MESSTECHNIK FÜR OPTIMALE SICHERHEITSKONZEPTE AUF BIOGASANLAGEN - EINGESETZTE MESSTECHNIK UND PRAXISERFAHRUNGEN DR.-ING. SARAH GEHRIG (DR. GEHRIG MANAGEMENT- & TECHNOLOGIEBERATUNG GMBH/ SACHVERSTÄNDIGENKREIS BIOGAS - SVK) VDI KONFERENZ PROZESSMESSTECHNIK AN BIOGASANLAGEN 2014 IN LEIPZIG, 25.03.2014 EINLEITUNG
RECHTLICHE GRUNDLAGE UND VERANLASSUNG Eigenverantwortung des Arbeitgebers/Betreibers! Unterscheidung zwischen Anlagenbetreiber und Arbeitgeber beachten: Anlagensicherheit bezüglich Arbeitsschutz obliegt dem Arbeitgeber (gemäß BetrSichV), bzgl. des Immissionsschutzes (geregelt in 5 BImSchG - Betreiberpflichten) und Gewässerschutz liegt sie bei dem Betreiber Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen und Veranlassung von Prüfungen Dokumentation als Nachweis zur Einhaltung der Sorgfaltspflicht Die Sicherheitsregeln messen der Rolle des Arbeitgebers eine besondere Bedeutung bei RECHTLICHE GRUNDLAGE Anforderungen Betriebssicherheitsverordnung Gefahrstoffverordnung Wasserhaushaltsgesetz, VAwS gelten für wen? ALLE Anlagen (Anforderungen konkretisiert in diversen TRBS, TRGS und TRwS) Betreiberpflichten 5 BImSchG Anlagen gemäß 4. BImSchV Sicherheitsmanagementsystem gemäß StörfallV Anlagen mit möglichen Lagermengen gemäß 12. BImSchV
ZIEL DER SICHERHEITSREGELN Ziel - Personen-, Sach- und Umweltschutz Zielgruppe - Arbeitgeber, Betreiber, Planungsbüros, Generalunternehmer und Komponentenhersteller, Genehmigungs- und Fachbehörden, Sachverständige und befähigte Personen Geltungsbereich - Biogasproduzierende Anlage (Methangärung) mit Transport, Verwertung bzw. Verbrennung des Biogases Schwerpunkt - Explosionsschutz - Sicherer Betrieb der Biogasanlage AUFBAU DER SICHERHEITSREGELN Allgemeines und Verantwortung - Abgrenzung der Betrachtung, Eigenschaften von Biogas, Gefahren, Explosionsschutz, technische Grundanforderungen, geltende Gesetze und Vorschriften Formale Voraussetzung für einen sicheren Anlagenbetrieb - Planung und Errichtung der Anlage, Betrieb der Anlage Maßnahmen für sichere Anlagen - Anlagenbereich wie Annahme, Vorbehandlung, Fermenter, Gasspeicher, Lager, etc. Prüfpflichten Gesetze, Vorschriften und Regelwerke
RISIKOANALYSE - GEFAHREN AUS BIOGASANLAGEN Explosionen + Brände Methan Explosionsgefahren sind die potenziell größten Gefahren für Mensch, Umwelt und Sachwerte. Explosionsschutz daher im Vordergrund Vermeidung von Leckagen Vermeidung g.e.a. (~ 5 20 Vol.-%) Vergiftung H 2 S, CO 2, CO, NH 3 Havarien fast wöchentlich Meldungen über Gewässerverunreinigungen durch auslaufendes Substrat Luft [%] 0 100 10 90 20 80 30 70 40 60 50 50 60 40 Inertgas [%] 70 30 N 2 80 20 90 10 CO 2 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Methan [%] Explosionsbereich Luftzumischung RISIKOANALYSE Welche sicherheitsgerichtete Messtechnik zum Einsatz kommen muss, hängt von der Anlagenart und -bauweise, den vorhersehbaren Anlagenzuständen, den Betriebsweisen, den eingesetzten Substraten und dem Standort (Nachbarschaft) ab. Festlegungen erforderlich für: Normalbetrieb, Wartung, Störung, Außerbetriebnahme, (Wieder-)Inbetriebnahme Ziel ist die Vermeidung von Störungen bzw. ein häufiger Normalbetrieb.
