Simulation der Ausbreitung gasförmiger Gefahrstoffe in industrieller Umgebung

Forschungsziel

Ziel des Forschungsprojektes ist die Bereitstellung eines speziell für die Simulation der Ausbreitung von Gefahrstoffen aus komplexen Industrieanlagen geeigneten Softwaretools, das

(a) mit angemessenem Aufwand für die Ausbreitungsrechnung mit einem Lagrange'schen Ausbreitungsmodell gemäß VDI 3783/1 geeignete, qualitativ abgesicherte Windfelder liefert und

(b) Ausbreitungsrechnungen auf Basis der Lösung der Stofftransportgleichung (sog. Euler-Modell) ermöglicht.

Die Entwicklung des Softwaretools wird auf dem freien OpenFOAM Code (GPL Lizenz) basieren. Damit fallen für die Projektpartner und die Nutzer der neuen Software keine Lizenzgebühren an, die bei kommerzieller Software im fünfstelligen Euro Bereich liegen. Die Reduktion der Betriebskosten macht die Nutzung moderner Softwaretools durch KMU erst möglich. Die aktuell verfügbare Version des Frameworks OpenFOAM stellt bereits verschiedene Routinen zur thermodynamischen und hydromechanischen Simulation von Gasausbreitungsprozessen zur Verfügung, die die Grundlage für einen schnellen Projekteinstieg und eine effiziente Umsetzung der geplanten Entwicklungsarbeit bilden.

Problemstellung

Betreiber von Anlagen, die mit Gefahrstoffen umgehen, müssen im Rahmen von Genehmigungsverfahren Angaben zu den Auswirkungen von störungsbedingten Stofffreisetzungen machen. Die betrifft in besonderem Maße Betreiber von Anlagen, die unter den Geltungsbereich der Störfall-Verordnung fallen (ca. 3500), von denen viele KMU sind (allein ca. 1000 Biogasanlagen). Zur Bestimmung von angemessenen Sicherheitsabständen im Sinne der Störfall-Verordnung oder der Sicherheitsabstände gemäß TRBS 3146 muss bei Freisetzungsszenarien mit brennbaren und/oder toxischen Gasen eine Gasausbreitungsberechnung durchgeführt werden. Hierfür wird vorwiegend die VDI Richtlinie 3783, Blatt 1 und 2 herangezogen. Bei der Berechnung der Ausbreitung dichteneutraler oder leichter Gase (Blatt 1) können die Ausbreitung beeinflussende Hindernisse wie zum Beispiel Gebäude oder Industrieanlagen nicht berücksichtigt werden. Für Fragestellungen im näheren Umfeld der Quelle z. B. im Hinblick auf die Festlegung von Gefährdungsbereichen, Sammelplätzen und Fluchtwegen oder auch am Rand eines Betriebsbereiches (Abstand zu Schutzobjekten) ergeben sich dadurch ungenaue Aussagen, die zu Problemen bei Genehmigungsverfahren bzw. zu höheren Investitionskosten führen können.

Die Ausbreitung störfallbedingter Freisetzungen schwerer Gase wird üblicherweise entsprechend VDI 3783/2 abgeschätzt. Für vereinfachte, mittlere und ungünstige Freisetzungsszenarien werden auf der Basis systematischer Laborexperimente in einem Grenzschichtwindkanal und dimensionsanalytischer Überlegungen gewonnene Sicherheitsabstände für das Erreichen der unteren Zünddistanz angegeben. Auch hier repräsentieren die stark vereinfachten Freisetzungsszenarien nicht unbedingt realistische Verhältnisse und verlässlichere Immissionsprognosen können dazu beitragen, die Akzeptanz gefahrstoffverarbeitender Betriebe und Einrichtungen zu erhöhen.

Eine Verbesserung der Prognosegüte ist durch die laufende Überarbeitung der VDI Richtlinie 3783 Blatt 1/2 zu erwarten. Es ist vorgesehen, die Gauß'sche Ausbreitungsmodellierung durch ein zeitgemäßeres Lagrange'sches Ausbreitungsmodell (AUSTAL) zu ersetzen. Für die Berechnung der Immissionskonzentration in komplexem Gelände mit Gebäuden und anderen Ausbreitungshindernissen benötigt AUSTAL ein Windfeld, das entweder mit dem diagnostischen Windfeldmodell TALDIA oder mit geeigneten prognostischen Strömungsmodellen (CFD - Computational Fluid Dynamics) erzeugt werden kann. Das relativ einfache Modell TALDIA ist jedoch für die Anwendung in komplexer Industriebebauung bisher nicht validiert. Andererseits sind kommerziell verfügbare CFD-Programme aufgrund der Lizenzkosten und der oft nicht hinreichend genau im Modell umsetzbaren, spezifischen Ausbreitungsrandbedingungen im bodennahen Bereich der atmosphärischen Windgrenzschicht für den Einsatz im Zusammenhang mit Auswirkungsbetrachtungen nur bedingt effizient verwendbar.

Eine sinnvolle Alternative stellen mittlerweile verfügbare, lizenzkostenfreie OpenSource-Programmpakete wie zum Beispiel OpenFOAM dar. Diese beinhalten in der Regel mehrere Löser zur Strömungsberechnung und eine Vielzahl von Turbulenzmodellen. Damit lassen sich optimal an konkrete Problemstellungen angepasste Strömungssimulationen realisieren, die prinzipiell auch transiente Einströmrandbedingungen in der durch Hindernisse gestörten atmosphärischen Windgrenzschicht abbilden können. Realistische Windfeldberechnungen bilden die Grundlage einer verlässlicheren Ausbreitungsprognose mit Lagrange'schen und Euler'schen Ausbreitungsmodellen und tragen zu einer substanziellen Reduktion von Sicherheitsaufschlägen und damit zu einer realistischeren Beurteilung von Störfallszenarien und einer ökonomisch sinnvollen Umsetzung sicherer Industrieanlagen bei.

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. habil. Nikolai Kornev
Tel.: +49 381 498 9550
E-Mail: nikolai.kornevuni-rostockde