Sicherheitsherausforderungen von Wasserstoff

Bei der Produktion, dem Transport und der Speicherung von Wasserstoff gibt es spezielle Sicherheitsrisiken. Damit der Umgang mit dem Gas jederzeit sicher ist, bedarf es eines effizienten Sicherheitskonzepts und einer umfassenden Schulung der Mitarbeitenden. Bevor das Sicherheitskonzept entwickelt wird, müssen Unternehmen eine individuelle Risikoanalyse und Gefährdungsbeurteilung durchführen, die im deutschen Arbeitsschutzgesetz und den damit verbundenen Verordnungen und in den Regelwerken der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung verankert sind.
Eine Risikoanalyse umfasst zum Beispiel die Definition des Schutzziels, die Identifikation von Gefahren sowie deren Analyse und Bewertung. Auf dieser Basis werden anschließend Schutzmaßnahmen definiert, die die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Gefahrensituation oder das Ausmaß des möglichen Schadens minimieren. Die spezifischen Gefährdungen unterscheiden sich zwar je nach Anwendung, die folgenden Risikofaktoren sind im Umgang mit Wasserstoff aber besonders zu beachten:

• Leckagen aufgrund der Molekülgröße: Wasserstoff weist eine sehr geringe Molekülgröße und niedrige Viskosität auf. Das bedeutet, dass er schnell aus Druckgasleitungen und -behältern austreten kann. Neben der richtigen Materialauswahl, Auslegung und Konstruktion sind Instandhaltungen und regelmäßige Inspektionen unbedingt notwendig. Stationäre Gaswarntechnik detektiert Leckagen frühzeitig und sorgt für zusätzliche Sicherheit.
• Geruch- und Farblosigkeit: Wasserstoff ist sowohl farblos als auch geruchlos und kann daher nicht mit den menschlichen Sinnen wahrgenommen werden. Das übernimmt die richtige Gaswarntechnik und warnt rechtzeitig vor austretendem Wasserstoff.
• Explosivität: Wasserstoff ist ein extrem entzündbares Gas. Die Gefahr einer Ex­plosion besteht zwischen der unteren (4 Vol.-%) und oberen Explosionsgrenze
  (77 Vol.-%). Eine explosive Reaktion setzt jedoch ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch und eine Zündquelle voraus. Aufgrund der geringen Mindestzündenergie von 0,016 mJ ist ein Funke bereits ausreichend, um eine Explosion auszulösen. Die Mindestzündenergie von Methan ist mit 0,28 mJ etwa im Vergleich deutlich höher. Im Zuge des Explosionsschutzes kommen stationäre Gaswarnsysteme zum Einsatz.
• Unsichtbare Flamme: Wasserstoff brennt mit einer sehr hellen Flamme, die bei Tageslicht unsichtbar ist. Außerdem gibt sie wenig Strahlungswärme ab, weshalb Menschen die große Hitze der Flamme nur auf sehr kurze Entfernung wahrnehmen. Um Wasserstoffbrände dennoch zu erkennen, sind Flammendetektoren notwendig, deren Sensorik speziell auf Wasserstoff und dessen Verbrennungsprodukt H2O ausgelegt ist.

Gaswarnsysteme als Schlüssel für mehr Sicherheit

Die zahlreichen Risiken sollten Betreiber nicht davon abhalten, Wasserstoff umfassend einzusetzen. Der richtige Umgang zeigt seit Jahrzehnten, dass das Gas sicher gelagert, transportiert und genutzt werden kann. Stationäre Gaswarnsysteme sind ein wichtiger Bestandteil des notwendigen Sicherheitskonzepts, um Leckagen frühzeitig zu detektieren und zu verhindern, dass sich explosionsfähige Atmosphären bilden. Neben der richtigen Auswahl der Gasdetektoren ist auch die richtige Anordnung der Sensorik von entscheidender Bedeutung. Aufgrund seiner geringen Dichte steigt Wasserstoff auf und sammelt sich insbesondere im Deckenbereich an, sodass die Sensorik in der Regel dort montiert wird. Bei der Anordnung und Anzahl der Messköpfe können zusätzlich Gas-Mapping-Ansätze unterstützen, um eine optimale Abdeckung sicherzustellen.

