Simulation statt Explosion Mit Simulation zu mehr Anlagensicherheit

Autor / Redakteur: Dr. Jörg Sager* / Anke Geipel-Kern

Mit Fluiddynamischen Simulationen sicherheitskritische Prozesse analysieren: Selbstentzündliche Gase stellen im Betrieb ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Das Beispiel einer Elektrolyseanlage zeigt, wie fluiddynamische Simulationen helfen, kritische Prozesse zu analysieren und Sicherheitsvorkehrungen zu verbessern.

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Die Bilder eines Werksstörfalls will jeder Anlagenbetreiber vermeiden.
Die Bilder eines Werksstörfalls will jeder Anlagenbetreiber vermeiden.
(Bild: © vvoe/Fotolia.com)

Als Energieträger, Edukt oder Produkt: Selbstentzündliche Gase spielen in zahlreichen verfahrenstechnischen Prozessen eine zentrale Rolle. Ein Beispiel ist die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse. Dieses Verfahren gewinnt nicht zuletzt durch die Energiewende an Bedeutung. Wird mehr Strom aus erneuerbaren, fluktuierenden Quellen wie Sonne und Wind produziert als benötigt, kann die überschüssige Elektroenergie in Wasserstoff transformiert und dieser dem Erdgasnetz zugeführt werden.

Allerdings ist Wasserstoff hoch reaktiv und bildet in Verbindung mit Sauerstoff ein explosives Gasgemisch. Eine schwere Explosion (Knallgasreaktion) kann die Folge sein. Um das zu vermeiden, sind Sicherheitsvorkehrungen notwendig. So werden die Leitungen in Elektrolyseanlagen beispielsweise mit Stickstoff inertisiert, um kritische Wasserstoffkonzentrationen im regulären Betrieb zu verhindern.

Sicher auch bei Betriebsstörungen?

Doch wie steht es um die Anlagensicherheit, wenn unvorhergesehene Ereignisse oder Betriebsstörungen eintreten?

Schematische Funktionsweise eines PEM-Elektrolyseurs
Schematische Funktionsweise eines PEM-Elektrolyseurs
(Bild: PEM-Elektrolyseur / Informatiker/Wikipedia (CC BY-SA 3.0) / BY-SA 3.0)

Auch dann muss sicher sein, dass keine Explosionsgefahr besteht. TÜV Süd Industrie Service wurde damit be­auftragt, das Sicherheitskonzept eines Herstellers von PEM-Elek­trolyseuren (PEM = proton ex­change membrane) zu prüfen.

Zur Qualitätssicherung unterhält das Unternehmen auch eine Testeinrichtung. Bevor die Geräte an Kunden ausgeliefert werden, werden sie hier mehrere Tage lang geprüft. Dabei wird der produzierte Wasserstoff anders als im späteren Betrieb nicht gespeichert, sondern über ein Abgassystem in die Atmosphäre ausgeleitet.

Störfallsimulation bringt es an den Tag

Während dieser Testphase – so das unterstellte Störfallszenario – kommt es zu einem Brand. Als Konsequenz daraus bricht auch die Stromversorgung in der Anlage zusammen. In dieser Situation muss der Wasserstoff unverzüglich aus den Elektrolyseuren ausgeleitet werden, um eine Explosion zu verhindern. Das Sicherheitskonzept sieht vor, dass sich zu diesem Zweck elektromagnetische Ventile automatisch öffnen, sodass der Wasserstoff über das Abgassystem ausgeblasen wird.

Auch die Stickstoff-Tanks für die Inertisierung der Leitungen sind mit elektromagnetischen Ventilen ausgestattet, die im Störfall öffnen, sodass Wasserstoff und Stickstoff gemeinsam ausströmen. Ob beim Ausströmen in die Atmosphäre jedoch problematische und damit explosions- gefährliche Wasserstoff-Sauerstoff-Konzentrationen entstehen, untersuchten die Sachverständigen von TÜV Süd.

Mit Simulation Probleme im Abgassystem aufdecken

Auf Basis der Anlagenpläne konnten die Experten das Abgassystem mathematisch abbilden; samt Maschen und Verzweigungen mit unterschiedlichen Rohrparametern wie Leitungslänge, Leitungsquerschnitt und Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) auf der Rohrinnenseite.

Um festzustellen, wie sich die eingesetzten Gase in diesem System verhalten und welche Gemische sich dabei einstellen, müssen die physikalischen und chemischen Eigenschaften der eingesetzten Gase betrachtet werden. Hinzu kommen die Zustandgrößen Druck, Temperatur und Volumen bzw. Stoffmenge.

Diese beschreiben den energetischen Ruhezustand der Gase. Daraus können die Abströmvorgänge modelliert werden: mithilfe der Zustandgleichungen für ideale und reale Gase sowie den Erhaltungssätzen für Masse und Energie.

Die betrachteten Prozesse laufen dabei teilweise innerhalb weniger Millisekunden ab. Um die Wechselwirkungen der physikalischen Zustandsparameter und der instationären kompressiblen Strömung zeitlich aufgelöst zu erfassen, muss daher in der Regel auf numerische Simulationen zurückgegriffen werden.

Sicher im Betrieb, aber nicht beim Störfall

Die Berechnungen machten deutlich: Wenn die Ventile öffnen, entspannen Wasserstoff und Stickstoff aufgrund des höheren Drucks in den Stickstofftanks unterschiedlich stark in das Abgassystem hinein. Das hat zur Folge, dass der Stickstoff den Wasserstoff zunächst in die Elektrolyseure zurückdrängt.

Erst, wenn ein Druckausgleich stattgefunden hat, tritt auch der Wasserstoff ins Abgassystem und strömt gemeinsam mit dem Stickstoff ab. Die Simulation offenbarte allerdings auch Schwachstellen in den Sicherheitsvorkehrungen. So zeigte sich, dass kritische Wasserstoffkonzentrationen nicht zuverlässig unterbunden werden. Es besteht die Gefahr, dass sich am Austritt – wo sich Wasserstoff mit dem atmos­phärischen Sauerstoff vermischt – ein explosives Gasgemisch bildet. Die Anlage konnte zwar für den planmäßigen Betrieb als sicher eingestuft werden, aber nicht für den simulierten Störfall.

Sicher im Modell und in der Realität

Die physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten und ihre Wechselwirkungen in verfahrenstechnischen Anlagen sind komplex. Betreiber, die Pläne und Konzepte von unabhängigen Dritten prüfen lassen, haben die Gewissheit, dass Risiken geprüft und effektive Gegenmaßnahmen getroffen worden sind. Mit den Modellierungen konnten die TÜV Süd-Sachverständigen dem Elektrolyseur-Hersteller Daten an die Hand geben, auf deren Basis das Anlagenkonzept überarbeitet werden konnte, um einen sicheren Betrieb auch im Störfall zu gewährleisten.

* * Der Autor ist Mitarbeiter bei TÜV Süd Industrie Service GmbH, Dresden. Kontakt: Tel. +49-351-4202-332

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