Wasserstoffexplosion: Knallgas, Temperatur und Energiegewinnung

Der Klimawandel fordert seit einigen Jahren ein Umdenken und eine Neufokussierung, wenn es um die Energieversorgung und Mobilität geht. Neben Elektro-Fahrzeugen, dem Ausbau von Photovoltaik, Solarthermie und Windrädern steht bereits seit längerer Zeit auch eine umfangreichere energetische Nutzung von Wasserstoff im Raum. Dabei wird durch die Aufspaltung von Wasser durch Strom Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt (Elektrolyse). Die so ablaufende elektrochemische Reaktion birgt neben großem energetischen Potenzial aber auch eine potenzielle Explosionsgefahr. Wie kann es zu einer Wasserstoffexplosion kommen? Welche wirksamen Explosionsschutzmaßnahmen können angewendet werden?

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Inhaltsverzeichnis

1. Sind Energieversorgungsunternehmen ausreichend vor einer Wasserstoffexplosion geschützt?
2. Gesetzliche Bestimmungen und Regelwerke zur Vermeidung einer Wasserstoffexplosion
3. Wasserstoffexplosionsgefahr
4. Explosionsschutzkonzept für Wasserstoff

Sind Energieversorgungsunternehmen ausreichend vor einer Wasserstoffexplosion geschützt?

Was im Automobilsektor noch zum Einzelfall gehört, ist bei diversen Energieversorgungsunternehmen bereits Praxis: Durch Elektrolyse kann Wasserstoff hergestellt und direkt als Erdgas-Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist werden.

Damit Belegschaft, Anlagen und Umwelt vor etwaigen Wasserstoffexplosionen geschützt sind, sollten verfahrenstechnische Prozesse sowie die Anlagentechnik stets auf den aktuellen technischen Regeln basieren. Bei Wasserstoff kommen aufgrund dessen Explosionspotenzial weitere ausgewählte Schutzmaßnahmen hinzu.

Anlagensicherheit

Bei den bislang zwei gängigen Verfahren der alkalischen Elektrolyse (AEL) und der Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM-EL) werden zwei sehr unterschiedliche Gefährdungsprofile erstellt. Seit Kurzem kam zudem eine neue Methode auf den Markt: Hochtemperatur-Elektrolyse mit Festoxidzellen, wobei hier der elektrochemische Prozess bei Temperaturen von über 750 Grad Celsius stattfindet. Nicht derart exothermisch verlaufen die AEL und die PEM-EL, wobei bei ersterer nur ein Druck von etwa 0,5 bar entsteht. Bei der PEM-EL hingegen können Betriebsdrücke von bis zu 35 bar erreicht werden. Die Folge derart unterschiedlicher Anforderungsprofile sind teils stark ausdifferenzierte Anlagen.

Was die unterschiedliche Anlagentechnik betrifft, sind dennoch einige der Kernelemente gleich:

• Elektrolyseur
• Gasaufbereitung
• Mess- und Druckregelanlage
• Verdichter
• Gasspeicher (Niederdruck, Hochdruck)
• Rohrleitungen
• Abblase- und Entspannungsleitungen

Als Nebenprodukt der Wasserstoffelektrolyse (auch Knallgasreaktion genannt) fällt zusätzlich Wasser an, das anderweitig als Betriebs- oder Grauwasser weiterverwendet werden kann. 

Gesetzliche Bestimmungen und Regelwerke zur Vermeidung einer Wasserstoffexplosion

Neben den Vorschriften und technischen Regeln der Deutschen gesetzlichen Unfallversicherung und des Regelwerks des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) gelten u. a.:

• Produktsicherheitsgesetz (ProdSG)
• Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG)
• Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)
• Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und TRBS
• Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) und TRGS
• Arbeitsstättenverordnung und ASR
• DIN-Normen

→ Die Sicherheitskonformität einer Wasserstoffanlage wird gemäß § 49 Abs. 2 EnWG vorangenommen, wenn die entsprechenden Regelwerke bei deren Errichtung beachtet wurden.  

Wasserstoffexplosionsgefahr

Dass ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff derart explosiv ist, liegt an den physikalischen Eigenschaften dieses flüchtigen Gases:

Mit einem Dichteverhältnis zu Luft von ca. 0,070 ist Wasserstoff einer der leichtesten gasförmigen Stoffe. Dass es dabei noch farb- und geruchslos ist, erhöht die Explosionsgefahr, da etwaige Zündquellen nicht von einer visuell-erkennbaren Gefahr ferngehalten werden können.

