Explosionsschutz – Kernthema der Prozessindustrie Vorsicht: Explosiv! Ex-Zonen, Eigensicherheit, Zündschutzarten – Was Sie wissen sollten

Autor / Redakteur: Marlies Gerstkämper-Oevermann / Dr. Jörg Kempf

Es gibt Dinge – oder sagen wir besser Sachverhalte – die haben bis heute eine hohe Beständigkeit. Explosionsschutz ist ein solches Thema, denn er beruht auf den unveränderbaren physikalischen Gesetzen der Entstehung einer Explosion. Der Beitrag bietet einen Einstieg in die Grundlagen des Explosionsschutzes.

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In Kombination mit Sauerstoff erzeugen brennbare Stoffe eine „gefährliche explosionsfähige Atmosphäre“. Kommt dann eine Zündung durch eine heiße Oberfläche oder einen elektrischen Zündfunken hinzu, tritt der Fall auf, den es unter allen Umständen zu vermeiden gilt.
In Kombination mit Sauerstoff erzeugen brennbare Stoffe eine „gefährliche explosionsfähige Atmosphäre“. Kommt dann eine Zündung durch eine heiße Oberfläche oder einen elektrischen Zündfunken hinzu, tritt der Fall auf, den es unter allen Umständen zu vermeiden gilt.
(Bild: Wago)

Schlagende Wetter – so hat man sie in der Sprache der Bergmänner genannt: die Gemische aus Methan und Luft, die beim Abbau von Kohle entstehen. In bestimmten Mischverhältnissen sind sie explosiv. Noch bis in die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts war es gang und gäbe, schlagende Wetter abzufackeln – einfach, indem man sie kontrolliert zur Explosion brachte. Für die Bergleute eine lebensgefährliche Aufgabe.

Dank diverser technischer Errungenschaften und Schutzvorschriften ist das heute glücklicherweise nicht mehr erforderlich. Nicht von ungefähr hat das Thema des Explosionsschutzes also seinen Ursprung im Bergbau. Anwendung findet er inzwischen aber ebenso in anderen Industrien, denn auch dort treten explosionsfähige Stoffe auf. Häufig zum Beispiel in der chemischen Industrie, bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas oder in der Nahrungsmittelindustrie.

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In Kombination mit Sauerstoff erzeugen diese Stoffe eine „gefährliche explosionsfähige Atmosphäre“. Kommt dann eine Zündung durch eine heiße Oberfläche oder einen elektrischen Zündfunken hinzu, tritt der Fall auf, den es unter allen Umständen zu vermeiden gilt. Denn zumeist hat solch ein Ereignis das Potenzial, mehreren oder vielen Menschen direkt zu schaden, ganz zu schweigen von den Auswirkungen für Umwelt und Produktionsanlagen.

Schon seit vielen Jahren gibt es darum in Europa entsprechende Richtlinien und die darauf beruhende Gesetzgebung der Mitgliedstaaten: die Atex-Richtlinien (Atmosphere explosible) 1999/92/EG für Anlagenbetreiber und 2014/34/EU (bisher 94/9/EG) für die Gerätehersteller. Die wichtigsten Pendants zur europäischen Atex auf dem amerikanischen Markt sind die entsprechenden Artikel zu „Hazardous classified locations“ (HazLoc) der NEC und CEC und für die Länder Russland, Kasachstan, Weißrussland die EAC Ex bzw. das EAC-Konformitätsverfahren (Eurasian Conformity), das die alten GOST-Einfuhrverfahren ablöst und sich inhaltlich sehr an die Atex und CE anlehnt.

Explosionsschutz ist nicht gleich Explosionsschutz

Grundsätzlich unterscheidet man Maßnahmen des primären, sekundären und tertiären Explosionsschutzes: Die Maßnahmen des primären Explosionsschutzes zielen darauf ab, das Entstehen explosionsfähiger Atmosphären von vornherein zu verhindern oder einzuschränken. Sekundäre Explosionsschutzmaßnahmen sollen dazu dienen, die Entzündung explosionsfähiger Atmosphären zu verhindern – also potenzielle Zündquellen vermeiden. Die Maßnahmen des tertiären Explosionsschutzes haben die Aufgabe, die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß zu beschränken.

