Wer kennt es nicht. Wir ziehen uns einen Pullover an und hören es knistern. Das Phänomen der elektrostatischen Aufladung und die Auswirkungen der Entladung begegnen uns regelmäßig in unserem privaten Umfeld. Die Auswirkung beschränken sich hier meist auf das beschriebene Geräusch, abstehende Haare oder ein leichtes Zucken kurz vor der Berührung einer Türklinke. Es ist unangenehm – aber nicht gefährlich. Gewitterblitze hingegen sind eine beeindruckende und auch gefährliche Naturerscheinung, deren Ursache Elektrostatik ist.
Elektrostatische Entladungen in explosionsgefährdeten Bereichen
Das Auftreten von elektrostatischen Effekten in explosionsgefährdeten Bereichen kann bereits bei geringeren Energiemengen zu einer großen Gefahr werden. Die bei der Entladung freigesetzte Energie reicht in vielen Fällen aus, um explosionsfähige Atmosphären zu zünden. Aus diesem Grund ist die elektrostatische Entladung eine potenzielle Zündquelle und muss laut Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) durch den Anlagenbetreiber betrachtet und bewertet werden. Dass dieses Thema ernst zu nehmen ist, belegen auch eine Reihe von Unfällen, die auf elektrostatische Entladungen zurückzuführen sind.
Was ist Elektrostatik und wie entsteht diese?
Bei statischer Elektrizität handelt es sich um festgehaltene oder ruhende elektrische Ladungen. Die elektrostatische Aufladung entsteht meist durch die sogenannte Ladungstrennung, bei der zwei zuvor miteinander verbundene Stoffe voneinander getrennt werden. Die Reibung stellt dabei nur eine Sonderform der Berührung dar, bei der sich die Anzahl der Kontaktstellen erhöht und der Abstand verringert. Voraussetzung für die Auflandung ist, dass zwei Stoffe miteinander in Berührung kommen, die über eine unterschiedliche Elektronenaustrittsenergie verfügen (beispielsweise Metall und isolierender Kunststoff). Ein Teil der Elektronen tritt in diesem Fall während der Berührung von einem Stoff zum anderen über. Durch die anschließende Trennung entsteht ein negativ aufgeladener Stoff mit einem Überschuss an Elektronen und ein positiv aufgeladener Stoff mit einem Mangel an Elektronen. Die Aufladung kann als elektrische Spannung gemessen werden.
Die Höhe dieser Spannung hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Neben der Geschwindigkeit der Trennung oder Reibung, spielt auch die Größe der Oberfläche und die Leitfähigkeit der beteiligten Stoffe eine entscheidende Rolle. Für eine Aufladung muss zumindest einer der beiden beteiligten Stoffe eine geringe Leitfähigkeit aufweisen. Die Ladung selbst kann auch an ein leitfähiges Objekt übertragen und dort gespeichert werden.
Flüssigkeiten sind von diesem Effekt nicht ausgenommen. Strömt eine Flüssigkeit entlang eines festen Stoffes, so kann es zu einer Aufladung kommen. Die Flüssigkeiten müssen dazu über Ionen als Ladungsträger verfügen. Die Höhe der Aufladung wird auch bei Flüssigkeiten durch die spezifische Leitfähigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.
Ein weiterer Effekt, der zur Aufladung führen kann, ist die Influenz. Dieser Effekt entsteht durch ein von außen auf einen Körper einwirkendes elektrostatisches Feld. Die Kräfte dieses Feldes führen zu einer Ladungsverschiebung im Körper, der diesem Feld ausgesetzt ist.
Durch welche Prozesse entsteht elektrostatische Aufladung in der Produktion?
Aufladung findet in der Produktion prozesstechnischer Anlagen an vielen Stellen statt – beispielsweise durch die Bewegung der Mitarbeiter in nicht-ableitfähiger Kleidung und Schuhen. Breits diese Ladungen können elektronische Bauteile beschädigen und auch zu einer Zündung führen, wie einige Unfälle an Tankstellen es beweisen.
