Prozess- und Anlagensicherheit

Der K_ST- bzw. K_G-Wert ist ein staub- bzw. gas- und prüfverfahrensspezifischer Parameter, welcher die Grundlage für die Einteilung in Explosionsklassen bildet und ein Maß für Heftigkeit einer Explosion darstellt. Für die Bestimmung des Wertes wird der Explosionsüberdruck und die zeitliche Steigung des Druckanstiegs einer erfolgreich gezündeten Explosion gemessen.

Die 20-Liter-Apparatur besteht aus einer Prüfkammer, einer Hohlkugel aus rostfreiem Stahl, in der das brennbare Staub/Luft- oder Gas/Luft-Gemisch möglichst gleichmäßig verteilt und gezündet wird. Der Wassermantel, der die Prüfkammer umgibt, führt die Reaktionswärme der Explosion ab und ermöglicht die Einstellung unterschiedlicher Versuchstemperaturen. Die Apparatur ist in Abb. 2 schematisch dargestellt [1, 2].

Die MIKE 3‑Apparatur besteht im Wesentlichen aus einem modifizierten Hartmannrohr aus Glas (Abb. 3). Der zu untersuchende Staub wird am Boden lose aufgebracht und mittels eines Druckluftstoßes im Rohr verteilt. Zwei Elektroden im unteren Drittel der Apparatur dienen als Zündquelle. Zur Anwendung kommt die Prüfapparatur bei der Bestimmung der Mindestzündenergie (MZE). Das ist die niedrigste Energie, welche eine Hochspannungs-Kondensatorentladung aufbringen muss, um das zündwilligste Staub/Luft-Gemisch zur Zündung zu bringen [4].

Die Mindestzündenergie hilft bei der qualitativen Beurteilung von Gefahrensituationen in Betrieben. Häufig treten Staub/Luft-Gemische unter anderem auch bei erhöhten Temperaturen auf, wodurch sich die Mindestzündenergie erniedrigt. Aktuell wird am Lehrstuhl an einer Methode zur standardmäßigen Bestimmung der MZE von Staub/Luft-Gemischen unter diesen Bedingungen geforscht.

In der Staubexplosionsforschung gibt es Bestrebungen, neben den sicherheitstechnischen Kenngrößen auch andere Kennparameter experimentell zu bestimmen und so sicherheitstechnische Einrichtungen, wie z. B. Berstscheiben, besser an den Produktionsprozess anpassen zu können. Besonderes Interesse besteht an der Übertragung dieser Parameter auf den industriellen Großmaßstab.

Unter Berücksichtigung dieses Aspekts wurde eine Großversuchsanlage nach der Tube-Methode auf Basis von CFD-Modellierungen konstruiert. Die Versuchsanlage besteht aus einem Stahlrohr mit einem Durchmesser von 800 mm und einer Höhe von 4 m (Abb. 4). Dabei wird der zu untersuchende Staub über vier Eintragsvorrichtungen am oberen Rohrende eingebracht, die Regelung der Fördermenge ist durch installierte Wägezellen gewährleistet. Gezündet wird das Staub/Luft-Gemisch mittels elektrischen Hochspannungs-Plasmabogen zwischen zwei Elektroden im Bodenteil. Ein eigens erstelltes Programm in LabVIEW regelt die Fördermenge und -zeit, löst die Zündung aus und erfasst die Messdaten.

Der Bau und die Testphase der Anlage konnten im Herbst 2019 erfolgreich abgeschlossen werden, die ersten Versuchsreihen werden voraussichtlich bis Herbst 2020 fertiggestellt. Durch die eigens entwickelte Messtechnik, bestehend aus Photodioden und Thermoelementen, kann die Geschwindigkeit der Flammenfront detektiert werden. An der Implementierung einer lasergestützten Staubkonzentrationsmessung wird derzeit gearbeitet. Ebenso sollen in Zukunft Forschungsfragen zu Staubexplosionen unter nichtatmosphärischer Umgebungsbedingungen erforscht werden.

In der modernen Brandbekämpfung haben Löschmittelzusätze zur Erhöhung der Löschwirkung von Wasser einen wichtigen Stellenwert. Einsatz finden diese Zusätze bei Wald‑, Gebäude- oder Anlagebränden. Die Auswahl von geeigneten Zusätzen gestaltet sich insofern als schwierig, als Normen und Richtlinien, welche zur Beurteilung von Löschmittel angewendet werden, die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Stoffgemisches beschreiben, nicht jedoch deren tatsächlichen Löschwirkung [5].

