Planung und Konzeption Gasanlagen
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Planung und Konzeption von Technische Gase
Technische Gase bilden die unsichtbare Infrastruktur zahlreicher Industriezweige. Von der Halbleiterfertigung über die Pharma- und Life-Sciences-Industrie bis hin zu Lebensmitteltechnologie, Chemie, Metallurgie und Forschungslaboren – Produktionsqualität, Sicherheit und Verfügbarkeit hängen direkt von der Leistungsfähigkeit der Gasversorgungssysteme ab. Die Planung und der Betrieb dieser Systeme sind jedoch äußerst komplex: verschiedene Versorgungsmethoden (Flaschenbündel, Tank-/Bulk-Versorgung, kryogene Versorgung, Vor-Ort-Erzeugung), unterschiedliche Medien mit spezifischen physikalischen und sicherheitsrelevanten Eigenschaften, variierende Lastprofile, komplexe Verteilungsnetze mit Ringleitungen und Druckstufen sowie strenge gesetzliche und regulatorische Anforderungen.
Die zunehmende Diversifizierung der Medien (z. B. Wasserstoff für Prozess- und Energietechnik), strengere Nachhaltigkeitsziele und die Digitalisierung von Anlagen verschärfen diese Herausforderungen. Ein integrierter, praxisorientierter und wissenschaftlich fundierter Ansatz, der Planung, Betrieb, Sicherheit und Effizienz vereint, fehlt oft.
Konzeption und Anforderungen technischer Gasversorgung
- Relevanz für Industrie und Forschung
- Rechts- und normativer Rahmen
- Konzepte für zentrale Anlagen
- Ringleitungen versus Abzweigleitungen
- Druckniveaus und Zonen
- Stränge, Abschnitte und Segmentierung
- Terminaleinheiten und Abhebungsstellen
- Armaturen und Messpunkte
- Materialien, Herstellung und Reinigung
- Vor-Ort-Markierungen und Dokumentation
- Leitungsführung, Stützen und thermische Aspekte
- Gestaltungsrichtlinien und betriebliche Aspekte
- Nachfrageprofilen und Gleichzeitigkeit
- Interpretationsfälle und Sicherheitsreserven
- Mess- und Regelungskonzept
- Inbetriebnahme und Qualifizierung
- Wichtige Leistungsindikatoren
- Schlussfolgerung und Handlungsempfehlungen
- Bewährte Verfahren
- Priorisierte Handlungsempfehlungen
- Typische Fallstricke
- Anhang Checklisten
- Bau und Inbetriebnahme
- Betrieb, Prüfung und Wartung
- Gaswarnsysteme und Belüftung
Relevanz für Industrie und Forschung
Für die Industrie ist die Beherrschung von Gassystemen ein entscheidender Wettbewerbsfaktor: Versorgungssicherheit und -qualität hängen von stabilen Drücken, Reinheit und Verfügbarkeit ab; die Betriebskosten werden maßgeblich durch Energieverbrauch, Verluste (Leckagen, Vereisung des Verdampfers, unnötige Bereitschaftsverluste) und Wartungsstrategien bestimmt. Sicherheits- und Haftungsrisiken im Zusammenhang mit brennbaren, oxidierenden, toxischen oder kryogenen Medien erfordern die konsequente Anwendung der rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen (einschließlich Arbeitsschutzgesetz, Explosionsschutz und Anforderungen an Druckgeräte).
Die Forschung konzentriert sich auf Fragestellungen der System- und Sicherheitstechnik, der Fluiddynamik und Thermodynamik, der Zuverlässigkeits- und Risikoanalyse, der datengestützten Zustandsüberwachung und der Energieoptimierung. Die Schnittstelle zwischen Planungsmethoden (z. B. Ringnetzausgleich, mehrstufige Druckregelung) und datenbasierter Operationalisierung (Sensoren, Überwachung, KI-gestützte Anomalieerkennung) ist sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technologischer Sicht von hoher Relevanz.
Deutschland (DE): Rechtliche Grundlagen und technische Vorschriften
Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG): Grundpflicht zur Gefährdungsbeurteilung (§ 5), Ableitung von Schutzmaßnahmen, Weisung.
Arbeitsschutzverordnung (BetrSichV): Nutzung von Arbeitsmitteln und Anlagen, die einer Überwachung bedürfen.