Noch gefährlicher sind stark aufladende Prozesse. Dazu zählt beispielsweise ein Transportband, das Mischen oder das Umfüllen von Flüssigkeiten und Schüttgütern. Wenn es sich bei diesen Stoffen um brennbare Materialien handelt, ist besondere Vorsicht geboten, da eine explosionsfähige Atmosphäre und eine potenzielle Zündquelle aufeinandertreffen können.
Entladung ist nicht gleich Entladung
Bei der Entladung handelt es sich um einen schlagartigen Ladungsausgleich. Je nach Konstellation entstehen unterschiedliche Formen der Entladung, die sich auch durch die Höhe der abgegebenen Energie unterscheiden und damit die Gefahr einer Zündung beschreiben:
Büschelentladung:
Die Büschelentladung weist eine geringe Energie auf. Sie kann entstehen, wenn ein aufgeladenes Objekt aus isolierenden Material sich einem Objekt aus einem leitfähigem Material nähert. Die Höhe der freigesetzten Energie hängt entscheidend von der Größe der isolierenden Oberfläche ab. Durch die Begrenzung der Oberflächen lässt sich die Energiemenge auf ein Maß reduzieren, so dass es nicht zur Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre kommen kann. Aus diesem Grund sind die Oberflächen aus isolierendem Material begrenzt.
Funkenentladung:
Kommt es zu einer schlagartigen Entladung von einem aufgeladenen Objekt aus einem leitfähigem Material an ein zweites Objekt aus einem leitfähigen Material, entsteht eine Funkenentladung. Diese Funkenentladung kann grundsätzlich zu einer Zündquelle werden.
Koronaentladung:
Diese Form der Entladung entsteht zwischen scharfen Kanten oder Ecken von leitfähigen Materialien, wenn eine Feldstärke von mindestens 3 MV/m vorliegt. Da die Energiemenge deutlich geringer ist als bei einem Funken, ist die ausgehende Gefahr, als Zündquelle zu wirken, relativ gering.
Gleitstielbüschelentladung:
Gleitstielbüschelentladungen sind die energiereichsten Entladungen. Die erforderliche hohe Ladungsdichte entsteht bei sehr dünnen isolierenden Objekten wie beispielsweise Folien oder Beschichtungen. Der geringe Abstand zwischen Ober- und Unterseite führt zu einer Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen und ermöglicht die Speicherung einer hohen Energiemenge. Die Energie dieser Entladungen ist in der Lage, sowohl alle explosionsfähigen Atmosphären auf Basis von brennbaren Flüssigkeiten und Gasen, als auch Gemische brennbarer Stäube zu entzünden. Die Entladung kann vermieden werden, indem man Materialien mit einer Durchschlagsspannung von weniger als 4 kV einsetzt.
Schüttgutkegelentladung:
Diese Form der Entladung kann im oberen Teil eines Schüttgutkegels auftreten, wie er zum Beispiel bei der Befüllung eines Silos entsteht. Sie erfordert ein isolierendes und hoch aufgeladenes Schüttgut.
Die Silos oder großen Behälter bestehen typischerweise aus einem leitfähigem Material. Faktoren wie Korngröße, Leitfähigkeit, Schüttdichte, spezifische Ladung des Schüttgutes und die Geschwindigkeit des Einfüllens spielen eine entscheidende Rolle.
Art der Entladung | Wasserstoff, Azetylen usw. MZE <= 0,025 mJ | Lösungsmitteldämpfe MZE > 0,025 mJ | Stäube MZE > 1 mJ |
Büschel | + | + | - |
Funken | + | + | + |
Korona | (+) | - | - |
Gleitstielbüschelentladung | + | + | + |
Schüttkegel | + | + | + |
Entladungsarten als wirksame Zündquelle
Allgemeine Maßnahmen zur Vermeidung von elektrostatischer Aufladung
Die Leitfähigkeit der Materialien spielt eine entscheidende Rolle für die Energiemenge, die durch eine Aufladung entsteht und damit potenziell zu einer Zündquelle werden kann. Aus diesem Grund soll auf den Einsatz von Gegenständen mit Oberflächen aus isolierenden Materialien in explosionsgefährdeten Bereichen verzichtet werden und die Arbeitskleidung für den Einsatz im Ex-Bereich einen Widerstand von weniger als 100 M Ohm aufweisen.
