Sicherheitsaspekte von Brennstoffzellen-Systemen · Frank Gossen, TÜV Rheinland, Köln Ringvorlesung an der FH Köln in Zusammenarbeit mit ... Nieder-temperatur HT-PEFC
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1„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Sicherheitsaspekte von Brennstoffzellen-Systemen
Überlegungen zum Thema für Brennstoffzellen-Heizgeräte
Dr.-Ing. Frank Gossen,
TÜV Rheinland, Köln
Ringvorlesung an der FH Köln in Zusammenarbeit mit dem VDI Bezirksverein Köln
15. April 2004
w w w . t u v . c o m
2„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gliederung
allgemeine Methoden der Sicherheitsanalyse
Sicherheitsaspekte und Begriffsbestimmungen
Brennstoffzellen-Heizgeräte
SABINE Methodik
Zusammenfassung
TÜV Rheinland
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3„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Chronik
• 1872 Gründung im Auftrag der Industrie - Prüfung von Dampfkessel
• 1905 Die ersten Autos werden geprüft
• 1967 Die erste Tochtergesellschaft in Deutschland
• 1970 Die erste Tochtergesellschaft im Ausland
• 1997 Fusion der Überwachungsvereine TÜV Rheinland und TÜV Berlin Brandenburg
• 2002 in Ningbo/China wird der 150. Auslandsstützpunkt eröffnet
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4„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Status, Daten und Fakten 2002
2001 2002
• Umsatz (in Mio. €) 645 664
• Mitarbeiter 7.389 7.497- davon im Ausland 2.709 2.960
• Gesellschaften (operative) 92- davon im Ausland 67
• Standorte über 300
• Geschäftsfelder 31
• Geschäftsbereiche 5
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5„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Berufliche Bildung für ArbeitssuchendeBerufliche Bildung für Fach- und FührungskräftePrivatschulenPersonaldienst-leistungenManagementberatungVerlagswesenForschungs-management
Bildung und Consulting
Sicherheit von IT- und Kommunikations-Systemen
IT Services und Innovation
Elektrische und elektronische Produkte Mechanische Produkte und MaschinenMedizinprodukteElektromagnetische Verträglichkeit und TelekommunikationErgonomieProdukt- und UmweltanalytikInternationale Produktzulassungen/FEMAC
Produkt-sicherheit und- qualität
FahrzeugprüfungFührerschein und VerkehrspsychologieAutohaus- und FuhrparkserviceSchaden- und Wertgutachten,FlottenmanagementHomologationFahrzeugtechnik und LuftfahrttechnikBahntechnikVerkehrstelematik und Verkehrsberatung
Mobilität und Verkehr
Druckgeräte und WerkstofftechnikFörder- und Maschinentechnik, AufzügeElektro- und GebäudetechnikAnlagensicherheitBautechnikUmwelt- und EnergietechnikArbeits- und GesundheitsschutzZertifizierung Managementsysteme
Industrie Service
Geschäftsfeldstruktur
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6„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gesamtumsatz: 664 Mio. €
Umsatz nach Geschäftsbereichen 2002
Industrie ServiceMobilität und VerkehrProduktsicherheit und -qualitätBildung und ConsultingIT Services und Innovation
252 Mio. €(38 %)
186 Mio. €(28%)
114 Mio. €(17 %)
109 Mio. €(16%)3 Mio. €
(1 %)
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7„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gliederung
allgemeine Methoden der Sicherheitsanalyse
Sicherheitsaspekte und Begriffsbestimmungen
Brennstoffzellen-Heizgeräte
SABINE Methodik
Ausblick
TÜV Rheinland
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8„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Entwicklungen im Markt der BZ-Heizgeräte
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9„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Übersicht verschiedener BZ-Arten