Wesentliche Elemente:
Risikobewertung für Arbeitsmittel/Systeme (einschließlich Explosionsschutz).
Klassifizierungs- und Prüfanforderungen für Anlagen, die einer Überwachung bedürfen (einschließlich Drucksysteme, Kryotanks).
Inbetriebnahme und regelmäßige Inspektionen durch akkreditierte Inspektionsstellen oder qualifizierte Personen.
Gefahrstoffverordnung (GefStoffV): Umgang mit Gefahrstoffen (Gasen), Explosionsschutzdokument, Ersatzprüfung, Betriebsanleitung.
Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) plus Durchführungsbestimmungen:
ProdSV (Explosionsschutzprodukte-Verordnung) – Umsetzung der ATEX 2014/34/EU.
ProdSV (Druckgeräterichtlinie) – Umsetzung der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU.
ProdSV (Maschinenverordnung) – Umsetzung der Maschinenrichtlinie.
Emissionskontrolle: Bundesgesetz zur Emissionskontrolle (BImSchG), 4. Bundesverordnung zur Emissionskontrolle (BImSchV) (Anhang: genehmigungspflichtige Anlagen), 12. Bundesverordnung zur Emissionskontrolle (Verordnung über schwere Unfälle) – abhängig von der Menge/Kategorie der Stoffe.
Wasserrecht: AwSV (Anlagen zur Handhabung von wassergefährdenden Stoffen) – relevant z. B. für Öle in Druckluftstationen, nicht für Inertgase.
Gefahrgut: GGVSEB (nationale Umsetzung von ADR/RID).
Technische Regeln und Richtlinien (Auswahl):
TRBS: 1111 (Gefahrenbeurteilung), 1112 (Instandhaltung), 1201 (Prüfung), 1203 (Sachkundige Personen), 2141 (Gefahren durch Druck), 2152-Teile (Explosionsgefahren: Grundlagen, Zoneneinteilung, Zündquellen, Schutzmaßnahmen).
TRGS: 400 (Gefahrenbeurteilung), 407 (Tätigkeiten mit Gasen), 510 (Lagerung in tragbaren Behältern), 720–723 (Explosionsschutz: Grundsätze, Vermeidung gefährlicher Atmosphären, Vermeidung wirksamer Zündquellen, Begrenzung der Auswirkungen), 725 (Mess- und Warnsysteme).
DGUV: Vorschriften/Regeln zum Explosionsschutz (z. B. DGUV-Regel 113-001), Umgang mit Druckluft, Heißarbeiten (Genehmigungssystem).
AD 2000 Vorschriften: Berechnungs-/Konstruktionsregeln für Druckgeräte (zulässig gemäß PED).
Die DVGW-Vorschriften beziehen sich primär auf Erdgas/Wasser; sie sind jedoch nur in bestimmten Bereichen relevant (z. B. Wasserstoffinfrastruktur).
Zentrale Systeme vereinen Stromerzeugung, Speicherung, Druckregelung und Überwachung an einem definierten Ort. Typische Elemente sind:
Medienversorgung: Tank-/Großbehältersysteme, Vor-Ort-Generatoren (N2-PSA/Membran), Druckluftstation, Puffertanks.
Primäre Druckregelung: Grob- und Feindruckreduzierungsstufen, Druckaufbau in kryogenen Systemen, Sicherheitsventile und Absperrvorrichtungen.
Verteilerkopf: Sammelschienen (Verteiler) mit Abgängen in Zonen/Strängen, Rückschlagventile und Entkopplungsarmaturen, Messabschnitte.
Überwachung: Druck-, Temperatur-, Qualitäts- und Leckagesensoren, Gaswarnsystem, Erfassung von Betriebsdaten.
Sicherheitsmerkmale: Druckentlastung/Überdruckventil, Not-Aus-Logik, Bypass- und Schaltwege, Entleerungs-/Spülvorrichtungen.
Ringschaltungen:
Hydraulik und Verfügbarkeit: Die beidseitige Stromversorgung reduziert Druckverluste und ermöglicht die Versorgung bei Teilausfällen oder Wartungsarbeiten. Lasten werden verteilt und Engpässe minimiert.
