Reichelt Chemietechnik Magazin
In Zeitungen ist fast regelmäßig zu lesen, dass Menschen sich beim Gebrauch von Gasgrills oder Heizpilzen in geschlossenen oder schlecht belüfteten Räumen vergiftet haben, im Krankenhaus behandelt werden mussten oder gar an den Folgen der Vergiftung verstorben sind. Hierzu kommt es, weil beim Heizen mit Erdgas oder Flüssiggas (LPG) der Sauerstoffgehalt in der Luft schnell abnimmt, wenn keine Frischluft und damit kein Sauerstoff nachströmen kann. Andererseits verbrennt das Gas meist nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser, sodass fast immer auch giftiges Kohlenmonoxid entsteht.
Als Reaktionsprodukt der unvollständigen Verbrennung führt Kohlenmonoxid durch Bindung an das Hämoglobin im Blut schon in geringer Konzentration zu einer verringerten Sauerstoffaufnahme in den Körper. Hierdurch werden akute Symptome wie Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit, aber auch unwillkürliche Muskelzuckungen ausgelöst. Oberhalb von etwa 1000 ppm kommt es bereits nach wenigen Minuten zu schweren Vergiftungserscheinungen und darüber hinaus zu einer lebensbedrohlichen Bewusstlosigkeit. Diese führt in Deutschland jedes Jahr zu etwa 500 dokumentierten tödlichen Unfällen aufgrund von Kohlenmonoxid-Vergiftungen.
Gefahren durch Gase lauern überall
Nicht nur hier im Privaten, auch in vielen anderen Bereichen werden potenziell gefährliche, gasförmige Stoffe beim Betreiben von Geräten und Anlagen eingesetzt. Beispielhaft steht hierfür das Metall-Schweißen. Beim sogenannten „Gasschmelzschweißen“, dem Autogenschweißen, wird Acetylen als Brenngas verwendet. Acetylen ist ein brennbares Gas und Gemische mit Luft sind im Bereich von 2,3 bis 82,0 Vol.-% hochexplosiv. Beim unsachgemäßen Umgang mit Acetylen können daher große Sach- und Personenschäden verursacht werden.
Argon ist hingegen ein Edelgas, das beim sogenannten „Schutzgasschweißen“ den Zutritt von Luftsauerstoff verhindern soll. Es ist zwar nicht giftig, wirkt aber in höheren Konzentrationen in der Atemluft durch die Minderung des Sauerstoffgehalts erstickend. Auch die beim Bierausschank eingesetzte Kohlensäure hat schon häufig durch ein Gasleck zu tödlichen Unfällen in Bierkellern geführt.
Technische Sicherheitsvorkehrungen: Gaswarnanlagen als sichere Lösung
Aufgrund der unterschiedlichen, meist unsichtbaren Gefahren ergibt sich die Notwendigkeit der strikten Einhaltung von Sicherheitsvorgaben und die Verwendung von Schutzeinrichtungen im Arbeitsschutz fast von selbst.
Zur Erkennung von Gasgefahren werden heute stationäre Gaswarnanlagen, aber auch portable Gasmessgeräte eingesetzt. Diese Anlagen messen mit physikalisch-chemischen Verfahren die Konzentrationen von brennbaren oder toxischen Gasen in der umgebenden Luft und vergleichen sie mit vorgegebenen Schwellwerten. Bei Überschreiten der Alarmschwellen lösen sie optische und/oder akustische Warnsignale aus. Darüber hinaus können automatisch weitere Sicherungs- und Hilfsmaßnahmen eingeleitet werden, wie die Abschaltung von Anlagen oder eine erhöhte Lüfterleistung, die für Tunnelanlagen und gewerbliche Tiefgaragen sogar vorgeschrieben ist.
Von mobilen Einsatzkräften wie der Feuerwehr werden hingegen tragbare Warngeräte verwendet, um Gasgefahren am Einsatzort einschätzen zu können.
… und wie sind diese Gaswarnanlagen aufgebaut?
Eine stationäre Gaswarneinrichtung ist einer Brandmeldeanlage vergleichbar aufgebaut. Diese Gaswarnanlage besteht aus einem oder mehreren Messköpfen, welche die Gaskonzentrationen erfassen. Die jeweiligen Messwerte, die der Detektor registriert, werden als standardisiertes Messsignal an die angeschlossene Gaswarnzentrale zur Steuerung der Schutzmaßnahmen übertragen. Diese besitzt für jeden Sensor einen Messkanal, der mit Alarmgrenzwerten für die zu überwachende Gefährdung ausgestattet ist. Bei tragbaren Warngeräten sind der Sensor und die Alarmfunktionen in einem handlichen Messgerät integriert.
Neben der Messwertanzeige und der Alarmfunktion können diese Gaswarnanlagen auch Messwerte und Alarmmeldungen speichern oder per Funk an eine Leitstelle übertragen.
Für den privaten Gebrauch sind zur Überwachung von Erdgas und Kohlenmonoxid spezielle, dem Brandmelder ähnliche Methan- und CO-Gasdetektoren verfügbar. Ein solcher Detektor zeigt das Überschreiten von Grenzwerten akustisch an bzw. gibt Alarm.
