Ratgeber Explosionsschutz

Eine Explosion entsteht in der Regel, wenn drei Faktoren zusammentreffen: ein brennbarer Stoff, Sauerstoff aus der Luft und eine Zündquelle. Der brennbare Stoff und Sauerstoff müssen in einem entsprechenden Mengenverhältnis vorhanden sein, damit eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht, die dann von einer Zündquelle entzündet werden kann. Zu den brennbaren Stoffen gehören Gase, Dämpfe von Flüssigkeiten und Stäube. In Arbeits- und Produktionsstätten können Zündquellen einen ganz unterschiedlichen Ursprung haben, wie beispielsweise Geräte, Werkzeuge, Anlagen und mehr. Dabei kann es sich um heiße Oberflächen handeln, Flammen, Funken, statische Elektrizität und vieles mehr. Diese Zündquellen können an oder durch Betriebsmittel wie Werkzeuge, Maschinen oder auch Geräte auftreten.

Beim Explosionsschutz unterscheidet man zwischen primärem, sekundärem und tertiärem Explosionsschutz. Der primäre Explosionsschutz beinhaltet alle Maßnahmen, die entweder die Menge des brennbaren Stoffs oder die Menge des Sauerstoffs reduzieren oder komplett ersetzen. Das heißt, die Entstehung einer explosionsfähigen Atmosphäre wird verhindert.

Wenn eine explosionsfähige Atmosphäre trotz Maßnahmen des primären Explosionsschutzes entstehen kann, muss die Zündung dieser Atmosphäre verhindert werden. Hiermit beschäftigt sich der sekundäre Explosionsschutz. Mit z. B. Zündschutzarten entsprechend des Schutzniveaus werden Zündquellen an Geräten und Anlagen (Betriebsmittel) vermieden. Um das Schutzniveau bei Geräten konkret zu definieren, müssen explosionsgefährdete Bereiche in Zonen anhand von Parametern wie Häufigkeit und Dauer des Auftretens einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre unterteilt werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis explosionstechnisch relevanter Kennzahlen der involvierten brennbaren Stoffe und der örtlichen Umgebungsbedingungen wichtig. Betreiber, Betriebsmittelhersteller und Errichter gleichermaßen können durch die explosionstechnischen Kennzahlen gleichermaßen die jeweilige Gefahr genau benennen, entsprechende Betriebsmittel dafür herstellen und die passenden Geräte für die jeweilige Gefahr und den jeweiligen Bereich auswählen.

Wenn sowohl der primäre und sekundäre Explosionsschutz nicht ausreichen, müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden, welche die Auswirkungen einer Explosion begrenzen bzw. auf ein unbedenkliches Maß reduzieren. Beispiele für den sogenannten tertiären Explosionsschutz – auch konstruktiver Explosionsschutz genannt – sind unter anderem eine explosionsfeste Bauweise von Behältern und Apparaten, Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung und Verhindern der Explosionsübertragung.

Auf internationaler Ebene finden sich Richtlinien zum Explosionsschutz in IEC/ISO-Standards, auf europäischer und deutscher Ebene in EN/DIN EN-Standards. Die internationalen, europäischen und deutschen Normen hinsichtlich des Explosionsschutzes sind harmonisiert, da die relevanten Normendokumente in Bezug auf Inhalt und Registriernummer übereinstimmen. Elektrische als auch nicht elektrische Geräte werden nach IEC/ISO-Normen entwickelt, geprüft und anschließend mit dem Konformitätszertifikat IECEx CoC bescheinigt. Allerdings basiert die Akzeptanz von Zertifikaten auf der Grundlage regionaler und lokaler gesetzlicher und versicherungsrechtlicher Regelungen. Bei internationalen Projekten müssen Spezifikationen hinsichtlich der Anforderungen an Explosionsschutz deswegen individuell abgeklärt werden.

Verbindliche, einheitliche Beschaffenheitsanforderungen an Explosionsschutz von Geräten, Komponenten etc. sind mit der ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU geschaffen, die durch harmonisierte EN-Standards der CENELEC-und CEN-Normenorganisation unterlegt sind. Die Richtlinie wurden zur Harmonisierung des europäischen Binnenmarkts von der EU und ihren Vorgängerorganisationen auf den Weg gebracht und sind aus zahlreichen unharmonisierten nationalen Vorschriften entstanden.

Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU legt Regeln für das Inverkehrbringen von Produkten fest, die in explosionsgefährdeten Bereichen Einsatz finden. Sie bezieht sich sowohl auf elektrische als auch nicht elektrische Geräte (sowie Komponenten), die ebenfalls zu einer Zündgefahr werden können. Hauptaugenmerk der inoffiziell als ATEX-Produktrichtlinie bezeichneten Richtlinie ist der Schutz von Personen im explosionsgefährdeten Bereich. Sie gibt die grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen vor, die von Geräteherstellern wie zum Beispiel speziellen explosionsgeschützten Industriesaugern zu beachten sind. Diese Anforderungen müssen ebenfalls durch entsprechende Konformitätsbewertungsverfahren nachzuweisen sein. Innerhalb der ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU werden die betreffenden Geräte und Komponenten in verschiedene Gerätegruppen unterteilt. Jede Gerätegruppe wird mindestens einer bestimmten Zone zugeordnet, zum Beispiel dem Gasbereich (Zone 1,2) oder dem Staubbereich (Zone 21,22), in der die eingesetzt werden darf. Darüber hinaus schreibt die Richtlinie Temperaturklassen vor (T1-T6), in welche die Geräte eingeordnet werden. Hier ist festgelegt, welche maximale Oberflächentemperatur ein Gerät/Betriebsmittel entwickeln darf, damit sich das jeweilige explosionsfähige Gemisch, in dem das Gerät verwendet wird, nicht entzünden kann.

Darüber hinaus definiert die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG die Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit von Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer, die durch eine explosionsfähige Atmosphäre gefährdet werden können. Dazu gehört zum Beispiel, dass der Betreiber bzw. Arbeitgeber Maßnahmen des primären, sekundären und tertiären Explosionsschutzes umsetzen – also unter anderem auch entsprechende Betriebsmittel wie explosionsgeschützte Industriesauger und andere Reinigungsprodukte für eine ungefährliche Reinigung in Ex-Zonen bereitstellen – muss. Für eine Gefährdungsbeurteilung des Betriebs muss der Arbeitgeber ein Explosionsschutzdokument erstellen, in dem alle Bereiche mit potenziell explosionsfähiger Atmosphäre in klar definierte Zonen eingeteilt werden. Unterschieden wird in Zonen mit einer explosionsfähigen Atmosphäre aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln (Zone 0,1,2) sowie brennbaren Stäuben in der Luft (Zone 20,21,22).

Durch die Kombination aus beiden ATEX-Richtlinien entsteht ein geschlossenes System, das Explosionen vorbeugt, um Mensch, Umwelt und Sachwerte zu schützen.

Grundlage für eine Staubexplosion ist ein bestimmtes Mischungsverhältnis zwischen Sauerstoff und Staubpartikeln in unterschiedlicher Größe. Sobald eine gewisse Staubdichte erreicht und eine bestimmte Korngröße unterschritten wird, entsteht eine explosionsfähige Atmosphäre, die dann durch eine Zündquelle entzündet werden kann. Um Schutzkonzepte in Zusammenhang mit Staubexplosionen zu verfolgen und Maßnahmen des konstruktiven (tertiären) Explosionsschutzes richtig auszulegen – zum Beispiel für eine explosionsfeste Auslegung von Behältern –, werden brennbare Stäube in Explosionsklassen nach ihrem KSt-Wert eingeteilt. Dabei handelt es sich um den auf ein Volumen von 1 m3 bezogenen maximalen zeitlichen Druckanstieg. Es gibt drei verschiedene Staubklassen, die sich wie folgt einteilen:

Entsprechend der ermittelten Staubexplosionsklasse werden dann konstruktive Schutzmaßnahmen zur Explosionsdruckentlastung bzw. Explosionsunterdrückung an Apparaturen ausgelegt.

In Bereichen mit einer potenziell explosionsfähigen Atmosphäre dürfen nur explosionsgeschützte Geräte zum Einsatz kommen. Diese Geräte werden in verschiedenen Zündschutzarten ausgeführt: Grundlegendes Ziel hierbei ist es, das Risiko einer Explosion zu vermeiden, wenn gleichzeitig sowohl eine explosionsfähige Atmosphäre als auch eine Zündquelle vorhanden ist (sekundärer Explosionsschutz). Die Zündschutzart gibt an, in welcher Art und Weise eine Zündquelle vermieden werden kann, zum Beispiel durch entsprechende Konstruktions- und Baubedingungen. Die Definition der Zündschutzarten erfolgt nach internationalen und europäischen Normen. Die Zündschutzarten für elektrische Geräte werden in der Normenreihe EN IEC 60079 festgelegt, die Zündschutzarten für nicht elektrische Geräte in der Normenreihe DIN EN ISO 80079 und DIN EN 13463. Welche Zündschutzart bei der Herstellung eines Geräts angewendet wird, hängt dessen Funktion und Art ab.