Ausgleich: Drosselstellen/Öffnungen oder verstellbare Ventile gewährleisten einen gleichmäßigen Durchfluss; Messpunkte auf beiden Seiten des Rings liefern Daten für den hydraulischen Ausgleich.
Segmentierung: Abschnittsventile ermöglichen die Aufteilung in Segmente; die Zufuhrpunkte sollten vorzugsweise einander gegenüberliegen, um Druckgradienten zu minimieren.
Stichleitungen (Dead-Ends):
Vorteile: Geringere Investitionskosten, einfache Struktur, geeignet für klar definierte Verbrauchergruppen.
Nachteile: Höhere Druckverluste am Leitungsende, Empfindlichkeit gegenüber Lastspitzen, geringere Redundanz. Pufferspeicher und lokale Druckregelung sind für kritische Lasten wichtig.
Mehrstufige Druckregelung:
Die erste Stufe im zentralen System reduziert den groben Eingangsdruck (z. B. Tank-/Flaschendruck) auf eine Verteilerstufe.
Sekundäre Zonenstufen (Gebäudeabschnitt, Produktionshalle) zur Erzeugung homogener Druckniveaus und Minimierung von Druckschwankungen/Joule-Thomson-Kühlung.
Tertiäre Stufen am Entnahmepunkt (Feindruckregler) für prozessspezifische Sollwerte.
Zoneneinteilung:
Funktionale (Prozessbereiche mit ähnlichen Lastprofilen/Reinheitsanforderungen), sicherheitsbezogene (Ex-Zonen, Sauerstoffanreicherung) und infrastrukturelle (Etagen, Hallenabschnitte).
Jede Zone ist mit einer Barriere, einer Entlüftung, einem Spülpunkt, einem Messpunkt und – falls erforderlich – einem eigenen Sicherheitsventil oder Entlastungskonzept ausgestattet.
Stränge, Abschnitte und Segmentierung
Leitungen sind funktional verbundene Rohrleitungen, die vom zentralen Kraftwerk zu einer Gruppe von Verbrauchern führen. Abschnitte sind durch Absperrvorrichtungen abgegrenzte Segmente.
Segmentierungsprinzipien:
Absperrungen am Zonenausgang, an Kreuzungen und in regelmäßigen Abständen in Ringen.
Doppelte Absperrung und Entlüftung für sichere Wartung in brennbaren/oxidierenden Medien.
Hoch- und Tiefpunkte sollten mit Entlüftungs- oder Ablaufvorrichtungen ausgestattet werden; Gefälle sollten berücksichtigt werden, um Kondensation/Pfützenbildung (CO2, Kälte) zu vermeiden.
Konstruktion:
Lokale Druckregelung (Feindruckregler), Absperrventil, Partikelfilter, Messung/Anzeige (Manometer/Druckmessumformer), gegebenenfalls Durchflussbegrenzer oder MFC.
Prozessspezifische Verbindungen: Schnellkupplungen mit mechanischer Codierung, Festanschlussarmaturen, Rückschlagventile.
Armaturen:
Absperrventile: Kugelventile (allgemein), Membran-/Nadelventile (Feindosierung, Reinstgase), Schrägsitz-/Kugelventile (Drosselaufgaben), kryogene Ausführung mit verlängertem Hals.
Rückflussverhinderung: Rückschlagventile, Doppelrückschlagventile bei Vermischungsgefahr, Rückflussverhinderer in Verteilern.
Druckregelung: Ein- und zweistufige Druckminderer, vorgesteuerte Regler für stabile Verteilungsnetze.
Sicherheit: Sicherheitsventile/Berstscheiben, Flammendurchschlagsicherungen, Schnellverschlussventile.
Filtration/Aufbereitung: Partikel-/Koaleszenzfilter, Aktivkohle (Druckluft), Taupunkttrocknung im Zuleitungsbereich.
Messpunkte:
Druck: Lokal (Manometer) und zentral (Transmitter, 4–20 mA/HART), Differenzdruck zur Bestimmung des Filterstatus.
Durchflussrate: Thermische Massendurchflussmesser, Coriolis (Massengenauigkeit), Differenzdruck-/Venturis-Blenden; Einlass- und Auslassabschnitte beachten.
Qualität: Taupunkt, Rest-O2, THC/CO/CO2 nach Bedarf; redundant in kritischen Anwendungen.
