Biogasinstallaties en explosiegevaar: toepassing van de ATEX 137 richtlijn Door de steeds verdere ontwikkeling van nieuwe technologieën wordt op steeds bredere schaal biogas gewonnen uit afvalstoffen. Biogas is een brandbaar gas waarmee op het gebied van explosiegevaar en in het kader van de ATEX 137 richtlijn rekening moet worden gehouden. Biogas is echter een complex mengsel van gassen dat bovendien van samenstelling kan wisselen, waardoor het beoordelen van de risico s in het kader van explosiegevaar niet eenvoudig is. Wat is biogas? Biogas of stortgas is een gasmengsel dat ontstaat als gevolg van biologische processen. De hoofdbestanddelen van biogas zijn methaan en koolstofdioxide. Het gas ontstaat als gevolg van vergisting (een anaeroob proces) van organisch materiaal zoals mest, rioolslib, actief slib of gestort huisvuil. Biogas is een mengsel van gassen en de exacte samenstelling is afhankelijk van de soort biomassa (slib uit waterzuivering, mest, compost etc.) die wordt afgebroken. Foto 1, Slibgistingstanks bij een waterschap In zijn algemeenheid kan gesteld worden dat biogas bestaat uit de volgende componenten met de volgende bijbehorende variatie in volumepercentages: Tabel 1, samenstelling biogas Biogas bestaat uit: Methaan Koolstofdioxide Waterdamp Stikstof Zuurstof Zwavelwaterstof Sporen van ammoniak, waterstof en hogere koolwaterstoffen 45 vol% tot 75 vol% 25 vol% tot 55 vol% 0 vol% tot 12 vol% 0 vol% tot 5 vol% 0 vol% tot 2 vol% 0 vol% tot 0,5 vol% Op basis van bovenstaande bestanddelen kan geconcludeerd worden dat biogas diverse gevaarlijke eigenschappen in zich heeft waarmee bij de bouw en het gebruik van een biogasinstallatie rekening mee moet worden gehouden. Hieronder volgt een verdere toelichting op deze conclusie. Pagina 1 van 7
Welke bestanddelen kunnen explosiegevaar veroorzaken? De volgende bestanddelen in biogas zijn brandbare gassen en kunnen daardoor in de juiste verhouding met lucht leiden tot een explosieve atmosfeer: Methaan Methaan is een brandbaar gas dat in de juiste verhouding met lucht kan leiden tot een explosieve atmosfeer. Methaan is in concentraties tussen de 4,4 vol% en 17 vol% in lucht explosiegevaarlijk. Zwavelwaterstof Zwavelwaterstof komt in kleine hoeveelheden voor in biogas en kan net als methaan in de juiste verhouding met lucht leiden tot een explosieve atmosfeer. Zwavelwaterstof is in concentraties tussen de 4,3 vol% en 45,5 vol% in lucht explosiegevaarlijk. Omdat zwavelwaterstof slechts in kleine concentraties in biogas aanwezig is zal de concentratie zwavelwaterstof in biogas niet bepalend zijn voor de explosiegevaarlijke eigenschappen van biogas. Waterstof In biogas kunnen sporen van waterstof voorkomen. Aangezien de concentraties dusdanig laag zijn, zal waterstof niet doorslaggevend zijn voor de explosiegevaarlijke eigenschappen van biogas. Bepalend voor de explosieve eigenschappen van biogas zal met name de concentratie methaan in het biogas zijn. In onderstaande diagram staan de explosiegrenzen van biogas (mengsel van 70% methaan en 30 % CO 2 ) in lucht weergegeven. (bron: KAS 12 Merkblatt Sicherheit in Biogasanlagen) Pagina 2 van 7
