2 Prozess- und Anlagensicherheit
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Die Einführung von Wasserstoff als sicherer Energieträger braucht eine robuste Wissensbasis, darauf aufgebaute Werkzeuge zur Auslegung und Sicherheitsbewertung von Wasserstofftechnologien und ein international harmonisiertes Regelwerk. Viele der innovativen Technologien implizieren Wasserstoff bei hohen Drücken und/oder kryogenen Temperaturen, mit denen in verteilten Anwendungen erstmalig private Nutzer in Kontakt kommen. Um überkonservative, teure Sicherheitslösungen zu vermeiden, gleichzeitig aber die Einsetzbarkeit und Sicherheit von Wasserstoffanwendungen zu demonstrieren und die Akzeptanz für die Technologie aufrecht zu halten, muss auch die Sicherheitsforschung mit den Trends der technologischen Entwicklung Schritt halten, oder sie besser noch antizipieren. So beschreibt dieser Überblicksartikel nicht nur den gegenwärtigen Stand der Kenntnisse und Technik bezüglich Wasserstoffsicherheit, sondern auch ihre Weiterentwicklung.
In dem hier vorgestellten Projekt wurde die Wirksamkeit mechanischer Schläge als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären in Abhängigkeit von der inhomogenen Materialpaarung systematisch untersucht. Dabei wurden praxisrelevante Materialien wie Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Beton und Nichteisenmetalle betrachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Zündung vermieden werden kann, wenn Nichteisenmetalle in Kombination mit verschiedenen metallischen Werkstoffen verwendet werden. In Kombination mit Beton muss die kinetische Schlagenergie auch mit Nichteisenmetallen weiter begrenzt werden, um eine wirksame Entzündung zu vermeiden. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas auf die Wirksamkeit mechanischer Stöße als Zündquelle auswirkt. Bei Beimischungen von bis zu 25 % Wasserstoff und sogar mehr konnte kein Einfluss festgestellt werden. Die Ergebnisse sind vor allem relevant im Zusammenhang mit der Umwidmung des Erdgasnetzes oder der Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetzes.
Im Zuge der Energiewende finden Wasserstofftechnologien in der industriellen Praxis und im öffentlichen Raum immer mehr Anwendung. Beim Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für andere fossile Energieträger wie Erdgas müssen u.a. Explosionsschutzmaßnahmen überprüft und angepasst werden. Eine Art von Explosionsschutzmaßnahmen ist die Vermeidung von Zündquellen. Gemäß den einschlägigen Regelwerken ist die Bildung von Funken oder heißen Aufschlagstellen beim mechanischen Schlag eine mögliche Zündquelle, die vor allem beim Wasserstoff berücksichtigt werden muss. Die Zündwirksamkeit ist dabei u.a. stark von der Werkstoffpaarung und der kinetischen Schlagenergie abhängig. Der Einsatz von funkenarmen Werkzeugen aus schwer oxidierbaren Nicht-Eisen-Metallen in explosionsgefährdeten Bereichen kann z.B. eine Maßnahme sein, um diese Zündquelle zu vermeiden und wird als solche in den Regelwerken benannt. Es gibt aber kaum Quellen, die dabei helfen die Zündwirksamkeit bei Schlägen mit heterogenen Materialpaarungen einzuschätzen. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen mit unterschiedlichen, auch nicht-metallischen Schlagpartnern in wasserstoffhaltigen Atmosphären systematisch untersucht.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen bei verschiedenen Elektrolysetechnologien kurz vorgestellt. Dann werden für Elektrolyseanlagen spezifische Gefährdungen diskutiert, v.a. die im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Gase Wasserstoff und Sauerstoff stehen. Dabei wird auch Bezug auf die Normung- und Regelsetzung genommen und Sicherheitskonzepte werden beispielhaft kurz vorgestellt. Abschließend wird auf Unfallereignisse im Zusammenhang mit der Elektrolyse eingegangen.
In this lecture the safety related properties og hydrogen compared to other fuel gases and the explosion protection measures of avoiding flammable mixtures, avoiding ignition sources and mitigating the consequences of explosions when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
Bei Gefahrstoffen wird oft zuerst an gefährliche Chemikalien in der verarbeitenden Industrie gedacht. Gefährliche Stoffe werden aber in nahezu jedem Betrieb und auch in Privathaushalten verwendet. Ein typisches Beispiel sind Wasch- und Reinigungsmittel, von denen viele nach der europäischen Verordnung zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (CLP-Verordnung) als gefährlich eingestuft und gekennzeichnet sind. Darüber hinaus ist aber zu beachten, dass nicht jeder Gefahrstoff als gefährlich gekennzeichnet ist. Die Gründe dafür können mannigfaltig sein: Der Stoff oder das Gemisch werden erst durch eine bestimmte Tätigkeit zu einer Gefährdung; als Beispiele seien Wasser an Feuchtarbeitsplätzen oder aufgewirbelter, explosionsfähiger Mehlstaub genannt. Oder der Gefahrstoff wird erst durch eine Tätigkeit freigesetzt oder gebildet; als Beispiele seien aus Aerosolpackungen, wie Bauschaum oder Reinigern freigesetzte Lösemittel (siehe dazu z.B. die Fälle 9, 10, 12 und 26) oder bei Bautätigkeiten freigesetzte asbesthaltige Stäube (siehe dazu Teil 8 "Sanierung und Rückbau") genannt. Gefährdungen durch Tätigkeiten mit Gefahrstoffen können also jeden und jede betreffen.