Wenn es dennoch zum Einsatz von Betriebsmitteln aus isolierendem Material kommt, dann muss die Größe der isolierenden Oberfläche begrenzt werden. Diese Grenzwerte werden im Rahmen der EG-Typprüfbescheinigung für ein Betriebsmittel durch die benannte Stelle bewertet. Ausnahmen sind jedoch möglich und werden durch eine vorgeschriebene Kennzeichnung am Betriebsmittel und in der Betriebsanleitung kenntlich gemacht. Es obliegt dem Anwender sicherzustellen, dass diese Vorgaben auch eingehalten werden. Am bekanntesten ist der Sicherheitshinweis, dass die Reinigung nur mit einem feuchten Tuch erfolgen darf. Die Grenzwerte müssen vom Anlagenbetreiber bei der Bewertung von Betriebsmitteln in Eigenverantwortung (z.B. bei der Bewertung als einfaches elektrisches Betriebsmittel oder bei einer nachträglichen Lackierung) beachtet werden.
Um eine Aufladung von Betriebsmitteln und Objekten aus leitfähigen oder ableitfähigen Materialien auf ein ungefährliches Maß zu beschränken, ist die Erdung bzw. der Anschluss an einen Potenzialausgleich zwingend vorgeschrieben. Die IEC EN 60079-14 und IEC EN 60079-32-1 schreiben für zeitweilige Verbindungen zur Erde ein Widerstand von kleiner 1 M Ohm vor. Die TRGS 727 betrachtet leitfähige Objekte als elektrostatisch geerdet, wenn der Widerstand zur Erde kleiner 1 M Ohm beträgt. Den gesamten Umfang aller Empfehlungen und Vorschriften lassen sich der TRGS 727 entnehmen.
Wie sicher ist eine passive Erdung?
Die elektrostatische Erdung kann mit Hilfe von einfachen Kabeln mit passenden Verbindungselementen – zum Beispiel Zangen – erfolgen. Es sollte jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass besonders bei der temporären Erdung diese Erdungsgarnituren großen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Oft genug fallen sie zu Boden, gelangen unter grobes Schuhwerk oder die Reifen von Gabelstaplern und LKW.
Kleinste mechanische Beschädigungen der leitenden Verbindung im Kabel oder der Zange führen allerdings dazu, dass der Einsatz dieser Sicherheitseinrichtung wirkungslos ist. Regelmäßige Überprüfungen der Leitfähigkeit senken das Risiko, dass solche Beschädigungen unerkannt bleiben. Die Kontrolle stellt jedoch einen zusätzlichen Arbeitsaufwand dar und es bleibt fraglich, ob ein Wackelkontakt sicher erkannt werden kann.
Der Kontakt zwischen der Zange und dem zu erdenden Objekt stellt ein weiteres Risiko dar. Wie sicher ist es, dass die Zange die Beschichtung oder die Korrosion an der Oberfläche eines Fasses durchdrungen hat? Nicht zuletzt von diesem Kontakt hängt aber der sichere Betrieb der Anlage ab.
Vorteile der überwachten Erdung
Der Einsatz eines Überwachungsgeräts bietet mehrere Vorteile gegenüber einer passiven Erdung mittels einer einfachen Erdungsgarnitur. Die Geräte stellen die Verbindung zwischen Potenzialausgleichsschiene und dem zu erdenden Objekt her und überwachen diese permanent. So kann ein fehlender oder unwirksamer Erdungsanschluss sicher erkannt werden. Der Zustand der Erdung wird durch Leuchtmelder signalisiert und bei vielen Geräten kann mit Hilfe eines zusätzlichen Kontaktes die Verladung direkt oder über ein Automatisierungssystem gestoppt werden.
Für die Erdung von LKW und FIBC können besondere Ausführungen eingesetzt werden, die zusätzlich über eine sogenannte Objekterkennung verfügen. Diese Funktion erlaubt den Geräten nach dem Anschluss zu erkennen, ob sie mit einem LKW oder einem FIBC verbunden sind – oder ob die Erdungszange lediglich Kontakt mit metallischen Gegenständen der Verladeeinrichtung hat. Diese Erkennung erhöht die Sicherheit für diese Anwendungen erheblich.
