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Seit Jahren erfährt Wasserstoff eine immer grössere Aufmerksamkeit. Was ihn ausmacht, ist seine Rollenvielfalt: Erzeugt durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energien, kann er in der Mobilität eingesetzt, in der Industrie genutzt, als chemischer Energiespeicher rückverstromt oder ins Erdgasnetz eingespeist werden. Um bei letzterem, also bei der Mischung von Wasserstoff und Erdgas, Explosionen zu vermeiden, ist das Wissen um die sicherheitstechnischen Kenngrössen erforderlich.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat die Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrössen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische im Forschungsvorhaben 2539 bestimmt. Der vorliegende Fachartikel fasst die wesentlichen Ergebnisse zusammen.
Eine gute Kenntnis der sicherheitstechnischen Kenngrössen von Methan (CH4) und Wasserstoff (H2) ist die Grundlage für das sichere Arbeiten an wasserstoffführenden Anlagen. Bei beiden Gasen kann es unter bestimmten Bedingungen zu Gasexplosionen kommen. Damit dies nicht passiert und Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer während ihrer Tätigkeiten an den Anlagen geschützt sind, müssen explosionsfähige Zustände vermieden werden.
Es wird zwischen der unteren und der oberen Explosionsgrenze unterschieden. Sie umschliessen den Bereich explosionsfähiger Gemische, in dem eine Explosion stattfinden kann. Bei binären Gemischen aus Brenngas und Luft liegt der Explosionsbereich zwischen der unteren Explosionsgrenze (UEG) und der oberen Explosionsgrenze (OEG).
Die Grenzwerte für die beiden Gase sind in Tabelle 1 festgehalten. Dass Wasserstoff einen sehr viel grösseren Explosionsbereich als Methan hat, ist gut ablesbar. Die unteren Explosionsgrenzen sind annähernd gleich, die obere Explosionsgrenze ist jedoch beim Wasserstoff sehr viel höher. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Gemische mit Luft ist bei Wasserstoff somit grösser als bei Methan (Fig. 1). Bei Reparaturarbeiten an H2-Anlagen kommt hinzu, dass für eine Inertisierung durch Stickstoffzugabe ein wesentlich höherer Anteil von Stickstoff vorhanden sein muss als an Anlagen, die methanreiche Gase führen [1].
|Kenngrösse||Wasserstoff||Methan|
|Untere Explosionsgrenze (UEG)||4,0 Vol.-% (Mol-%)||4,4 Vol.-% (Mol-%)|
|Obere Explosionsgrenze (OEG)||77,0 Vol.-% (Mol-%)||17,0 Vol.-% (Mol-%)|
Tab. 1 Untere und obere Explosionsgrenzen von Wasserstoff und Methan [1].
Für den Einsatz von Geräten in explosionsfähigen Bereichen sind die Explosionsgruppen und Temperaturklassen von grosser Bedeutung. Nach ATEX-RL 2014/34/EU dürfen nur entsprechend geeignete Geräte verwendet werden.
Wegen ihrer ähnlichen Zündtemperaturen unterscheiden sich die Temperaturklassen der beiden Gase nicht. Beiden ist die kleinste T-Klasse (T1) mit Zündtemperaturen von MIT > 450 °C zugeordnet. Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur einer erhitzten Wand eines Glaskolbens, in dem das Gas/Luft-Gemisch gerade noch zur Verbrennung mit Flammenerscheinung angeregt wird.
Methan gehört der Explosionsgruppe IIa an, während Wasserstoff wegen seiner geringen Normspaltweite der Gruppe IIc zugeordnet ist. Die Normspaltweite ist dabei der niedrigste Wert der Grenzspaltweite, bei der bei gegebener Gemischzusammensetzung ein Flammendurchschlag knapp nicht möglich ist.
