Explosionsschutz für Wasserstoffanwendungen

Für Betreiber, Anlagenbauer und Investitionsentscheider bedeutet das: Sicherheitskonzepte müssen von Beginn an spezifisch auf Wasserstoff zugeschnitten sein. Das Zusammenwirken einer äußerst niedrigen Mindestzündenergie, eines breiten Explosionsbereichs in Luft und einer hohen Flammgeschwindigkeit führt dazu, dass bewährte Sicherheitsannahmen aus dem Erdgas- oder Methanbetrieb nur eingeschränkt übertragbar sind. Besonders relevant ist dies für neue Anwendungsfelder außerhalb klassischer chemischer Großanlagen, zum Beispiel bei Elektrolyseuren für die lokale Wasserstoffproduktion oder dezentralen Speicherlösungen

Physikalische Eigenschaften als Ausgangspunkt der Risikoanalyse

Bereits Konzentrationen ab etwa 4 Vol.-% Wasserstoff in Luft sind zündfähig, nach oben reicht der Bereich der Explosionsfähigkeit bis rund 75 Vol.-%.Gleichzeitig genügt eine sehr geringe Energie, etwa aus elektrostatischen Entladungen, um ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu entzünden (siehe Tabelle 1). Hinzu kommt die geringe Molekülgröße von Wasserstoff. Sie führt dazu, dass das Gas selbst durch kleinste Undichtheiten entweichen und zudem durch bestimmte Werkstoffe permeieren kann.

Diese Eigenschaften haben direkte Konsequenzen für die Auslegung von Anlagen. Vereinfachte Annahmen wie „das Gas verflüchtigt sich schnell nach oben“ greifen nur unter günstigen Randbedingungen, etwa in offenen Bereichen mit freier Abströmung. In geschlossenen oder teilgeschlossenen Räumen wie beispielsweise Containern, Technikräumen oder Dachbereichen kann sich Wasserstoff lokal anreichern. Ohne geeignete Lüftung und Überwachung kann sich dadurch eine gefährliche, explosionsfähige Atmosphäre bilden, die im Normalbetrieb unentdeckt bleibt.

Explosionsschutz als dreistufiges Gesamtkonzept

In der Praxis hat sich ein gestuftes Vorgehen bewährt, das auch in den europäischen Regelwerken (insbesondere der Atex-Richtlinie 1999/92/EG) verankert ist. Es folgt dem Grundsatz, die Bildung explosionsfähiger Atmosphären möglichst zu vermeiden, wirksame Zündquellen auszuschließen und – falls beides nicht vollständig gelingt – die Auswirkungen potenziell gefährlicher Ereignisse zu begrenzen. Entscheidend ist dabei, die drei Schutzstufen nicht isoliert zu betrachten, sondern als zusammenhängendes Gesamtkonzept.

Was ist Explosionsschutz?

Beim Betrieb prozesstechnischer Anlagen dürfen keine Explosionen auftreten – leider können trotz aller Sicherheitsvorkehrungen Unfälle geschehen. Explosionsschutz bedeutet, das Risiko solcher Ereignisse sowie deren Folgen im Ernstfall zu minimieren. Aber wie erreicht man das?

Primärer Explosionsschutz: Freisetzungen vermeiden

Die wirksamste Maßnahme besteht darin, das Austreten von Wasserstoff so weit wie möglich zu verhindern. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Konzept der technischen Dichtheit. Technisch dicht im Sinne der TRGS 722 ist eine Anlage oder ein Anlagenteil, aus der oder dem bei bestimmungsgemäßem Betrieb Gefahrstoffe nicht in gefährlicher Menge austreten können. Kurzzeitige beziehungsweise geringfügige Freisetzungen sind in der Gefährdungsbeurteilung zu berücksichtigen. Sie führen jedoch nicht zwingend zur Ausweisung einer Ex-Zone, sofern sie selten auftreten und sicher beherrscht werden.

Freisetzungen sind nach EN 60079-10-1 nach Grad (kontinuierlich, primär, sekundär) und Freisetzungsrate zu bewerten. Aufgrund der geringen Molekülgröße und hohen Diffusionsneigung von Wasserstoff sind besondere Anforderungen an Dichtsysteme zu stellen. Deshalb wird typischerweise eine Kombination aus Leckageüberwachung, Sensorik und Lüftung eingesetzt.

Sekundärer Explosionsschutz: Zündquellen ausschließen

Die zweite Schutzstufe ist auf den konsequenten Ausschluss wirksamer Zündquellen ausgerichtet. Elektrostatische Entladungen, heiße Oberflächen, mechanisch erzeugte Funken und elektrische Betriebsmittel erfordern wegen des Zündverhaltens von Wasserstoff besondere Aufmerksamkeit.

Erdungs- und Potenzialausgleichskonzepte sind so auszulegen, dass elektrische Ladungen sicher abgeführt werden. Isolierende Beschichtungen, die eine Aufladung begünstigen können, sind kritisch zu prüfen. Elektrische und elektronische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen entsprechend der vorgesehenen Zone ausgewählt und konformitätsbewertet sein, in Europa auf Grundlage der Atex-Richtlinie 2014/34/EU, international häufig im Rahmen des Iecex-Systems.

Eng mit der Zündquellenvermeidung verknüpft ist die funktionale Auslegung von Gasdetektion, Lüftungsüberwachung und sicherheitsgerichteten Abschaltungen. Diese müssen so konzipiert sein, dass sie im Ereignisfall definierte Reaktionen auslösen und keine zusätzlichen Zündquellen schaffen.