RISIKOANALYSE Auf Risikoanalyse des Herstellers zurückgreifen! EXPLOSIONSSCHUTZ BEISPIEL FERMENTER Anlagenbezogenes Explosionsschutzkonzept!! potenzielle Explosionsgefahren ermitteln und durch Schutzmaßnahmen vermeiden/vermindern (Gefährdungsbeurteilung) Normalbetrieb i.d.r. keine Bildung von g.e.a. Gasdichte Ausführung, Betriebsanweisung erstellen, Dichtheitsprüfung, Füllstandsüberwachung Wartung Bildung einer g.e.a. möglich durch Öffnen der Behälter Gaswarnmessgerät, ausreichende Belüftung, Zündfunken verhindern, stromlos schalten, Anfahrreihenfolge beachten Störung Eintritt von Luft oder Austritt von Gas möglich
MESSKONZEPTE Mindestumfang Temperatur in Gärbehältern Füllstand Gasspeicher (inkl. Unter-/Überdruckabsicherung) Füllstand Gär- und Lagerbehälter (Überfüllsicherung) CH 4, H 2 S, CO 2, O 2 im Gasraum sowie Überwachung von tiefergelegenen bzw. geschlossenen Arbeitsplätzen (zusätzlich ggf. CO, NH 3 ) Freimessen von Arbeitsbereichen bei Wartungen, Reparaturen etc. Zusätzlich sinnvoll: Temperaturüberwachung Rührwerke und Pumpen Temperaturüberwachung Raumluft BHKW Gasfeuchtemessung vor BHKW ggf. Temperaturüberwachung Aktivkohlefilter MESSKONZEPTE - TEMPERATURÜBERWACHUNG Temperatur in den Behältern ist per se keine sicherheitsrelevante Größe, aber ohne ist der Betrieb verfahrenstechnischer Blindflug Vorzugsweise Einsatz von Widerstandsthermometern (z.b. Pt 100) oder Thermoelementen Einbauort nicht in der Nähe von Heizelementen oder von Substrateintragsrohren Erschütterungsarmer Einbauort Anbindung des Temperaturfühlers mit 3- bzw. besser 4-Leitertechnik aufgrund der hohen Leitungslängen Temperaturmessung im Gärgemisch über eine Tauchhülse oder Mantelfühler Auf Austauschbarkeit des Messeinsatzes und Möglichkeit der Reinigung achten
MESSVERFAHREN - GASFÜLLSTÄNDE Füllstandsüberwachung liefert wichtige Information für Prozesszustand Ultraschall ist ein relativ genaues Verfahren (oft in Tragluft- und Foliendächern) Fehlmessungen bei Schaumbildung einfach aber weniger genau ist die mechanische Messung mittels Riemen, Bändern oder Schläuchen Zusätzlich Überdruckmessung (Drucksensoren) wird in vielen Anlagen als Füllstandsersatz benutzt Flexibler Anlagenbetrieb? Berücksichtigung von Medieneigenschaften und Witterungseinflüssen bei Über- und Unterdruckwächtern oft ungenügend Genauigkeit bei Füllstand < 50 % stark eingeschränkt, da unkontrollierbare Verformungen auftreten MESSVERFAHREN ZUR ÜBERFÜLLSICHERUNG/FÜLLSTANDSMESSUNG hydrostatische Sonden haben sich grundsätzlich in der Praxis bewährt. Schwimmschalter sind wegen der Gefahr der Blockierung nichtempfehlenswert Ultraschall-, Radar- oder Laser-Sonden sind ebenfalls störanfällig (Schaum, weiche Dachkonstruktionen) Binäres Signal bei Überfüllsicherung, da automatische Gegenmaßnahme Für alle Messungen in der flüssigen Phase gilt: Stark schwankende Dichte des Materials, Anbackungen und Verschmutzungen sind unvermeidbar, Reinigung des Fühlers muss leicht durchgeführt werden können (Spülvorrichtungen) Sinnvolle Applikation wählen Aus ausreichende Dimensionierung (bei Membranfühler) achten
MESSKONZEPTE - GASMESSGERÄTE automatische stationäre Erfassung und Kontrolle von CH 4, H 2 S, CO 2 (optional auch H 2 ) CH4 und CO 2 -Messung meist per Infrarot (IR)-Technik, seltener mittels Wärmeleitfähigkeitssensoren (Querempfindlich! deshalb separater Sensor für O 2 ) O 2, H 2 S und H 2 werden oft elektrochemisch bestimmt, O 2 auch paramagnetisch Die Genauigkeit für CH 4, H 2 S, O 2, H 2 liegt bei ca. 2 3 % vom MBE, für Schwefelwasserstoff bei ca. 10 % vom Messwert. Alle Sensoren unterliegen einer Veränderung (Drift), weshalb diese mindestens jährlich, besser halbjährlich kalibriert werden sollte Elektrochemische Sensoren werden zudem langsam verbraucht, die Standzeit ist abhängig von der Häufigkeit der Messungen Zusätzlicher Einsatz von Handmessgeräten an nichtständigen Arbeitsplätzen MESSKONZEPTE UND MESSVERFAHREN GASMESSUNGEN Unterscheidung in Leckageerkennung und Emissionsmessung!! Was will ich wissen? Grundsätzlich verfügbare Verfahren: - Gaskamera - Gasmessgeräte - Schaumbildende Mittel Auswahl und Einsatz nach Erfordernis Explosionsschutz Detektion von Vergiftungsgefahren Leckageerkennung