Temperatur: Vor- und Nachkontrollphasen zur Beurteilung des Kälte- und Vereisungsrisikos in JT.
Materialauswahl:
Austenitischer Edelstahl (1.4301/1.4404/1.4571) als Standard für N2, O2, Ar, H2; geringe Rauheit für ultrareine Gase.
Kupfer (EN 13348) findet breite Anwendung in trockenen, öl- und fettfreien O2-Systemen; Edelstahl wird aufgrund seiner universellen Eignung zunehmend industriell eingesetzt.
Kohlenstoffstahl ist für Druckluft/Stickstoff unproblematisch, jedoch muss innen und außen für Korrosionsschutz gesorgt werden; bei CO2 ist auf die Luftfeuchtigkeit zu achten (Kohlensäurekorrosion).
Kunststoffe: Teilweise zulässig für Druckluft/Instrumentenluft; nicht für Hochdruck-O2, Brenngase oder kryogene Medien.
Wasserstoff: Werkstoffe mit geringer Versprödungsneigung, geeignete Dichtungen (PTFE, PCTFE, FKM je nach Medium).
Pipeline-Identifizierung:
Medium, Durchflussrichtung, Druckstufe, gegebenenfalls Reinheitsklasse nach DIN 2403/ISO 20560; Farbkennzeichnung und Pfeile.
Beschriftungen für Anschlüsse und Messpunkte:
Eindeutige TAG-Nummern (z. B. PVR-101, PI-201), Zuordnung zu P&ID-Referenzen, Kalibrierungsstempel.
Leitungsführung, Stützen und thermische Aspekte
Routenplanung: Kurze, direkte Wege; Vermeidung unnötiger Biegungen/Verengungen; Trennung inkompatibler Medien; Schutz vor mechanischen Beschädigungen und Wärmequellen.
Unterstützt/Erweiterung: Fixpunkte, Gleitlager, Kompensatoren/Schleifen; spezielle Längenänderungen bei kryogenen Leitungen berücksichtigen.
Kondensat- und Phasenmanagement: Gradienten in Druckluftleitungen, Wasserabscheidern und automatischen Abflüssen; bei CO2 Kälteeinschlüsse vermeiden und Verstopfungen durch Trockeneis verhindern.
Kryo-Distribution: Vakuumisolierte Rohrleitungen (VIP) für LIN/LOX/LAr, Phasenseparatoren in der Nähe der Verbraucher, kontrollierte Verdampfung, Abtaukonzepte.
Grundlagen von PFD und P&ID
PFD (Prozessablaufdiagramm): Illustration der Hauptkomponenten, Medienströme, ungefähren Druck-/Temperaturbedingungen, Massenströme und Betriebsbedingungen. Dient der Diskussion von Konzepten und Kapazitäten sowie der Schnittstelle zu Energiebilanzen.
R&I-Fließbild (Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm): Detaillierte Darstellung von Apparaten, Rohrleitungen (Nenndurchmesser, Klassen), Armaturen, Instrumentierung (Messkreise, Signale), Sicherheitsfunktionen, Aktuatoren, Abläufen/Entlüftungen, Bypass. Leitungs- und Etikettennummerierung, Symbolik gemäß Normen/Firmenstandard; Verweise auf Logikdiagramme (SIF/SIL), Alarmgrenzen, Testpunkte.
Gute Vorgehensweise: Einheitliche Schichten (Medien, Ex-Zonen, Sicherheitskreise), Revisionsverfolgung, Verknüpfung mit Spezifikationen (Datenblätter, Rohrklassen), klare Abgrenzung zwischen Lieferlosen. Eingabe von Betriebsgrenzen (Max./Min. Druck/Temperatur), spezifischen Anweisungen (O2-rein, H2-Materialklasse), Entlastungswegen mit Ausblaspunkten und Emissionsüberlegungen.
Strömungsgeschwindigkeiten:
Um Druckverluste und Lärm zu begrenzen, sollten die Druckluft-/Stickstoffpegel im Verteilungsnetz moderat gehalten werden; in empfindlichen O2-Netzen sollten niedrigere Drehzahlen und eine schonende Steuerung angewendet werden.
