Gefahrenpotenziale minimieren, Akzeptanz erhöhen
Sicherheit komplexer Energiesysteme managen von der Erzeugung bis zur Speicherung
Im Zuge der Energiewende werden in den Kommunen auf zahlreichen Ebenen neue, komplexe Energieprojekte realisiert. Voraussetzung für eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung ist, dass diese Technologien sicher sind. Die bestehenden technischen Regeln und Normen decken jedoch bei Neuentwicklungen oder Pilotprojekten nicht immer alle Fragen ab, die sich bei einer detaillierten Risikobetrachtung stellen. Welchen Methoden geeignet sind, Risiken zu analysieren und zu minimieren, zeigen vier Beispiele.
Viele Kommunen verstehen sich als aktive Wegbereiter der Energiewende und wollen von den Wertschöpfungseffekten neuer, innovativer Energieprojekte profitieren. Diese reichen von der Produktion regenerativ erzeugten Stroms mittels Windkraft oder Photovoltaik bis zum Transport der Energie per Stromtrasse. Der vorzugsweise „grüne“ Strom, der nicht sofort benötigt wird, kann entweder in Batteriesystemen gespeichert oder in stoffliche Energieträger wie Wasserstoff umgewandelt werden. Bedarf an Wasserstoff besteht u. a. im Mobilitätssektor. Dort wird er z. B. als Treibstoff für lokal emissionsfreie Brennstoffzellenbusse im ÖPNV eingesetzt.
Diese Technologien sind unverzichtbar, um den Klimawandel zu begrenzen und das von der Bundesregierung definierte Ziel der Treibhaugasneutralität bis zum Jahr 2045 zu erreichen. Die meisten Bürger stehen solch innovativen Energieprojekten aufgeschlossen gegenüber. Allerdings bergen neue Technologien auch neue Risiken. Diese müssen systematisch bewertet und analysiert werden. Entscheidungsträger sind gut beraten, die Ergebnisse einer solchen Risikoanalyse öffentlich zu kommunizieren. Ansonsten können Akzeptanzprobleme die Folge sein.
Die beiden zentralen Fragen zur Ermittlung des Gesamtrisikos sind: Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Gefahrensituation auftritt? Und wie hoch ist im Eintrittsfall der potenzielle Schaden? Statistische Verfahren liefern auf die erste Frage relativ genau quantifizierbare Aussagen. Die Antwort auf die zweite Frage ist etwas komplexer, da auch die Art des Schadens in die Bewertung einfließen muss. Sachschäden und deren finanzielle Auswirkungen sind anders zu gewichten als potenzielle Personenschäden oder eine Belastung der Umwelt.
Bezugsgröße ist der sogenannte Risikowert. Dieser ist vom technischen Standpunkt das Produkt der beiden Faktoren Häufigkeit und Schadensausmaß. Er ist die Grundlage für fundierte, risikobasierte Entscheidungen. Der Risikowert wird klassifiziert und mit allgemein anerkannten Risiken in Beziehung gesetzt. Ist das Gefahrenpotenzial für definierte Szenarien erhöht, werden geeignete Sicherheitsmaßnahmen identifiziert und umgesetzt. Wie sich dabei technische und organisatorische Maßnahmen ergänzen, zeigen die Sicherheitskonzepte der folgenden Beispielprojekte.
Wie lange ist die PV-Anlage vor eindringender Feuchtigkeit geschützt?
Große Dachflächen, z. B. von kommunalen Gebäuden, eignen sich bestens für den Einsatz von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen). Doch müssen die Module auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft und gegebenenfalls gewartet werden? Dies hängt u. a. vom Zustand der sogenannten Backsheet-Folie ab. Diese Rückseitenfolie, die aus mehreren Schichten besteht, schützt die PV-Module vor Sonne, Wind und Regen sowie vor mechanischen Beschädigungen. Ist sie nicht dicht, kann Feuchtigkeit in das Modul gelangen. Dies kann zum Kurzschluss führen, den Rahmen des Moduls unter Strom setzten und das Wartungspersonal gefährden.
