Expertenforum zum Explosionsschutz adressiert alte und neue Herausforderungen

Welche Ökobilanz hat ein Schaltschrank für den Ex-Bereich? Dieser ungewöhnlichen Frage ist Jürgen Poidl, Head of Business Development bei R. Stahl mit seinem Team nachgegangen. Der Hintergrund: Das Unternehmen hatte 2018 eine neue Technik für druckfest gekapselte Schaltschränke in Leichtbauweise vorgestellt. Das Explosionsschutzkonzept beruht bei den „Expressure“ genannten Gehäusen im Gegensatz zur klassischen druckfesten Kapselung nicht auf dicken Wänden aus Aluminium oder Stahl, sondern nutzt Druckentlastungsflächen aus Drahtgewebe (siehe CT-Bericht hier). Dass dies über die einschlägigen Normen möglich ist, zeigte zunächst Wolfgang Berner, Manager der Business Unit Electrical Products bei R. Stahl.

Die Technik spricht für sich: Die Geräte sind leichter, kompakter, flexibel nachrüstbar und deutlich günstiger als klassische druckfest gekapselte Gehäuse. „Im Vergleich zu unseren Cubex-Schränken brauchen die Expressure-Schaltschränke 45 % weniger Platz und wiegen 42 % weniger“, erläuterte Jürgen Poidl. Augenscheinlich wird der Unterschied beim Vergleich der Klimabilanz. Wo bei einem Aluminium-Schrank in Ex-d-Ausführungen Kohlendioxid-Emissionen von 12,4 Tonnen entstehen, bilanziert der Hersteller für die Leichtbauweise nur knapp 1,9 Tonnen CO2.  In der Mitte liegt da mit 6,8 Tonnen der druckfeste Schaltschrank in Stahlausführung. Aber ist die Klimabilanz eines Schaltschranks eine relevante Produkteigenschaft? „Heute vielleicht noch nicht, aber das Bewusstsein steigt“, meint Poidl.

Eine größere Betonung der notwendigen sicherheitrelevanten Maßnahmen beim Umgang mit Wasserstoff in den zukünftigen vielfältigen Wasserstoffanwendungen fordert dagegen Prof. Dr. Anhold, Vice President President Strategy & Technology bei R. Stahl von der Politik ein. In der Öffentlichkeit werde gegenwärtig vorrangig auf die zweifellos gegebenen Chancen eingegangen, die Wasserstoff als Energieträger und Rohstoff zukünftig eröffnet. Die Betrachtung der Risiken und deren ausreichende Verringerung kommt dagegen häufig zu kurz. So bietet insbesondere der Explosionsschutz einige besondere Herausforderungen:  So breitet sich eine Wasserstoffflamme fast zehnmal schneller aus als brennendes Methan. Dazu kommt, dass Wasserstoff weniger Wärme abstrahlt und die Flamme bei Tageslicht praktisch unsichtbar ist. „Das macht es schwierig, Wassserstoff-Brände zu erkennen“, so Arnhold. Hier finden Sie unsere interaktive Karte mit den wichtigsten Wasserstoff-Projekten in Deutschland.

Der hohe Diffusionskoeffizient des Gases sorgt außerdem dafür, dass sich Wasserstoff anders ausbreitet als klassische Kohlenwasserstoff-Gase. Weitere Besonderheiten sind die geringe Viskosität des Gases, die für vergleichsweise hohe Durchflussraten sorgt – das Molekül diffundiert sehr leicht durch poröse Stellen an Dichtungen und Rohrleitungen. „Deshalb kann man Wasserstoff nicht ohne Weiteres über Erdgasleitungen transportieren. Einer Umwidmung muss eine Prüfung der Eignung aller Bestandteile der Pipelines und ggf. eine Umrüstung vorangehen. Das benötigt seine Zeit“, meint Arnhold.

Sicherheitsrelevant sind allerdings auch noch weitere Eigenschaften des Gases: Weil Wasserstoff nach Helium den niedrigsten Siedepinkt (20,3K) hat, kann es beim Umgang mit flüssigem Wasserstoff an unzureichend isolierten Anlagenteilen zum Ausfrieren von Stickstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft und zum Verstopfung von Leitungen und Armaturen sowie zu gefährlichen Sauerstoffanreicherungen kommen.

Den Aspekt mechanischer Zündquellen für Wasserstoff-Luft-Gemische wurde in den vergangenen Jahren auch bei der Bundesanstalt für Materialprüfung, BAM, untersucht. Dort ging man unter anderem der Frage nach, wie sich die Wirksamkeit von Schlagfunken als Zündquelle ändert, wenn Wasserstoff Erdgas beigemischt wird, berichtete Dr. Rainer Grätz. Konkretes Beispiel ist die Bildung von Schlag- und Reibfunken an Gabelstapler-Zinken, die beispielsweise beim Transport von Wasserstoff-Gasflaschen zur Zündquelle werden können.

