Explosionsschutz ist ein Dauerbrenner. Auf dem Expertenforum des Ex-Ausrüsters R. Stahl wurde das im April wieder einmal sehr deutlich. Denn neben tagesaktuellen Problemstellungen wie der Qualifizierung von Personal oder neuen Automatisierungslösungen kommen beispielsweise beim Thema Wasserstoffwirtschaft neue Anforderungen hinzu – und die haben es in sich.

Dass es in der Prozessindustrie selten zu gravierenden Explosionsereignissen kommt, liegt auch an der Qualifikation der Mitarbeiter in diesen sensiblen Bereichen. (Bild: Icholakov - Fotolia.com)

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.

Eine chemische Reaktion hat vermutlich zur Explosion im Tanklager der Sonderabfall-Verbrennungsanlage am 27. Juli 2021 im Chempark Leverkusen geführt. Ein zweiter Zwischenbericht erhärtet die vermutete Ursache für die Explosion. Hier geht es zum Bericht.

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.

In unserem Fokusthema informieren wir Sie zu allen Aspekten rund um das Trendthema Wasserstoff.

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.  

1921: Explosion des Stickstoffwerkes Oppau: Am noch jungen BASF-Standort Oppau explodieren mehr als 450 t des Düngemittels Ammonsulfatsalpeter, die Explosion tötet 559 Menschen und verwüstet die nahegelegene Ortschaft. Ursache ist eine Verfahrensänderung, die unbemerkt zu einer deutlich höheren Zündfähigkeit des Düngers führt. Es ist bis heute der schwerste Unfall der Firmengeschichte und das größte Chemieunglück in Deutschland. (Bild: gemeinfrei. Mehr lesen.)

1948: Kesselwagenexplosion in Ludwigshafen: Bei der Explosion eines Kesselwagens mit rund 30 t Dimethylether auf dem BASF-Gelände Ludwigshafen sterben mehr als 200 Menschen, mindestens 3.800 werden verletzt. Ursache war vermutlich die Kombination aus einer falsch berechneten Volumenreserve und einer fehlerhaften Schweißnaht des Tanks, sodass dieser dem wachsenden Druck bei Außentemperaturen über 30 °C nicht mehr standhielt. (Bild: DEHJ AdobeStock)

1968: Chemieunfall in Bitterfeld: Beim Abdichten von Lecks in der PVC-Produktion im Elektrochemischen Kombinat Bitterfeld explodiert das aus dem Reaktionsbehälter abgelassene Vinylchlorid. Die Explosion tötet 42 Menschen und zerstört das Werk. In der zuvor fast ausschließlich auf Planerfüllung ausgerichteten Chemieproduktion der DDR spielen Arbeits- und Umweltschutz nach dem Unfall eine größere Rolle. Seit 2019 erinnert ein Denkmal im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen an die Katastrophe. (Bild: CPG)

1974: Flixborough-Unglück: Ein undichter Reaktor im Chemiewerk Flixborough, England, wird provisorisch mit Rohrleitungen überbrückt, um den Betrieb bis zur nächsten Wartung aufrechtzuerhalten. Beim Wiederanfahren nach der Wartung zwei Monate später tritt Cyclohexan aus und entzündet sich, durch die folgende Explosion sterben 28 Menschen. Die britischen Behörden verschärfen die Auflagen für Engineering, Design und geschultes Personal in Chemieanlagen. (Bild: thaloengsak AdobeStock)

1976: Seveso-Unglück: Die Synthese von Trichlorphenol im Icmesa-Werk in Meda, Italien, gerät außer Kontrolle, das hochgiftige Nebenprodukt Tetrachlor-Dibenzodioxin (TCDD) tritt aus. Die Dioxinwolke lässt in den umliegenden Gemeinden Seveso, Meda, Desio und Cesano Maderno viele Pflanzen und über 3.000 Nutztiere verenden. Eine Folge dieser Katastrophe und des Flixborough-Unglücks zwei Jahre zuvor ist die Seveso-Richtlinie. TCDD ist bis heute als „Seveso-Gift“ bekannt. (Bild: Goodpics AdobeStock)

1984: Chemie-Katastrophe von Bhopal: In Bhopal, Indien, gelangt im Werk des Chemiekonzerns Union Carbide durch Betriebsfehler und mangelnde Sicherheitsvorkehrungen Wasser in einen Tank mit Methylisocyanat. Die auftretende Reaktion bringt den Tank zum Explodieren, und bis zu 40 t Methylisocyanat sowie Reaktionsprodukte wie Methylamin verbreiten sich als giftige Wolke in der Umgebung. Die Zahl der Todesopfer ist bis heute ungewiss, sie reicht je nach Quelle von 3.800 bis 25.000. (Bild: molekuul.be/klyaksun/pedrosala – stock.adobe.com)

