F-Gase gehen, die Feuergefahr kommt

Computersimulationen unterstützen Risikoanalysen

Hersteller und Anlagenbauer in der Klima- und Kältetechnik müssen vor dem Hintergrund der F-Gas-Verordnung vermehrt Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial einsetzen. Doch viele dieser Gase sind feuergefährlich und erfordern erstmals eine genaue Risikoanalyse und möglicherweise Praxistests. Für Hersteller heißt das: Rüsten Sie jetzt um und weisen Sie Zertifizierungen und Risikoanalysen nach!

Die Uhr tickt, bis 2021 müssen die Emissionen fluorierter Gase (F-Gase) im Vergleich zu 2015 halbiert und bis 2030 um ca. 80 % reduziert werden. Dabei gilt eine stufenweise Reduktion, die allerdings einzelne Gerätegattungen unterschiedlich betrifft. So dürfen bereits ab 2020 hermetisch geschlossene gewerbliche Kälteanlagen nur verkauft werden, wenn deren eingesetztes Kältemittel ein Treibhauspotential unter 150 aufweist. Fast alle bekannten Gase unter diesem Wert sind brennbar.

Noch haben bei weitem nicht alle Hersteller reagiert. So müssen gewerbliche Kältegeräte aber auch Klimaanlagen und Wärmepumpen rasch umgerüstet werden, um auch in Zukunft am Markt erfolgreich abgesetzt werden zu können. Und die Industrie muss auf Kältemittel mit einem geringeren relativen Treibhauspotenzial („Global Warming Potential“, GWP) umstellen. Natürliche Kältemittel, wie beispielsweise CO2, Isobutan, Propan oder Ammoniak sowie einige HFOs können die GWP-Grenze von 150 unterbieten.

Die weniger klimaschädlichen Gase bringen aber neue Probleme mit sich, denn mit Ausnahme von CO2 sind sie brennbar oder giftig. So sind an den Geräten zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen notwendig.

Feuergefährdung durch brennbare Kältemittel ist ein entscheidendes Produktmerkmal, für das nach europäischen Produktanforderungen eine ausführliche Risikoanalyse notwendig ist – im Unterschied zu bisher. Etwas vereinfacht ausgedrückt haben die Hersteller bislang lediglich die Ungefährlichkeit der Geräte hinsichtlich der Brandgefahr festgestellt. Dies reicht nicht mehr aus, denn die neuen Kältemittel wie beispielsweise R454C, R1234yf oder Propan sind mindestens in der Entflammbarkeitsklasse 2L eingestuft. Deshalb ist eine umfassende Risikoanalyse der Geräte und Anlagen erforderlich.

Risikobeurteilungen nach EU-Recht

Geregelt ist die Risikobeurteilung in der ATEX-Richtlinie. Sie fordert einen umfassenden Gefahrenbewertungsprozess, bei dem alle Komponenten eines Gerätes, alle Anwendungsszenarien sowie alle bekannten Gefahren eingeschlossen sind. Anschließend muss der Hersteller entscheiden, ob ein vertretbares Risiko vorliegt oder ob zusätzliche Maßnahmen zur Risikominderung notwendig sind. Zu diesem Prozess gehören unter anderem folgende Punkte:

Festlegen des bestimmungsgemäßen Gebrauchs sowie der Einsatzgrenzen

Erkennen von Wechselwirkungen zwischen Komponenten und Vorgängen innerhalb der Geräte

Erkennen potenzieller Zündquellen

Erkennen von Wechselwirkungen zwischen Komponenten und Stoffen in den Geräten

Bestimmen der Wahrscheinlichkeit der erkannten Gefahren

Schätzen des Schweregrads eines möglichen Schadens

Ermitteln von Restrisiken

Erstellen von Benutzerinformationen, die über alle Gefahren informieren

Eine wichtige Maßnahme zur Risikominderung: Eine explosionsfähige Atmosphäre darf weder innerhalb des Gerätes noch in seiner unmittelbaren Nähe entstehen. Deshalb werden viele Hersteller ihre Geräte und Anlagen vollkommen neu konzipieren müssen. Da sie bisher fast ausschließlich nicht feuergefährliche Kältemittel eingesetzt haben, sind oft die elektrischen Bauteile so in einem Gehäuse platziert, dass plötzlich Zündquellen entstehen könnten. Hierzu müssen beispielsweise Relais und Schalter abgeschirmt oder in einem getrennten Gehäuse verbaut werden. Eine weitere mögliche Maßnahme ist eine Vorrichtung zum Ausschalten gefährlicher Zustände, beispielsweise durch Unterbrechen der Stromversorgung. Sinnvoll und zum Teil vorgeschrieben ist auch der Einbau einer Belüftungsanlage, um ausgetretene Gase schneller zu verteilen.

