Theorie und Praxis zum Brandschutz durch Schutzatmosphären

Frage 1: Was versteht man unter Sauerstoffreduzierung im Brandschutz?

Die Sauerstoffreduzierung ist eine Technologie zur Brandvermeidung, die in bestimmten Anwendungsszenarien helfen soll, individuelle Schutzziele vollumfänglich zu erreichen. Dabei wird je nach gelagerten oder verbauten Materialien oder zu schützenden Einrichtungen die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft im Schutzbereich auf ein definiertes Niveau reduziert.

Frage 2: Warum spricht man hier von Brandvermeidung?

Herkömmliche Brandschutzsysteme (Löschanlagen) sind passiv, d.h. sie reagieren erst, wenn ein Feuer bereits ausgebrochen ist. Ein Sauerstoffreduzierungssystem ist aktiv (präventiv) und setzt an, bevor ein Brand entsteht. Es schafft in geschlossenen Räumen eine Atmosphäre, in der das Risiko für die Entstehung und Ausbreitung eines Vollbrandes unter definierten Bedingungen nicht gegeben ist.

Frage 3: Wie funktioniert Sauerstoffreduzierung?

Damit ein Brand entstehen kann, müssen drei Komponenten vorhanden sein: Sauerstoff, Wärmeenergie und Brennstoff. Wird eine dieser Komponenten entfernt, hat ein Brand keine Chance sich zu entwickeln und weiter auszubreiten. Auf diesem Prinzip baut die Brandvermeidungstechnologie auf: Durch die Reduzierung des Sauerstoffanteils wird dem Feuer sprichwörtlich „die Luft zum Atmen genommen“. (siehe Abb. 2)

Frage 4: Was sind spezifische Entzündungsgrenzen und wie werden sie ermittelt?

Für nahezu alle Brennstoffe gilt, dass ihre Entzündbarkeit in direktem Zusammenhang mit der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft steht und mit der Abnahme der Konzen­tration entsprechend sinkt. Unterhalb eines Grenzwertes der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft ist ein selbstständiges Brennen der Stoffe nicht mehr möglich. Dieser als Entzündungsgrenze bezeichnete Wert ist stoffspezifisch. Für Karton/Kartonage liegt die spezifische Entzündungsgrenze beispielsweise bei 15,0 Vol.-%. Der normale Sauerstoffgehalt in der Luft liegt bei 20,95 Vol.-%.

Spezifische Entzündungsgrenzen werden in einem normierten VdS-Prüfverfahren (VdS-Richtlinie 3527) ermittelt. Die für die Auslegung einer Anlage wichtige Sauerstoffkonzentration ist um einen notwendigen Sicherheitsabschlag zu reduzieren, z. B. für Karton/Kartonage liegt die Auslegungskonzentration bei 14,0 Vol.-% (nach VdS-Richtlinie 3527).

Frage 5: Wann ist der Einsatz von Sauerstoffreduzierung zur Brandvermeidung sinnvoll?

Der Einsatz dieser Technologie steht im direkten Zusammenhang mit den Brandrisiken in dem zu schützenden Bereich und den definierten Schutzzielen. Im Markt sind heute immer häufiger Schutzziele anzutreffen, die über die gesetzlichen Richtlinien, also den Schutz von Personen und Umwelt, sowie Versicherungsanforderungen hinausgehen. Bestimmte, aus einem individuellen Risikobewusstsein abgeleitete Schutzziele wie beispielsweise Schutz von unwiederbringlichen Werten oder hohen Wertkonzentrationen, Schutz der Warenverfügbarkeit, Lieferfähigkeit sowie Betriebsfähigkeit, lassen sich nur mit Hilfe von Sauerstoffreduzierung erreichen. Typische Anwendungen hierfür sind:

Tiefkühllager

Hochregallager

Automatisierte Behälterkompaktlager

Gefahrstofflager

Museen, Kunstsammlungen und Archive

Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien

Frage 6: Ergeben sich durch die Sauerstoffreduzierung gesundheitliche Risiken?

Der gesunde Mensch kann für einen gewissen Zeitraum mit weniger Sauerstoff ohne Einschränkung leben und arbeiten. Der Aufenthalt in einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre ist mit einem Aufenthalt in der Höhe vergleichbar: Der Mensch ist gewohnt, mit weniger Sauerstoff auszukommen als in der Atemluft vorhanden ist (20,9 %). Der sinkende Partialdruck der Luft bei steigender geodätischer Höhe führt zu einer reduzierten Aufnahme von Sauerstoff jedes Atemzugs, wie z. B. auf Bergen oder in Flugzeugen. (siehe Abb. 4)

Frage 7: Welche gesetzlichen Regelungen gibt es, um ein sicheres Arbeiten in sauerstoffreduzierten Umgebungen zu gewährleisten?

Das Arbeiten in sauerstoffreduzierter Umgebung wird durch lokale Vorgaben geregelt. In Deutschland gelten diesbezüglich die Vorgaben der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV), hier die DGUV Information 205-006 „Arbeiten in sauerstoffreduzierter Atmosphäre“. Zudem sind bestimmte Rahmenbedingungen in solchen Räumen zu gewährleisten.

Frage 8: Wie wird der Stickstoff gewonnen, den man für die Stickstoffanreicherung im Schutzbereich benötigt? Gibt es unterschiedliche Verfahren / Methoden?

