Schutz gegen Blitzströme und Überspannungen in Biogasanlagen

Biogasanlagen gehören zu den explosionsgefährdeten Bereichen, für die bestimmte Schutzkonzepte vorgeschrieben sind. Da Blitze mögliche Zündquellen sind, müssen auch dafür entsprechende Pläne und Einrichtungen vorhanden sein. Die Megawatt-Anlage in Midlum verfügt über solche Maßnahmen. Nachwachsende Rohstoffe und Gülle werden vergoren und erzeugen Methangas. Dieses Gas wird in der so genannten Gasblase gespeichert. Aus dem Speichertank der Megawatt-Biogasanlage in Midlum im Norden Deutschlands wird das Gas nach Bedarf in eines von drei Blockheizkraftwerken (BHKW) geleitet, in dem Strom und nutzbare Wärme erzeugt wird. Die Stromerzeugung aus der Anlage reicht für etwa 4000 Haushalte und die überschüssige Wärme dient zur Beheizung eines Schwimmbeckens und weiterer Gebäude.

Bei der Erzeugung, Lagerung und Verwertung von Biogas können unterschiedliche Gefahren und Risiken auftreten. Unter anderem muss bei der Errichtung einer Biogasanlage auch das Risiko eines Blitzeinschlages beurteilt werden. Bei einem Blitzeinschlag in den Fermenter einer Biogasanlage können neben der Gesundheitsgefährdung von Personen auch Explosionen durch zündfähige Gas-Luft-Gemische oder Brände entstehen. Personen-, Sach- und Umweltgefährdung können die Folge sein.

Um Gefährdungen von Menschenleben zu verhindern und die Anlagenverfügbarkeit einer Biogasanlage jederzeit sicherzustellen, sind Schutzmaßnahmen gegen Blitzströme und Überspannungen notwendig, die sich nach dem akzeptierbaren Risiko richten.

Sicherheit gesetzlich vorgeschrieben

Seit Ende 2002 ist die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) für den Betrieb von überwachungsbedürftigen Anlagen bindend. Nach dem Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (GPSG) zählen zu den überwachungsbedürftigen Anlagen auch Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen.

Da zum Beispiel in der Umgebung von Gasspeichern und Gärbehältern einer Biogasanlage mit einem explosionsfähigen Gas-Luft-Gemisch zu rechnen ist, sind Biogasanlagen als explosionsgefährdete Anlagen einzustufen. In den verschiedensten Normen und Regeln wird der Blitz als Zündquelle definiert. Dies ist auch in den Sicherheitsregeln für Biogasanlagen, herausgegeben von der Landwirtschaftlichen Berufsgenossenschaft, zu finden.

Hier wird auf die Gefahr hingewiesen, dass eine Explosion durch ein Gas-Luft-Gemisch bei einer Biogasanlage eintreten kann. Entsprechend der BetrSichV §12 sind überwachungsbedürftige Anlagen, so auch Biogasanlagen, nach dem Stand der Technik zu montieren, zu installieren und zu betreiben. Hierzu zählen auch Blitzschutzsysteme, die so zu errichten sind, dass sie der BetrSichV entsprechen.

Nach der BetrSichV ist der Arbeitgeber verpflichtet, eine ganzheitliche Ermittlung und Bewertung der Gefährdungsfaktoren für explosionsgefährdete Betriebsstätten durchzuführen. Im §6 wird gefordert, dass der Arbeitgeber ein Explosionsschutzdokument zu erstellen hat, das er ständig auf dem aktuellen Stand halten muss.

Auch für die Biogasanlage Midlum wurde ein Ex-Zonenplan durch das Unternehmen Haase Anlagenbau erstellt. Es war als Generalunternehmer für die Planung und den Bau der Anlage verantwortlich. Basis für die Planung und Beurteilung eines Blitzschutzsystems (englisch: Lightning Protection System (LPS)) an Biogasanlagen sind die aktuellen und gegebenenfalls behördlich genehmigten Ex-Zonenpläne der betreffenden Anlage in maßstäblicher Ausführung. Die Ex-Zonenpläne sind in Grund- und Aufriss mit den erforderlichen Schnittplänen beizustellen.

Das Blitzschutzsystem ist dann so zu errichten, dass möglichst keine Lichtbögen, Schmelz-, Sprüh- und Funkenwirkungen entstehen, die in Ex-Zone 0 oder 1 eindringen können (zum Beispiel Abschmelzungen von Blechabdeckungen oberhalb der Gasblase, Überschläge an Klemmverbindungen und Stellen unterschiedlichen Potenzials). In der Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 wird im Hauptabschnitt 2, Punkt 4., für Gebäude und Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen beschrieben, dass ein Blitzschutzsystem entsprechend der Schutzklasse II, den normalen Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche entspricht.