Bereits diese kurzen Anmerkungen zeigen, dass der Aufbau vieler Geräte neu gedacht werden muss. Hinzu kommt, dass Hersteller und Anwender auch die entsprechenden Passagen der Gefahrstoff-, Arbeitsstätten- und Betriebssicherheitsverordnung berücksichtigen müssen. Der Betriebsort der Anlage muss ausreichend belüftet sein und bei der Arbeit daran darf nur geeignetes Werkzeug verwenden werden. Zudem muss die Füllmenge des Kältemittels an die Größe des Raumes angepasst sein. Dadurch wird verhindert, dass im Fall der Fälle ein brennbares Luft-Kältemittel-Gemisch entstehen kann.

Computersimulationen ergänzen physikalische Tests

Kurz: Eine Risikoanalyse in der Klima- und Kältetechnik ist nicht nebenbei umzusetzen. Valide Aussagen zu Risiken und ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit sind nur durch ausführliche, physikalische Tests zu erhalten. Doch sie sind sehr kostspielig und zeitaufwendig. Aus diesem Grunde werden die meisten Hersteller dazu übergehen, nicht alle denkbaren Tests auszuführen, sondern sich auf bestimmte plausible Risiken zu begrenzen. Dies kann im Einzelfall aber zu große Restrisiken bedeuten.

Es gibt jedoch eine sinnvolle Ergänzung zu physikalischen Tests: eine Computersimulation. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise alle Arten von Leckagen bei einem Kälte- oder Klimagerät überprüft werden. Entscheidende Parameter sind dabei unter anderem Ort und Rate des Gasaustritts sowie die Position der Zündquelle. Im Unterschied zu einem physikalischen Test können diese Parameter beliebig variiert werden. Zudem können in einer Computersimulation auch Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Raumtemperatur oder Luftzug durch eine Belüftungsanlage beliebig variiert werden.

In dem Simulationsmodell können für jeden dieser Parameter beliebig viele Datenpunkte gesetzt werden. So ist es möglich, Leckage und Zündquelle völlig frei in kleinen Schritten an anderer Stelle zu positionieren, um die Wirkung eines Gasaustritts zu bewerten. In einem echten Test wäre dies aus Zeit- und Kostengründen nicht möglich. Ein weiterer Vorteil der Simulation ist die kurze Durchlaufzeit einer einzelnen Simulation, die unter Umständen nur wenige Sekunden beträgt. So können in sehr kurzer Zeit enorm viele Daten berechnet und verglichen werden.

Am Ende einer Reihe von Simulationen steht ein Vergleich aller zu betrachtenden Szenarien, welche es dem Hersteller erlauben, zu bewerten, welches das geringste Risiko bedeutet. Sollte die Zuverlässigkeit der gefundenen Ergebnisse aufgrund der Qualität des Modells oder der bereitgestellten Daten weiterhin ein zu großes Restrisiko aufweisen, können die Ergebnisse in einem realen physikalischen Test bestätigt werden.

Validierte Simulationsmodelle

Eine Simulation ist nur so gut wie die dem Modell bereitgestellten Daten: Das benutzte Modell muss valide sein und präzise die Ergebnisse eines entsprechenden Praxistests ergeben. Dies ist keine triviale Anforderung. UL (www.ul.com) hat für Risikoanalysen in der Kältetechnik ein eigenes Simulationsmodell entwickelt und anhand eines Vergleichs mit physikalischen Tests überprüft. Dabei wurden verschiedene Kältegase mit unterschiedlich angeordneten Leckagen und Zündquellen in einem definierten Test­aufbau simuliert.

Dieser Testaufbau inklusive der Gasaustritte und Zündquellen wurde anschließend in der Realität nachgebaut und in der Praxis überprüft. Hierbei ist die Simulation als Prognose zu verstehen und der Praxistest als die empirische Überprüfung. Tritt das vorhergesagte Strömungs- und Brandverhalten nicht ein, wird das Simulationsmodell überarbeitet und erneut empirisch überprüft. Diese Validierung des Modells ist sehr aufwendig, vereinfacht den Einsatz im alltäglichen Testbetrieb aber deutlich. Valide Computersimulationen stellen eine exzellente Möglichkeit dar, um eine Risikobeurteilung entsprechend der ATEX-Richtlinie zu bestätigen.

Für Hersteller, aber auch Importeure und Anlagenbauer im Bereich Klima- und Kältetechnik, drängt die Zeit. Denn die Europäische Union hat ihnen die Pflicht zum Nachweis der entsprechenden Zertifizierungen und Risikoanalysen übertragen. Computersimulationen helfen dabei, die Zeit bis 2020, und abhängig von der Anwendung darüber hinaus, effektiv zu nutzen und die gesamte Produktpalette auf Kältemittel mit geringem GWP umzustellen.

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