Unterschiedliche Technologien spüren Gaslecks schneller auf

Um beim Umgang mit Wasserstoff das höchstmögliche Sicherheitsniveau zu erreichen, sollte bereits im Sicherheitskonzept die Kombination unterschiedlicher Sensortechnologien festgelegt werden. Die Geschwindigkeit, mit der eine Gasleckage detektiert wird, ist entscheidend, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können. So können etwa das Öffnen von Dachfenstern in Hallen oder das Schließen von Ventilen im Außenbereich nötig sein. Sowohl die Sensortechnologien als auch die eingeleiteten Maßnahmen hängen dabei von der Anwendung ab.
Katalytische Sensoren erkennen brennbare Gase und Dämpfe wie Wasserstoff unterhalb der unteren Explosionsgrenze (100 % UEG) und messen die Gaskonzentration in Vol.-%. Sie bieten Langzeitstabilität sowie schnelle Reaktionszeiten und werden vor allem zur kontinuierlichen Bereichsüberwachung der Umgebungsluft eingesetzt. Elektrochemische Sensoren sind dann sinnvoll, wenn selektive Messungen von Wasserstoff auf ppm-Konzentrationsniveau erforderlich sind. Da austretender Wasserstoff den Luftsauerstoff verdrängen kann, ist auch eine Sauerstoffüberwachung in Innenräumen zu empfehlen. Insgesamt sind elektrochemische Sensoren nützlich, um punktuelle Lecks zu erkennen und die Luft in der persönlichen Umgebung zu überwachen.
Für die Überwachung von Druckgasbehältern oder -leitungen auf Leckagen eignet sich die Ultraschalltechnologie. Ultraschalldetektoren wie der Dräger Polytron 8900 UGLD, registrieren den Schall des austretenden Gases und erkennen so auch kleine Leckagen, unabhängig von Wind- und Wettereinflüssen. Laute Umgebungsbedingungen im hörbaren Bereich beeinflussen das Messsignal, welches auf Ultraschallfrequenzen ausgelegt ist, nicht.
Um Wasserstoffbrände zu erkennen, ergänzen Flammendetektoren das Gaswarnsystem. Der Dräger Flame 1750 H2, der noch 2023 auf den Markt kommen wird, ist mit seinem Triple-IR-Sensor speziell auf Wasserstoff und das Verbrennungsprodukt H2O ausgelegt. Dies ermöglicht eine schnelle Erkennung der Flammen und stellt gleichzeitig eine hohe Immunität gegen Fehlalarme sicher, die beispielsweise Multifunktionsgeräte nicht in gleichem Maße leisten können.

So kann ein Gaswarnsystem in der Praxis aussehen

Ein Chemiekonzern produziert Wasserstoff mit einem Elektrolyseur, der in einer Halle oder in einem Container auf der Industrieanlage errichtet wurde. Für den primären Explosionsschutz werden katalytische Sensoren im Deckenbereich montiert, wo sich der aufsteigende Wasserstoff tendenziell ansammelt. Zusätzlich werden elektrochemische Sauerstoffsensoren installiert, um einen Sauerstoffmangel auszuschließen. Um eine mögliche Flammenbildung frühzeitig zu erkennen, kommen in der Halle ergänzend Flammendetektoren zum Einsatz, die eine Distanz von bis zu 40 m abdecken können. Im Außenbereich werden die Kompressoren zur Verdichtung des Wasserstoffs sowie die Druckgasbehälter, die ihn speichern, mittels Ultraschalldetektoren auf Leckagen überwacht. Die Messwerte werden in einer Auswerteeinheit zusammengeführt, welche bei Bedarf Gegenmaßnahmen gemäß des individuellen Schutzkonzepts einleitet.