Im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung, die jeder Analgenbetreiber für seine Anlage durchzuführen hat, muss sich der Betreiber also fragen, ob er – im Sinne des primären Explosionsschutzes – potentiell explosionsfähiges Material ersetzen kann, um eine Explosion von vornherein auszuschließen. Ist das nicht möglich, ist der Anlagenbetreiber gefordert, seine Anlage je nach Gefährdung in Bereiche einzuteilen und den Zugang zu kennzeichnen. Das Zonenmodell ist dazu die weltweit verbreiteste Methode und in der 1999/92/EG vorgeschrieben. In den USA und Kanada findet man häufig die Einteilung in sogenannte „Division“.

Um das Zonenmodell und die Gerätekennzeichnung geht es auf der nächsten Seite.

Die Ex-Zonen

Im Inneren des Tanks herrschen andauernd explosionsfähige Atmosphären – er ist darum ein Bereich der Zone 0. Regelventile oder Entlüftungen werden als Zone 1 klassifiziert. Dort könnten im Normalbetrieb gelegentlich explosionsfähige Atmosphären auftreten. In der Zone 2 ist normalerweise nicht damit zu rechnen und wenn dann nur kurzzeitig.
Im Inneren des Tanks herrschen andauernd explosionsfähige Atmosphären – er ist darum ein Bereich der Zone 0. Regelventile oder Entlüftungen werden als Zone 1 klassifiziert. Dort könnten im Normalbetrieb gelegentlich explosionsfähige Atmosphären auftreten. In der Zone 2 ist normalerweise nicht damit zu rechnen und wenn dann nur kurzzeitig.
(Bild: cherezoff - istockphoto / Wago)

Beim Zonenmodell werden Anlagenbereiche je nach ihrer Gefährdung in die Zonen 0, 1 und 2 für Gasatmosphären und 20, 21 und 22 für Staubatmosphären eingeteilt. Im Rahmen seiner Risikoanalyse muss der Anlagenbetreiber beurteilen, wie häufig und für welche Zeiträume explosionsfähige Atmosphären in den verschiedenen Bereichen seiner Anlage auftreten können. Entsprechend muss er seine Anlage in diese Zonen einteilen. Zone 0 bzw. Zone 20 ist dabei die gefährlichste (siehe Tabelle Zonenbeschreibung in der Bildergalerie). Ein Beispiel: Die Zoneneinteilung für einen Tank, der mit flüssigem Rohöl gefüllt ist und unter anderem über einen Druckschalter verfügt, könnte dann so aussehen, wie in der Abbildung links zu sehen.

Geräteauswahl

Alle Geräte, die in Europa für explosionsfähige Atmosphären in den Zonen 0 und 1, bzw. 20 und 21 eingesetzt werden sollen, müssen durch eine benannte Stelle zertifiziert werden und die Kennzeichnung tragen, die in der Baumusterprüfbescheinigung aufgeführt ist. Diese Kennzeichnung enthält die erforderlichen Informationen für den Einsatz in explosionsfähigen Bereichen. Sie gibt Auskunft über die Gerätegruppe und die Kategorie.

Was die Gerätegruppe betrifft, sind Betriebsmittel in zwei Gruppen eingeteilt: Geräte für schlagwettergefährdete Grubenbaue (I) mit den Kategorie M1 und M2 und Geräte für alle anderen Anwendungen (II) mit den Kategorien 1, 2 und 3, jeweils mit dem Zusatz G für Gas oder D für Staub. Die Kategorie gibt Auskunft darüber, in welcher Zone das Betriebsmittel eingesetzt werden darf. Darüber hinaus enthält die Kennzeichnung Angaben zur Zündschutzart, zur Gas- bzw. Staubgruppe und der Temperaturklasse, sofern das Gerät einer Norm entsprechend geprüft wurde.

Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten, eine Explosion zu verhindern, die in den vergangenen Jahrzehnten sorgfältig erarbeitet und in entsprechenden Normen niedergeschrieben wurden. Für elektrische Betriebsmittel wurden dabei verschiedene Zündschutzarten definiert. Doch nicht jede Zündschutzart ist für alle Zonen geeignet. Die Zündschützart Ex n beispielsweise darf nur in der Zone 2 Anwendung finden. Die Zündschutzart Ex i (Eigensicherheit) hingegen ist für Betriebsmittel bis in Zone 0 erlaubt. Für unser Beispiel wählen wir die Eigensicherheit. Sie ist eine der beliebtesten und verbreitetsten Zündschutzarten.

Eigensicherheit

Die Zündschutzart beruht auf dem Prinzip der Energiebegrenzung: Strom, Spannung und Leistungswerte eines Stromkreises, die beim Messen und Regeln in den explosionsfähigen Bereich gelangen, müssen so klein sein, dass sie weder Zündfunken erzeugen noch zu großer Erwärmung führen. Der eigensichere Stromkreis besteht also jeweils aus dem eigensicheren Betriebsmittel und dem zugehörigen Betriebsmittel. Letzteres ist außerhalb der Ex-Zonen installiert.

Für unser Beispiel mit dem Öltank bedeutet das: Erstens, das eigensichere Betriebsmittel, nämlich der Sensor für den Druckschalter, muss für die Installation innerhalb der Zone 1 geeignet sein. Zweitens muss das mit dem Sensor verbundene nachfolgende Gerät, das zugehörige Betriebsmittel, sicherstellen, dass nicht mehr Energie zu dem Sensor gelangen kann als dieser verträgt, ohne sich zu erwärmen. Wie groß die Erwärmung sein darf, hängt nicht zuletzt von der Beschaffenheit der explosionsfähigen Atmosphäre ab. Also davon, wie hoch bzw. niedrig die Zündtemperatur des eingesetzten Gases ist. Überdies muss durch die Energiebegrenzung sichergestellt werden, dass kein Zündfunke entstehen kann, beziehungsweise, dass ein möglicher Zündfunke unter der Zündenergie des eingesetzten Gases bleibt.

Was ist bei der Zündschutzart „Eigensicherheit“ zu berücksichtigen? Weiterlesen ...

Verifikation der Eigensicherheit

Bei der Zündschutzart „Eigensicherheit“ gibt es einen weiteren wesentlichen Aspekt, der zu berücksichtigen ist: die Sicherheitstechnischen Daten; sie existieren für eigensichere Betriebsmittel und zugehörige Betriebsmittel. Die Angaben zu Ui, Ii, Pi, Ci und Li geben Auskunft über die maximalen Werte, die ein Gerät eingangsseitig verkraftet, ohne dass die Schutzfunktion des eigensicheren Stromkreises aufgehoben wird. Die Angaben zu Uo, Io, Po , Co und Lo geben die maximalen Ausgangswerte eines Betriebsmittels wieder.

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Der Vergleich dient dazu, sicherzustellen, dass keine nennenswerten Zündfunken entstehen und dass sich die Oberfläche des eigensicheren Betriebsmittels nicht stärker erwärmt, als es für den zugelassenen Einsatz vertretbar wäre. Die Werte müssen miteinander verglichen werden. Dabei gilt die Bedingung, die in der Abbildung „Eigensicherheit und Verifikation“ (siehe Bildergalerie) dargestellt ist. Diesen Vergleich nennt man „Verifikation der Eigensicherheit“. Er muss wie alle anderen Unterlagen im Explosionsschutzdokument hinterlegt werden.

Eine Besonderheit bei diesem Vergleich ist die Rechnung mit reduzierten Kapazitäten und Induktivitäten. Sie kann vereinfacht durchgeführt werden. Ein Berechnungstool zur Verifikation der Eigensicherheit stellt Wago auf Nachfrage kostenlos zur Verfügung. Die Berechnung kann abgespeichert oder als Ausdruck bequem dem Explosionsschutzdokument beigefügt werden. Wichtig ist, den eigensicheren Stromkreis zu kennzeichnen. Beispielsweise mittels einer Beschriftung aller am eigensicheren Stromkreis beteiligten Komponenten und Geräte. Wird dazu eine farbliche Kennzeichnung gewählt, schreibt die Norm dafür hellblau vor.