Was ist bei der Verladung von brennbaren Flüssigkeiten zu beachten?
Elektrostatische Aufladungen entstehen, sobald die Flüssigkeiten in Bewegung gebracht werden – sei es durch Pumpen, Mischen, Be- oder Entladen von Behältern. Die Höhe der Aufladung wird sowohl durch die Leitfähigkeit der Flüssigkeiten als auch durch die Beschaffenheit des Tanks und die Fließgeschwindigkeit bestimmt. Der TRGS 727 lässt sich im Detail entnehmen, was bei dem Umgang mit Flüssigkeiten beachtet werden muss.
So ist bei der Beladung von Straßentankwagen darauf zu achten, dass vor dem Öffnen von Deckeln oder dem Anschließen von Rohren eine Erdung vorgenommen werden muss, die einen Widerstand von weniger als 1 M Ohm aufweist. Ohne zusätzliche Erdungsmaßnahmen wird dieser Wert nicht erreicht. Die Verbindung mit Erde bzw. der Potenzialausgleich zur Verladeeinrichtung muss über den gesamten Arbeitsvorgang vorhanden sein. Der Einsatz eines Erdungsgerätes mit einer Verriegelung (d.h. einer automatischen Abschaltung) wird als zweckmäßig erachtet. Auf internationaler Ebene verlangt die IEC EN 60079-32-1 zusätzlich, dass die leitende Verbindung zwischen dem Anschlusspunkt am LKW und dem Erdungspunkt der Anlage weniger als 10 Ohm beträgt.
Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
- Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
- Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
- Typischer Ablauf bei der Be-oder Entladung von Straßentankwagen
Bei Eisenbahnkesselwagen kann man aufgrund der Konstruktion davon ausgehen, dass eine ausreichende Erdung über die Schiene erreicht wird. Dennoch müssen auch hier die Grenzwerte eingehalten werden. Bestehen Zweifel, ist eine zusätzliche Erdung vorzunehmen.
Kleinere Behälter (Volumen < 1m3) wie Fässern oder IBC sollten bevorzugt aus leitfähigen oder ableitfähigen Materialien bestehen, die vor der Befüllung oder dem Entleeren mit Erdpotenzial verbunden werden. Die sogenannten RIBC bestehen aus einem isolierenden Kunststofftank, eingebettet in ein Metallgitter. Diese dürfen nicht für brennbare Flüssigkeiten der Explosionsgruppe IIC und IIB mit einer Mindestzündenergie < 0,2 mJ eingesetzt werden. Es ist darauf zu achten, dass bei der Verwendung für brennbare Flüssigkeiten speziell für diesen Einsatz konstruierte Ausführungen zum Einsatz kommen. Diese verfügen beispielsweise über einen Deckel und einer Auslaufarmatur aus ableitfähigen Material. Das Gitter und die Auslaufarmatur müssen eine Verbindung zur Erde haben.
Beim Einsatz dieser Behälter ist muss man ebenfalls beachten, dass die Maßnahmen zu Vermeidung von elektrostatischen Entladungen auch dann getroffen werden, wenn das Befüllen oder Entleeren von nicht-brennbaren Flüssigkeiten in einer explosionsfähigen Atmosphäre erfolgt.
Achtung bei der Verladung von Schüttgütern
Für die Zündfähigkeit von Schüttgütern spielt die Korngröße eine entscheidende Rolle. Je größer die Korngröße ist, umso kleiner ist die Zündfähigkeit. Sobald die Mindestzündenergie den Wert vom 1 J überschreitet, sind keine weiteren Maßnahmen zur Vermeidung von elektrostatischen Entladungen zu treffen. Bei feinkörnigerem Schüttgut bestimmt der spezifische Widerstand, die Luftfeuchtigkeit und die Geschwindigkeit der Förderung die Höhe der Aufladung. Es ist darauf zu achten, dass alle leitfähigen und ableitfähigen Teile der Anlage inklusive der Behälter geerdet sind.