Bei H2 müssen zusätzliche Aspekte der Dichtheit und Permeation berücksichtigt werden; bei CO2 muss die Vermeidung von Zweiphasensystemen beachtet werden.
Redundanz und Wartungsfreundlichkeit:
Parallelregler mit automatischer Umschaltung, Bypass um Regelkreise, austauschbaren Filtereinsätzen und segmentierten Ringen für eine Wartung ohne Heißarbeiten.
Überwachung:
Leckage-KPI (Prozent der Produktion), Druckprofilüberwachung in Ringen, Qualitätsalarme (Taupunkt/O2), Zähler pro Zone für die Kostenrechnung auf der Grundlage des Verursacherprinzips.
Ein strukturiertes Systemdesign mit zentraler Versorgung, intelligent segmentierten Ringen/Strängen, abgestuften Druckzonen und durchdachten Endgeräten erhöht gleichzeitig Verfügbarkeit, Sicherheit und Qualität. Die Auswahl von Materialien und Armaturen, sorgfältige Fertigung und Prüfung sowie eine eindeutige Kennzeichnung unterstützen das technische Design. PFD und P&ID dienen als verbindende Dokumente, die die architektonischen Entscheidungen, Sicherheitsfunktionen und betrieblichen Anforderungen präzise und nachvollziehbar dokumentieren.
Die Dimensionierung von Gas- und Versorgungsnetzen beginnt mit einer zuverlässigen Bedarfsanalyse. Folgende Aspekte sind dabei entscheidend:
Kundenlisten: Medien, Zieldruckmenge und Durchsatz, Qualitätsanforderungen, Betriebszeiten.
Betriebsarten: Kontinuierlicher, intermittierender, Batch-, Anfahr-/Abfahrprozesse.
Gleichzeitigkeit: Nicht alle Verbraucher arbeiten gleichzeitig mit Nennlast. Für jede Zone/jeden Strang muss ein Gleichzeitigkeitsfaktor ermittelt werden.
Fortfahren:
Lastverbrauch auf Geräteebene (Typenschild-/Prozessdaten), Unterteilung in Grundlast (dauerhaft), variable Last (prozessgesteuert) und Spitzenlast (kurzfristig).
Erstellung von Zonenprofilen mit typischen Tages- und Wochenmustern (Lastprofil). Für chargenintensive Bereiche sollten zusätzliche Ereignisse (z. B. Spülspitzen) erfasst werden.
Bestimmung von Gleichzeitigkeitsfaktoren:
Kontinuierliche, unabhängige Konsumenten: statistische Gleichzeitigkeit (F ~ 0,6–0,8).
Batch-synchrone Konsumenten: F höher (0,8–1,0), möglicherweise reduziert durch organisatorische Staffelung.
Sicherheits- und Spülfunktionen: Behandeln Sie sie als deterministische Spitzenwerte.
Definition von Auslegungsfällen:
Normalbetrieb (NB): 95. Perzentil des Lastprofils.
Spitzenaktivität (SB): 99. Perzentil oder definierte Extremereignisse.
Sonderfälle (SF): Anfahren und Abfahren, Regler-/Verdampferwechsel, Schaltvorgänge.
Notbetrieb (ST): Versorgung über Notstromquelle, reduzierte Leistung.
Interpretationsfälle und Sicherheitsreserven
Auslegungspunktnetz: üblicherweise Spitzenbetrieb (SB) mit definierten Drucktoleranzen am entferntesten Endpunkt (z. B. Mindestdruck 6,0 bar g für Druckluft).
Auslegungspunkt Verdampfer/Speicher: Spitzenbetrieb (SB) plus Reserve für Vereisung/Umgebungsgrenzen (Winterfall).
Auslegung der Druckregelung: Kombination aus SB und dynamischen Ereignissen (schnelles Schließen, Lastsprung).
Sicherheitsreserven: Kapazität: 10–20 % Reserve über SB für Netze; 20–30 % für Verdampfer (Winterabtauung, Alterung).
Druck: Zielwert für Δp im Netzwerk 5–10 % des Netzwerkdrucks; für O2/Reingase eher niedriger (schonender Betrieb).
Mess- und Regelungskonzept
Messpunkte: Druck: Zentral (vor/nach den Kontrollphasen), zonal, an Ringgegenpunkten, an kritischen Endpunkten.