Anwendung Brennstoffzellen-
bauart Arbeits-
temperatur Elektrolyt Besonderheiten
Por-table
Mobil Sta-tionär
AFC 60 bis 120 °C Wässrige Kalilauge
CO2–unverträglich X X
PEFFC ca. 70° C Protonenleitende Membran
CO-empfindlich Gehalt < 10 ppm
X X X Nieder-
temperaturHT-
PEFC über 100° C Protonenleitende Membran k.A. X X X
Mittel-temperatur PAFC 180 bis 200 °C Konzentrierte
Phosphorsäure Niedriger
Wirkungsgrad X X
MCFC 600 bis 650 °C Schmelzflüssige Alkalikarbonat-
mischung
CO-tolerant; interne Refor-
mierung möglich X Hoch-
temperatur
SOFC 950 bis1000 °CYttrium-
stabilisiertes Zirkondioxid
CO-tolerant; interne Refor-
mierung möglich (X) X
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10„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele für Brenngasaufbereitungsverfahren
Wasser
Brenn-stoffe
(z.B. Erdgas Heizöl)
Luft
Brennstoff-verdampfung
(flüssige Brennstoffe)
Wasserdampferzeugung
Homogenisieren
Dampf-reformierung(endotherm)
Autotherme Reformierung
Partielle Oxidation(exotherm)
Wärme
CO + H2O => CO2 + H2
Selektive Oxidation
Wärme
Membran-Reinigung,
Methanisierung
H2,CO2,CO, H2O, (N2)
Edukte Reformierungsprozess GasreinigungGemischbildung
CO-Konvertierung Feinreinigung
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11„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Einige typische Systembeschreibungen
System 1: Erdgas - Entschwefelung - Mischer&Verdampfer - ATR –Shift - PROX - PEFC
System 2: Erdgas - Entschwefelung - Mischer&Verdampfer – DR –Shift-PROX-PEFC
System 3: Erdgas - Entschwefelung - Mischer&Verdampfer - DR –SOFC
System 4: Heizöl - Entschwefelung - Mischer&Verdampfer - ATR –SOFC - altern. CPO
System 5: Heizöl - Mischer&Verdampfer - ATR - Entschwefel. –Shift – Membran - PEFC
System 6: Flüssiggas - Entschwefelung - Mischer&Verdampfer - ATR –Shift - HT-PEFC
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12„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiel für ein RI- Schema
PI
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13„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Luftversorgung (11)
Gasregelstrecke (1)
Edukt-Konditionierung(2)
Reformer (3)
CO-Konvertierung (4)
Heizsystem (12)
Kühlsystem (10)
Wassermanagment (9)
Start-Up System (7)
Abgasnachbehandlung(8)
Brennstoffzelle (6)
Gasfeinreinigung (5)
Brennstoff2 aus
Bre
nnst
off 1
ein
DI-W
asse
r 2 ei
n
Luft2 ein
Abg
asen
ergi
estr
om 2
ein
Bre
nnst
off 2
ein
Gas
gem
isch
3 ei
n
Gas
gem
isch
2 au
sR
efor
mat
3 au
s
Reformat 4 ein
DI-W
asse
r 4 ei
n
DI-W
asse
r_1
9 au
s
Brennstoff7 ein
Reformat 4 aus
Reformat 5 ein
DI-W
asse
r_2
9 au
s
HT-
Wär
me1
4 au
s
HT-
Wär
me2
4 au
s
LT-W
ärm
e1 4
aus
LT-W
ärm
e2 4
aus
DI-W
asse
r_3
9 au
s
DI-W
asse
r_2
9 ei
n
DI-W
asse
r_1
9 ei
n
Wasserleitungs-anschluss
DI-Wasser 11 ein
Umgebungsluft
Luft_1 11 aus
Luft_2 11 ausLuft_
3 11
aus
BZ-
Wär
mes
tr 10
ein
Abg
as-W
ärm
estr
om_1
10 e
in
Wasserstoff 5 aus
BZ-
Wär
mes
tr 6
aus
Abg
as-W
ärm
estr
om 8
aus
Luft
5 ei
n
Wärmestr 11 ein
Wär
mes
tr 5
aus
Was
sers
toff
6 ei
n
DI-W
asse
r 6 au
s
Wärmestr 7 aus
Luft
7 ei
n
K-L
uft 6
ein Abgas 6 aus
Abgas 8 ein
Wasser 8 aus
Abgas-Wärmestr 8 aus
Wär
mes
tr 2
ein
Abgas 8 aus
Abgas
Brennstoff
Brennstoff1 aus
Kondensat 8 aus
Beispiel für Subsystemdefinitionen
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14„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gliederung
allgemeine Methoden der Sicherheitsanalyse
Sicherheitsaspekte und Begriffsbestimmungen
Brennstoffzellen-Heizgeräte
SABINE Methodik
Ausblick
TÜV Rheinland