1986: Großbrand von Schweizerhalle: Im Industriegebiet Schweizerhalle bricht beim Chemiekonzern Sandoz ein Großbrand aus, vermutlich beim Erhitzen von Plastikfolie zum Verpacken des Farbpigments Berliner Blau. Die Löscharbeiten spülen mit Pflanzenschutzmitteln belastetes Wasser in den Rhein, was ein weitreichendes Fischsterben auslöst. Als Folge des Unfalls richteten die Anliegerstaaten den Rheinalarm ein, um bei Störfällen entlang des Flusses besser kooperieren zu können. (Bild: Getec)

2001: Düngerexplosion von Toulouse: In einer Lagerhalle des Düngemittelherstellers AZF in der französischen Stadt Toulouse explodieren rund 300 t Ammoniumnitrat, die Explosion tötet 31 Menschen. Der genaue Auslöser ist nicht abschließend geklärt. Der Unfall erinnert nicht nur in Ausmaß und Ursache an die Katastrophe in Oppau achtzig Jahre zuvor: Das Werk in Toulouse entstand Mitte der 20er Jahre als Kopie des Oppauer Stickstoffwerks. (Bild: Ihor95 AdobeStock)

2015: Katastrophe von Tianjin: Im Hafen der chinesischen Stadt Tianjin bringt die Selbstentzündung von Nitrocellulose in einem Gefahrstofflager 800 t Ammoniumnitrat zur Explosion. Nach offiziellen Angaben kommen 173 Menschen ums Leben. Die anschließende Untersuchung ergibt, dass die Gefahrgüter vor Ort illegal gelagert und Genehmigungen durch Bestechung erteilt worden waren. (Bild: Voice of America / gemeinfrei. Mehr lesen.)

2016: Unfall in Ludwigshafen: Bei Schweißarbeiten am Landeshafen Nord am BASF-Standort Ludwigshafen schneidet ein Arbeiter eines Subunternehmens eine falsche Rohrleitung an. Austretendes Buten entzündet sich und bringt eine benachbarte Ethylenleitung zur Explosion. Durch das Unglück sterben vier Feuerwehrleute und ein Arbeiter auf einem der Schiffe im Hafen. Der Verursacher wird zu einer Freiheitsstrafe von einem Jahr auf Bewährung verurteilt. Kritik trifft auch die BASF wegen verbesserungswürdiger Sicherheitsvorkehrungen. (Bild: BASF. Mehr lesen.)

2020: Explosion in Beirut: Im Hafen von Beirut, Libanon, geraten bei Schweißarbeiten in der Nähe gelagerte Feuerwerkskörper in Brand. Das Feuer bringt rund 2.750 t Ammoniumnitrat in einem Lagerhaus zur Explosion, mindestens 190 Menschen sterben. Die explosive Chemikalie stammte aus einem beschlagnahmten Schiff und lagerte dort schon seit Jahren, auf wiederholte Warnungen der Zollbehörden geschah jedoch nichts. Sechs Tage nach der Explosion tritt die Regierung zurück. (Bild: Ali – stock.adobe.com. Mehr lesen.)

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.

Wie sich der Russland-Konflikt kurz- und langfristig auf den europäischen Anlagenbau auswirken wird, ist auch Thema des kommenden Engineering Summit, der vom 20. bis 21. Juli 2022 in Darmstadt stattfinden wird. Unter dem Motto „Welcome to the new realities in plant engineering“ werden Führungskräfte aus dem europäischen Anlagenbau die aktuellen Entwicklungen der Branche diskutieren.

Russland war in den vergangenen Jahren einer der Haupt-Auftraggeber des deutschen Großanlagenbaus. Dieses Geschäft wird sich aufgrund der Sanktionen infolge des russischen Überfalls auf die Ukraine verändern. Gleichzeitig wird die beschleunigte Transformation des Energiesektors in Europa zu neuen Chancen und Projekten führen. Im Summit Talk am 21. Juli werden wir das Thema mit führenden Köpfen des Anlagenbaus ausloten. Mehr Informationen unter www.engineering-summit.de

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.

Staub ist eine häufig unterschätzte Gefahrenquelle. Und weil nicht nur die Anwendungen immer vielfältiger werden, sondern auch das Know-how bei den Betreibern abnimmt, entwickeln Anlagenausrüster immer ausgefeiltere Technik zur Druckentlastung und Überwachung von Anlagen. Hier geht es zum Bericht.

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