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Statische Elektrizität – Eine unberechenbare und häufig unterschätzte Gefahr

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Einer unserer Kunden wollte die defekte Batterie eines Gabelstaplers an den Hersteller zurückschicken. Den Anweisungen des Herstellers entsprechend, wurde die Batterie mit einer Plastikfolie abgedeckt und über Nacht in der Werkstatt gelagert.

Früh am nächsten Morgen explodierte die Batterie plötzlich. Durch die Druckwelle zersprang die Scheibe des Fensters zwischen der Werkstatt und einem benachbarten Büro. Große Glassplitter wurden durch den Raum geschleudert und bohrten sich teilweise in einen Bürostuhl. Glücklicherweise war zum Zeitpunkt der Explosion niemand im Büro.

Wer war der Übeltäter? Wir vermuten, dass sich statische Elektrizität in der Plastikfolie entladen und den Wasserstoff entzündet hat, der sich über Nacht unter der Abdeckung angesammelt hatte.

Stationäre elektrische Ladung

Unter statischer Elektrizität versteht man eine stationäre elektrische Ladung, die entsteht, wenn zwischen den positiven und den negativen Ladungen im Inneren oder auf der Oberfläche eines Materials ein Ungleichgewicht besteht.

Im Alltag sind unsere Begegnungen mit statischer Elektrizität normalerweise ungefährlich und sogar unterhaltsam – beispielsweise, wenn uns die Haare zu Berge stehen, nachdem wir einen Wollpullover ausgezogen haben. Statische Elektrizität kann man sich jedoch auch zunutze machen.

In vielen Industriebetrieben werden beispielsweise elektrostatische Rauchabscheider eingesetzt. Diese entfernen Rußpartikel, indem sie die Abgase elektrostatisch aufladen und sie anschließend durch ein Metallgitter mit entgegengesetzter Ladung leiten. Statische Elektrizität kommt auch in Tintenstrahldruckern und Kopierern zum Einsatz, um eine Abbildung auf Papier zu übertragen.

Statische Elektrizität ist auch als Risiko bekannt. Unter bestimmten Umständen kann sie Funken erzeugen, die einen Brand verursachen oder eine Explosion auslösen. Die Explosion, bei der die Hindenburg zerstört wurde, soll beispielsweise auch auf statische Elektrizität zurückzuführen sein. Daher müssen viele Abläufe und Verfahren in Industriebetrieben sorgfältig überprüft werden, um das Risiko eines durch statische Elektrizität ausgelösten und verheerenden Unfalls zu minimieren.

Die Bedingungen müssen stimmen

Damit statische Elektrizität ein Feuer oder eine Explosion verursachen kann, müssen vier unterschiedliche Bedingungen erfüllt sein.

Erstens muss eine ausreichende Aufladung stattfinden. Bei vielen gängigen Verfahren kann es zu einer elektrostatischen Aufladung kommen. Zum Beispiel, wenn Kunststoffbehälter gestapelt werden, wenn Flüssigkeiten oder Pulver in Behälter gepumpt werden oder wenn leitfähige Materialien durch Leitungen oder Schläuche geführt werden. Auch unter Hochdruck stehendes CO2, das in flüssiger Form abgeführt wird, kann sich aufladen. Darüber hinaus können sich bestimmte Materialien aufladen, die ansonsten nicht elektrisch leitfähig sind – wie etwa Kunststoff oder feuchtes Holz. Häufig wird das Risiko übersehen, dass diese Materialien elektrostatische Energie erzeugen können.

Die Aufladung kann auch von den Umgebungsbedingungen beeinflusst werden. Insbesondere trägt eine geringere Luftfeuchtigkeit zu einer besseren Isolierung der benachbarten Materialien bei und begünstigt somit die Aufladung. Dies ist einer der Gründe dafür, dass elektrostatische Zwischenfälle mit größerer Wahrscheinlichkeit im Winter auftreten, wenn die Luft kühler und trockener ist.

Zweitens müssen ein Brennstoff sowie Sauerstoff vorhanden sein. Deren Mengen beeinflussen neben der Zündfähigkeit/Explosivität der Brennstoffquelle natürlich das Ausmaß und die Intensität des entstehenden Brandes oder der entstehenden Explosion.

Drittens muss sich die bereits aufgebaute statische Elektrizität wieder entladen. Eine Entladung findet statt, wenn unterschiedlich geladene Materialen in bestimmter Weise aufeinander wirken. Es gibt verschiedene Arten der Entladung mit unterschiedlichem Gefährdungspotential.

Eine Coronaentladung ist eine schwache, lokale und kontinuierliche Entladung, die üblicherweise an scharfen Kanten oder Spitzen auftritt. Die auftretenden Energien reichen nicht um explosionsfähige Gemische zu entzünden. Die sogenannte Büschelentladung ist energetischer, involviert größere Oberflächen und besteht aus einer Abfolge diskreter Ereignisse. Der von der Elektrode ausgehende Plasmakanal weitet sich dabei diffus aus (Büschel). Eine Büschelentladung kann explosive Gase entzünden, üblicherweise aber keine Stäube.

Deutlich gefährlicher sind Funkenentladung und Gleitbüschelentladung. Eine Funkenentladung entsteht zwischen einem isolierten, geladenen Objekt und der Erde. Eine Gleitbüschelentladung ist eine großflächige Entladung einer durch spezielle Prozesse herbeigeführten hochenergetischen Aufladung. Funkenentladungen und Gleitbüschelentladungen können sehr viel Energie freisetzen und stellen oftmals die Zündquelle für Brände bzw. Explosionen dar, die durch elektrostatische Energie ausgelöst wurden.