Die Normspaltweite und Mindestzündenergie sind bei Wasserstoff deutlich kleiner als bei Methan. Wasserstoffexplosionen laufen in der Regel durch den sehr viel grösseren KG-Wert (zeitlicher Druckanstieg) schneller und brisanter ab. Die Anlaufstrecken von Deflagration zur Detonation sind kürzer und Druckentlastungsmassnahmen gestalten sich entsprechend schwieriger [1] (Tab. 2, Fig. 2).
|Kenngrösse||Wasserstoff||Methan|
|KG (zeitlicher Druckanstieg)||800 bar m–1 s–1||52 bar m–1 s–1|
|Normspaltweite||0,29 mm||1,14 mm|
|Mindestzündenergie||0,017 mJ||0,23 mJ|
Tab. 2 Sicherheitstechnische Kenngrössen: KG-Wert, Normspaltweite, Mindestzündenergie [1].
Die Zugabe von 10 Mol-% Wasserstoff zum Brenngas Methan bewirkt nur eine sehr geringe Erweiterung der Explosionsbereiche. Bei einer 50-Mol-%-Zugabe weitet sich der Explosionsbereich zwar deutlich auf (die OEG steigt an), ist aber noch sehr viel kleiner als bei reinem Wasserstoff. Die Aufweitung verhält sich nicht linear zum Wasserstoffanteil [1].
Figur 3 zeigt den Anstieg der OEG mit zunehmendem Anteil Wasserstoff in Erdgas-Wasserstoff-Gemischen. Die zeitlichen Druckanstiege bzw. die KG-Werte von Methan und Wasserstoff unterscheiden sich stark. Wasserstoff hat aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und Verbrennungskinetik einen etwa 12-fach höheren KG-Wert als Methan. Zusätze von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff haben noch keinen signifikanten Einfluss bei Methan. Der Explosionsdruck bleibt in etwa gleich, die KG-Werte steigen in diesem Bereich nur um etwa 5%. Ab etwa 50 Mol-% Wasserstoff ist dann ein schnellerer Anstieg des KG-Wertes zu erwarten [1].
Die Normspaltweiten (MESG) von Erdgas und Wasserstoff unterscheiden sich deutlich. Eine Klassifizierung des Gasgemisches nach Explosionsgruppe IIb würde einen hohen Aufwand für ggf. auszutauschende Geräte bei den Netzbetreibern und Verbrauchern bedeuten. Ein Zusatz von 10 Mol-% Wasserstoff verringert zwar die Normspaltweite, erreicht jedoch nicht die Explosionsgruppe IIb. Erst bei Zusätzen von etwa 30 Mol-% Wasserstoff ist dies der Fall (Fig. 4).
Im Erdgasnetz werden prozessbedingt und für den Fall von Betriebsstörungen Abblase- und Entspannungsleitungen zur Atmosphäre eingesetzt. Da hier Erdgas freigesetzt wird, müssen, z. B. bei der Erstellung von Explosionsschutzdokumenten, die explosionsgefährdeten Bereiche festgelegt werden. Dafür werden Berechnungen zur Gasausbreitung vorgenommen, die unter anderem die zu erwartenden Massenströme, die Gaseigenschaften und die Explosionsgrenzen in der Luft berücksichtigen. Um den Einfluss von Wasserstoff auf die Ausbreitungseigenschaften zu bewerten, wurden Berechnungen mit 10 Mol-% Wasserstoff durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei einer Beimischung von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff kaum eine Veränderung der Ex-Zonen feststellbar ist [1].
Gaswarnanlagen bzw. Gaswarngeräte (GWG) im Bereich der Energieversorgung dienen in der Regel der Messung von Brenngasteilen in der Luft zum Zwecke des Explosionsschutzes.
Die wichtigsten für diesen Einsatz in Frage kommenden Sensoren sind Wärmetönungssensoren (katalytische Sensoren, Pellistoren). Sie sind geeignet für die integrale Messung aller brennbaren Gase.
Infrarot-Sensoren (IR-Sensoren) messen nicht integral alle brennbaren Gase, sondern müssen auf die Zielkomponente(n) optimiert sein. Wasserstoff kann generell nicht gemessen werden. Der nicht erfasste Wasserstoffanteil (max. 10%) kann aber durch ein Herabsetzen der Alarmschwellen kompensiert werden. SnO2-Halbleitersensoren können Methan und Wasserstoff messen.