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15„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Motivation zur Thematik Sicherheitsaspekte
bisherige Sicherheitsstandards im häuslichen und gewerblichen Energieversorgungsbereich müssen auch von Brennstoffzellen-Heizgeräten eingehalten werden
Nachweis der Sicherheit als Grundvoraussetzung für Markterfolg der Brennstoffzellentechnik
Wegen grundsätzlich neuartiger Technik ist die einfacheDurchführung von Prüfungen nach bestehenden Normen und Regelwerken noch nicht möglich
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16„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Bsp. anwendbarer EU- Richtlinien zurSicherheit von BZ-Systemen
EG-Richtlinie Prüfung z.B. durch
Druckgeräte-RL (97/23/EG) benannte Stelle beim TÜV
Maschinen-RL (98/37/EG) Hersteller, Sachverständige
Niederspannungs-RL (73/23/EWG) Hersteller, benannte Stelle beim TÜV
Elektromagnetische-Verträglichkeits-RLn (89/336/EWG, 92/31/EG, 98/13/EG)
Hersteller, benannte Stelle beim TÜV
Gasgeräte-RL (90/396/EWG) DVGW, benannte Stelle beim TÜV
Explosionschutz-RLn (94/9/EG, 1999/92/EG)
benannte Stelle beim TÜV, Sachverständige
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17„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
Heizkreis
Brennstoff LuftWasser
Wechselrichter,Einspeisung
Abgasanlage
Kondensat
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mit MSR-Einrichtungen undMSR-Schutz-Einrichtungen
Stoff- und Energieströme
allg. Umweltbedingungen-Temperatur-Feuchtigkeit-...
Signale: Ausgänge/Eingänge
Bedienung
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18„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Brennstoffzufuhr
-Schwankungen der Brennstoff-Zusammensetzungen-bei Erdgas z. B. durch Flüssiggas/Luft-Beimischung
- Schwankungen des Gaseingangsdrucks- Alterung einer Entschwefelungseinrichtung- Rückströmungen von Brennstoff
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19„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Wasserzufuhr
- zu hoher /niedriger Wasser-Vordruck- Verschmutzung durch z. B. Installationsarbeiten - Rückwirkungen der Wasseraufbereitung des Brennstoffzellengeräts auf die Trinkwasserqualität
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20„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Luftzufuhr
- gasförmige Verunreinigungen (z. B. Kohlenmonoxid, Hairsprays...)- Stäube und sonstige Verschmutzungen- extreme Luftfeuchte- bzw. Trockenheit (Temperaturen)
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21„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Wechselrichter,el. Einspeisung
-Schwankungen der „Netzqualität“(Spannung, Frequenz, Phasen)-Abschaltung des äußeren Netzes von Seiten des EVU
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
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22„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Abgasanlage
-Verstopfung der Abgasanlage durch Fremdkörper, erhöhter Staudruck - Rückströmung bei starker Windwirkung- ...
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
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23„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Kondensatableitung
- Blockade des Abflusses- Austrocknung des Abflusses- ...
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
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24„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
BrennstoffzellenHeizgerät
(herstellerneutral)
mitMSR-Einrichtungen
undMSR-Schutz-Einrichtungen
Heizkreis
-Temperaturanstieg (Dampfbildung)-Druckanstieg-Wassermangel-...