Wenn die elektrostatische Entladung ausreichend Zündenergie freisetzt – die Menge ist dabei abhängig vom Zündpunkt der Brennstoffquelle(n) – sind die Bedingungen schließlich erfüllt und es entsteht ein Brand oder eine Explosion.

 

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Ein grundsätzlich gefährlicher Prozess kann über viele Jahre hinweg ohne Zwischenfälle ablaufen, weil zu jedem Zeitpunkt (mindestens) eine einzige Bedingung hierzu nicht erfüllt war.

 

Das Tückische

Die Unvorhersehbarkeit von elektrostatischer Energie und insbesondere die Auswirkung von Umgebungsfaktoren sorgen dafür, dass die praktische Erfahrung im Zusammenhang mit betrieblichen Abläufen unter Umständen nur von geringem Nutzen ist, wenn es um statische Elektrizität geht. Ein grundsätzlich gefährlicher Prozess kann über viele Jahre hinweg ohne Zwischenfälle ablaufen, weil zu jedem Zeitpunkt (mindestens) eine einzige Bedingung hierzu nicht erfüllt war.

Doch dann ändern sich die Umstände: Möglicherweise ist die Luft ungewöhnlich trocken. Oder das Objekt lädt sich stärker als sonst auf. Und plötzlich kommt es dem unerwarteten Brand oder der Explosion, mit der niemand gerechnet hatte.

Dies soll jedoch nicht heißen, dass es keine praktischen Maßnahmen gibt, durch die Unternehmen dieses Risiko reduzieren können. Ganz im Gegenteil!

Bei den Vorkehrungen geht es im Grunde um drei wesentliche Punkte:

  • Die Begrenzung der Aufladung
  • Das Ermöglichen eines gefahrlosen Ausgleichs der Ladungen
  • Die Vermeidung von Zündgefahren.

Erdung und Potenzialausgleich sind zentrale Bestandteile des Schutzkonzepts. Insbesondere müssen Leitungen, Rohre und Schläuche über ihren gesamten Verlauf hinweg geerdet sein und über einen Potenzialausgleich verfügen.

Durch die Erdung wird das potenzielle Ungleichgewicht zwischen den negativen und den positiven Ladungen in Gegenständen und Erde ausgeglichen. Dafür wird ein eigenes System benötigt, das nicht mit der elektrischen Erde verbunden ist, damit ein Rückfluss von Ladung verhindert wird.

Auch Masse- bzw. Erdverbindungen müssen regelmäßig überprüft werden. Häufig stellen wir fest, dass diese Verbindungen unterbrochen sind. Solche Unterbrechungen können leicht während des normalen Betriebsablaufs entstehen, was jedoch selten überprüft wird.

Durch sogenanntes „Bonding“ werden zwei oder mehr Objekte miteinander verbunden, um einen Ausgleich des elektrischen Potenzials herzustellen. Auch bei einer Unterbrechung der Masse- bzw. Erdverbindung, also wenn die Verbindung beispielsweise durch lackierte Teile, nicht-leitende Dichtungen oder ähnliche Hindernisse verläuft, kommt ein Verbindungskabel zum Einsatz.

Für einige Einsatzbereiche ist ein flexibles Erdungs- und Potenzialausgleichssystem zu verwenden, beispielsweise für das Einfüllen bestimmter Flüssigkeiten in ortsbewegliche Behälter. Für solche Fälle empfehlen wir die Verwendung von Klemmschellen und unisolierten Kabeln. Klemmschellen dienen dazu, eine geeignete Verbindung und Erdung in einem rostigen oder schmutzigen Umfeld herzustellen. Die unisolierten Kabel sorgen dafür, dass Risse im Kabel umgehend erkannt werden.

Nicht-leitende Materialien, wie Plastik, die sich statisch aufladen können, werden durch die Beimischung von Kohlenstoff- oder Stahlpartikeln leitfähig und können somit geerdet werden.

Schlussendlich können unter bestimmten Umständen zusätzliche Maßnahmen notwendig sein, um Zündgefahren zu vermeiden. In explosionsgefährdeten Bereichen können beispielsweise spezielle Belüftungssysteme erforderlich sein, die dafür sorgen, dass die Umgebungsbedingungen die Explosionsgrenzen nicht überschreiten. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, die Fließgeschwindigkeiten in den Leitungen zu senken, um das Risiko einer übermäßigen elektrostatischen Aufladung zu begrenzen.

Im Zusammenhang mit statischer Elektrizität besteht die Herausforderung darin, dass ihre Entstehung und ihre Auswirkungen unter Umständen nur schwer vorhersehbar sind. Das musste auch unser Kunde mit der explodierten Batterie feststellen. Die oben genannten Beispiele zeigen nur einige der Möglichkeiten auf, wie sich diese Gefährdung in unterschiedlichen Situationen entwickeln kann. Brände und Explosionen, die durch elektrostatische Energie ausgelöst werden, entstehen häufig unvermittelt und an unerwarteten Stellen.

Da statische Elektrizität relativ unvorhersehbar ist, müssen die spezifischen Verfahren detailliert analysiert werden, damit man die potenziellen Gefahren ermitteln kann. Darüber hinaus sind regelmäßige Überprüfungen der Schutzmaßnahmen, zu denen auch Erdungs- und Potenzialausgleichssysteme zählen, von entscheidender Bedeutung.


Frank Dörr ist Regionalbereichsleiter des Property Risk Engineering Teams von XL Catlin. Er hat seinen Sitz in Frankfurt und ist erreichbar unter frank.doerr@xlcatlin.com.

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