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Arbeitskreis "Überarbeitung des Leitfadens KAS-18" der Kommission für Anlagensicherheit (KAS) Ermittlung des angemessenen Sicherheitsabstands für Anlagen mit gasförmigem Wasserstoff

Die Kommission für Anlagensicherheit (KAS) ist ein nach § 51a Bundes-Immissionsschutzgesetz beim Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz gebildetes Gremium.

Ihre Geschäftsstelle ist bei der GFI Umwelt - Gesellschaft für Infrastruktur und Umwelt mbH in Bonn eingerichtet.

Anmerkung:
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1 Einleitung

Auf Wunsch des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) wurde in der 15. Sitzung des Arbeitskreises "Überarbeitung des Leitfadens KAS-18" (AK-KAS18) am 22.09.2023 das Thema angemessener Sicherheitsabstand für "Anlagen zur Erzeugung, Lagerung, Abfüllen, Umschlagen und Verwendung von gasförmigem Wasserstoff" diskutiert. Es wurde beschlossen, für diese Anlagen pauschale angemessene Sicherheitsabstände festzulegen. Aufgrund der Dringlichkeit dieses Themas, soll das Ergebnis des AK-KAS18 vorab veröffentlicht werden.

Bei den vorstehend genannten Anlagen sind bei einer Stofffreisetzung die Gefährdungen durch Brand und Explosion zu betrachten. Bei der Freisetzung von flüssigem Wasserstoff bildet sich eine Schwergaswolke, deren Ausbreitung stark durch die Bebauung in der Umgebung des Freisetzungsortes beeinflusst wird. Ein solches Szenario lässt sich daher nur unzureichend durch einen pauschalen angemessenen Sicherheitsabstand abbilden. Hierfür ist eine Einzelfallbetrachtung durchzuführen.

Bei der Freisetzung von gasförmigem Wasserstoff wird sich aufgrund des Betriebsüberdrucks ein Freistrahl ausbilden. Bei einer unterstellten Zündung kommt es zunächst zu einer Explosion und anschließend zu einem Brand des Freistrahls. Die Einflussgrößen auf dieses Szenario lassen sich konservativ abschätzen, sodass eine pauschalisierte Betrachtungsweise möglich ist, welches nachfolgend beschrieben wird.

Statt einer pauschalisierten Betrachtung kann alternativ auch eine Einzelfallbetrachtung vorgenommen werden.

2 Geltungsbereich und Randbedingungen

Die folgenden Betrachtungen beziehen sich ausschließlich auf Anlagen (siehe Einleitung) zum Umgang mit gasförmigem Wasserstoff mit Betriebsüberdrücken bis maximal 1.000 bar. Hierbei wird in zwei Anlagentypen unterschieden:

1. Anlagen mit Rohrleitungen mit Innendurchmessern vom maximal 15 mm und
2. Anlagen mit Rohrleitungen mit Innendurchmessern von über 15 mm.

Daraus abgeleitet wird im Fall 1 eine Leckfläche von 180 mm² (Äquivalenzdurchmesser 15 mm) und im Fall 2 eine Leckfläche von 490 mm² (Äquivalenzdurchmesser 25 mm) unterstellt.

Es werden folgende Randbedingungen vorausgesetzt:

3 Berechnungsmethoden

Für die Berechnung des Wasserstoff-Freistrahls wird das modifizierte Modell nach Schatzmann verwendet, das im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen eine gute Übereinstimmung ergibt /1/.

Der Mittelpunkt des Freistrahls befindet sich unter den getroffenen Voraussetzungen deutlich oberhalb des Bodens. Bei einer Zündung kann sich die Druckwelle in alle Richtungen ausbreiten. Für dieses Szenario ist das Modell von Baker-Strehlow-Tang /2/ geeignet, da es von einer sphärischen Ausbreitung der Druckwelle ausgeht. Weiterhin wird in diesem Modell die Reaktivität des Gases berücksichtigt. Es wird unterschieden in wenig reaktive Gase (z.B. Methan), mittel reaktive Gase und hoch reaktive Gase (z.B. Wasserstoff). In Abhängigkeit von der Verdämmung und Verblockung der Gaswolke wird der maximale Explosionsüberdruck entsprechend der Matrix von Pierorazio /3/ festgelegt. Es werden zwei Fälle unterschieden:

Fall 1: Es befinden sich keine turbulenzerzeugenden Hindernisse in der Gaswolke und die Explosion wird nicht durch Hindernisse begrenzt.

Fall 2: Es befinden sich turbulenzerzeugenden Hindernisse in der Gaswolke und es kommt zu einer Detonation. Die Explosion wird einseitig durch Hindernisse begrenzt.

Für die Berechnung der Länge der Freistrahlflamme wird der Ansatz von Molkov/Saffers /4