Die Überwachung von Erdgas, Flüssiggas und Co. mit Gaswarnanlagen
Gaswarngeräte für brennbare Gase überwachen häufig den Bereich bis zur unteren Explosionsgrenze (UEG) eines Stoffes. Die untere Explosionsgrenze ist die niedrigste Konzentration eines Stoffes in Luft, bei dem dieser durch eine Zündquelle wie Funken oder heiße Oberflächen entzündet werden kann. Für viele brennbare Gase und Flüssigkeiten liegt die UEG zwischen 1 bis 5 Volumenprozent (Vol.-%). Das Gas Methan hat zum Beispiel eine UEG von 4,4 Vol.-%. Technische Anforderungen an Warngeräte für den Explosionsschutz sind in der europäischen Norm DIN EN 60079-29-1 beschrieben.
Was ist mit Kohlendioxid, Chlor und Kohlenmonoxid?
Für giftige, nicht brennbare Gase richten sich Messbereiche und Alarmschwellen nach den aktuellen Arbeitsplatzgrenzwerten (AGW) für gefährliche Arbeitsstoffe. Diese werden durch den Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS) festgelegt und in der TRGS 900 (Technische Regeln für Gefahrstoffe – Arbeitsplatzgrenzwerte) veröffentlicht. Die AGWs sind mittlere Gaskonzentrationen und sollen sicherstellen, dass bei täglich 8-stündiger Exposition an 5 Tagen in der Woche langfristig keine Gesundheitsschäden durch den jeweiligen Gefahrstoff zu erwarten sind. Kohlenmonoxid hat zum Beispiel einen Arbeitsplatzgrenzwert von 30 ppm. Die Anforderungen an Gaswarneinrichtungen für toxische Gase sind in der Norm DIN EN 45544-1 definiert.
Wenn die Luft knapp wird!
Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall für Gaswarngeräte ist die Überwachung des Sauerstoffs in der Atemluft. Im Normalfall hat Luft einen Sauerstoffanteil von 20,9 Vol.-%, der sich bei einem Brand oder durch den Eintrag von Fremdgasen schnell verringern kann. Die Mangelüberwachung stellt sicher, dass bei der Verwendung erstickender Gase, wie Stickstoff oder Argon, immer noch genügend Sauerstoff in der Atemluft vorhanden ist. Bei einer Sauerstoffanreicherung über 25 Vol.-% greifen hingegen viele technische Maßnahmen zum Explosionsschutz nicht mehr, sodass in entsprechend gefährdeten Anlagen auch höhere Sauerstoffkonzentrationen messtechnisch erfasst und signalisiert werden müssen. Gaswarneinrichtungen für Sauerstoff sind in der Norm DIN EN 50104 beschrieben.
Wie funktionieren die Gassensoren in Gaswarnanlagen?
Brennbare Gase wurden früher mit einem Wärmetönungssensor, auch Pellistor genannt, überwacht. Dieser verbrennt entzündliche Gase katalytisch an einem heißen Drahtwendel, der von einem Davy’schen Sicherheits-Flammsieb umgeben ist. Hierbei ändert sich entsprechend der Gaskonzentration der elektrische Widerstand des Drahtwendels, der mit einer Wheatstoneschen Messbrückenschaltung erfasst wird.
Die meisten toxischen Gase, aber auch Sauerstoff, werden mit elektrochemischen Sensoren detektiert, die ähnlich einer Batterie aufgebaut sind.
Anode und Kathode sind über eine Elektrolytlösung elektrisch miteinander verbunden und bilden so eine Messkette. Das sich dabei einstellende Elektropotential ändert sich in Abhängigkeit vom Partialdruck des hinzutretenden und zu messenden Gases. Es ist damit ein Maß für die Konzentration des zu bestimmenden Gases.
Am häufigsten werden Infrarotsensoren eingesetzt, mit denen Kohlendioxid (CO2), aber auch viele andere Gase detektiert und die Gas-Konzentrationen gemessen werden. Sie basieren auf der Absorption von infrarotem Licht in einem für das jeweilige Gas charakteristischen Wellenlängenbereich.
Sind Gaswarnanlagen sicher?
Als Einrichtung, welche Personen und Güter schützen soll, muss die Funktion einer Gaswarnanlage durch regelmäßige Kontrollen sichergestellt werden. Insbesondere haben die in der Gaswarneinrichtung eingebauten Gassensoren eine begrenzte Lebensdauer, welche von den Einsatzbedingungen wie Temperatur, Feuchte und Verschmutzung, aber auch von der Gas-Belastung abhängt.
Daher müssen anwendungsbezogene Prüfintervalle für eine regelmäßige Sicht- und Funktionskontrolle der Gaswarnanlagen festgelegt werden. Die Funktionskontrolle mit einem Test- oder Prüfgas soll sicherstellen, dass die Warnfunktion der Anlage immer frühzeitig und ohne lästige Fehlalarme auslöst. Diese beinhaltet daher häufig eine Justierung der einzelnen Kanäle einer Gaswarnanlage. Beim Einsatz portabler Gasmessgeräte muss deren Warnfunktion täglich, oder aber zumindest vor jeder Verwendung, mit einem Testgas überprüft werden.
In der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und insbesondere in den BG RCI-Merkblättern T 021: Gaswarneinrichtungen für toxische Gase/Dämpfe und Sauerstoff (BGI 836) beziehungsweise T 023: Gaswarneinrichtungen für den Explosionsschutz – Einsatz und Betrieb (BGI 518) sind Auswahlkriterien für Gaswarngeräte mit Anforderungen an deren Auslegung, den Betrieb und die Wartung der Gaswarnanlagen sowie maximal zulässige Prüfintervalle festgeschrieben.
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