In begründeten Einzelfällen oder bei besonderen Bedingungen, wie beispielsweise extremen Umwelteinflüssen, klimatischen Bedingungen oder gesetzlichen Vorgaben, kann davon abgewichen werden. Auch die Richtlinie der Sachversicherer des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) VdS-Richtlinie 2010 fordert für industriell genutzte Biogasanlagen einen äußeren Blitzschutz der Blitzschutzklasse II, der alle drei Jahre zu überprüfen ist. Das Blitzschutzsystem besteht aus äußerem und innerem Blitzschutz und muss folgende Funktionen erfüllen:

  • Auffangen eines Direkteinschlages in die bauliche Anlage (mit einer Fangeinrichtung)
  • Sicheres Ableiten des Blitzstroms zur Erde (mit einer Ableitungs- einrichtung)
  • Verteilen des Stroms in der Erde (mit einer Erdungsanlage)
  • Verhindern gefährlicher Funkenbildung innerhalb der zu schützenden baulichen Anlage, die durch den Blitzstrom verursacht werden kann, der durch die Leiter des Äußeren Blitzschutzes oder in anderen leitenden Teilen der baulichen Anlage fließt.

Im Falle der Biogasanlage Midlum kamen zum Beispiel zur Vermeidung eines direkten Blitzeinschlages in den Gasspeicher und in die Entschwefelungsanlage Stahl-Tele-Blitzschutzmasten zum Einsatz. Diese Masten werden im gewachsenen Boden oder im Bodenfundament errichtet. Mit diesen Masten können freie Höhen über Flur von 25 Meter oder mehr erreicht werden.

Gesamtkonzept für erhöhte Sicherheit

Um hohe Potenzialdifferenzen zwischen den einzelnen Erdungsanlagen zu vermeiden, wurden diese in der Biogasanlage Midlum zu einer Gesamterdungsanlage verbunden. Die einzelnen Gebäude- und Systemerdungsanlagen wurden miteinander vermascht. Durch das Vermaschen aller Erdungsanlagen werden Potenzialdifferenzen zwischen den Anlagenteilen deutlich reduziert. Auch die Spannungsbeanspruchung der gebäudeüberschreitenden elektrischen Verbindungsleitungen im Fall einer Blitzeinwirkung wird damit verringert.

In der DIN EN 62305-4 wird zwischen äußeren und inneren Zonen, die gegen direkte Blitzeinschläge geschützt sind, unterschieden. An der Grenze jeder inneren Zone muss der Potenzialausgleich direkt oder indirekt durch geeignete Klemmen oder Schutzgeräte für alle eingeführten metallenen Teile und Versorgungsleitungen realisiert werden. Alle metallenen Versorgungsleitungen, die in die bauliche Anlage eintreten, werden an Potenzialausgleichsschienen an der Grenze von LPZ 1 angeschlossen. Zusätzlich werden alle metallen Versorgungsleitungen, die in die LPZ 2, wie ein Computer Raum, eintreten, an Potenzialausgleichsschienen an der Grenze von LPZ 2 angeschlossen. Das Blitz-Schutzzonen-Konzept fordert die Installation von Überspannungsschutzgeräten (englisch: Surge Protection Device (SPD)) nach DIN EN 61643-11 (VDE 0675 Teil 6-11), wann immer eine elektrische Leitung die Grenze zwischen zwei Zonen durchdringt. Die SPDs müssen energetisch koordiniert sein, damit die Gesamtbelastung auf die SPDs entsprechend ihrer Energietragfähigkeit aufgeteilt wird und um die ursprüngliche Blitzbedrohung auf Werte unterhalb der Festigkeit der zu schützenden Geräte zu reduzieren. Die Anforderungen an den Übergang zu einer Schutzzone richten sich nach den Störfestigkeiten der in der höheren Schutzzone eingebauten Geräte.

In der Biogasanlage Midlum wurden die von außen eingeführten Zuleitungen 230 / 400 V AC in dem Niederspannungs-Hauptverteiler, also am Zonenübergang LPZ 0A auf 1, über ein SPD Typ 1, Dehnventil Modular geschützt. Dieses Überspannungsschutzgerät mit Radax-Flow-Funkenstreckentechnologie besitzt ein hohes Eigenlöschvermögen und eine hohe Folgestrombegrenzung.

Nur so ist ein selbstständiges Abschalten von netzfrequenten Folgeströmen sicherzustellen und somit ein Fehlauslösen von Überstromschutzeinrichtungen, beispielsweise Sicherungen, zu verhindern. Bei diesem SPD Typ 1 vom Typ Dehnventil Modular kann durch die Modulentriegelungstaste eine einfache Schutzmodulentnahme ohne Hilfswerkzeug erfolgen. Neben der betriebsstromfreien Funktions- und Defektanzeige verfügt dieser SPD Typ 1 über eine 3-polige Anschlussklemme zur Fernsignalisierung. Durch die Ausführung des Fernmeldekontaktes als potenzialfreier Wechsler kann, je nach Schaltungskonzept, das Fernsignalisierungssignal als Öffner oder Schließer verwendet werden.

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