Hypothetisch gezien zal biogas niet meer explosiegevaarlijk zijn indien de concentratie methaan in biogas tot onder de 15% daalt. Dit zal echter nooit het geval zijn omdat het biogas dan onbruikbaar is. Uit bovenstaande figuur wordt duidelijk dat biogas, net zoals alle gassen, explosiegevaarlijk wordt in de juiste mengverhouding met lucht (lees zuurstof). De onderste explosiegrens (LEL) van biogas ligt op ongeveer 4,5 vol% (ongeveer gelijk aan die van methaan). Aangezien biogas ontstaat in een zuurstofarme omgeving, hoeft biogas in het inwendige van vergistingsinstallaties in principe niet te leiden tot een explosieve atmosfeer. Pas als biogas vrijkomt uit installaties en/of vermengt wordt met zuurstof zal er een explosieve atmosfeer ontstaan. Dit zal, afhankelijk van de situatie, veelal leiden tot een ATEX zonering rondom installaties en afblaaspunten. Zonering van biogasinstallaties Om de risico s van biogas m.b.t. explosiegevaar te kunnen beoordelen zullen biogasinstallaties ingedeeld moeten worden in zones. Hiervoor is de Nederlandse Praktijkrichtlijn, de NPR 7910 1:2008, Gevarenzoneindeling met betrekking tot ontploffingsgevaar Deel 1: Gasontploffingsgevaar, beschikbaar. Aangezien de winning van biogas bedoelt is voor de verbranding van het gas in specifieke installaties zal het biogas in delen van installaties nog zuurstofarm zijn. Zoals gesteld, zal daardoor het inwendige van biogasinstallaties onder normale bedrijfscondities in veel situaties niet gezoneerd zijn. Uiteraard gaat dit niet op voor installatie onderdelen waarin biogas wel vermengd is met voldoende zuurstof. Met betrekking tot de opslagvoorzieningen en het leidingwerk van installaties geeft de NPR 7910 1 diverse richtlijnen. Deze richtlijnen zijn vooral gericht op de kans waarop biogas uit installaties kan vrijkomen. Zo worden flesverbindingen, afblaas en overdrukventielen, afsluiters in installaties gezien als potentiële gevarenbronnen die veelal zullen leiden tot een zonering rondom de installatie. Afhankelijk van de tijdsduur waarbij gassen uit de installatie vrij kunnen komen wordt een zone 0, 1 of 2 gehanteerd, e.e.a. volgens de indeling in tabel 2. Tabel 2, zone indelingen ingeval van gassen Zone 0: Zone 1: Zone 2: N.G.G.: gebied waarbinnen een ontplofbare atmosfeer voortdurend of gedurende langere perioden aanwezig is (continu bronnen: meer dan 10% van de tijdsduur van een activiteit/bedrijfsduur installatie). gebied waarbinnen de kans op aanwezigheid van een ontplofbare atmosfeer onder normaal bedrijf groot is (primaire bronnen: tussen de 0,1 en 10 % van de tijdsduur van een activiteit/bedrijfsduur installatie). gebied waarbinnen de kans op aanwezigheid van een ontplofbare atmosfeer onder normaal bedrijf gering is en waarbinnen een dergelijke atmosfeer, indien zij aanwezig is, slechts korte tijd zal bestaan (secundaire bronnen: minder dan 0,1% van de tijdsduur van een activiteit/bedrijfsduur installatie). gebied waarbinnen geen ontplofbare atmosfeer geacht wordt voor te komen in zodanige mate dat speciale voorzieningen ten aanzien van ontstekingsbronnen nodig zijn. Pagina 3 van 7