Hier setzt das innovative Prüfverfahren, welches im Rahmen des Projektes „FIRETEST“ entwickelt wird, an. Ziel ist es, anhand einer neuen Prüfmethodik eine Klassifizierung unterschiedlicher Löschmittelzusätze nach ihrer Löschwirkung vorzunehmen. Vorversuche hinsichtlich eines Referenzbrandszenarios mit Kiefernholzstäben zeigten großes Potential (Abb. 5). Dabei konnte aufgrund der definierten Versuchsbedingungen die Löschzeit als Maß für die Effektivität des Löschmittels herangezogen werden. Gegenwärtig wird dieser Versuch in ein vollautomatisiertes Testverfahren umgebaut, um eine weitestgehende Unabhängigkeit von äußeren Beeinflussungen zu erreichen und einen gleichbleibenden Versuchsablauf zu schaffen.

Prüfverfahren und -abläufe für die Bewertung von Löschmittelzusätzen ermöglichen in Zukunft nicht nur eine Klassifizierung nach Wirksamkeit und infolgedessen eine für den Anwender nachvollziehbare Einstufung, es wird auch den Produktherstellern ermöglicht, eine gezielte Entwicklung durchzuführen.

In den letzten Jahren hat sich die Brandproblematik in der Abfallwirtschaft zunehmend verschärft. Gründe dafür sind nicht nur die eingangs bereits erwähnten steigenden Anteile an Lithiumionenbatterien, sondern auch kontinuierliche Veränderungen der Abfallzusammensetzung spielen eine Rolle. Als erschwerender Faktor kommt hinzu, dass die Ursachen für Brände sehr vielfältig sind: Selbstentzündung, biologische und chemische Reaktionen, heiß laufende Maschinenteile, elektrische Einwirkungen, Umwelteinflüsse und Brandstiftung sind nur einige Beispiele, die tatsächliche Brandursache bleibt in vielen Fällen jedoch unbekannt [7, 8].

Im Mittelpunkt des Projektes „AbER Innovation“ steht der Aufbau und Austausch von Know-how in einem Netzwerk zu dieser aktuellen Thematik. Einerseits wird das Know-how durch Forschung und intensiven interdisziplinären Wissensaustausch gesteigert. Andererseits werden die hier geteilten Erfahrungen und gewonnenen Erkenntnisse in einer dynamischen und erweiterbaren Austauschplattform für die Stakeholder bereitgestellt.

Die Arbeitsgruppe Prozess- und Anlagensicherheit wird hierfür innovative Experimente zur Beschreibung der Brandkinetik und dem Brandgasverhalten von Abfällen im Labor- und Realmaßstab abwickeln. Angewendet wird ein Differenzialkreislaufreaktor, mit dem es möglich ist, die Bildungsraten von Brandgasen organischer Stoffe im niederen Temperaturbereich abzubilden. Zudem besteht die Möglichkeit, Messungen von Brandgasen und Temperaturen in Lagerbereichen durchzuführen. Die entsprechende Messtechnik befindet sich in der Entwicklungsphase. Mit der Kenntnis dieser Größen und weiterführender CFD-Simulationen (Abb. 6) sollen die Bedingungen in Anlagen und Haufwerken genauer beschrieben werden, um so Methoden der Brandvermeidung, -früherkennung und -löschung zielgerechter einsetzen zu können.

CBRNe-Substanzen zählen zu den chemisch, biologisch, radioaktiven, nuklearen und explosiven Gefahrenstoffen, früher auch ABC-Gefahrenstoffe genannt. Die Freisetzung dieser Substanzen führt zu großen Herausforderungen für die Einsatzorganisationen. In Zusammenarbeit mit ebenjenen Einsatzkräften verfolgt das Projekt ERIMAPS das Ziel, die anfänglichen Entscheidungsträger bestmöglich zu unterstützen. Denn vor allem in urbanen Räumen reicht es nicht aus, lediglich Gefährdungsradien, wie es aktuell der Fall ist, zu ermitteln. In die Entscheidung müssen auch Gefährdungen von Personen und kritischen Objekten (z. B. Kindergärten, Einkaufszentren, Wohngebäude, etc.) miteinfließen.

Um die Lage am Einsatzort schnell und zuverlässig beurteilen zu können, kommt ein System von Daten und Rechenmodellen zur Anwendung, die miteinander verknüpft werden. Modelle der Dispersion und atmosphärischer Daten erlauben die Abschätzung der Stoffausbreitung. Mit der Modellierung von Effekten auf Gebäude und Personen und die anschließende Implementierung von Infrastrukturdaten und Daten über Personenströme lassen sich hochaktuelle Risikokarten inklusive Gefahrenzoneneinteilungen erstellen.

Dieses lokale „Risk-Mapping“ wird die zukünftige Herangehensweise der Einsatzorganisationen bei CBRNe-Gefahren wesentlich beeinflussen. Die Folge von schnellen, zielgerichteten und aktuellen Einsatzdaten ist die maßgebliche Effizienzsteigerung im Ressourcenmanagement, unter anderem der Einteilung von Personen und Geräte.