Sicherheitsherausforderungen von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein leicht flüchtiges und brennbares Gas, dessen Sicherheitsrisiken nicht zu unterschätzen sind. Mit einer Risikoanalyse sowie der richtigen Auswahl und Anordnung von Gaswarnsystemen sind diese jedoch gut beherrschbar.

Tertiärer Explosionsschutz: Auswirkungen begrenzen

Selbst bei sorgfältiger Planung lässt sich ein Restrisiko nicht vollständig ausschließen. Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes zielen daher darauf ab, die Auswirkungen einer Explosion zu begrenzen. Dazu zählen unter anderem explosionsdruckfeste Ausführungen, gezielte Explosionsdruckentlastungen, Flammendurchschlagsicherungen oder Abschottungskonzepte zum Schutz angrenzender Bereiche.

Diese Maßnahmen sollten bereits in die Anlagenplanung einfließen. Nachträgliche Anpassungen sind technisch anspruchsvoll und meist nur mit erheblichem wirtschaftlichem Aufwand realisierbar.

Zoneneinteilung und Lüftung in der Praxis

Die Zoneneinteilung ist das Ergebnis der Gefährdungsbeurteilung und basiert auf der Bewertung möglicher Freisetzungen sowie der Wirksamkeit und Verfügbarkeit der Lüftung. Nach EN IEC 60079-10-1 erfolgt eine qualitative Einstufung einer Anlage in die Zonen 0, 1 oder 2 oder – sofern das Auftreten einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre nicht zu erwarten ist – in einen nicht explosionsgefährdeten Bereich.

Gerade bei Wasserstoffanlagen in Containerbauweise oder modularer Ausführung ist diese Bewertung anspruchsvoll. Geometrie, Einbauten, Türen oder Filter beeinflussen die Strömungsverhältnisse erheblich. In der Praxis kommen daher Messungen, beispielsweise mit Tracergasen, oder strömungsmechanische Simulationen zum Einsatz, um die Lüftungswirksamkeit realistisch zu bewerten. Die Ergebnisse fließen in die Zoneneinteilung und die Auswahl geeigneter Betriebsmittel ein.

Nationale Vorschriften und internationale Projekte

Ein zusätzlicher Planungsfaktor ergibt sich aus der regulatorischen Landschaft. Während Anforderungen an Geräte und Schutzsysteme durch internationale Normen und Zertifizierungssysteme weitgehend harmonisiert sind, ist der primäre Explosionsschutz stark national geprägt. In Deutschland konkretisieren insbesondere die Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS 720 bis 727) die Betreiberpflichten aus der Atex-Betreiberrichtlinie und beschreiben, wie Gefährdungsbeurteilungen und Zoneneinteilungen vorzunehmen sind.

In anderen Regionen gelten abweichende Konzepte. In den USA erfolgt die Einstufung häufig nach dem National Electrical Code mit Class- und Division-Systemen. Auch bei vergleichbarer Technik kann dies zu unterschiedlichen Bewertungen führen. Für international tätige Hersteller bedeutet das, Sicherheitskonzepte frühzeitig auf verschiedene Märkte auszurichten und Mehrfachzertifizierungen einzuplanen.

Aktuelle Wasserstoff-Projekte in Europa

Wasserstoff als Energieträger gilt als Lösung zur Dekarbonisierung von Industriezweigen mit hohem Energiebedarf, die nur schwer zu elektrifizieren sind. Die Übersicht zeigt aktuelle Projekte für den Hochlauf der Wasserstoff-Wirtschaft.

Was kostet Wasserstoff jetzt und in Zukunft?

Alle sind sich einig, dass gerade grüner Wasserstoff in unserem Energiesystem eine immer größere Rolle spielen wird. Doch wieviel kostet Wasserstoff eigentlich und wie werden sich die Preise weiter entwickeln?

Praxisbeispiel: Wasserstoffanlage in Containerbauweise

Ein Hersteller mobiler Wasserstoffanlagen stand vor der Aufgabe, Elektrolyse, Verdichtung, Speicherung und Rückverstromung in einer Anlage in Containerbauweise zu integrieren. Die kompakte Bauweise erhöhte die Anforderungen an Dichtheit, Lüftung und Zündquellenkontrolle. Ziel war ein Sicherheitskonzept, das sowohl Betrieb als auch Transport und internationale Zulassung berücksichtigt.

Im Mittelpunkt des primären Explosionsschutzes stand eine durchgängige Dichtheitsstrategie. Werkstoffe und Verbindungstechniken wurden gezielt auf Wasserstoffanwendungen ausgelegt und es wurde eine kontinuierliche Leckageüberwachung implementiert. Sensoren detektierten bereits geringe Konzentrationen und lösten abgestufte Sicherheitsfunktionen aus. Parallel wurde das Lüftungskonzept mithilfe strömungsmechanischer Simulationen optimiert, um auch in Randbereichen eine schnelle Verdünnung sicherzustellen.

Für den sekundären Explosionsschutz kamen ausschließlich geeignete und konformitätsbewertete elektrische Betriebsmittel zum Einsatz. Bei erkannten Abweichungen schaltete das System nicht sicherheitsrelevante Stromkreise ab, während Überwachung und Lüftung funktionsfähig blieben. Konstruktive Maßnahmen wie explosionsdruckfeste Ausführung und definierte Druckentlastungen begrenzten die Auswirkungen eines möglichen Ereignisses.

Das Projekt zeigt, dass für einen wirksamen Explosionsschutz bei der Herstellung, Lagerung und Nutzung von Wasserstoff ein abgestimmtes Gesamtkonzept erforderlich ist, das technische, organisatorische und regulatorische Aspekte verbindet.