Dementsprechend weit ist der Begriff Gefahrstoff in diesem Buch zu verstehen. Ein wesentlicher Fokus liegt zwar auf dem Gefahrstoffrecht im Sinne der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV), die ja für Tätigkeiten von Beschäftigten gilt und Pflichten der Arbeitgeber enthält, sowie auf Unfallverhütungsrecht mit Unternehmerpflichten. Darüber hinaus beschäftigen wir uns aber auch mit Gefahrstoffen im weiteren Sinne und berühren damit auch den Privatbereich oder das Umweltrecht. Dabei stützen sich Gerichtsurteile auf allgemeine Rechtsprinzipen – etwa die in Schadensersatzprozessen einschlägige Verkehrssicherungspflicht, die in Strafverfahren relevante Frage der Fahrlässigkeit und der Garantenposition oder Grundsätze der kaufrechtlichen Sachmängelhaftung und das Produkthaftungsrecht. Auch das Zivilrecht und das Strafrecht beinhalten also gefahrstoffrechtlich relevante Vorschriften.
Zur Verbesserung gehört immer auch das Lernen aus Erfahrung und Fehlern. Dabei ist es natürlich von Vorteil, wenn man die Fehler nicht selbst machen muss, sondern die Möglichkeit hat, aus den Fehlern anderer zu lernen. Auch die Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 400 "Gefährdungsbeurteilung für Tätigkeiten mit Gefahrstoffen" weist darauf hin, dass "Aufzeichnungen über Unfälle, Störungen des Betriebsablaufes und 'Beinahe-Unfälle' (innerbetrieblich oder aus einschlägigen Veröffentlichungen)" bei der Ermittlung von Gefährdungen zu berücksichtigen sind und "Anlass für die Überprüfung und ggf. Überarbeitung der Gefährdungsbeurteilung sein können".
Landet ein Fall vor Gericht, dann ist etwas "schief" gelaufen und häufig hat jemand (anderes) einen Fehler gemacht, aus dem sich hoffentlich lernen lässt. Diesen Ansatz verfolgen wir, indem wir Gerichtsurteile mit Bezug zum Gefahrstoffrecht vorstellen, erläutern und analysieren. Wörtliche Zitate aus den besprochenen Urteilen haben wir dabei jeweils in kursiver Schrift kenntlich gemacht. Anhand ihrer wichtigsten Aspekte haben wir die Fälle verschiedenen Themen bzw. Stadien im "Lebenszyklus" der Gefahrstoffe zugeordnet und das Buch entsprechend unterteilt, so dass es von der Abgabe bis hin zur Entsorgung reicht. Das Buch enthält folgende Kapitel:
Teil 1 Inverkehrbringen, Verkauf und Abgabe,
Teil 2 Kennzeichnung und Verwechslungsgefahren,
Teil 3 Brand- und Explosionsgefährdungen,
Teil 4 Betriebsanweisung und Unterweisung,
Teil 5 Persönliche Schutzausrüstung (PSA),
Teil 6 An Schule und Hochschule,
Teil 7 Jugendschutz und jugendlicher Leichtsinn,
Teil 8 Sanierung und Rückbau,
Teil 9 Umweltstrafrecht,
Teil 10 Entsorgung,
Teil 11 (Neben-) Wirkungen von gefahrstoffrechtlichen Regelungen.
Teil 11 ist insofern speziell, als dass er sich nicht in den "Lebenszyklus" des Gefahrstoffs einordnen lässt, sondern andere interessante Aspekte aufgreift, wie den Nachbarschutz oder eine Klage auf Beseitigung des Eintrags von Holzstaub als krebserzeugend in einer TRGS.
Im Beitrag werden die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff diskutiert. Sowohl die Herstellung durch Wasserelektrolyse als auch die Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz werden im Hinblick auf mögliche Gefahren durch die Veränderung von sicherheitstechnischen Kenngrößen unter Prozessbedingungen betrachtet.