Gedrag van biogas in lucht De vorm en grootte van de zonering ten gevolge van het vrijkomen van biogas is afhankelijk van diverse factoren zoals druk, debiet en de dichtheid van het biogas. In buitensituaties zullen eveneens weersomstandigheden van invloed zijn op de vorm van de zonering. In binnensituaties spelen de aanwezigheid en beschikbaarheid van (kunstmatige) ventilatievoorzieningen hierbij een rol. Van veel gassen kan het gedrag in lucht redelijk goed ingeschat worden, met name op basis van de relatieve dichtheid van het gas ten opzichte van lucht. Gassen die lichter zijn dan lucht zullen opstijgen. Deze gassen hebben een relatieve dichtheid kleiner dan die van lucht (=1). Gassen die zwaarder zijn dan lucht zullen dalen tot op vloerniveau; deze gassen hebben een relatieve dichtheid groter dan die van lucht. Methaan heeft een relatieve dichtheid van 0,6 en zal derhalve opstijgen. CO 2 heeft een relatieve dichtheid van 1,5 en zal derhalve de neiging hebben te zakken. Aangezien biogas van samenstelling kan wisselen en voor een groot deel bestaat uit methaan en CO 2 is het gedrag van biogas lastig te voorspellen. Daarnaast is de dichtheid van biogas eveneens afhankelijk van de omgevingsdruk, temperatuur en van de vochtigheid van het gasmengsel. Onderstaande figuur staat de dichtheid van biogas bij verschillende methaanconcentraties en gastemperaturen weergegeven. Bron: www.schlattmann.de Geconcludeerd moet worden dat biogas afhankelijk van de exacte samenstelling zowel kan opstijgen als kan afzakken. Bij beoordelingen moet wellicht rekening gehouden met worst case scenario s waarbij rekening moet worden gehouden met een homogene verdeling in ruimtes en waarbij aandacht moet zijn voor ophoping van biogas in putten, kelders en sleuven (indien zwaarder dan lucht). Op basis van het te verwachten vrij te komen debiet en het gedrag van biogas in de omgevingslucht zal de vorm van de zone bepaald moeten worden. De vorm en de grootte van de zone zal bepaald moeten worden aan de hand van NPR 7910 1. Pagina 4 van 7
Voorkomen van ontstekingen Zodra de explosieve zones bij biogasinstallaties zijn vastgesteld zal bekeken moeten worden of zich binnen de zones potentiële ontstekingsbronnen bevinden die de eventueel aanwezige gaswolk kunnen ontsteken. Voor het uitvoeren van een zogenaamde ontstekingsanalyse kan de NEN EN 1127 1 Ontplofbare atmosferen Voorkoming van en bescherming tegen ontploffingen Deel 1: Grondbeginselen en methodologie, gebruikt worden. Er zal bij de ontstekingsanalyse niet alleen gekeken moeten worden naar elektrische ontstekingsbronnen maar ook naar ontstekingsbronnen van mechanische aard. Elektrische en mechanische apparatuur in zonegebieden moet geschikt zijn voor de desbetreffende zone. Hoe zwaarder de zone hoe hoger de veiligheidseisen zijn voor apparatuur in zonegebieden. In algemene zin kan gesteld worden dat elektrische apparatuur in zonegebieden vrijwel altijd moeten voldoen aan de ATEX 95 richtlijn en voorzien moeten zijn van onderstaande Ex symbool. Daarnaast moet de apparatuur geschikt zijn voor de betreffende zone. Daarvoor gelden de categorieën 1, 2 en 3, welke zijn te vinden op het typeplaatje van de apparatuur (zie onderstaande overzichten). Mechanische apparatuur mag eveneens geen ontstekingsbron opleveren. Deze apparatuur moet aan de ATEX 95 richtlijn voldoen als de apparatuur of het component een eigen ontstekingsbron in zich heeft. Hierbij moet met name gedacht worden aan het ontstaan van wrijvingswarmte en vonken. Ook kan zal het Ex symbool op de mechanische component aanwezig moeten zijn. Eveneens gelden hiervoor de categorieën 1, 2 en 3. Het uitvoeren van een goede ontstekingsanalyse is een lastige klus en vraagt om specifieke kennis. Categorie ATEX 95 m.b.t. installatie, apparatuur en arbeidsmiddelen Cat 1 Cat 2 Cat 3 Zone indeling volgens ATEX 137 0 X 1 X X 2 X X X Categorie ATEX 95 categorie 1 categorie 2 categorie 3 Eisen zeer hoog, deze apparatuur is nog veilig bij uitzonderlijke storingen; hoog, deze apparatuur is nog veilig bij voorzienbare storingen of gebreken; normaal, veilig bij normaal gebruik. Pagina 5 van 7
