Fachbeitrag  Arbeitssicherheit, Explosionsschutz, Gefahrstoffe, PSA  

Gasgefahren auf Biogasanlagen

Methan

Methan kann explosionsartig mit Luft reagieren. Das stellt für den Betreiber von Biogasanlagen ein hohes Gefährdungspotenzial dar. Ein explosionsfähiges Gemisch liegt vor, wenn die Konzentration von Methan in der Luft zwischen 4,4 und 16,5 Vol.-% liegt. Zu einer Explosion kann es kommen, wenn folgende Bedingungen gegeben sind:

  • genügend brennbares Gas (4,4-16,5 Vol.-%)
  • ausreichend Umgebungsluft (Sauerstoff)
  • eine geeignete Zündquelle (Funken, offene Flamme o.ä.).
Explosionsgefahr durch Methan
Bild 1: Explosionsgefahr durch Methan

Bei diesen Bedingungen spricht man vom Explosionsdreieck. Um eine kritische Situation zu vermeiden, muss eine dieser Bedingungen durch geeignete Maßnahmen verhindert werden. Voraussetzung hierfür sind vor allem Kenntnisse der technischen Zusammenhänge und die Einhaltung der daraus resultierenden Vorschriften wie

  • Installationsvorschriften (EN 60079-29-2 Gasmessgeräte-Auswahl, Installation, Einsatz und Wartung von Geräten für die Messung von brennbaren Gasen und Sauerstoff),
  • Explosionsschutzrichtlinien (BGR 104 Explosionsschutzregeln, TRBS 2152 gefährliche explosionsfähige Atmosphäre)
  • das DVGW-Regelwerk (BGV D2 Arbeiten an Gasleitungen, DVGW 465).

Bei der Erzeugung von Biogas spielen auch weitere Gase eine Rolle.

Kohlenstoffdioxid

Bei der Erzeugung von Biogas entsteht neben dem Hauptbestandteil Methan (CH4), vor allem Kohlenstoffdioxid (CO2). Methan und Kohlenstoffdioxid kommen etwa in einem Verhältnis von 60 Vol.-% zu 40 Vol.-% vor. CO2 ist ein geruchloses, schweres Gas, das schon in geringen Konzentrationen toxisch auf den menschlichen Körper wirkt.

Bereits ab einer Konzentration von 2 Vol.-% treten gesundheitliche Beeinträchtigungen wie z.B. Kopfschmerzen, Ohrensausen und Herzklopfen auf. Bei höheren Konzentrationen kommt es zu Schwindelgefühl, Brechreiz, Atemnot oder auch zu Durchblutungsveränderungen im Gehirn. Auch Lähmungserscheinungen und Bewusstlosigkeit, die zum Tod führen können, sind bei Unfällen durch Kohlenstoffdioxid keine Seltenheit. Der festgelegte Arbeitsplatzgrenzwert - im Folgenden AGW (Technische Regeln für Gefahrenstoffe - TRGS 900) - liegt bei einer Konzentration von 0,5 Vol.-% (5.000 ppm, oder auch »parts per million«, d.h. Teilchen pro Millionen).

Die Annahme, dass CO2 lediglich Sauerstoff verdrängt und dadurch zum Erstickungstod führt, ist nicht richtig. Sauerstoff macht nur 1/5 der Umgebungsluft aus. Einströmendes Kohlenstoffdioxid verdrängt alle Gase gleichmäßig und dementsprechend den Luftsauerstoff nur zu 1/5. Bei Konzentrationen von etwa 3-5 Vol.-% CO2 ist noch ausreichend Sauerstoff zum Atmen vorhanden - etwa 19-20 Vol.-%. Solche Sauerstoffkonzentrationen kommen schon in der Höhenluft im Gebirge vor. Möglicherweise ist der menschliche Körper bei dieser Umgebungsluft nicht mehr so leistungsfähig; eine bedrohliche Situation durch Sauerstoffmangel entsteht jedoch noch nicht.

Erst bei höheren CO2-Konzentrationen (größer 10 Vol.-%) kann es zum Ersticken durch Sauerstoffmangel kommen. Allerdings ist auch hier nicht die Verdrängung des Sauerstoffs das Problem. Vielmehr ist der Körper bei diesen CO2-Konzentrationen nicht mehr in der Lage, genügend Kohlenstoffdioxid auszuatmen und somit wieder ausreichend Sauerstoff für die Versorgung des Körpers aufzunehmen. Diese gefährliche Lage tritt schon lange bevor eine bedenklich geringe Sauerstoffkonzentration erreicht wird ein.

