Verfahrenstechnik 3/2017

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BETRIEBSTECHNIK Störfälle beherrschen Sichere Produktion von Wasserstoff Die Elektrolyse ist ein erprobtes Verfahren zur Produktion von Wasserstoff. Damit auch bei Störfällen keine Gefährdungen auftreten, haben Sachverständige für einen Hersteller von Elektrolyseuren untersucht, wo und unter welchen Bedingungen explosive Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemische auftreten können. Autor: Dr. Jörg Sager, Abteilung Strukturzuverlässigkeit / Energiesysteme, Tüv Süd Industrie Service GmbH, Dresden Bis zum Jahr 2050 sollen in Deutschland rund 80 % des erzeugten Stroms aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft stammen. Damit diese Energiewende gelingt, muss der regenerativ erzeugte Strom in großen Mengen über lange Zeiträume gespeichert werden. Eine wesentliche Rolle kann hierbei Wasserstoff als chemischer Energieträger spielen. Der mittels Elektrolyse aus Strom und Wasser erzeugte „grüne“ Wasserstoff lässt sich in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen und sowohl zur Rückverstromung als auch zur Wärmeerzeugung nutzen. Besonders geeignet zur Wasserstoffproduktion ist die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse), da diese Anlagen in der Lage sind, sehr flexibel auf das fluktuierende Angebot an erneuerbar erzeugtem Strom zu reagieren. Die heutigen PEM-Elektrolyseanlagen haben einen Wir- 34 VERFAHRENSTECHNIK 3/<strong>2017</strong>
BETRIEBSTECHNIK kungsgrad von 75–80 %, können Strom im Megawattbereich aufnehmen und werden bereits in zahlreichen Pilotprojekten erprobt. Sicher trotz Störung Bei der Elektrolyse entstehen hochreaktiver Wasser- und Sauerstoff. Doch was passiert, wenn es zu einer gravierenden Störung kommt und zum Beispiel ein Brand dazu führt, dass die Stromversorgung unterbrochen wird? Um diese Fragestellung zu klären, hat ein Hersteller von Elektrolyseanlagen Tüv Süd Industrie Service beauftragt, das Sicherheitskonzept seiner Anlagen zu prüfen. Das Unternehmen setzt einen Teststand zur Qualitätssicherung ein, auf dem die Anlagen vor der Auslieferung an die Kunden über einen Zeitraum von mehreren Tagen geprüft werden. Dabei wird der Wasserstoff nicht wie im späteren Betrieb gespeichert, sondern über ein Abgassystem in die Umgebung abgeführt. Damit keine explosiven Gasgemische entstehen und es zu keiner Knallgasreaktion kommt, werden die Abgasleitungen der Elektrolyseanlagen im laufenden Betrieb mit Stickstoff inertisiert. Bricht die Stromversorgung der Anlage zum Beispiel aufgrund eines Brandes zusammen, muss der Wasserstoff innerhalb kürzester Zeit aus den Elektrolyseuren ausgeleitet werden, um die Explosionsgefahr zu bannen. Dazu hat der Hersteller elektromagnetische Ventile vorgesehen, die sich automatisch bei einem Störfall öffnen, um den Wasserstoff über das Abgassystem auszublasen. Die Leitungen zum Stickstofftank sind ebenfalls mit elektromagnetischen Ventilen versehen, die sich im Störfall öffnen. So soll sichergestellt werden, dass Wasserstoff und Stickstoff gemeinsam ausströmen und die Wasserstoffkonzentration unter der explosionskritischen Grenze bleibt. Die Experten von Tüv Süd sollten nun untersuchen, ob es trotz der implementierten Sicherheitsmaßnahmen beim Ausströmen in die Umgebungsluft zu kritischen Wasserstoff-Sauerstoff-Konzentrationen kommt. Fluiddynamische Simulation Ermittlung der Schadensursache mit fluiddynamischen Modellen Fluiddynamische Simulationen eignen sich nicht nur zur Prävention, sondern auch zur Rekonstruktion von Störfällen. So wurden Sachverständige von Tüv Süd Industrie Service beauftragt, die Ursachen für einen Unfall mit Personenschaden in einem Heizkraftwerk zu ermitteln. Ein Arbeiter wurde dort durch austretenden