Dass es bislang kaum zu Unglücken beim Umgang mit Wasserstoff kommt, führt Arnhold darauf zurück, dass das Gas bislang vor allem in Betrieben der Chemie genutzt wird, in denen geschultes Personal vorhanden ist. „Künftig wird das Thema raus aus den geschützten Gebieten hin zu den Laien getragen – Wasserstoff-Tankstellen in der Fläche und Brennstoffzellen in Autos und Haushalten erfordern ganz neue, gehärtete Sicherheitskonzepte“, so Arnhold. Denn Untersuchungen der Nasa zufolge waren bereits in der Vergangenheit vor allem Bedienungsfehler und Verfahrensfehler die Hauptursachen für Unglücke im Umgang mit Wasserstoff.

„Wirksame Schutzkonzepte und Explosionsschutz beim Umgang mit Wasserstoff sind auch deshalb wichtig, weil Unfälle die Akzeptanz für Wasserstoff in der Bevölkerung gefährden“, sagt Arnhold. Mögliche Maßnahmen sind in erster Linie, die Dichtheit der Anlagen sicherzustellen und eine wirksame Belüftung, um Konzentrationen größer 1 % zu vermeiden. Alle aktuellen Meldungen rund um die industrielle Nutzung von Wasserstoff finden Sie in unserem Ticker-Stream.

Dr. Michael Dzieia, Site Management, Technical Plant Safety beim Pharma- und Chemieunternehmen Merck, legte den Finger in die Wunde, die sich bei der Qualifizierung und Qualifikation von Mitarbeitern im Ex-Schutz auftut. Konkret die Frage, wer bei den Betreibern von Ex-Anlagen zur „befähigten Person“ oder „fachkundigen Person“ im Sinne des Explosionsschutzes geeignet ist. Denn für einzelne Aspekte des Explosionsschutzes wie beispielsweise Lüftungs- und Inertisierungseinrichtungen oder Elektrostatik gibt es im Gegensatz zum elektrischen Explosionsschutz kaum Schulungsangebote.

In der betrieblichen Praxis stellte Dzieia fest, dass die Qualifikation für die Ausrüstung von Ex-Anlagen bei Dienstleistern stark schwankt und oft nicht in ausreichendem Maße vorhanden ist. Der Chemie- und Pharmahersteller hat deshalb ein eigenes Qualifikationskonzept entwickelt, das auf einem Schulungskatalog beruht, der auf den tatsächlich benötigten Qualifikationen der Beteiligten aufsetzt: „Wer muss was wissen?“, so die Leitfrage.

Mit der Frage, mit welchen Lernmethoden Mitarbeiter besonders effizient qualifiziert werden können, beschäftigt sich auch Patrick Dyrba, vom Schulungsdienstleiser Dyrba Explosionsschutz. Weil sich die „befähigten Personen“ einer Umfrage zufolge nur in 10 bis 20 % ihrer Arbeitszeit mit Ex-Themen beschäftigen, bleibt die gezielte Weiterbildung ein Schlüssel zum sicheren Umgang mit Ex-Anlagen.

Wichtig ist das auch schon deshalb, weil Veränderungen im Regelwerk, wie zum Beispiel die aktuelle Neufassung der TRGS-720-Reihe, immer wieder neue Fragen zur Interpretation des Regelwerks aufwerfen. Dr. Oswalt Losert von der BG RCI zeigte dazu sehr anschaulich, wie sich das auf die explosionstechnische Gefährdungsbeurteilung auswirkt.  

Aber auch der elektrische Explosionsschutz wird dabei wichtig bleiben. Und dieser ist in der Prozessindustrie eingebettet in eine sich aktuell stark wandelnde Automatisierungsstruktur. Welche Konzepte die Prozessautomatisierer aktuell vorantreiben, zeigte Michael Pelz, Automation & Digitization Manager Colorants Solutions Deutschland und Mitglied des Vorstands der Anwendervereinigung Namur.

Pelz stellte dar, welchen Mehrwert der Einsatz neuer Konzepte wie APL, NOA und MTP und deren Zusammenspiel mit der Verwaltungsschale der Industrie 4.0 für Anlagenbetreiber bringen können. APL – oder auch „Ethernet APL“ genannt, bezeichnet dabei eine neue Kommunikationstechnik, bei der Feldgeräte nicht mehr über 4 – 20 mA-Leitungen verkabelt werden, sondern über eine 2-Draht-Ethernet-Leitung. Dadurch ist eine deutlich schnellere und umfangreichere Kommunikation mit den Geräten möglich. „Ethernet APL bedeutet gegenüber Hart oder Profibus PA einen Quantensprung bei der Geräteinbetriebnahme“, erklärte Pelz und zeigte, dass die Nachrüstung von Ethernet APL auch in bestehenden Anlagen sinnvoll ist, wenn neue Teilanlagen installiert werden. So kann beispielsweise die Infrastruktur (Verkabelung) von Feldbusanlagen weitgehend übernommen werden, um auf APL zu migrieren.