Bild 2: Auswirkung von CO2 auf die Konzentration anderer Gase

Bild 2: Auswirkung von CO2 auf die Konzentration anderer Gase

Daraus ergibt sich: Auf eine gefährliche CO2-Konzentration kann man nicht durch Sauerstoffverdrängung in der Luft und damit nicht durch eine Sauerstoffmessung schließen. Die CO2-Konzentration muss vielmehr direkt durch ein geeignetes Messverfahren - Infrarot, NDIR - gemessen werden. Die Messung mittels elektrochemischer Sensoren ist durch den in Biogasanlagen gleichzeitig zu erwartenden Schwefelwasserstoff (H2S) nicht geeignet. Elektrochemische Sensoren werden durch das Auftreten von H2S negativ beeinflusst, so dass ein falsches, zu niedriges Messergebnis angezeigt wird. Das aber bedeutet, dass man sich in Sicherheit fühlt, es aber nicht ist.

Schwefelwasserstoff

Schwefelwasserstoff (H2S) ist ein weiteres Gas, welches bei der Biogaserzeugung entsteht. Man bemerkt es vor allem durch seinen stechenden Geruch nach faulen Eiern. Schwefelwasserstoff ist hoch toxisch und kann schon in kleinsten Mengen zu Vergiftungen führen. Daneben betäubt es die Geruchsrezeptoren. Eine Erhöhung der Konzentration wird nicht mehr über den Geruch wahrgenommen. Die normale Geruchsschwelle liegt bei nur 0,025 ppm. Der AGW liegt derzeit bei 10 ppm (eine mögliche Überarbeitung auf 5 ppm wird derzeit geprüft).

Die Höhe der H2S- Konzentration ist stark von den Ausgangsstoffen - pflanzliche oder tierische Produkte - abhängig. Weitere Kriterien für die Konzentration des gebildeten H2S sind Lagertemperatur und Verweilzeiten der Ausgangsmaterialien. In bestimmten Fällen können Konzentrationen von einigen tausend ppm entstehen.

Maßnahmen zur Überwachung

Motorenräume

Im Folgenden soll aufgezeigt werden, welche Maßnahmen zur Überwachung bei der Anlage »agt bio energy« in Klein Schulzendorf getroffen wurden. Da sie Hauptgefährdung bei einer Biogasanlage ist die Explosionsgefahr ist, müssen grundsätzlich die Motorenräume gemäß den Sicherheitsregeln für Biogasanlagen mit Gaswarnanlagen überwacht werden.

Die hierfür eingesetzten Anlagen müssen eine Messfunktion besitzen, die im Gefahrenfall den überwachten Bereich spannungsfrei schaltet, damit bei einer gefährlichen Gaskonzentration keine Zündquelle vorhanden ist. Das bedeutet, dass von den zur Überwachung eingesetzten Systemen selbst ebenfalls keine Zündgefahr ausgehen darf. ATEX-geprüfte Transmitter genügen in diesem Fall den Anforderungen nur zum Teil, da mit dieser Kennzeichnung lediglich bestätigt wird, dass nur vom Transmitter selbst keine Explosionsgefahr ausgeht. Wichtig ist hingegen, dass auch beim Zusammenspiel mit der verwendeten Auswerteelektronik ein sicheres Abschalten der Anlage gewährleistet ist.

Daher ist es notwendig, dass diese Systeme (Transmitter und Auswerteeinheit) von einer geeigneten zertifizierten Prüfstelle, z.B. DEKRA EXAM, auf Funktionalität und Zuverlässigkeit getestet worden sind. Hierbei wird unter anderem die Ansprechempfindlichkeit und Ansprechzeit, aber auch das sichere Schalten der Relais überprüft. Grundsätzlich können also nur Raumluftüberwachungsanlagen zum Einsatz kommen, die zum Abschalten aller nicht ex-geschützten Anlagenteile in gasbeaufschlagten Räumen verwendet werden (primärer Explosionsschutz) und die auf das zu erwartende Brenngas (CH4) geprüft wurden. Dies bedeutet, das Einhalten der Vorgaben (94/EG, EN50054, EN50057 und Sicherheitsregeln für Biogasanlagen), ist durch den Anlagenerrichter bzw. Betreiber zu gewährleisten.

Bild 3: Sensoren überwachen die Umgebunsluft - hier der Transmitter CC 28Bild 4: Schaltschrank mit Auswerteeinheiten GMA 41

Überwachung weiterer Bereiche

Bei technischen Anlagen geht man davon aus, dass diese gasdicht erstellt wurden und es auch bleiben. Zur Erhöhung der Anlagensicherheit werden zusätzlich Anlagenteile überwacht, die durch das Bedienpersonal betreten werden. Durch die Vielzahl von Installationen, Umbauten und Verschraubungen ist es nicht auszuschließen, dass im Laufe des Anlagenbetriebes Leckagen auftreten.