Durchflussrate: Pro Zone/Strang zur Abstimmung, Leckageerkennung und Kostenverteilung nach dem Verursacherprinzip.
Qualität: Taupunkt (Druckluft), Rest-O2 (N2-Netze), ggf. CO2/THC; redundant für kritische Prozesse.
Temperatur: Nach der Entspannung, am Verdampferauslass.
Regelungsstrategie: Primärdruckregelung lastgeführt mit Mastersignal vom Referenzdruck der entfernten Zone (Vorsteuerung + Rückkopplung).
Zonenregler mit schmaler Bandbreite; Terminalregler, fein abgestimmt auf Prozessstabilität.
Verriegelungen: Mindestdruck (Abschaltung nicht kritischer Verbraucher), Mindestqualität (Sperre, Umschaltung auf Backup).
Alarmierung/KPIs: Grenzwerte für Druckabweichungen, Leckageindex (Auslastungs-/Produktionsverhältnis), Qualitätsalarme; Trendanalysen.
Redundanz: Sensorredundanz (2oo3 im Falle einer sicherheitskritischen Abschaltung), Parallelbetrieb des Reglers, USV für Mess-/Steuerungskomponenten.
Inbetriebnahme und Qualifizierung
Installationsqualifizierung (IQ): Vergleich der Ist-Dokumentation mit P&ID/PFD, Materialzertifikaten (EN 10204), Schweiß- und Prüfberichten, O2-Reinigungsaufzeichnungen, Geräte- und Softwareversionen, Kennzeichnung und Markierung vor Ort.
Betriebsqualifizierung (OQ): Dichtheits- und Festigkeitsprüfungen, Funktionsprüfung aller Armaturen (Regler, Absperr-, Rückschlag- und Sicherheitsventile), Prüfung des Gasdetektionssystems (Anstoß- und Systemtests), ESD-Logik (Teil- und Vollhubtests), Belüftung (Stufenbetrieb, Notbetrieb), Prüfung der Messkette (Signalweg zur Steuerungstechnik). Probeläufe mit Inertgas vor der Erstbefüllung mit kritischen Medien.
Leistungsqualifizierung (PQ): Nachweis stabiler Drücke/Qualitäten unter definierten Lastfällen (NB/SB), Verdampferleistung Sommer/Winter, Ringnetzausgleich, Schalt- und Backup-Funktionen.
Wichtige Leistungsindikatoren, Benchmarks und Entscheidungslogik
KPIs: Druckluft: spezifische Leistung kWh/Nm3, Leckrate %, Kompressorspezifikanz (kW unter Referenzbedingungen), Druckbandbreite.
N2-PSA: kWh/Nm3 bei definierter Reinheit und definiertem Produktdruck, Puffernutzungsgrad, Qualitätskonformität (% Zeit am Ziel).
Netze: mittlerer spezifischer Druckverlust (mbar/100 m), Anteil Δp/Netzdruck %, Alarmrate/1000 h.
Entscheidungslogik (vereinfachte Heuristiken): Bei einer Leckage von über 10 % → sofortiges Leckageprogramm vor CAPEX-Erweiterungen.
Wenn Δp > 10 % des Netzdrucks → Engpassanalyse; Messreihenfolge: Filter/Regler → Durchmesser → Ringstruktur.
Wenn der Taupunkt durchgehend besser als erforderlich ist → Regenerationsstrategie anpassen (Energie sparen).
Falls die PSA mit zu hohem Produktdruck arbeitet → lokale Boosterlösung prüfen.
Wichtigste Erkenntnisse und Überlegungen
Technische Gassysteme stellen komplexe Aufgaben dar: Versorgungssicherheit, Sicherheitstechnik, Qualität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit müssen gleichzeitig optimiert werden. Der Schlüssel liegt in einem konsequenten Lebenszyklusansatz, von der Bedarfsanalyse und Planung bis zum Betrieb.
Architektonische Entscheidungen haben einen erheblichen Einfluss: Zentralisierte Systeme mit Ringnetzwerken, klar definierten Druckstufen und segmentierter Abschaltung erhöhen die Verfügbarkeit und Steuerbarkeit. Mehrstufige Druckregelung reduziert Joule-Thomson-Kühlung, Druckschwankungen und den Wartungsaufwand.