Manche Zündschutzarten sind in verschiedenen Schutzniveaus vorhanden. Diese entsprechen den Gerätekategorien nach der Richtlinie 2014/34/EU bzw. den Geräteschutzniveaus EPL nach IEC 60079-0. Je explosiver die Umgebung, desto höher muss die Zündschutzart gewählt werden. Für alle Zündschutzarten gilt, dass die Teile der Geräte, die sich in der explosionsfähigen Atmosphäre befinden bzw. diese Zugang zu den jeweiligen Teilen hat, keine unzulässig hohen Temperaturen annehmen dürfen.

Als Zündschutzarten stehen zur Verfügung:

für elektrische Betriebsmittel in Gasatmosphäre

• Eigensicherheit Ex i
• Druckfeste Kapselung Ex d
• Erhöhte Sicherheit Ex e
• Überdruckkapselung Ex p
• Ölkapselung Ex o
• Vergusskapselung Ex m
• Sandkapselung Ex q
• Zündschutzart für Zone 2 Ex n
• Spezielle Zündschutzart Ex s

für elektrische Betriebsmittel in Staubatmosphäre

• Überdruckkapselung Ex pD
• Eigensicherheit Ex iD
• Vergusskapselung Ex mD
• Schutz durch Gehäuse Ex tD

für nicht elektrische Betriebsmittel

• Schutz durch schwadenhemmende Kapselung Ex fr
• Druckfeste Kapselung Ex d
• Eigensicherheit Ex g
• Konstruktive Sicherheit Ex c
• Zündquellenüberwachung Ex b
• Überdruckkapselung Ex p
• Flüssigkeitskapselung Ex k

Explosionsgefährdete Bereiche werden in verschiedene Zonen eingeteilt. Die Geräte wiederum, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, werden auf die unterschiedlichen Zonen und ihr Gefahrenpotenzial hin abgestimmt. Hierfür werden die explosionsgeschützten Geräte nach EU-Richtlinie 2014/34 (ATEX) in Gerätekategorien und auf internationaler Ebene nach IEC 60079-0 in Geräteschutzniveaus EPL (Equipment Protection Level) eingeordnet. Geräte für explosionsgefährdete Bereiche werden in drei Schutzniveaus kategorisiert. Hierbei wird zwischen Gasen, Dämpfen und Nebel (Buchstabe G für gas) und Stäuben (Buchstaben D für dust) unterschieden.

Geräte des Schutzniveaus EPL Ga/Da müssen so gestaltet sein, dass sie ein sehr hohes Maß an Sicherheit leisten. Auch bei seltenen Betriebsstörungen besteht hier keine Zündgefahr an den Geräten. Sie können in den Zonen 0/20 eingesetzt werden.

Geräte des Schutzniveaus EPL Gb/Db müssen ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Auch bei üblichen Betriebsstörungen müssen die Geräte Zündquellen vermeiden. Sie können in den Zonen 1/21 verwendet werden.

Geräte des Schutzniveaus EPL Gc/Dc müssen ein normales Maß an Sicherheit gewährleisten und Zündquellen im Normalbetrieb vermeiden. Sie können in den Zonen 2/22 eingesetzt werden.

Der elektrische Explosionsschutz reicht zurück in das 19.Jahrhundert, in dem die Elektrotechnik Einzug in Industrie und Haushalte hielt, aber gleichzeitig explosionsfähige Atmosphären durch Methan und Kohlenstaub im Steinkohlenbergbau vorhanden waren. Ab da wurden Mittel und Wege gesucht, um elektrische Betriebsmittel (potenzielle Zündquellen) auch in explosionsfähigen Atmosphären verwenden zu können, ohne dass eine Explosion entsteht. Daraus entwickelten sich explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel, die in Zündschutzarten klassifiziert werden. Die genauen Anforderungen an elektrische Betriebsmittel im Sinne des dadurch sogenannten elektrischen Explosionsschutzes werden nach internationalen IEC/ISO-Standards sowie europäischen CEN/CENELEC- sowie DKE/DIN-Standards mit der Registernummer 60079 festgelegt.