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Biogas is an important source of renewable energy. It consists mainly of methane and carbon dioxide, with low levels of hydrogen sulphide and other gases. That means, that the toxicological aspects and the flammability of biogas has to be taken into account. A serious accident has happened just recently in a biogas production plant in Germany, accompanied with injuries and four totalities. The methane content of the different types of biogases varies from about 82 % till 40 % and the rest is mostly carbon dioxide with trace gases depending on the anaerobe digestion process. These plants must also be controlled to avoid pollution and the risk of explosion. The 1999/92/EC Directive (ATEX 137) addressed to employer. The employer of such plants needs to implement safety requirements, such as prevention of explosive atmospheres, avoiding ignition sources, etc. In addition he has to prepare an explosion protection document and carry out a hazard assessment. The basic information for these documents based on the safety characteristics of the produced gases. These data can be taken e. g. from the database CHEMSAFE® using explosion diagrams of methane/carbon dioxide/air mixtures. In the literature the biogas explosion limits often presented in a confusing way. In this presentation a simple method will be shown to get correct values by correlation of the explosion limits with the methane content of the biogas. While biogas production will be forecast with an acceleration of growth in the future, it is essential to clear this important safety problem.
The knowledge of the explosion limits of biogases in air is necessary to define explosion protection measures. Biogases from agricultural plants vary however in their composition, so that for each gas composition the explosion limits would have to be measured. Frequently the explosion limits of biogas are therefore referred in the safety-relevant literature only to the methane fraction of the gas mixture, without indicating this additionally. This leads to the fact that the explosion ranges for the total mixture consists of methane, carbon dioxide and further residual gases are falsely specified.
For this reason a simple method is presented in the following, which show, how the explosion limits of a biogas can be determined from its methane content using an explosion diagram of methane/carbon dioxide/air system. The explosion diagram was measured according to the German Standard DIN 51649-1.
The presented calculation method supplies however correct results only if the nitrogen fraction in the biogas does not exceed approx. 5 % by volume.
An important method to prevent fires and explosions is to avoid explosive fuel-air mixtures. For this purpose the exact knowledge of the explosion range is required as a function of the combustible, oxidizer and inert gas concentrations. Frequently triangular diagrams are used in order to display the explosion range. This paper describes how to use the TRIANGLE software for flammability diagrams. Furthermore a calculation method for the flammability of gas mixtures is shown.
The data book "Safety Characteristic Data" is published in two volumes. In the first volume "Flammable Liquids and Gases" the safety characteristics of pure substances in mixture with air have been published. In Volume 2 "Explosion Regions of Gas Mixtures" the properties of gaseous fuel/inert gas/oxidiser mixtures are in the centre of interests. For the first time complete data sets of the explosion regions of gaseous mixtures are available in a printed format as needed by authorities and industry. Dangerous explosive compositions can be detected by such explosion diagrams. Therefore they are the basis of primary explosion protection, e.g. to prevent explosive mixtures by inertisation.-------------------------------------------------------------------------------------
Das Tabellenwerk "Sicherheitstechnische Kenngrößen" ist in zwei Bänden herausgegeben worden. Während im ersten Band "Brennbare Flüssigkeiten und Gase" vorrangig die sicherheitstechnischen Kenngrößen reiner Stoffe im Gemisch mit Luft behandelt werden, stehen im Band 2 "Explosionsbereiche von Gasgemischen" die Eigenschaften von Gemischen aus Brenngas, Oxidator und Inertgas im Mittelpunkt. Damit soll erstmals dem Wunsch von Industrie und Behörden entsprochen werden, in einem Tabellenwerk komplette Datensätze zu den Explosionsbereichen von Stoffgemischen in gedruckter Form zur Verfügung zu stellen. Den Explosionsdiagrammen kann man die Zusammensetzung von explosionsfähigen Gemischen entnehmen. Sie sind damit Grundlage für Maßnahmen des primären Explosionsschutzes, z. B. für die Inertisierung.
Band 2 beinhaltet experimentell (im Wesentlichen nach DIN 51 649 bzw. EN 1839) ermittelte Explosionsbereiche von 158 Brenngas/Inertgas/Oxidator-Gemischen. Die Messpunkte sind als Zahlenwerte tabellarisch zusammengestellt und die entsprechenden Explosionsbereiche grafisch in Dreiecksdiagrammen sowie in karthesischen Koordinatensystemen dargestellt. Mit Hilfe der Diagramme ist es möglich, für beliebige Zusammensetzungen der Gemische zu ermitteln, ob sie explosionsfähig sind bzw. welche Zusammensetzungen im Bereich der totalen oder partiellen Inertisierung liegen. Zusätzlich sind die aus den Explosionsbereichen abgeleiteten folgenden Grenzwerte tabellarisch angegeben: Explosionsgrenzen, Sauerstoffgrenzkonzentration, minimal notwendiger Inert-Gasanteil im Inertgas/Oxidator-Gemisch und maximal zulässiger Brenngasanteil im Brenngas/Inertgas-Gemisch.
Ab Januar 2011 dürfen nach der europäischen Richtlinie 2006/40/EG über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen bei neuen EG-Typzulassungen die PKW-Klimaanlagen nur noch Kältemittel enthalten, deren Global Warnung Potential (GWP) kleiner 150 ist. Der vorgeschlagene Ersatzstoff für das bisher verwendete R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan, GWP = 1430) ist 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R-1234yf; GWP = 4). Im Gegensatz zu R-134a, das bei Umgebungsbedingungen keinen Explosionsbereich aufweist, kann 2,3,3,3-Tetrafluorpropen bei Umgebungsbedingungen explosionsfähige Gemische mit Luft bilden.
Die Neufassung der DIN EN 378-1, die 2008 in Kraft getreten ist, klassifiziert Kältemittel nach deren Brennbarkeit in drei Kategorien: nicht entzündbar, geringe Brennbarkeit, größere Brennbarkeit.
International ist eine analoge Klassifizierung für Kältemittel in der ISO 817:2005 zu finden. Gase geringer Brennbarkeit' und Flüssigkeiten die keinen Flammpunkt nach Norm aufweisen, aber einen Explosionsbereich in Luft haben, werden zur Gruppe der so genannten schwer entzündbaren Gase und Dämpfe(Flüssigkeiten) zusammengefasst.
Solche Gase werden unter anderem häufig als Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt und werden daher in beträchtlichen Mengen in Verkehr gebracht.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Bei neueren Verfahren zur Biogasgewinnung wird zusätzlich Wasserstoff in den Fermenter eingespeist, um den Methananteil im Biogas zu erhöhen. Dieses Verfahren bewirkt neben der CO2-Vermeidung eine Erhöhung des Brennwerts und der Qualität des Biogases. Zudem kann dafür, ähnlich wie bei der Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz, Elektrolysewasserstoff aus Überschüssen von Wind- und Solarstrom verwendet werden (Power-to-Gas). Im Poster werden die sicherheitstechnischen Kenngrößen für den Explosionsschutz bei Prozessgasen dargestellt und diskutiert.