Wie sicher und wie verträglich sind Anlagen für die Energiewende?
Gerade im Bereich der Wasserstofftechnologie stoßen Projektwerber im Zuge von Genehmigungsverfahren immer wieder auf die Herausforderung, dass für die jeweilige Technologie keine anerkannten Standards über ein Mindestsicherheitsniveau einer Anlage vorhanden sind. Nun liegt es am Planer der Anlage die Sicherheit als hinreichend nachzuweisen, da sich ja die Behörde im Zuge der Genehmigung im Sinne von uns allen sowohl von der Sicherheit als auch von der Umweltverträglichkeit überzeugen muss.
Neue Technologien bedeuten neue Chancen – aber auch neue Risiken.
Momentan – leider etwas im Schatten der Riesenfortschritte im Bereich der Künstlichen Intelligenz – muss man sich immer wieder vor Augen halten, welch immense Entwicklung auch im Bereich der Energiewende voranschreitet. Anfänglich von Idealisten im Forschungsmaßstab demonstrierte Prozesse werden gerade industrialisiert und somit im großen Maßstab leistbar. Wie bei allen neuen Technologien bedeutet dies auch den Umgang mit neuen Gefahren und damit einhergehenden Risiken zu bewerten und als sicher oder eben noch nicht sicher genug zu beurteilen.
Insbesondere bei Wasserstoffanlagen wird es besonders dann interessant, wenn man die Gültigkeit von bekannten Regelwerken verlässt.
Das heißt z.B. bei viel höheren Drücken operiert oder Wasserstoff mit reinem Sauerstoff im Prozess verarbeitet, um Energie zu produzieren oder umgekehrt diese Gase aus Stromüberschuss generiert. Viele dieser Projekte bewegen sich bezogen auf das heutige Normungswesen vor allem beim Explosionsschutz gewissermaßen zwischen den Stühlen. Die Auslegung kann nur an Normen und Auslegungsstandards angelehnt werden, welche der Anwendung am ähnlichsten sind. Dass die jeweils gewählte Methode nun auch die richtige ist, gilt als seitens des Planers entsprechend darzulegen.
Bei sehr komplexen Einzelanlagen oder auch bei sehr geringen Stückzahlen sind Versuche, die zerstörerisch auf das Muster wirken, meist unwirtschaftlich.
Hierbei kann eine Simulation wertvolle Informationen über die tatsächliche Ausbildung eines Schadereignisses und die Wirkung auf die Anlage liefern. Im unten dargestellten Beispiel sehen sie einen Vertikalschnitt durch einen Prüfraum in welchem sich ein mit Wasserstoff betriebenes Aggregat, eine Verbindungswelle und eine sogenannte Prüfstandsmaschine zur Lastvorgabe befinden. Im angenommenen katastrophalen Schadfall durch Platzen einer unter hohem Druck stehenden Wasserstoffleitung zeigt die erste Simulation den Austritt des brennbaren Gases innerhalb seiner Zündgrenzen … ohne Zündung der Gemischwolke. Eine weitere Simulation wiederum geht von einer Zündung – z.B. durch heiße Oberflächen – zum ungünstigsten Zeitpunkt hinsichtlich Gemisches und Strömungszustands in etwa 100 Millisekunden nach dem Schadereignis aus und stellt die Druckausbildung im Prüfraum in einer Skala von 1 bis 10 bar absolutem Druck dar. Wasserstoffreiches, hoch turbulentes Gemisch lässt die Explosion von einer anfänglichen Deflagration in eine überschallschnelle Detonation umschlagen. Gerade einmal 1 Millisekunde nach Zündung sind die wasserstoffreichen Zonen umgesetzt. Das Auslaufen der Druckwellen im Prüfraum erfolgt im direkten Vergleich erheblich langsamer mit entsprechend geringerer zerstörerischer Wirkung. Dieser Vergleich ist natürlich nur rein relativ betrachtet – für uns Menschen wäre ein Aufenhalt in diesem Raum zu diesem Zeitpunkt so oder so ein erhebliches Risiko…
Eine fundierte dreidimensionale Simulation ermöglicht uns bei Einzelobjekten eine Prognose der Belastung auf die Prüfraumstruktur abzugeben, um die Mitarbeiter, welche sich im Nahbereich außerhalb des Prüfstands befinden, sicher zu schützen.
Würde man anstatt einer fundierten CFD-Simulation der Explosion auf eine quasi-dimensionale bzw. nulldimensionale Modellierung in Anlehnung an die Norm EN 14994 setzen, dann würde das Ergebnis deutlich konservativer ausfallen, obwohl die zitierte Norm noch nicht einmal die verheerende Wirkung einer Detonation abdeckt. In diesem Fall müsste der Prüfstand erheblich massiver dimensioniert werden – oder mit anderen Worten: das ressourcenschonende Umrüsten vorhandener Prüfstandsinfrastruktur auf Wasserstofftauglichkeit wäre nur eingeschränkt möglich…
Wichtig bei einer Simulation ist immer der Abgleich mit veröffentlichten oder intern verfügbaren Versuchsergebnissen.
Dies stellt sicher, dass die Simulation von Gemischausbildung und Explosion ausreichend akkurat die zu lösende Aufgabe wiedergeben und auch Effekte wie z.B. den Übergang von einer Deflagration auf eine Detonation abbilden kann. Nur so können die auftretenden Belastungen durch die Simulation beschrieben werden. Ferner bietet die Simulation von Explosionen den einzigartigen Vorteil der Betrachtung von was-wäre-wenn Fällen, welche in Versuchen mitunter gar nicht darstellbar wären.
Nochmals aussagekräftiger wird es, wenn die Simulation nicht nur den Strömungsbereich, sondern auch gekoppelt den Festigkeitsbereich mit abbildet. Hierbei geht es letztendlich um die Quantifizierung, inwieweit Materialien durch die außerordentlich impulshafte Belastung bei Explosionen effektiv belastet werden. Die Trägheit des Materials und die räumliche Begrenzung der Belastung führen einer deutlich höheren Widerstandsfähigkeit als bei stationär anliegendem Druck im Inneren von Anlagen – das zeigt sich im Versuch ebenso wie in der virtuellen Entwicklung.