Beispiele für sicherheitsrelevante Wechselwirkungen eines BZ-Heizgerätes
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25„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Risikoreduzierung durch MSR / Nicht-MSR –Maßnahmen ( DIN V 19250)
Notwendige Mindest-Reduzierung
Tatsächliche Risikoreduzierung
Risiko
Teilrisiko,
Abgedeckt von
MSR-Schutz-Einrichtungen
Teilrisiko,
Abgedeckt von Nicht-
MSR-Schutz-Einrichtungen
Tatsächlich
Verbleibendes
Risiko
Tatsächlich
Verbleibendes
Risiko
Grenzrisiko =
Vertretbares
Risiko
Grenzrisiko =
Vertretbares
Risiko
Risiko ohne
MSR-Schutz-
Maßnahme
Risiko ohne
MSR-Schutz-
Maßnahme
Risiko ohne
Schutz-
Maßnahme
Risiko ohne
Schutz-
Maßnahme
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26„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
MSR - Einrichtungen nach VDTÜV 372
MSR- Schutz-
einrichtungen
MSR- Überwachungs-einrichtungen
MSR- Betriebseinrichtungen
MSR Schadens-
Begrenzungseinrichtungen
MSR= Meß- Steuer- Regel ...
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27„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Anforderungen an MSR nach VDTÜV 372
Personen
Umwelt
Sachen
Risiko größer
Grenzrisiko?
MSR-Schutz-einrichtungen
MSR-Schadens-
begrenzungs-einrichtungen
MSR-Überwachungs-einrichtungen
MSR-Betriebs-einrichtungen
Stand der Technik
allgemein anerkannteRegeln der Technik,
ggf. weitere Anforderungen
allgemein anerkannte Regeln der Technik
allgemein aner-kannte Regeln der Technik einschl.
Entwicklung
Schutzziele Klassifizierung Anforderungen
ja
nein
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28„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Fehler in einer MSR-Einrichtung nach VDI/VDE 2180
Fehler
aktiver Fehler
mit Einfluss aufdie
Schutzfunktion
ohne Einfluss auf die
Schutzfunktion
passiver Fehler
ungefährlich, da Schutzfunktion nicht berührt
ungefährlich, da Auslösung der Schutzfunktion, Anlage
in sicherem Zustand gefährlich, da
Schutzfunktion blockiert
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29„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gliederung
allgemeine Methoden der Sicherheitsanalyse
Sicherheitsaspekte und Begriffsbestimmungen
Brennstoffzellen-Heizgeräte
SABINE Methodik
Ausblick
TÜV Rheinland
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30„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Einige bekannte Methoden zur Sicherheitsanalyse
- Checklistenmethode- Vorläufige Gefahrenfeldanalyse- „what if“-Methode- HAZOP (Hazard Operability) /
PAAG (Prognose, Auffinden der Ursachen, Abschätzung der Auswirkungen, Gegenmaßn.)
Mehr qualitative Methoden Mehr quantitative Methoden
- Fehlerbaumanalyse- Ereignisablaufanalyse- Fehler–Möglichkeits und
Einfluß- Analyse (FMEA)
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31„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
PAAG/HAZOP- Verfahren – Folie 1
PAAG = Prognose, Auffinden der Ursachen, Abschätzung der Auswirkungen, Gegenmaßnahmen
HAZOP = Hazard and Operability
Analyseverfahren für die sicherheitstechnische Prüfung von verfahrenstechnischen Anlagen
HAZOP wurde 1977 von ICI-England entwickelt und von der Berufsgenossenschaft Chemie als PAAG- Verfahren in Deutschland eingeführt
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32„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Wesentliche Stichworte des HAZOP/PAAG Verfahrens sind:
1. Leitworte
Einfache Beschreibungen zur Erkennung von Abweichungen vom verfahrenstechnischen Sollzustand
Verknüpfung eines Leitwortes mit einer Prozessvariablen (z.B. kein Massenstrom, weniger Druck)