heißen Wasserdampf verletzt. Die Sachverständigen sollten klären, wie und vor allem wie schnell heißer Wasserdampf in den Beschickungsbunker der Anlage gelangen konnte, nachdem im Feuerraum ein Verdampferrohr geplatzt war. Der Beschickungsbunker ist im Normalbetrieb frei von Wasserdampf. Über ihn gelangt der Energieträger in den Brennraum. Mittels fluiddynamischer Modelle konnten die Vorgänge während des Zwischenfalls berechnet und geklärt werden. Beim Bersten des Rohres strömte Dampf aus dem Verdampferrohr in den Kessel. Das nachströmende Kesselspeisewasser entspannte sich in den Feuerraum hinein. Durch die hohe Speisewassertemperatur kam es zu einer spontanen Verdampfung. Da die Temperatur im Feuerraum über 1000 °C betrug, erhöhte sich das Dampfvolumen zusätzlich. Somit stieg der Druck im Feuerkessel soweit an, dass das Dampf-Rauchgas-Gemisch augenblicklich sowohl über den Kamin als auch über die Frischluftzufuhr und den Beschickungsbunker herausgepresst wurde. Dazu wurde auf Basis der Anlagenpläne das gesamte Abgassystem inklusive aller Maschen und Verzweigungen in einem mathematischen Modell abgebildet. In die fluiddynamische Simulationsberechnungen flossen die unterschiedlichen Rohrparameter wie Leitungslänge, Leitungsquerschnitt und die Oberflächenbeschaffenheit der Rohrinnenseiten ebenso ein wie die physikalischen und chemischen Eigenschaften der eingesetzten Gase. Ausgangspunkt der Simulation sind die Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Volumen bzw. Stoffmengen in den Elektrolyseuren bzw. den Stickstofftanks. Anhand der Zustandsgleichungen für ideale und reale Gase sowie der Erhaltungssätze für Masse und Energie konnten die Abströmvorgänge detailliert modelliert werden. Die relevanten Prozesse laufen unter Umständen innerhalb von nur wenigen Millisekunden ab. Um die erforderliche hohe zeitliche Auflösung und die korrekte Beschreibung der physikalischen Zustandsparameter der Gase und der instationären, kompressiblen Strömung im Rohrleitungssystem zu gewährleisten, gibt es somit zu einer mathematischen Simulation der Prozesse kaum Alternativen. Kritische Konzentration In den Elektrolyseuren und in den Stickstofftanks herrschen unterschiedliche Ruhedrücke und Temperaturen. Daraus resultiert, dass Wasserstoff und Stickstoff unterschiedlich stark in das Abgassystem entspannen. Das Ergebnis der Simulation zeigt, dass der Stickstoff den Wasserstoff nach dem Öffnen der Ventile zunächst in die Elektrolyse zurückdrängt. Erst nach dem Druckausgleich strömt der Wasserstoff gemeinsam mit dem Stickstoff über das Abgassystem ab. Innerhalb des Abgasleitungssystems vor der Austrittsstelle wirkt die Inertisierung. Dort besteht auch beim angenommenen Störfallszenario keine Explosionsgefahr. Dennoch deckte die fluiddynamische Simulation eine Schwachstelle im Sicherheitskonzept auf, bei der die kritische Wasserstoffkonzentration überschritten werden kann. Am Austritt, wo sich der Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft vermischt, kann sich ein explosives Gasgemisch bilden. Somit kamen die Tüv-Süd-Sachverständigen zu dem abschließenden Ergebnis, dass die Anlage für den Normalbetrieb als sicher eingestuft werden kann, dies jedoch nicht für den betrachteten Störfall gilt. Die Simulation lieferte dem Hersteller die Grundlage für die Überarbeitung des Sicherheitskonzeptes. Foto: Roger Tully/Getty Images www.tuev-sued.de/is OBERFLÄCHENTECHNIK • KORROSIONSSCHUTZ Weltneuheit Nie mehr ROST ! über 6.000 Std. Salzsprühtest, Chemiebeständig Oberflächentechnik: Garantie bis 50 Jahre die bunte Alternative zu Zink Korrosionsschutz OR 6000® - Weltrekord www.OR6000.de BOT.indd 1 19.01.2016 15:29:40 VERFAHRENSTECHNIK 3/<strong>2017</strong> 35
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