Auf numerisch sicher

Heiße Gase unter Druck: Störfälle sicher beherrschen

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13.03.2017 Die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse ist zuverlässig und sicher – zumindest im Normalbetrieb. Doch was passiert bei unvorhergesehenen Ereignissen?

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Gase stehen in komplexen chemischen und physikalischen Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung. Um Sicherheitsrisiken sowohl im Betrieb wie auch im Störfall korrekt einschätzen zu können, empfiehlt sich eine fluiddynamische Simulation.
  • Ein solches Modell bildet das komplette System inklusive aller Maschen und Verzweigungen ab.
  • Mit der Methode lassen sich nicht nur präventiv verschiedene Zustände durchspielen. Sie eignet sich auch nur Schadensforensik nach eingetretenem Ernstfall.

Bild: TÜV Süd

Die Prozessindustrie arbeitet oft mit gefährlichen Gasen. Eine fluiddynamische Simulation kann hier entscheidend für die Sicherheit sein.
Bild: 3dkomibnat / chalermchai k – Fotolia

Die Simulation ermöglicht es Betreibern, die komplexen Wechselwirkungen der Gase besser bewerten zu können. Bild: TÜV Süd

Die Simulation ermöglicht es Betreibern, die komplexen Wechselwirkungen der Gase besser bewerten zu können.
Bild: TÜV Süd

TÜV Süd unterstützte einen Hersteller von Elektrolyseanlagen dabei, mögliche Risiken mittels fluiddynamischer Analyse zu identifizieren und auf dieser Basis ein sicheres Anlagenkonzept zu entwickeln.

Risikofaktor Knallgasreaktion

Die Elektrolyse ist ein sicherer, beherrschbarer Prozess – unter der Voraussetzung, dass Wasserstoff und Sauerstoff an keiner Stelle der Anlage ein kritisches Mischungsverhältnis bilden. Sonst kann es zu einer Knallgasreaktion kommen, die für Mensch, Maschine und Umwelt mit erheblichen Risiken verbunden ist. Eine Herausforderung für Konstrukteure und Anlagenplaner, da sie die Sicherheit des Systems nicht nur im normalen Betrieb, sondern auch im Fall von Betriebsstörungen gewährleisten müssen. Aus diesem Grund beauftragte ein Elektrolyseanlagenhersteller TÜV Süd Industrie Service damit, sein Anlagenkonzept zu evaluieren. Der Hersteller prüft die Elektrolyseanlagen vor der Auslieferung an seine Kunden auf einem eigenen Teststand über einen Zeitraum von mehreren Tagen. Im Unterschied zum späteren Produktionseinsatz speichert der Anlagenbauer den dabei erzeugten Wasserstoff nicht, sondern leitet ihn über ein Abgassystem über das Gebäudedach in die Außenatmosphäre ab. Als Sicherheitsmaßnahme wird das gesamte Rohrleitungssystem mit Stickstoff inertisiert, um zu verhindern, dass kritische Wasserstoff-Sauerstoff-Gemische entstehen. Im regulären Testbetrieb ermöglicht diese Maßnahme eine ausreichende Sicherheit. Doch was passiert, wenn es zu einem Brand kommt und in der Folge die Stromversorgung zusammenbricht? Ist die Sicherheit auch in einer solchen kritischen Situation gewährleistet?

Greifen die Sicherheitsmaßnahmen?

Der Hersteller der Elektrolyseanlagen hatte bereits Schutzmaßnahmen in seinem Anlagenkonzept implementiert. Um die Explosionsgefahr zu verhindern, soll ein installiertes Sicherheitssystem den Wasserstoff beim Zusammenbruch der Stromversorgung innerhalb kürzester Zeit aus den Elektrolyseuren ausleiten. Dies geschieht über elektromagnetische Ventile, die sich dann automatisch öffnen. Gleiches gilt für die Stickstofftanks, die ebenfalls mit elektromagnetischen Ventilen ausgestattet sind. Das gemeinsame Ausleiten der beiden Gase soll vermeiden, dass die Wasserstoffkonzentration die explosionskritische Grenze erreicht. Die Experten sollten nun untersuchen, ob dieses Ziel zu jeder Zeit im gesamten Rohrleitungssystem erreicht wird.