EIGNUNG DER GASMESSVERFAHREN Gaskamera erkennt Undichtigkeiten > 10 l/min aus emissionstechnischer Sicht nicht akzeptabel als technische Dichtigkeitsprüfung im Sinne der TRBS 2152 und der TI 4 ungeeignet als orientierende Messung zur Leckagedetektion nutzbar Gasmessgeräte und schaumbildende Mittel können Leckagen < 0,7 l/min erkennen und sind daher zur Dichtigkeitsprüfung nach TRBS 2152 und TI 4 geeignet. Nachteilig ist dass jeder Quadratmeter separat geprüft werden muss VERFAHRENSVERGLEICH Gaskamera Gasspürgerät Schaumbildenden Mittel Beurteilung der Schnell und sicher (Personal in Hohe Genauigkeit bezüglich Geringe Genauigkeit Herstellers Abstand max. 100 m) Ort und Größe Lokalisierung von Leckage Suche bei über 10 l/min (Abstand max. 1 m) vermutlichen Leckstellen erfolgreich Unabhängig von Wetter Unzugängliche Stellen werden gefunden Wetterabhängig (Wind, Schnee, Nebel) Vorteile Detektion von 100 m Entfernung, Klare Ergebnisse auf dem Geeignet für vermutliche sicher für das Personal Monitor Leckstellen Große Oberflächen gleichzeitig Unabhängig vom Wetter überprüfbar Keine teure Technik Sehr kostengünstige Mittel Sehr schnelle Untersuchung Ohne zertifiziertes Personal Nachteile Leckagen < 10 l/min werden nicht erkannt (=5.300 m³/a) Bei schlechtem Wetter keine Untersuchung Teure Technik; zertifiziertes Personal erforderlich Subjektivität der Ergebnisinterpretation (Austrittsmenge: klein, mittel, groß etc.) Relativ langsame Untersuchung Sehr nah zu Gasleckage (gefährlich) Untersuchung von kleinen Oberflächen Unzugängliche Stellen werden schwierig gefunden Untersuchung von kleinen Oberflächen Sehr langsame Untersuchung Nicht für Tragluftdächer geeignet
DOKUMENTATION UND SONSTIGE ANFORDERUNGEN Nicht die Fülle an Messwerten ist entscheidend für die Anlagensicherheit! Es braucht letztlich nur wenige, aber richtige Werte Betreiber muss Erfahrung in der Interpretation entwickeln Veränderungen und ihre Bedeutung Plausibilitätsprüfung (Wertedrift bzw. fehlerhafte, verschmutzte oder an ungeeigneter Stelle installierte Sensoren oder echte technische Probleme?) Sinnvolle Installation von Sensoren und regelmäßige Reinigung, Kalibrierung und Funktionsprüfung Dokumentation!! Nur Messwerte erfassen, die auch eindeutig interpretiert werden können. Bei Anlagen mit mehreren Fermentern kann es sinnvoll sein, die Methankonzentration in den einzelnen Gasräumen zu messen. ggf. Anschluss an eine Notstromversorgung (StörfallV) PRÜFPLÄNE - BEISPIEL Bezeichnung des Arbeitsmittels 1. Dichtheitsprüfung Gasspeicher Sichtkontrolle/ Funktionskontrolle 2. Kalibration Gerät XY letzte Prüfung nächste Prüfung 16.07.2014 16.07.2014 28.10.2014 Mängel festges tellt Mängel sofort beseitigt Prüfergebnisse, Hinweise, Bemerkungen ja nein ja nein ggf. Eintrag im Betriebsbuch Name der Kenntnisnah Prüforganisation me durch Befähigte Person Geschäftslei tung Funktionsprüfung 16.07.2014
FAZIT Hohe Eigenverantwortung von Betreiber/Arbeitgeber Grundlage für Messkonzept (was? wo? wie oft?) bildet die Risiko-/Gefahrenanalyse Messwerte zur Beurteilung der Sicherheit müssen sinnvoll in ein Messkonzept mit anderen Parametern zur Beurteilung der Prozessbiologie eingebunden werden Hohe Wertegläubigkeit noch oft anzutreffen Teilweise katastrophale Installation von teurer Technik in der Praxis Detaillierte Fehlersuche auf fast allen Anlagen zu empfehlen; auf jeden Fall mehr Wachsamkeit erforderlich Geeignete Technik ist verfügbar, funktioniert aufgrund der Medien aber nicht ohne Pflege Redundanz oder Kontrollmöglichkeit wichtiger als noch mehr Werte Robuste Technik und Installation sollte den Vorzug vor technischen Spielereien haben VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! WEITERE INFOS: WWW.SVKBIOGAS.DE WWW.GEHRIGONLINE.DE