Die verwendeten Gaswarngeräte dürfen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen keine Zündquellen darstellen und müssen hierfür die Anforderungen der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU erfüllen. Wenn die GWG darüber hinaus eine Messfunktion für den Explosionsschutz gemäss dieser Richtlinie ausüben, dann ist auch hierfür ein EU-Konformitätsbewertungsverfahren durchzuführen [1].
In der EKAS-Richtlinie 6512 sind die rechtlichen Aspekte zur Instandhaltung von Arbeitsmitteln beschrieben. Art. 32b VUV (Verordnung über die Verhütung von Berufsunfällen) besagt, dass Arbeitsmittel gemäss den Angaben des Herstellers fachgerecht in Stand zu halten sind. Dazu gehört auch die Inspektion (Messen, Prüfen, Erfassen) zur Feststellung des Ist-Zustandes und Vergleich mit dem Soll-Zustand. Weiter sind die für die Instandhaltung erforderlichen Angaben den zum Arbeitsmittel gehörenden Anleitungen (Instandhaltungsanleitungen) des Herstellers zu entnehmen. Die Instandhaltung muss von entsprechend instruierten oder ausgebildeten Personen durchgeführt werden [2, 3].
Liegt ein bekanntes Gasgemisch als zu messendes Zielgas vor, so ist dieses in der Regel als Prüfgas für die Kalibrierung/Justierung zu benutzen. Die Kenntnis der unteren Explosionsgrenze (UEG) des Gasgemisches ist hierfür erforderlich. Da im Fall von Wasserstoffeinspeisung in das Gasnetz die wahre Zusammensetzung des Gasgemisches nicht bekannt ist, da Methan- und Wasserstoffanteil innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite variieren können, ist eine Kalibrierung/Justierung der GWG mit einem «Ersatzprüfgas» durchzuführen. Eine aktive Hilfestellung gibt dazu z. B. das Merkblatt T 023 (DGUV-Information 213-057) «Gaswarneinrichtungen und -geräte für den Explosionsschutz – Einsatz und Betrieb» [4]. Demnach ist ein Prüfgas zu benutzen, das als Messkomponente dasjenige Brenngas des Gasgemisches enthält, das gegenüber dem Messprinzip der benutzten Gassensoren die geringste Empfindlichkeit bezogen auf den jeweiligen Wert der unteren Explosionsgrenze bezieht (Messsignal/% der UEG). Daraus ergibt sich, dass ein Methan-Luft-Gemisch als Ersatzgas für die o. g. Sensortypen zu verwenden ist.
Wärmetönungssensoren reagieren wie SnO2-Halbleitersensoren in der Regel gegenüber Wasserstoff empfindlicher als gegenüber Methan, sodass bei einer Methan-Justierung der GWG und anschliessender Messung der Erdgas-Wasserstoffgemische etwas zu hohe Messwerte ermittelt werden. Diese Messabweichung liegt jedoch auf der sicherheitstechnisch sicheren Seite.
Beim Einsatz von IR-Sensoren ist der nicht erfasste Wasserstoffanteil durch ein Herabsetzen der Alarmschwellen zu kompensieren, nämlich um 10% der im Explosionsschutzdokument festgelegten Alarmschwelle.
Bei der Kalibrierung/Justierung von GWG sind dabei in jedem Fall auch die Herstellerangaben und die Betriebsanleitung zu berücksichtigen.