Fluiddynamische Simulation schafft Klarheit

Dazu bildeten sie das gesamte Abgassystem inklusive aller Maschen und Verzweigungen auf Basis der Anlagenpläne in einem mathematischen Modell ab. Dieses berücksichtigte die unterschiedlichen Rohrparameter wie Länge und Querschnitt der Leitungen und die Oberflächenbeschaffenheit auf der Innenseite des Rohrsystems. In die Berechnungen flossen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Gase und die Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Volumen beziehungsweise Stoffmenge in den Elektrolyseuren und Stickstofftanks ein. Unter Berücksichtigung der Zustandsgleichung idealer und realer Gase sowie der Erhaltungssätze für Masse und Energie ließen sich die Vorgänge beim Abströmen sowohl mit hoher zeitlicher als auch räumlicher Auflösung modellieren. Da die Vorgänge innerhalb weniger Millisekunden ablaufen und die Wechselwirkungen komplex sind, gibt es kaum eine Alternative zur numerischen Simulation.

Gefahrenzone lokalisiert

Die fluiddynamische Analyse ergab, dass der Stickstoff den Wasserstoff nach dem Öffnen der Ventile in die Elektrolyseure zurückdrängt. Grund dafür ist der höhere Druck in den Stickstofftanks. Erst nach dem Druckausgleich strömen beide Gase im vorgesehenen Mischungsverhältnis gemeinsam ab. Dies hatte jedoch keine negativen Auswirkungen innerhalb des Rohrleitungssystems. Hier griff die Inertisierung, und der Explosionsschutz war auch im Falle der simulierten Störung gegeben. Anders sah es am Auslass aus, über den die Gase aus der Anlage in die Atmosphäre gelangen: Hier deckte die fluiddynamische Simulation eine Schwachstelle im Sicherheitssystem auf. An der Stelle, an der sich der Wasserstoff mit der Umgebungsluft vermischt, kann die kritische Wasserstoffkonzentration überschritten und eine Explosionsgefahr nicht ausgeschlossen werden. Damit lautet das Fazit der Experten: Die Anlage ist im Normalbetrieb als sicher einzustufen, nicht jedoch im Falle der betrachteten Betriebsstörung.

Grundlage für ein verbessertes Anlagenkonzept

Entzündliche oder explosive Gase stellen ein beträchtliches Sicherheitsrisiko dar. Fluiddynamische Simulationen helfen, die komplexen chemischen und physikalischen Wechselwirkungen innerhalb verfahrenstechnischer Anlagen besser zu verstehen und Gefahrenquellen zu identifizieren. Empfehlenswert sind daher eine Prüfung und ein abschließendes Gutachten durch unabhängige Sachverständige. Planer und Betreiber können so geeignete Gegenmaßnahmen implementieren und Haftungsrisiken minimieren. So hat der Hersteller von Elektrolyseanlagen sein Anlagenkonzept auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse überarbeitet und verbessert. Auch im Ernstfall ist die Explosionsgefahr nun gebannt.

Zur Dienstleistung: Schadensforensik mittels fluiddynamischer Berechnungen

Fluiddynamische Simulationen eignen sich nicht nur zur Vorhersage der Auswirkungen von Betriebsstörungen, sondern können auch zum Einsatz kommen, um Schadensfälle zu rekonstruieren – wie im folgenden Fallbeispiel:
In einem Heizkraftwerk kam es zu einem Unfall, bei dem ein Mitarbeiter durch austretenden heißen Wasserdampf verletzt wurde. TÜV Süd sollte im Auftrag des Betreibers herausfinden, wie es zu dem Zwischenfall kommen konnte. Auf welchem Weg und vor allem wie schnell konnte der heiße Wasserdampf in den Beschickungsbunker der Anlage gelangen, nachdem ein Verdampferrohr geplatzt war? Im regulären Betrieb ist der Bunker, über den der Energieträger in den Brennraum gelangt, frei von Wasserdampf. Die Vorgänge konnten die Experten durch fluiddynamische Berechnungen analysieren und aufklären: Nach dem Bersten des Rohres strömte Dampf aus dem Verdampferrohr in den Kessel. Das nachfließende Kesselspeisewasser entspannte sich in den Feuerraum hinein, wodurch ein Teil spontan verdampfte. Temperaturen im Feuerraum von über 1.000 °C führten dazu, dass sich das Dampfvolumen zusätzlich erhöhte. Infolgedessen stieg der Druck im Feuerkessel soweit an, dass das Dampf-Rauchgasgemisch sowohl über den Kamin als auch die Frischluftzufuhr und den Beschickungsbunker herausgepresst wurde.
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Heftausgabe: März 2017

Über den Autor

Dr. Jörg Sager, TÜV Süd Industrie Service
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