Gaslecks mit ausströmenden giftigen oder brennbaren Gasen bergen ein hohes Gefahrenpotenzial. Umso schlimmer ist es, dass über ein Drittel der gefährlichen Gaslecks in der chemischen Industrie von herkömmlichen Gassensoren nicht erkannt werden. Ist eine Gaswolke jedoch erst einmal in der Luft, lässt sie sich nur schwer kontrollieren. Der genaue Ort, die Verteilung und die Ausbreitungsrichtung sind mit den gängigen Methoden nur schwer zu erfassen.

Wie groß die Gefahr ist, belegen die zahlreichen Gasunfälle, die sich jedes Jahr weltweit ereignen. Hier kann das optische Scanfeld-System von Grandperspective Abhilfe schaffen, das die Identifikation von bis zu 400 verschiedenen Gasen bis in einem Kilometer Entfernung ermöglicht. Doch zunächst wollen wir der Fragen nachgehen, warum ist es eigentlich so schwierig, Gasunfälle zu vermeiden bzw. rechtzeitig zu erkennen?

Nase vs. Auge oder die Herausforderung bei der Überwachung von Chemieanlagen

Fast alle auf dem Markt erhältlichen Gaswarnsysteme haben eines gemeinsam: Sie müssen direkten Kontakt bekommen. Das bedeutet, die aufzuspürende Gaswolke muss den Sensorpunkt physisch berühren, um Alarm auszulösen. Leichter gesagt als getan, denn Gaswolken können je nach Gegebenheit ihren Standort sehr schnell und unberechenbar ändern. Diese unvorhersehbare Ausbreitung macht es nahezu unmöglich, einen stationären Gas­sensor richtig zu platzieren. Und selbst handgehaltene, mobile Gassensoren haben ihre Grenzen: Ohne den Standort der Gaswolke zu kennen, gleicht deren Ortungsversuch der Suche nach der berühmten Nadel im Heuhaufen.

Das liegt daran, dass alle herkömmlichen Gassensoren im Prinzip wie eine menschliche Nase funktionieren – sie müssen das Gas sozusagen „riechen“. Viel effektiver wäre jedoch eine Überwachungstechnik, die wie das menschliche Auge funktioniert. Hier kommt eine neue Technologie, die auf der Infrarotspektroskopie beruht, ins Spiel: Hyperspektrale Sensoreinheiten, die als Fernerkundungsgerät für die Identifizierung von gefährlichen Gasen über große Entfernungen dienen. Das Messprinzip basiert auf der passiven Fourier-Transform-In­frarotspektroskopie (FTIR). Passiv bedeutet, dass es die natürliche Infrarotstrahlung, also Wärmestrahlung, nutzt, sodass kein Sonnenlicht oder künstliches Licht erforderlich ist und das System Tag und Nacht funktioniert.

Wie funktioniert FTIR-Spektroskopie?

Die FTIR-Fernerkundung von Gasen basiert auf der Spektralanalyse der Infrarotstrahlung aus den abgetasteten Blickrichtungen. Diese Analyse kann Absorptions- oder Emissionssignale von Molekülen einer Gaswolke enthalten. Die Infrarotstrahlung stammt hierbei aus unterschiedlichen natürlichen Strahlungsquellen wie dem Hintergrund – also einem Gebäude oder dem Himmel, der Atmosphäre zwischen dem Messgerät und dem Hintergrund sowie der Gaswolke selbst. Fast alle gasförmigen Schadstoffe haben eine charakteristische spektrale Signatur. Sie kommt durch die energetischen Übergänge zwischen verschiedenen Schwingungs- und Rotationszuständen der Moleküle und der daraus resultierenden Absorption, bzw. Emission von Infrarotstrahlung zustande. Unter Berücksichtigung der Signaturen aller Stoffe, die zum Signal beitragen, kann der Zielstoff identifiziert und die Menge des Gases als sog. Säulendichte bestimmt werden. Überlagert man die Ergebnisse über ein Videobild, wird die Gaswolke visualisiert. So kann selbst aus Entfernungen von bis zu einem Kilometer eine Gaswolke sicher erkannt werden.

Auf Basis dieser erprobten und bewährten Technologie hat Grandperspective mit Scanfeld eine industrietaugliche Überwachungslösung zur optischen Detektion gefährlicher Gase entwickelt. Das System tastet vordefinierte Scanbereiche automatisch in einer programmierten Reihenfolge Punkt für Punkt ab. Sobald es eine Gasfreisetzung erkennt, erfolgt die automatische Bewertung und Klassifizierung durch die speziell hierfür entwickelte Software. Nutzerinnen und Nutzer werden über diese Ereignisse mit einem Alarmhinweis informiert und können sofort die notwendigen Maßnahmen einleiten.

