experimen-tal safe gaps were determined for the classification of the mixtures and assignment to explosion groupsaccording to the European ATEX directives. It was found that admixture of 10% hydrogen to natural gashas only a minor influence on the safety characteristics of gas explosions.