Im Vortrag von Andre Fritsch, Senior Product Manager bei R. Stahl, wurde dazu das Thema Nachweis der Eigensicherheit von Ethernet APL und der Verkabelung diskutiert. Einerseits ist dieser durch das seit März 2021 IEC TS 600079-47 beschriebene Konzept 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet (2-WISE) einfach möglich. Andererseits können vorhandene Feldbus- und mit Einschränkungen sogar 4...20-mA-Kabel weiterverwendet werden. Eingeschränkt deshalb, weil alte, ungeschirmte 2-Leiter-Kabel dann in der Distanz beschränkt sind. Zur Achema will R. Stahl einen APL Field Switch vorstellen, der die Verbindung zwischen Feldgeräten herstellt und diese versorgt.

„Ich würde jetzt nicht mehr bei neuen und insbesondere kleineren Projekten in 4...20-mA-Technik investieren, sondern APL verwenden. Wenn für eine Nische noch ein Gerät fehlt, würde ich das mit Profibus lösen und dann später gegen APL-Geräte tauschen“, so Pelz.

Für die Gerätebeschreibung hoffen die Anwender auf den Einsatz des FDI Profile Device Packages, mit denen Geräte zur Messung von Druck, Durchfluss, Temperatur und Füllstand, aber auch Stellungsregler, herstellerunabhängig in Betrieb genommen werden können. Zu einem „Dreiklang“ wird die neue Gerätekommunikation schließlich durch die Nutzung der beiden von der Namur präferierten Ethernet-Protokolle Profinet und Ethernet IP.

Bei der Automatisierung und Einbindung von Package Units setzt die Anwendervereinigung auf die Modulautomation via MTP – eine Art „Druckertreiber“ für komplette Anlagenteile. Dadurch soll sich künftig der Engineering-Aufwand für die Einbindung der von spezialisierten Anbietern komplett gelieferten Anlagenteile in die Leittechnik der Gesamtanlage vereinfachen.

Interessant für Hersteller und Anwender gleichermaßen ist neben APL und MTP auch die Namur Open Architecture, NOA: Diese ermöglicht es, einen zweiten Informationskanal zu den Feldgeräten aufzubauen, um beispielsweise Signale sogenannter M+O-Sensoren ohne aufwendige Einbindung in die bestehende Leittechnik zur Wartung (Maintenance) und Optimierung zu nutzen.

Das Konzept ist inzwischen reif für den Einsatz – vor allem, weil die Technik ein herstellerunabhängiges Informationsmodell nutzt und damit universell nutzbar wird. Einen Beitrag über die Vision der Namur zur künftigen Prozessautomation finden Sie hier.

Diese Vorarbeit wird auch in der Verwaltungsschale der Plattform Industrie 4.0 genutzt. Ziel ist es, alle Informationen zu Automatisierungskomponenten und Feldgeräten in der Verwaltungsschale abzulegen und dadurch für datengetriebene Anwendungen bei Anwendern und Herstellern verfügbar zu machen. Ein Beispiel ist die Optimierung von Anlagen über einen digitalen Zwilling.

Wie groß der Nutzen einer Vereinheitlichung und herstellerübergreifenden Herangehensweise bei der Beschreibung von Geräten sein kann, zeigte Christoph Attila Kun, BASF, am Beispiel des digitalen Typenschilds. Der Chemiekonzern greift in den 250 Betrieben am Standort Ludwigshafen auf über 800.000 Wartungspläne zurück und nutzt dazu die Equipmentdokumentation der Hersteller. Das Problem: Diese ist bislang nicht standardisiert und lässt sich nicht automatisch nutzen. Dadurch entsteht für die Anlagenbetreiber ein enormer manueller Aufwand. „Ein physisches Produkt hat keinen vollen Nutzwert, wenn die Dokumentation nicht komplett verfügbar und nutzbar ist“, sagt Kun. Mit einem elektronischen Typenschild und einem digitalen Data Chain-Ansatz soll künftig der standardisierte Zugriff auf die Equipmentdokumentation möglich werden.

Die Identifikation der Objekte erfolgt nach einem in IEC 61406 genormten 2D-QR-Code. Der Aufbau der Dokumentation sowie die Dateiformate sind in VDI 2727 beschrieben. Die Dokumentation soll künftig von den Geräteherstellern über eine Handvoll Austausch-Plattformen in der Cloud bereitgestellt werden. Dort können Hersteller ihre Dokumentation kostenlos einstellen, die Betreiber nutzen die Plattform kostenpflichtig und können dort auch eigene Informationen, beispielsweise aus der Wartung der Geräte hinterlegen.

Gerade von Letzterem, aber auch der deutlich einfacheren und schnelleren Suche nach Dokumenten versprechen sich die Anwender eine enorme Zeitersparnis in der Wartung, Instandhaltung und bei Prüfvorgängen. Im Zusammenhang mit dem Explosionsschutz könnten dadurch auch Dokumentationspflichten vereinfacht werden. Einen Beitrag über die Nutzung digitaler Typenschilder finden Sie hier.

Fazit: Der Explosionsschutz ist eingebettet in eine Vielzahl von Trends – technischen und Markttrends. Neue Konzepte ermöglichen auch im konservativen Ex-Bereich bessere Abläufe und Prozesse. Weiterbildung und Austauschformate wie das regelmäßig stattfindende Expertenforum werden deshalb immer wichtiger.