Sicherheit ist systemisch: Explosionsschutz, Gaswarnung, Druckentlastung, Materialeignung und Rückflusssicherung sind alle miteinander verbunden. Funktionale Sicherheit (SIL/PL) integriert wichtige Schutzfunktionen zuverlässig in den Betrieb.
Effizienz ist das Ergebnis von Technologie und Betrieb: Überhöhte Sollwerte, hohe Druckverluste und Leckagen sind die größten Energie- und Kostentreiber. Messbarkeit durch Messgeräte sowie Qualitäts- und Zustandsdaten ist Voraussetzung für die Optimierung.
Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften kann gestaltet werden: EU-Produktrecht (PED/ATEX), nationales Betriebsrecht und technische Vorschriften (TRBS/TRGS/EN/ISO) können mit sauberer Dokumentation, Testkonzepten und qualifiziertem Personal zuverlässig erfüllt werden.
Bewährte Verfahren (kompakt)
Netzwerk und Druck: Ring statt langer Abzweigleitungen, zonale Druckstufen, kurze Regelkreise mit parallelen Reglern (Betrieb/Standby), Puffer in der Nähe dynamischer Verbraucher.
Sicherheit: Detektion basierend auf dem Dichteverhalten (hoher H2-Gehalt, niedriger CO2/Ar-Gehalt), abgestufte Alarme, sichere Entlüftungswege, doppelte Absperrung und Entlüftung für Wartungsarbeiten, O2-Reinigung und nachweisliche Eignung des H2-Materials gewährleistet.
Qualität: Online-Taupunkt/Rest-O2 oder relevante Qualitätsparameter, differenzdruckgesteuerter Filterwechsel, klare Standardbedingungen für Volumenvorgaben.
Verfügbarkeit: N+1 für Quellen, Verdampfer und Reglerstränge, mobile Notstromversorgungsschnittstellen, regelmäßige Umschalttests.
Effizienz: Δp < 5–10 % des Netzdrucks, Sollwertanpassung, Leckageindex < 8 % (Druckluft), Abwärmenutzung des Kompressors, bedarfsgesteuerte Erzeugung.
Dokumentation: Bestands-P&ID, Test- und Kalibrierungspläne, Explosionsschutzdokument, SRS für SIF, konsistentes Änderungsmanagement (MOC).
Planung
Zuverlässige Bestimmung von Lastprofilen und Gleichzeitigkeiten; Definition der Auslegungsfälle NB/SB/SF/ST.
Die Architektur frühzeitig festlegen: Primärring mit Zonenverteilern, N+1-Konzepte, definierte Ausblaspunkte. Rohrdimensionierung über Δp-Zielwerte und Zielgeschwindigkeiten.
Integrieren Sie das Sicherheitskonzept: HAZOP/LOPA, Zoneneinteilung, Dimensionierung der Sicherheitsventile, Sensoranordnung, Belüftung. Definieren Sie SIL/PL-Ziele für SIF.
Variantenvergleich: Vor-Ort-Vergleich vs. Massenverwertung vs. Hybrid-Vergleich auf Basis von LCC/LCA.
Konstruktion/Montage
Fertigung und Qualität: Orbitalschweißen (rein), Werkstoff-/Schweißzertifikate (EN 10204), O2-Reinigungszertifikate; Dokumentation von Druck-/Dichtheitsprüfungen.
FAT/SAT: Reglerkabel, Gaswarnung, ESD, Belüftung, Verdampferleistung; Ringnetzwerkabgleich während des Probebetriebs.
Wartungsfreundlichkeit: Bypässe, Segmentventile, Prüfanschlüsse, Anordnung geeignet für Hebezeuge.
Betrieb
Es werden Prüf- und Kalibrierverfahren gemäß TRBS 1201/TRBS 1203 eingerichtet; Prüfprüfungen für SIF (IEC 61511) sind geplant.
Überwachung/KPIs: Druckstabilität, Leckageindex, kWh/Nm3, Qualitätskonformität, Vereisungsrate des Verdampfers; Dashboards und Alarmhygiene.
Fehler- und Ersatzteilmanagement: Kritikalitätsmatrix (A/B/C-Teile), Dienstrotation, regelmäßige Umschaltübungen, Prüfung der mobilen Notstromversorgung.