Das Merkblatt T 021 [5] gibt Anhaltspunkte für die Festlegung der Kontrollfristen sowohl für ortsfeste als auch transportable Gaswarneinrichtungen. In Tabelle 3 sind die maximalen Abstände zwischen den Kontrollen zusammengefasst. Die Intervalle werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst und müssen u. U. deutlich verkürzt werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle der Einsatzort, die Umgebungsbedingungen und aussergewöhnliche Belastungen, wie z. B. Fall aus Höhen > 1 m, genannt [5].
|Kontrollarten||Intervalle für ortsfeste GWG||Intervalle für transportable GWG|
|Sichtkontrolle||1 Monat||vor jeder Arbeitsschicht

(oder arbeitstäglich)1
|Funktionskontrolle||4 Monate (max. 1 Jahr)2||4 Monate|
|Funktionskontrolle||1 Jahr||1 Jahr|
|Aufzeichnungen||3 Jahre||3 Jahre|
Tab. 3 Kontrollintervalle für GWG [5].
1 Wenn absehbar ist, dass ein Gerät über den Schichtwechsel hinweg eingesetzt wird.
2 Bei Anwendung von Selbstüberwachungsfunktionen.
Die in explosionsgefährdeten Bereichen verwendeten Arbeitsmittel müssen der Verordnung über «Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen» (VGSEB) entsprechen. (Für Arbeitsmittel, die nicht unter den Geltungsbereich der VGSEB fallen, sind gegebenenfalls die Bestimmungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG anwendbar.)
Für die Erfüllung der Bestimmungen der VGSEB [6] ist der Hersteller verantwortlich. Für die Umsetzung der Explosionsschutzmassnahmen am Arbeitsplatz (Fig. 5) bzw. in der Arbeitsumgebung ist gemäss «Verordnung über die Verhütung von Unfällen und Berufskrankheiten» (VUV) der Arbeitgeber verantwortlich (z. B. Zoneneinteilung und Explosionsschutzdokument) [7].
[1] Schröder, V. et al. (2016): Sicherheitstechnische Eigenschaften von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen. Bundesamt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Berlin. urn:nbn:de:kobv:b43-372977
[2] BR (2018): Verordnung über die Verhütung von Unfällen und Berufskrankheiten (Verordnung über die Unfallverhütung, VUV) vom 19. Dezember 1983 (Stand am 1. Mai 2018), https://www.fedlex.admin.ch/eli/cc/1983/1968_1968_1968/de
[3] EKAS: Wegleitung zur EKAS-Richtlinie Nr. 6512 Arbeitsmittel, 6.1 Instandhalten gemäss den Angaben des Herstellers (EKAS-RL 6512 Arbeitsmittel), https://wegleitung.ekas.ch/uebersicht-wegleitung/arbeitsmittel-richtlinie
[4] DGUV (2016): Gaswarneinrichtungen und -geräte für den Explosionsschutz, Einsatz und Betrieb,
T 023 DGUV Information 213-057, Stand: Februar 2016, Version: 1.1.9, https://downloadcenter.bgrci.de/resource/downloadcenter/downloads/T023_Gesamtdokument.pdf
[5] DGUV (2016): Gaswarneinrichtungen und -geräte für toxische Gase/Dämpfe und Sauerstoff, Einsatz und Betrieb. T 021, DGUV Information 213-056, Stand: Februar 2016, https://downloadcenter.bgrci.de/resource/downloadcenter/downloads/T021_Gesamtdokument.pdf
[6] BR (2023): Verordnung über Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (VGSEB) vom 25. November 2015 (Stand 1. Januar 2023), https://www.fedlex.admin.ch/eli/cc/2016/19/de
[7] Suva (2020): Explosionsschutz – Grundsätze, Mindestvorschriften, Zonen, Publikationsnummer 2153.d, Überarbeitete Ausgabe: Februar 2020, www.suva.ch/2153.d
Der vorliegende, in den Schweizer Kontext gestellte Fachartikel fasst die wesentlichen Ergebnisse des Forschungsvorhabens 2539 «Sicherheitstechnische Eigenschaften von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen» von Schröder et al. [1] zusammen. Das Forschungsvorhaben wurde von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Zusammenarbeit mit der DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH (DBI-GUT) mit finanzieller Unterstützung durch die Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (BG ETEM) durchgeführt.
Download des Abschlussberichtes
http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-372977
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