 „Zwei oder mehr Sensoreinheiten können die dreidimensionale Ausdehnung einer Gaswolke ermitteln.“

Frühwarnlösung und Langzeitüberwachung

Die mit dem Brandenburger Innovationspreis 2022 ausgezeichnete Technologie kann nicht nur als Frühwarnlösung eingesetzt werden, um Anlagenbetreiber und Einsatzkräfte im Falle unerwarteter Emissionen schnellstmöglich zu alarmieren, sondern auch zur kontinuierlichen Analyse von Industrieanlagen dienen. Die gesammelten Daten geben tiefere Einblicke in technische Emissionen, langfristige Trends sowie den Betriebszustand und stellen so Daten für die Optimierung der Produktion und die vorbeugende Wartung bereit.

Während mit einer einzelnen Sensoreinheit ein zweidimensionales Abbild erzeugt wird, können zwei oder mehr Sensoreinheiten sogar die dreidimensionale Ausdehnung einer Gaswolke ermitteln. So kann die Konzentrationsverteilung einer Gaswolke mittels Triangulation und tomografischer Rekonstruktion bestimmt werden.

Die Dynamik der Gaswolke darzustellen, ist ein Schlüsselfaktor für die Effektivität der Überwachung: Es ist möglich, die Gaskonzentrationen in einem größeren Radius rund um den Vorfall zu bestimmen. Auf diese Weise können schnell und zielsicher geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Auswirkungen des Lecks einzudämmen. Diese Analyse kann unabhängig von Vorkenntnissen über den Ort der Gaswolke oder die Windverhältnisse durchgeführt werden. Damit ist die automatische Überwachung eines viel größeren Bereichs einer chemischen Anlage gewährleistet.

Chemelot-Industriepark in den Niederlanden

Der Chemelot-Industriepark im niederländischen Geleen ist mit zahlreichen bekannten Unternehmen – OCI, Arlanxeo, Fibrant, AnQore oder ­SABIC – einer der größten Chemieparks in Europa. Die beiden großen Produktionszweige vor Ort verarbeiten Naphtha/Gasöl zu Kohlenwasserstoffen sowie Kunststoffen und Erdgas zu Ammoniak, Düngemitteln und Spezialchemikalien.

Zwei Scanfeld-Sensoren überwachen dort eine vergleichbare Fläche von 49 Fußballfeldern. Ziel der In­stallation ist die frühzeitige Warnung vor gefährlichen Ammoniakemissionen durch eine konkrete Situationsbewertung des gesamten Parks innerhalb weniger Minuten.

Anzahl und Positionierung der Sensoreinheiten sind durch das ausgeklügelte Überwachungskonzept vorgegeben. Jede einzelne Sensoreinheit kann einen Radius von bis zu einem Kilometer abdecken. Seit 2021 überwachen zwei fest installierte Sensoreinheiten die Melaminproduktionsanlage von OCI, inkl. der vier Schächte sowie der Urea-Produktion. Ziel ist die Echtzeiterkennung einer ungewollten Gasfreisetzung. Die beiden Sensoreinheiten überwachen zusätzlich auch das gesamte Gelände des anliegenden Brightlands-Campus, um gefährliche Gaswolken zu erfassen, die sich gegebenenfalls dem Gelände nähern. Dabei umfasst die gesamte Überwachungsfläche etwa 350.000 m². 2024 wird die Installation auf den gesamten Standort Chemelot Nord mit einer Fläche von 1,6 km² mit sechs fest installierten Scanfeld-Sensoreinheiten ausgeweitet.

Die schnelle Detektion von Gas­austritten bei Werten ab 10 ppm, die Visualisierung der Gaswolke im Kontrollraum in Echtzeit sowie nahezu keine Fehlalarme – das sind die wichtigsten Vorteile, die die Betreiber von Chemelot im FTIR-Überwachungssystem von Grandperspective sehen. Auch die Mitarbeitenden sowie die Nachbargemeinden freuen sich: Das Risiko giftiger Ammoniakemissionen und zahlreicher anderer Stoffe konnte erheblich reduziert werden. Gui Hoedemakers, SHE & Quality Manager bei AnQore, ist der Ansicht, dass die Technologie einen potenziellen Wendepunkt für die Sensortechnologie darstellen könnte: „Die Scanfeld-Lösung hat es AnQore ermöglicht, selbst schwierige Emissionen zu erkennen, zu identifizieren und zu quantifizieren, was uns eine wirksamere Eindämmung und bessere Kontrolle ermöglicht. Das bedeutet, dass wir im Falle eines Chemikalienaustritts nicht nur schnell zwischen technischen Emissionen und potenziell gefährlichen Gaslecks unterscheiden können, sondern auch zur richtigen Zeit die richtigen Maßnahmen ergreifen können, um die Sicherheit unserer Mitarbeiter und der örtlichen Bevölkerung zu gewährleisten.“

Genau diese detaillierte aber gleichzeitig einfach verständliche Visualisierung der Daten ist es, die es Anwendern ermöglicht, große und komplexe Areale rund um die Uhr sicher zu überwachen.

Autor: René Braun, CEO, Grandperspective, Berlin

„Auf Basis der FTIR Spektroskopie können mehr als 400 Substanzen detektiert werden, unabhängig von Tageszeit und Wetter.“