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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.
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.
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.
Im Vortrag werden zum einen sicherheitstechnische Aspekte bei der Herstellung von Gasgemischen aus geringen Anteilen an Lachgas und brennbaren Gasen diskutiert. Zum anderen werden allgemein Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden zur sicherheitstechnischen Beurteilung der Herstellung von Gasgemischen mit brennbaren und oxidierenden Komponenten vorgestellt.
Im Vortrag wird auf die sicherheitstechnische Beurteilung in Hinblick auf den Explosionsschutz bei der Herstellung und Füllung von Gasgemischen mit brennbaren und mit oxidierenden Komponenten eingegangen. Anhand von Beispielen werden u.a. Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden beschrieben, anhand derer beurteilt werden kann, ob Gasgemische überhaupt sicher hergestellt werden können und in welcher Reihenfolge die Komponenten zur sicheren Herstellung der Gemische gefüllt werden sollten.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
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.
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.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 94/9/EG fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen als auch die abgetrennten Partikel können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen. Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm EN 13463-1:2009 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen haben, werden in Deutschland durch die 9. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (9. ProdSV, Maschinenverordnung) und speziell für atmosphärische Bedingungen in der 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (11. ProdSV, Explosionsschutzverordnung bis 19.4.2016 bzw. Explosionsschutzprodukteverordnung ab 20.04.2016) geregelt. Wesentlicher Inhalt dieser Verordnungen und der Europäischen Richtlinie 2014/34/EU sind die Begriffsdefinitionen für Geräte, Schutzsysteme und Komponenten, das System der Konformitätsbewertung und die Konformitätserklärung, sowie die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen. Es gilt dabei das Prinzip der Herstellerverantwortung. Der Hersteller eines Produktes dokumentiert die Erfüllung der Richtlinienanforderungen mit seiner Konformitätserklärung und der Kennzeichnung des Produktes mit dem CE-Zeichen.
Nach dem Prinzip der integrierten Explosionssicherheit sind bei der Planung von Anlagen
folgende Maßnahmen in Betracht zu ziehen:
a) Vermeidung der Bildung von explosionsfähiger Atmosphäre
b) Vermeidung der Entzündung von explosionsfähiger Atmosphäre und
c) Vorrichtungen, die anlaufende Explosionen umgehend stoppen und/oder den von einer Explosion betroffenen Bereich begrenzen.
Im Folgenden werden einige Aspekte der konstruktiven Maßnahmen zur Auswirkungsbegrenzung von Explosionen nach c) erläutert.
Die vier wesentlichen, eingeführten und erprobten derartigen Schutzmaßnahmen sind Explosionsdruckentlastung, explosionsfestes Gerät, Explosionsunterdrückung und Explosionsentkopplung.
Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen fallen unter die europäische Richtlinie 2014/34/EU /1/. Diese ist eine Richtlinie zur Harmonisierung des Handels (Beschaffenheitsrichtlinien) nach Artikel 114 des Vertrages über die Arbeitsweise der Europäischen Union /2/ (früher Artikel 95 EG-Vertrag) und regelt grundlegende Anforderungen an die Sicherheit der entsprechenden Geräte. Die Forderungen der Richtlinien nach Artikel 114 werden durch harmonisierte europäische Normen konkretisiert. Hinsichtlich der grundlegenden Struktur der Normen im nicht-elektrischen Bereich unterscheidet man dabei:
A-Normen
• Normen zu Grundprinzipien des Explosionsschutzes, wie Gefährdungsbeurteilung und Zündgefahrenbewertung
B-Normen
• Normen zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen
• Normen für nicht-elektrische Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen
• Normen zu konstruktiven Explosionsschutzmaßnahmen
C-Normen
• Normen für spezielle Geräte oder Schutzsysteme, wie Flammendurchschlagsicherungen oder Ventilatoren
Von besonderer Bedeutung für nicht-elektrische Geräte sind die Normenreihe DIN EN 13463ff/3/ und die DIN EN ISO 80079-36 /4/ und DIN EN ISO 80079-37 /5/.
Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen fallen unter die europäische
Richtlinie 2014/34/EU /1/. Diese ist eine Richtlinie zur Harmonisierung des Handels
(Beschaffenheitsrichtlinien) nach Artikel 114 des Vertrages über die Arbeitsweise der
Europäischen Union /2/ (früher Artikel 95 EG-Vertrag) und regelt grundlegende
Anforderungen an die Sicherheit der entsprechenden Geräte. Die Forderungen der Richtlinien
nach Artikel 114 werden durch harmonisierte europäische Normen konkretisiert. Hinsichtlich der grundlegenden Struktur der Normen im nicht-elektrischen Bereich
unterscheidet man dabei:
• A-Normen
o Normen zu Grundprinzipien des Explosionsschutzes, wie
Gefährdungsbeurteilung und Zündgefahrenbewertung
• B-Normen
o Normen zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen
o Normen für nicht-elektrische Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen
o Normen zu konstruktiven Explosionsschutzmaßnahmen
• C-Normen
o Normen für spezielle Geräte oder Schutzsysteme, wie
Flammendurchschlagsicherungen oder Ventilatoren
Von besonderer Bedeutung für nicht-elektrische Geräte sind die Normenreihe DIN EN 13463ff
/3/ und die DIN EN ISO 80079-36 /4/ und DIN EN ISO 80079-37 /5/.
Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen haben, werden in Deutschland durch die 9. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (9. ProdSV, Maschinenverordnung) /2/ und speziell für atmosphärische Bedingungen in der 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz (11. ProdSV, Explosionsschutzverordnung /3/ bis 19.4.2016 bzw. Explosionsschutzprodukteverordnung /4/ ab 20.04.2016) geregelt.Wesentlicher Inhalt dieser Verordnungen und der Europäischen Richtlinie 2014/34/EU sind die Begriffsdefinitionen für Geräte, Schutzsysteme und Komponenten, das System der Konformitätsbewertung und die Konformitätserklärung, sowie die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen. Es gilt dabei das Prinzip der Herstellerverantwortung. Der Hersteller eines Produktes dokumentiert die Erfüllung der Richtlinienanforderungen mit seiner Konformitätserklärung und der Kennzeichnung des Produktes mit dem CE-Zeichen.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
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.