Zwei Zündschutzarten

Viele Geräte, besonders sogenannte zugehörige elektrische Betriebsmittel, die normalerweise außerhalb des Ex-Bereiches installiert werden müssen, haben häufig eine weitere Zulassung für die Installation in Zone 2. Die Kennzeichnungen sehen dann folgendermaßen aus:

EX II 3 G Ex nA IIC T4 Gc: Beispielkennzeichnung für die Installation in Zone 2

EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC: Beispielkennzeichnung für die Eigensicherheit, die bedeutet, das Gerät darf mit einem eigensicheren Sensor oder Aktor im Ex-Bereich verbunden werden, sofern die „Verifikation der Eigensicherheit“ dies zulässt.

Was fordert die neue Atex-Richtlinie? Das erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Die neue Atex-Richtlinie 2014/34/EU

Seit dem 20. April 2016 gilt die neue Atex-Herstellerrichtlinie 2014/34/EU. Sie enthält neue Anforderungen bezüglich des Anwendungsbereichs, der Begrifflichkeiten, der Bereitstellung am Markt, der Akkreditierung von Prüfstellen und der Marktüberwachung. Die Herstellerpflichten hinsichtlich der Gerätekennzeichnung und der Benutzerinformationen wurden erweitert. Mit der neuen Explosionsschutzprodukte-Verordnung vom 6. Januar 2016 wurde die neue Atex-Richtlinie in nationales Recht umgesetzt.

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„Grundsätzlich geht es bei der neuen Atex-Richtlinie 2014/34/ EU um eine Anpassung der Richtlinie an die im Wesentlichen eher formalen Anforderungen des Beschlusses Nr. 768/2008/EG, ohne die Richtlinie jedoch gegenüber der alten Atex-Richtlinie 94/9/ EG substantiell zu ändern“, so die Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie (BG RCI). Die gute Nachricht: Alle Geräte, die bis zum 19. April 2016 zertifiziert wurden, mussten keiner erneuten Prüfung unterzogen werden. Die Richtlinie 2014/34/EU gilt lediglich für neue Produkte.

Außerdem ist zu beachten: Die Anlagenbetreiber können unter Umständen zu „Herstellern“ werden und unterliegen damit ebenso der neuen Atex-Richtlinie 2014/34/EU. Das bezieht sich auf die Eigenherstellung, die vorher oft nur als Installation betrachtet wurde. Was in der alten Richtlinie ein Graubereich war, ist in der neuen eindeutiger geregelt. Laut PTB sind alle Bereiche, die theoretisch auch in den Verkehr gebracht werden könnten, weil sie beispielsweise beweglich sind, als Eigenherstellung zu betrachten. Neben der Gefährdungsbeurteilung und dem Explosionsschutzdokument, sind dafür dann zusätzlich eine EG-Konformitätserklärung und EG-Baumusterprüfbescheinigung erforderlich.

Die neue Explosionsschutzprodukte-Verordnung definiert den §5 „Allgemeine Pflichten des Herstellers“ so: „Der Hersteller stellt sicher, wenn er Produkte in den Verkehr bringt oder für eigene Zwecke erstmals verwendet, dass sie nach dem wesentlichen Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen gemäß Anhang II der Richtlinie 2014/34/EU entworfen und hergestellt wurden.“ Damit ist gemeint, dass die entsprechenden Unterlagen vor der Inbetriebnahme vollständig sein müssen.

Für sogenannte „benannte“ Stellen resultieren aus der neuen Atex-Richtlinie höhere Anforderungen u.a. in Bezug auf Prüfmöglichkeiten und -equipment, die nun in Brüssel nachgewiesen werden müssen. Außerdem werden höhere Anforderungen an die Marktüberwachung gestellt. Die Marktaufsichtsbehörde wird gestärkt. Jeder Wirtschaftsakteur, auch der Händler, muss der Marktaufsichtbehörde Auskunft darüber geben können, von wem er ein Produkt bezogen und an wen er es verkauft, hat.

* Die Autorin ist Mitarbeiterin der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden.

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