Diese können durch Gaswarnanlagen überwacht werden und so kleinste Undichtigkeiten erfassen. Prinzipiell ist auch ein permanenter Luftaustausch, der auch zu den Sicherheitsregeln für Biogasanlagen zählt, denkbar. Allerdings sind dann keine Erkenntnisse über die konkrete Luftzusammensetzung vorhanden. Bei der Firma agt bio energy hat man sich für die Überwachung der Pumpenräume auf Explosionsgefahr und die Überwachung auf H2S entschieden. Bei Erreichen einer kritischen Gaskonzentration wird Alarm ausgelöst. Der Betreiber sowie Personen innerhalb der Anlage wird signalisiert, dass eine Gefahrensituation durch ausströmendes Gas vorliegt. Um Personen und Anlagen zu schützen, kann dann beispielsweise die Leistung der Lüftung gesteigert werden. Sollte dies nicht zur gewünschten Reduzierung der Gasgefahr beitragen und erhöht sich der vorgegebene Grenzwert, wird die Anlage oder betroffene Anlagenteile abgeschaltet.

Bild 5: Pumpenhaus mit installierter Blitzanlage

Personenschutz

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme ist der Einsatz von tragbaren Gasmessgeräten für den Personenschutz. Hierdurch können im Bedarfsfall auch nicht ständig zugängliche Anlagenbereiche zu überwacht werden. Mit dem Mehrgasmessgerät G460 der GfG lassen sich zuverlässig brennbare Gase und Dämpfe, Sauerstoff sowie toxische Gase (z.B. H2S) detektieren. Das G460 ist das weltweit kleinste Mehrgasmessgerät, das gleichzeitig mit einem 4-Strahl-Infrarot-Sensor für CO2 und CH4 (NDIR) und einem Photoionisationsdetektor (PID) ausgerüstet werden kann. Daneben verfügt es über drei weitere Steckplätze. Diese technische Innovation erlaubt es, sieben Gase gleichzeitig zu messen und auf dem großen Display anzuzeigen.

Wie bei stationären Geräten, sollte auch bei mobilen Geräten nur geprüften Gaswarngeräten vertraut werden. Denn nur mit einer Funktionsprüfung, wie sie das G460 besitzt, ist absolute Sicherheit gewährleistet. Das Gerät ist nur dann als Sicherheits-, Kontroll- oder Regelvorrichtung geeignet. Technische Regeln für Betriebssicherheit (TRBS), sowie das Arbeitsschutzgesetzt (ArbSchG) fordern bereits, dass ein Gasmessgerät funktionsgeprüft ist.


Bild 6: Tragbares Mehrgasmessgerät
G 460
Bild 7: Stationäre Gaswarnanlage mit Auswerteeinheit (GMA 41) und Transmitter
(CC 28) zur Überwachung explosiver Gase

Fortlaufende Wartung

Für die fortlaufende Gewährleistung der Sicherheit hat agt bio energy einen Wartungsvertrag mit dem Hersteller abgeschlossen. Weiterhin werden durch den Betreiber in festgelegten Abständen Funktionskontrollen der verwendeten Messtechnik durchgeführt. Zur Umsetzung dieser Maßnahmen hat der Betreiber einen Gerätewart benannt, der die Messgeräte regelmäßig überprüft. Dabei werden die Sensoren durch Aufgabe von Prüfgas auf sicheres Ansprechen getestet. Wird der Alarmwert in einer angemessenen Zeitspanne erreicht, ist die Anlage funktionssicher. Sollte dies nicht der Fall sein, muss der Service beauftragt werden, um die Anlage wieder neu zu kalibrieren oder die Sensoren zu tauschen. Diese sicherheitsrelevante Prüfung ist sorgfältig durchzuführen, um Gefahren vorzubeugen. Aus diesem Grund ist diese Vorgehensweise bei allen Herstellern von Gaswarngeräten in die Bedienungsanleitung dieser Geräte aufgenommen (Gemäß Merkblatt T023 [BGI 518]). Alle genannten Maßnahmen müssen sehr gewissenhaft durchgeführt werden, um eine möglichst hohe Anlagensicherheit zu gewährleisten.

Autor: Dipl. Ing. Michael Heyer
Fotos: GfG- Gesellschaft für Gerätebau mbH

GfG- Gesellschaft für Gerätebau mbH
Klönnestr. 99
44143 Dortmund

Vertrieb Nord-Ost
Ernst-Schneller-Strasse 12
14513 Teltow
Telefon 03328 / 474484
Fax 03328 / 474485

Titelbild und Bilder 1 bis 7: copyright beim Auor

michael.heyer@gfg-mbh.com
www.gasmessung.de

 

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