Die Stickstofferzeugung ist ein physikalischer Prozess, über den die Luft vor Ort in ihre Bestandteile zerlegt wird. Es gibt unterschiedliche Methoden, mit denen Stickstoff aus der Umgebungsluft generiert werden kann. Die gängigsten Verfahren sind der Einsatz von Membrantechnik oder Aktivkohle.

Membrantechnik: Beim Prinzip der Membrantechnik wird die Umgebungsluft unter Druck durch ein Bündel Polymerfasern gepresst. In diesen Fasern findet die Trennung der Sauer­stoff- und Stickstoffmoleküle statt. Die Sauerstoffmoleküle diffundieren durch die Faserwände, während die größeren Stickstoffmoleküle durch die Faser strömen. Über ein Rohrnetz wird der gewonnene Stickstoff bis in den Schutzbereich eingeleitet. Durch diese Art der Trennung von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen herrscht bei der Membrantechnik ein kontinuierlicher Volumenstrom.

Aktivkohle: Beim Prinzip der Aktivkohle werden die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Umgebungsluft mit Hilfe von Kohlenstoffmolekularsieben (CMS bzw. englisch Carbon Molecular Sieve) voneinander getrennt. In zwei baugleichen Behältern wird die Luft durch das CMS-Bett (Filter) mit einem geringen Überdruck gepresst. Dieses Verfahren ist auch bekannt als Vacuum Pressure Swing Adsorption (VPSA) bzw. Pressure Swing Adsorption (PSA).

Frage 9: Stichwort Nachhaltigkeit: Wie sieht es mit dem Energieverbrauch für den Betrieb solcher Anlagen aus?

Konventionelle Stickstofferzeuger brauchen Energie. Seit Beginn der Entwicklung der ersten Sauerstoffreduzierungsanlagen haben die marktführenden Unternehmen den Energiebedarf dieser Systeme um 80 % reduziert. Dieser Trend wird sich bis zur CO₂-Neutralität fortsetzen. Brandschutz ist Umweltschutz – das gilt auch für den Ressourcenbedarf.

Frage 10: Wie hoch ist der Investitionsaufwand im Vergleich zu anderen Methoden wie Sprinkleranlagen?

In der Planungsphase ist zunächst die Frage nach der besseren Lösung zu beantworten, d.h. mit welcher Lösung erreiche ich meine individuellen Schutzziele unter Berücksichtigung der spezifischen Risiken. Ergibt sich aus dieser Betrachtung, dass tatsächlich zwei unterschiedliche Arten des anlagentechnischen ­Brandschutzes gleichwertig möglich sind (z.B. Sprinkler vs. Sauerstoffreduzierung), kann die Kostenfrage entscheiden. Die Erfahrung zeigt, dass bei komplexen baulichen Anforderungen und beispielweise sehr dichten und hohen Hochregallagern eine Sauerstoffreduzierungsanlage im Vergleich zu einer Sprinkleranlage deutliche Kostenvorteile bietet.

Frage 11: Wie hoch ist der Aufwand für die Instandhaltung?

Durch den Facherrichter ist ein Instandhaltungsvertrag (inkl. Service- und Notdienst) anzubieten und auch zwingend notwendig. Hier gibt es keinen höheren Aufwand im Vergleich zu anderen sicherheitsrelevanten Brandschutzanlagen.

Frage 12: Gibt es Fälle, in denen Sauerstoffreduzierung als Lösung gefordert wird, z. B. von Versicherungen?

Der zunehmende Automatisierungsgrad, immer dichter werdende Lagerformen, wie z.B. das Behälterkompaktlager, zunehmende Wertkonzentrationen und Schutzziele, die nicht nur den Personen- und Gebäudeschutz im Fokus haben, sondern auch den Schutz vor Betriebsunterbrechungen und die Erhaltung der Liefer­fähigkeit lassen auch einen Trend im Versicherungsmarkt erkennen. Diese Risiken und Schutzziele führen zu einer immer größeren Relevanz von Sauerstoffreduzierungsanlagen (siehe z. B. FM Global Property Loss Prevention Data Sheet 4-13).

Frage 13: Gibt es Stoffe, bei denen die Lagerung in einem durch Sauerstoffreduzierungsanlage geschützten Bereich problematisch ist?

Für explosionsgefährdete Stoffe ist die Sauerstoffreduzierung nicht geeignet. Hier gelten die Regelungen für explosionsgefährdete Bereiche. enaue Angaben, welche Stoffe ausgeschlossen oder problematisch sind, findet man beim VdS in der Projektierungsrichtlinie VdS 3527 sowie in der ISO 20338 und EN 16750 für Sauerstoffreduzierungsanlagen.

Eine clevere Mischung aus Branderkennung, Brandvermeidung, Brandbekämpfung, zum Beispiel in Form von zweistufigen Konzepten und Elemente des organisatorischen Brandschutzes können darüber hinaus Lösungen liefern, die auch bei diesen Materialien zur Erreichung der definierten Schutzziele führen.

* Küpper, T. et al.: Recommendation of the UIAA Medical Commission. Vol. 15. Work

in Hypoxic Conditions (2015)

** DGVU Information 205-006 (Deutsche Ge setzliche Unfallversicherung); Arbeiten in sauerstoffreduzierter Atmosphäre (2013)