Effizienzprogramm: Druckreduzierung nach Beseitigung von Engpässen, Leckagebekämpfungskampagnen, Abwärmenutzung, taupunktgesteuerte Regeneration.
Typische Fallstricke
Unklare Standardbedingungen für Volumenvorgaben (Nm3/h vs. Betriebsvolumen) → falsche Bestellungen und falsche Dimensionierung.
Single Points of Failure (einzelner Controllerpfad, unsegmentiertes Netzwerk) → unnötige Ausfallzeiten.
Falsch platzierte Sensoren (z. B. H2 auf dem Boden, CO2 an der Decke) → Blindheit des Gaswarnsystems.
Vernachlässigte JT-Kühlung/Abtauung → Vereisung an Reglern/Verdampfern, Druckabfall.
Unterschätzte O2-Reinheit → Entzündungs-/Brandereignisse aufgrund von Verunreinigungen.
Unkontrollierte CO2-Zweiphasenprozesse → Verstopfungen durch Trockeneis.
Zu hohe Sollwerte und verstopfte Filter → Energieverschwendung, schlechte Druckstabilität.
Unvollständige Dokumentation und MOC → Compliance-Risiken, Verlust von Know-how, wiederholte Fehler.
Ziele und Einschränkungen
Medienliste (N2, O2, Ar, CO2, H2, Druckluft, andere), Reinheitsgrade, explizit definierte Standardbedingungen
Lastprofile (Basis/Spitze), Gleichzeitigkeiten pro Zone, Sonderfälle (Anfahren/Abfahren, Spülen)
Qualitätsgrenzen (Taupunkt, Rest-Sauerstoff, Partikel/Öl), zulässige Druckbereiche
Architektonische Entscheidungen
Zentrales System, primäre/sekundäre/tertiäre Druckstufen
Ringnetzwerk vs. Abzweigleitungen; Segmentierungs- und Abschaltlogik
N+1 für Quellen, Reglerstränge, Verdampfer, Verarbeitung
Sicherheit
Risikobewertung (HAZOP-Leitfaden, LOPA)
Vorläufige Ex-Zonen, Beurteilung der Zündquelle, Entlüftungs- und Entlastungskonzept
Material-/Reinigungseignung (O2-rein, H2-Materialien)
Dokumente und Qualifikationen
Bestands-R&I-Fließbilder/PFF-Dokumente, Rohrklassen, Materialzertifikate EN 10204
Schweißerqualifikation (WPS/WPQR), Prüfzertifikate (VT/PT/RT/UT)
O2-Reinigungszertifikate, Ex-Dokumente, SRS (Sicherheitsmerkmale)
Prüfungen
Festigkeits-/Dichtheitsprüfungen, Funktionsprüfung von Reglern/Absperr-/Rückschlag-/Sicherheitsventilen
Gaswarnsystem: Stoßtest, Systemtest, ESD-Festigkeitstest (Teil-/Vollhub)
Lüftungsleistung und Notbetrieb, Verdampferleistung Sommer/Winter
Betrieb, Prüfung und Wartung
Test-/Kalibrierplan (TRBS 1201/1203): ZÜS- und Sachverständigenprüfungen geplant, Fristüberwachung
Gaswarnsensoren: Sichtprüfung/Funktionalität/Kalibrierung; rückverfolgbare Durchfluss-/Druck-/Qualitätssensortechnologie Wartung
Umgehung/Sperre und Freigabe (LOTO), doppelte Sperre und Entlüftung für Verbrennungs-/Oxidationsgase
Filterwechsel und Verdampferabtauzyklen werden durch Differenzdruck gesteuert
Gaswarnsysteme und Belüftung
Sensoranordnung entsprechend dem Dichteverhalten (H2/CH4 oben, CO2/Ar unten, CO in der Mitte)
Abdeckung kritischer Leckagequellen (Regler, Verteiler, Einfüllstutzen, Schränke)
Alarmphilosophie: Voralarm/Hauptalarm (UEG/AGW/O2), Koordination mit ESD/Belüftung
USV/Notstromversorgung für Lüftungs- und Warnsysteme, regelmäßige Funktions- und Integrationstests
Dokumentation: Kalibrierungszertifikate, Drift-/Verfügbarkeitsberichte, Zonenkarten
