Projekt HySpark - Entzündung von wasserstoffhaltigen Atmosphären durch mechanisch erzeugte Funken

14.07.2022

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Schlagfunken bzw. heiße Reibflächen, die durch mechanische Schlagvorgänge entstehen und beim Einsatz von Werkzeugen, Maschinen und Fahrzeugen auftreten können, sind mögliche Zündquellen in explosionsgefährdeten Bereichen. Der Einsatz funkenarmer Werkzeuge ist daher eine mögliche Maßnahme für den Explosionsschutz. Im Projekt wird die Wirksamkeit dieser Maßnahme für wasserstoffhaltige Gasgemische experimentell untersucht

Im Rahmen des Projektes soll der Einfluss der Werkstoffpaarung auf die Zündwirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge bei Wasserstoffgemischen systematisch untersucht werden. Weiterhin soll experimentell untersucht werden, wie sich die Wirksamkeit von Schlagfunken als Zündquelle ändert, wenn Wasserstoff zum Erdgas beigemischt wird. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen ggf. für die Überarbeitung von entsprechenden Regelwerken genutzt werden.

Bei Schlagvorgängen können abgetrennte Partikel erhöhter Temperatur oder heiße Reibflächen Zündquellen darstellen. Die Zündwahrscheinlichkeit ist u.a. abhängig von der Werkstoffpaarung, der Schlagenergie und dem Brenngas. Für die systematische Untersuchung der Zündwirksamkeit dieser Schlagvorgänge wird eine Schlagfunkenapparatur eingesetzt, mit der diese Einflussfaktoren gezielt variiert werden können. Die Schläge erfolgen in einer geschlossenen Umschließung, die mit definierten Gasgemischen befüllt werden kann.

Das Projekt HySpark ist eine Forschungskooperation zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM und der Berufsgenossenschaft Rohstoff und chemische Industrie (BGRCI)

HySpark - Entzündung von wasserstoffhaltigen Atmosphären durch mechanisch erzeugte Funken

Motivation und Hintergrund

Mit der breiten Einführung von Wasserstofftechnologien in der Chemie- und Energiewirtschaft müssen Gefahren durch explosionsfähige Atmosphären immer öfter beurteilt und ggf. geeignete Schutzmaßnahmen vorgenommen werden. Auch muss die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff in bestehende Erdgasnetze auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen berücksichtigt werden.

Für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, z.B. an Druckregelanlagen für das Erdgasnetz werden häufig Teilabschnitte abgesperrt, entlastet und dann geöffnet. Eine Spülung des Teilabschnitts mit Stickstoff vor dem Öffnen ist in der Regel nur mit sehr hohem Aufwand möglich und erfolgt meistens nicht. Daher können in definierten Bereichen explosionsfähige Gemische nicht sicher ausgeschlossen werden. Innerhalb dieser Explosionszonen sind Zündquellen während der Wartungsarbeiten unbedingt auszuschließen.

Die Vermeidung von Zündquellen ist eine der drei grundlegenden Maßnahmen für den Explosionsschutz. Diese Maßnahme wird v.a. durch den Einsatz spezieller, explosionsgeschützter Ausrüstung realisiert, deren Konstruktion eine Wirksamkeit der Ausrüstung als Zündquelle ausschließt. Auch nicht-elektrische Ausrüstung muss dabei berücksichtigt werden. Mechanisch erzeugte Funken oder heiße Reibflächen, die bei mechanischen Schlagvorgängen durch den Einsatz von Werkzeugen oder Maschinen entstehen, können eine Zündquelle darstellen. Durch den Einsatz funkenarmer Werkzeuge in explosionsgefährdeten Bereichen, wird eine Entzündung bei beabsichtigten oder unbeabsichtigten Schlagvorgängen vermieden.

Ob eine Entzündung von explosionsfähigen Gasgemischen durch mechanische Schlagvorgänge verursacht werden kann, hängt von vielen Parametern ab. Neben den Werkstoffen, die am Schlag beteiligt sind, ist vor allem die Zündempfindlichkeit der Brenngase entscheidend. Die Beurteilung der Zündempfindlichkeit von Brenngasen durch mechanische Schlagvorgänge erfolgt i.d.R. nur anhand der Mindestzündenergie der Brenngase. Erdgas wird dementsprechend als weniger zündempfindliches Gas der Explosionsgruppe IIA zugeordnet. Wasserstoff ist verglichen mit vielen anderen Brenngasen sehr zündempfindlich und wird entsprechend der niedrigen Mindestzündenergie der Explosionsgruppe IIC zugeordnet. Aus früheren Untersuchungen ist allerdings bekannt, dass die Zündwirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge für die IIC Referenzgase Wasserstoff und Acetylen unterschiedlich sein kann (siehe BAM-Forschungsberichte 292 und Vh2104) und dass im Falle von Wasserstoff die Entzündung bei mechanischen Schlagvorgängen vor allem an der heißen Reibfläche auftritt, die beim Schlag entsteht. In früheren Untersuchungen zur Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen wurden fast ausschließlich homogene Werkstoffpaarungen untersucht.

Ziele und Arbeitspakete

Ziel dieses Projektes ist es zum einen, die Wirksamkeit von mechanischen Schlägen als Zündquelle in Wasserstoff/Luft-Gemisch systematisch experimentell zu untersuchen, um beurteilen zu können, inwiefern und unter welchen Bedingungen der Einsatz funkenarmer Werkzeuge in explosionsgefährdeten Bereichen mit wasserstoffhaltigen Atmosphären eine wirksame und erforderliche Explosionsschutzmaßnahme ist. Anders als in früheren Studien sollen hierzu heterogene Materialpaarungen bei den Schlagvorgängen eingesetzt werden. Dabei werden als Schlagpartner sowohl niedrig legierte Stähle und Edelstähle als auch Nicht-Eisen-Metalle berücksichtigt, die für funkenarme Werkzeuge eingesetzt werden. Weiterhin wird auch Beton als typischer Bodenbelag berücksichtigt. Auf Grundlage der Ergebnisse soll beurteilt werden, ob eine Anpassung von bestehenden Regelwerken zum Einsatz funkenarmer Werkzeuge erforderlich ist.

In einem weiteren Arbeitspaket wird untersucht, wie sich die Wirksamkeit von mechanischen Schlägen als Zündquelle bei einer Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändert. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen soll beurteilt werden, ob bei einer Beimischung bis zu einem Anteil von 25% Wasserstoff zum Erdgas Maßnahmen des sekundären Explosionsschutzes im Zusammenhang mit nicht elektrischer Ausrüstung angepasst werden müssen bzw. ab welchem Anteil eine Anpassung erforderlich wird.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube

Projektpartner

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Explosionsschutz Gase, Stäube
BGRCI - Berufsgenossenschaft Rohstoff und chemische Industrie

Förderung

Das Projekt HySpark ist eine Forschungskooperation zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Berufsgenossenschaft Rohstoff und chemische Industrie (BGRCI)