Eine Besonderheit stellen in diesem Umfeld die Verwendung von flexiblen Schüttgutbehältern dar. Diese Behälter sind bekannt unter der Bezeichnung FIBC (Flexible Intermediate Bulk Container) oder Big Bag. Diese Behälter sind in vier verschiedenen Ausführungen (A, B, C, D) erhältlich. Der Typ A verfügt über keinerlei Maßnahmen zur Reduzierung von elektrostatischen Aufladungen. Die Typen B, C, D haben konstruktive Maßnahmen, um gefährliche Entladungen zu vermeiden.
Mindestzündenergie (MZE) des Schüttguts
| Befüll- und Entleereinrichtung befindet sich im | |||
Nicht- explosionsgefährdeten Bereich | explosionsgefährdeten Bereich der | |||
Zone 21 oder 22 | Zone 2
| Zone 1
| ||
nicht staubexplosionsfähig oder 1 000 mJ < MZE | A, B, C, D | A, B, C, D | C, D | C1, D1 |
3 mJ < MZE < 1 000 mJ | B, C, D | B, C, D | C, D | C1, D1 |
MZE5 < 3 mJ | C, D | C, D | C, D | C1, D1 |
Staub mit brennbarem Lösemittelanteil3 | C2, D2 | C2, D2 | C2, D2 | C2, D2 |
1 beim Befüllen des FIBC nur in Verbindung mit zusätzlichen Maßnahmen, z. B. Spülen mit Luft.
2 beim Befüllen und Entleeren des FIBC nur in Verbindung mit zusätzlichen Maßnahmen, z. B. Inertisierung.
3 zur Konzentration der Lösemittelanteile siehe auch Nummer 6.2.
4 sofern das gehandhabte Schüttgut die Zone bestimmt.
5 Die Einschränkung, bei Schüttgut mit MZE < 3 mJ nur FIBC Typ C oder Typ D einzusetzen, beruht auf der Zündwirksamkeit von Schüttkegelentladungen. Diese können in einem FIBC Typ B eine viel höhere Energie besitzen als in einem FIBC Typ C oder Typ D.
Im Fall eines FIBC Typ B kann die Schüttkegelenergie bereits für Schüttgut mit einem Medianwert von nur 0,055 mm einen Wert von 3 mJ erreichen. In einem FIBC Typ C oder Typ D muss der Medianwert des Schüttguts bei 0,27 mm oder höher liegen, damit die Schüttkegelenergie 3 mJ erreicht; üblicherweise besitzt derart grobes Schüttgut aber eine MZE von mehr als 3 mJ.
Quelle: TRGS 727
FIBC Typ B vermeiden aufgrund ihres Aufbaus das Auftreten von Gleitstielbüschelentladungen, da die Durchschlagsspannung für das isolierende Material kleiner 6 kV beträgt. Andere Formen der Entladung – beispielsweise Büschelentladungen oder Schüttkegelentladungen – können weiterhin auftreten.
FIBC Typ C enthalten ableitfähige Materialien, die dafür sorgen, dass der Ableitwiederstand unter einem Wert von 107 Ohm liegt. Dieser Typ der FIBC muss geerdet werden. Es empfiehlt sich für die Erdung dieser FIBC ein Erdungsüberwachungsgerät mit einer Objekterkennung einzusetzen. Geräte mit dieser Funktion überwachen den korrekten Anschluss an den Big Bag und stellen sicher, dass eine Fehlbedienung ausgeschlossen werden kann.
Das Prinzip des FIBC Typ D beruht auf der Begrenzung der Aufladung auf ein ungefährliches Maß auf Basis der Koronaentladung. Es ist der Nachweis zu erbringen, dass keine gefährlichen Aufladungen auftreten. In der unmittelbaren Umgebung müssen leitfähige Objekte und Personen geerdet werden.
Die Bewegung von Gasen führt nicht zu elektrostatischen Aufladungen. Die pneumatische Förderung von Schüttgütern ist davon ausgenommen. In diesem Fall sind die Vorgaben für die Beförderung von Schüttgütern zu beachten.
Unterschiede zwischen Erdung und elektrostatischer Erdung
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