Da ein Betreiber einer PV-Anlage nach fünf Jahren Betriebsdauer mosaikförmige Risse auf der Rückseite der Backsheet-Folie feststellte, gab der Hersteller der Module eine umfassende Risikoanalyse in Auftrag. Sachverständige untersuchten den Einfluss der Sonneneinstrahlung für drei verschiedene Klimazonen und unterschieden dabei zwischen auf dem Dach und freistehend installierten PV-Anlagen. Außerdem berücksichtigten sie, ob Installation und Wartung durch qualifizierte Fachkräfte vorgenommen worden waren.
Das Ergebnis: Während in sonnenintensiven Ländern wie Australien das Risiko bereits nach neun Jahren in einen nicht tolerierbaren Bereich steigt, geschieht dies in gemäßigten Zonen wie Deutschland erst nach 25 Jahren. Dies entspricht dem Ende der Entwurfslebensdauer der Module. TÜV SÜD empfahl daher dem Hersteller, seine Kunden über den Sachverhalt zu unterrichten und nach viereinhalb Jahren Instandhaltungsarbeiten einzuplanen. Das Unternehmen erhielt somit durch das Gutachten die erforderliche Planungssicherheit.
Vorsicht Hochspannung
Ein signifikanter Teil des regenerativ erzeugten Stroms stammt aus On- und Off-Shore-Windenergieanlagen im Norden, während vor allem im Westen und Süden Deutschlands die industriellen Großabnehmer beheimatet sind. Dies verändert die technischen Rahmenbedingungen für die Übertragungsleitungen. Höhere Übertragungsleistungen haben Auswirkungen auf die Dimensionierung der Schaltanlagen, der Kabel und beeinflussen die unmittelbare Umgebung unter den Hochspannungsleitungen. Die derzeit gültigen Normen und technischen Regeln bilden diese Sachverhalte noch nicht vollständig ab. Daher ließ ein Netzbetreiber die Risiken für verschiedene Szenarien analysieren, um Investitionen, Netze und Personen vor möglichen Gefahren zu schützen.
Spannungsüberschlag unter Freileitungen verhindern Freiluftleitungen können für Landwirte gefährlich werden, wenn sie diese mit Mähdreschern oder anderen großen landwirtschaftlichen Maschinen unterfahren. Vor allem Stromleitungen im Mittelspannungsbereich stellen potenzielle Gefahrenquellen dar, weil sie mit einer Mindesthöhe von sechs Metern über dem Feld relativ niedrig hängen. Hinzu kommt, dass hohe Stromdichten und Extremwetterlagen dazu führen können, dass sich Kabel ausdehnen und in Folge „durchhängen“. Werden Mindestabstände unterschritten, droht ein Spannungsüberschlag. Ein nicht akzeptables Risiko für Mensch und Maschine.
Hier stehen sowohl Landwirte als auch Netzbetreiber in der Pflicht, die Risiken zu minimieren. Zu groß gebaute Landmaschinen dürfen nicht auf den Feldern betrieben werden und Netzbetreiber müssen dafür Sorge tragen, dass Mindestabstände eingehalten werden.
Die Sachverständigen stellten in einem vom Netzbetreiber beauftragen Gutachten fest, dass sowohl bei den landwirtschaftlich genutzten Flächen als auch bei den umliegenden Gebäuden die Mindestabstände eingehalten wurden. Für nicht ertüchtigte Leitungen empfahl TÜV SÜD, den Strom auf 80 Prozent des Maximalwerts zu reduzieren. Außerdem sollte ein rund um die Uhr telefonisch erreichbarer Service eingerichtet werden, an den sich die Landwirte jederzeit wenden können.
Schaltkästen auf höhere Stromlasten auslegen
Der Netzbetreiber ließ ebenfalls untersuchen, welches Risiko von den 110-kV-Freiluft-Schaltanlagen ausgeht. Höhere Strombelastungen, mechanische Schäden und unsachgemäß ausgeführte Wartungsarbeiten können einen Kurzschluss auslösen. Insbesondere für das Wartungspersonal besteht in diesem Fall die Gefahr, einen tödlichen elektrischen Schlag zu erleiden.
