Der richtige Umgang mit Erdgas-Wasserstoff-Gemischen

WASSERSTOFF-ERDGAS-GEMISCHE

Explosionsbereiche

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].

Normspaltweiten

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).

Berechnungen von explosionsgefährdeten Bereichen

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].

EINSATZGRUNDSÄTZE FÜR GASWARNGERÄTE

Gaswarnanlagen bzw. Gaswarngeräte (GWG) im Bereich der Energieversorgung dienen in der Regel der Messung von Brenngasteilen in der Luft zum Zwecke des Explosionsschutzes.

Gaswarngeräte im Explosionsschutz

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].

Kalibrierung und Justierung der GWG

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].

Tab. 3 Kontrollintervalle für GWG [5].

¹  Wenn absehbar ist, dass ein Gerät über den Schichtwechsel hinweg eingesetzt wird.
² Bei Anwendung von Selbstüberwachungsfunktionen.

Explosionsschutzmassnahmen

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].

Bibliographie

[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