Specifieke maatregelen Afhankelijk van de uitgevoerde ontstekingsanalyse zullen specifieke maatregelen genomen moeten worden om de risico s met betrekking tot explosiegevaar te kunnen beheersen. Dit zijn veelal specifieke maatregelen die voor iedere afzonderlijke situatie vastgesteld moeten worden. Ondanks dat zijn een aantal generieke maatregelen te benoemen: Aarding van installatieonderdelen; Potentiaalvereffening van installatieonderdelen; Toepassen van explosieveilig schakelmateriaal (o.a. drukvast of intrinsiek veilig); Explosieveilig installatiewerk (let op wartels en drukvast materiaal); Stationaire of persoonlijke gasmonitoring bij werkzaamheden; Voorkomen van statische oplading van personen; Toepassen van werkvergunningen; Aanduiden van de zone indeling met pictogrammen. Explosieveiligheidsdocument (EVD) De beoordeling van bovenstaande stappen zal vastgelegd moeten worden in een explosieveiligheidsdocument (EVD). Dit EVD moet aan een aantal specifieke eisen voldoen. In ieder geval moet er duidelijk uit naar voren komen welke maatregelen genomen zullen worden ofwel genomen zijn om de explosierisico s te beheersen. Een voorbeeld van een EVD is te vinden op onze site onder downloads. (www.pol safety.nl) Overige risico s biogas Naast risico s op het gebied van explosiegevaar brengt biogas een aantal andere potentiële risico s met zich mee. De aanwezigheid van zwavelwaterstof in biogas maakt dat biogas giftig kan zijn. Zwavelwaterstof heeft bij zeer lage concentraties een typische geur ( rotte eieren lucht ) en langdurig inademen van hogere concentraties zwavelwaterstof kan leiden tot levensgevaarlijke situaties. Bij concentraties vanaf 500 ppm (parts per million) treedt naar circa 30 minuten een dodelijke werking op en bij concentraties vanaf 5000 ppm treedt een dodelijke werking al naar enkele seconden op. De bestuurlijke grenswaarde (8 uur TGG) voor de concentratie zwavelwaterstof in de omgevingslucht in Nederland is momenteel 1,5 ppm (2,3 mg/m 3 ). Naast zwavelwaterstof hebben eveneens koolstofdioxide en stikstof een verstikkende (zuurstofverdringende) werking. Agressieve bestanddelen zoals ammoniak en zwavelwaterstof kunnen leiden tot aantasting van leidingwerk. Dit vergt specifieke aandacht voor het leidingwerk en overige installatiedelen van biogasinstallaties, o.a. in de vorm van frequentie inspecties, onderhoud en keuringen. Pagina 6 van 7
Literatuur Bovenstaande weergave van de risico s van biogas is tot stand gekomen door raadpleging van de volgende bronnen: 1. Merkblatt Sicherheit in Biogasanlagen, KAS 12 Kommission für Anlagensicherheit, juni 2009; 2. Veiligheidsregels en technische preventierichtlijnen bij de bouw en het gebruik van agrarische biogasinstallaties, Federatie van Onderlinge Verzekeringsmaatschappijen, oktober 2005; 3. Website Senternovem: Duurzame energie in Nederland, www.senternovem.nl ; 4. Website Biogass Community, www.schlattmann.de. Opgesteld door: ing. H.A.B. Pol, gecertificeerd Hoger Veiligheidskundige & Arbeidshygiënist Pol Safety Veiligheidsadviseurs September 2009 www.pol safety.nl Pagina 7 van 7