Die Sachverständigen stellten fest, dass bei einigen Anlagen im Falle eines Kurzschlusses die auftretenden Kräfte die Auslegungskraft deutlich überschritten. Für 13 von 151 untersuchten Anlagen empfahlt TÜV SÜD daher sofortige Maßnahmen zur Risikominderung. Dem Netzbetreiber gelang es auf diese Weise, die Ertüchtigungsarbeiten zeitlich zu priorisieren und das Gefahrenpotenzial deutlich zu senken.
Wasserstoff – ein besonderer Energieträger Brennstoffzellenfahrzeuge werden mit Wasserstoff betankt. Dieser hat als stofflicher Energieträger potenziell gefährliche Eigenschaften – unter anderem ist er leicht entzündlich und im Gemisch mit Sauerstoff explosiv. Ein Automobilhersteller aus Deutschland entwickelte auf Basis eines seiner Serienfahrzeuge einen Brennstoffzellen-Pkw mit Flüssigwasserstoffspeicher. Ziel der Hersteller war es, das Gefahrenpotenzial auf ein ähnlich geringes Niveau zu bringen wie das der herkömmlichen Modelle.
TÜV SÜD führte dazu eine Schwachstellenanalyse durch, die alle relevanten Parameter beinhaltete. Für die Betankung ergab die Analyse, dass ein 2-flutiges System notwendig ist. Dieses leitet „überschüssigen“ Wasserstoff in die Zapfsäule zurück, so dass er nicht in die Umgebung entweichen kann. Außerdem schlugen die Experten weitere technische als auch organisatorische Maßnahmen vor. Dazu zählte u. a. ein Parkverbot für Einzelgaragen, da bei mangelhafter Belüftung die Gefahr besteht, dass sich ein explosives Gasgemisch bilden kann.
Insgesamt kamen die Experten zu dem Ergebnis, dass die Brennstoffzellenfahrzeuge das Sicherheitsniveau der konventionellen Fahrzeuge nicht ganz erreichten. Viele Komponenten und Sicherheitseinrichtungen entsprachen noch nicht den Anforderungen an den Serienbetrieb. Allerdings befürwortete TÜV SÜD den Einsatz im Flottenbetrieb unter fest definierten, kontrollierten Bedingungen.
Brandschutz bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus
Ein Hersteller und Vertreiber von Lithium-Ionen-Batterien beauftrage TÜV SÜD, potenzielle Schwachstellen bei der Produktion zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen vorzuschlagen. Allgemeinverbindliche brandschutztechnische Richtlinien und Regelwerke existierten jedoch kaum. Die Sachverständigen untersuchten daher im Rahmen einer Risikoanalyse jeden einzelnen Prozessschritt. Sie nutzten HAZOP zur Ermittlung spezifischer Prozessrisiken, grundsätzliche Gefährdungen ermittelten sie mit der HAZID -Methode. Zusätzlich setzten sie ein von TÜV SÜD entwickeltes Risikotool ein, das die Vorgaben verschiedener DIN- und ISO-Regelwerke erfüllt und ein standardisiertes Vorgehen mit reproduzierbaren Ergebnissen ermöglicht.
Die Experten erstellten einen generischen Leitfaden, mit dem Gefahren durch Brände und Explosionen frühzeitig erkannt und minimiert werden konnten. Der Hersteller war somit in der Lage, schon während der Planung neuer Produktionsstandorte bauliche und technische Risiken zu erkennen und im Vorfeld zu beheben. Das Unternehmen sparte somit finanzielle und zeitliche Ressourcen in erheblichem Umfang, da keine nachträglichen, aufwändigen Umbauten notwendig waren.
Risiken zuverlässig erkennen, bewerten und minimieren
TÜV SÜD unterstützt Unternehmen und Kommunen bei der Risikobeurteilung komplexer Energiesysteme. Dazu nutzen die Experten u.a. Monte-Carlo-Simulationen, HAZID- und HAZOP-Studien und eigene Analyse-Tools. Die Experten prüfen nach anerkannten nationalen und internationalen Standards und sind mit ihrer langjährigen Expertise in der Lage, auch individuelle Projekte mit ihren spezifischen Besonderheiten zuverlässig zu bewerten. Die erstellten Risikoanalysen schützen nicht nur die teils erheblichen Investitionen, sondern können auch in der Öffentlichkeitsarbeit genutzt werden, um die Akzeptanz innovativer Energieprojekte in der Bevölkerung zu verbessern.