Die untere Explosionsgrenze erreicht ein Luft-Wasserstoffgemisch bei einer Wasserstoffkonzentration von 4 bis 75,6 Volumenprozent. Gleichzeitig bedarf es einer vergleichsweise geringen Mindestzündenergie, um eine Wasserstoffexplosion herbeizuführen: Mit 0,019 Mega-Joule wird das Gemisch als extrem zündempfindlich eingestuft (DIN EN ISO 80079). In Relation zu der Mindestzündenergie von Methan (0,28 mJ) ist Wasserstoff mehr als 10-mal explosionsgefährlicher. Deshalb ist Wasserstoff der Explosionsgruppe IIC zugeordnet. Diese Kenngröße ist auch dann entscheidend, wenn es darum geht elektrische Geräte in einer wasserstoffexplosionsfähigen Atmosphäre (sog. EX-Zone) einzusetzen.

Im Katastrophenfall sammelt sich Wasserstoff aufgrund der sehr geringen Dichte meist unter der Raumdecke, das Gleiche gilt auch für sog. gefangene Räume oder Dachvorsprünge, die schlecht oder gar nicht durchlüftet werden. Diese gefährlichen Gasansammlungen können, wie bereits angesprochen, durch relativ wenig Energie entzündet werden. Ausreichend wäre z. B. bereits ein kleiner Stoffpartikel, der von einem Wasserstoffstrahl transportiert, sich elektrostatisch auflädt und beim Aufprall einen zündfähigen Funken hinterlässt.

Zusätzliche potenzielle Zündquellen für eine Wasserstoffexplosion können sein:

• Mechanische Reib-, Schlag- und Abriebvorgänge beim Einsatz von Werkzeugen
• Entladung elektrischer Potenzialunterscheide (z. B. beim Trennen von Leitungen)
• elektrostatische Aufladung von Personen, Arbeitsmitteln oder Bauteilen
• Wasserstoffexplosion aufgrund der Gaserwärmung bei einem Druckstoß, entstanden durch schnelles Einströmen in ein luftgefülltes Anlagenteil

→ Durch eine Ausblasstelle an geeigneter Position kann in einem zeitlich festgesetzten Rahmen ein sicheres Abbrennen des überschüssigen Wasserstoffs garantiert werden.

Arbeitsschutz zur Gefahrenprävention

Bei Arbeiten an Wasserstoffleitungen muss speziell auf die Gefahr einer möglichen Wasserstoffexplosion hingewiesen werden. Das lässt sich anhand von Schildern und Gefahrenunterweisungen bewerkstelligen. Zusätzlich sind folgende Aspekte für den Schutz der eigenen Belegschaft maßgeblich:

• Arbeiten unter Aufsicht
• Benutzen einer PSA
• Anlagenteile müssen gasdicht abgesperrt werden.
• Entspannung unter Druck stehender Leitungsabschnitte oder Baugruppen
• Abgesperrte Abschnitte mit Inertgas (z. B. Stickstoff) müssen freigespült werden (Kontrolle anhand von Gas-Konzentrationsmessgeräten)
• Nach Arbeiten an der Anlage oder Pipeline muss deren Dichtheit und Funktionsfähigkeit überprüft werden. 

→ All diese Arbeiten dürfen nur von speziell geschultem Personal vorgenommen werden.

Explosionsschutzkonzept für Wasserstoff

Um eine Wasserstoffexplosion gleichwie eine Gas- oder Staubexplosion per se zu vermeiden, sollte von einer fachkundigen Person ein Explosionsschutzdokument geführt werden. Darin müssen alle Maßnahmen zur Umsetzung des Explosionsschutzkonzepts dokumentiert werden. Welche Schutzmaßnahmen das sind, legt § 5 Abs. 9 GefStoffV fest:

→ Unsichtbar und geruchslos kann eine Wasserstoffgasansammlung mit dem bloßen Auge oder der Nase kaum wahrgenommen werden. Zwar ist das Gas selbst ungiftig, aber extrem einfach zu entzünden. Deshalb sind Gaswarngeräte für den Explosionsschutz aller Wasserstoffanlagen essentiell, um die Sicherheit für Mensch, Umwelt und Anlage zu gewährleisten.

Quellen: EHS-Manager 10/21, „Die Gefahrstoffverordnung“

Augsburg, 15.03.2023
Online-Redaktion AKADEMIE HERKERT