2. Sollfunktionen für bestimmte Parameter
Verknüpfung eines Leitwortes mit einer Prozessvariablen (z.B. kein Massenstrom, weniger Druck)
Durchfluss – Volumenstrom
Temperatur
Druck
Gemisch – Zusammensetzung (Verunreinigung)
3. Gedachte Störung der Sollfunktion (das ist der „mögliche Fehler“)
PAAG/HAZOP- Verfahren – Folie 2
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33„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
PAAG/HAZOP- Verfahren
Beispiele für Leitworte zur Aufdeckung von Gefahrenquellen:
Mehr Durchfluss (auch im Sinne von hoher Flüssigkeitsstand)
Weniger Durchfluss (niedriger Flüssigkeitsstand)
Rückwärtsströmung
Hohe / Niedrige Temperatur (auch Sonneneinstrahlung)
Hoher / Niedriger Druck
Anderes Produkt (anderer Zustand/ Verunreinigungen)
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34„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Beispiele zur Durchführung einer HAZOP Studie
Grundsätzlich beginnt eine HAZOP/PAAG Studie mit einer Erläuterung des Systems, Teilsystems und der Funktionen,
Die Teilsysteme werden jeweils detailliert bezüglich Aufgabe, Funktion und Stoffinhalt erklärt
Diskussion der Zusammenhänge anhand der vorgegebenen Leitworte
Diskussion darf sich nicht in der Tiefe von Detailfragen aufhalten
– Wenn die Mitglieder des Teams keine direkt befriedigende. Antwort auf eine Fragestellung haben, wird ein Arbeitsblatt mit der Definition der Fragestellung erstellt und eine Person bestimmt, die für die Problemlösung verantwortlich ist
– Arbeitsblätter sind zu registrieren und wieder einzusammeln; der AK entscheidet auf der Grundlage des Lösungsvorschlags
PAAG/HAZOP- Verfahren – Folie 4
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35„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Erläuterungen zur FMEA
(Fehler- Möglichkeits- und Einfluß-(Effekt-) Analyse)
Anwendung auf Systeme, Untersysteme, und Bauteile
Risikoprioritätszahl (RPZ) ist eine einfache Methode zur Verbindung der drei Problemfelder:
- Bedeutung des Fehlers- Auftretenswahrscheinlichkeit des Fehlers- Entdeckungswahrscheinlichkeit des Fehlers
Die Bewertung erfolgt von 1 = sehr gering = Keine Bedeutung bis 10 = sehr hoch = Sicherheit und Gesetzgebung sind betroffen
"RPZ" hat eine mögliche Grössenordnung zwischen 1 und 1000;Vergleich von mehreren "RPZ's" in Form einer Pareto-Analyse
für ein Teil mit mehreren möglichen Fehlern; Zusammensetzung aus den drei Faktoren ist entscheidend.
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36„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Typischer FMEA Bewertungskatalog
Bewertungs-zahl A Auftretenswahrscheinlichkeit Bewertungs-
zahl B Bedeutung des Fehlers Bewertungs-zahl E Entdeckungszeitpunkt
1Sehr gering
Es ist sehr unwahrscheinlich, daß dievermutete Ursache zum Auftreten des
Fehlers führt.
1
Keine BedeutungDer Fehler wird die Funtionen des
Systems nicht beeinflussen. Das Systemist uneingeschränkt brauchbar. Kunde
würde Fehler nicht wahrnehmen.(Kundenanforderung ist erfüllt)
1
2
Sehr frühDer Fehler wird vor der
Funktionsmusterfreigabe entdeckt.(Funktionstests, Kundenreviews etc.)
2
3
GeringEs ist unwahrscheinlich, daß die
vermutete Ursache zum Auftreten desFehlers führt.
2
3
Geringe BedeutungDer Fehler beeinflußt eine unbedeutendeNebenfunktion des Systems. Das System
ist nur bedingt beeinflußt. Kundewürde Fehler nicht wahrnehmen.
(Kundenanforderung ist fast erfüllt)
3
4
5
FrühDer Fehler wird vor der
Prototyp-/Prozeßfreigabe entdeckt.(Prototypentests, Kundenreviews etc.)
4
5
6
MäßigEs ist möglich, daß die
vermutete Ursache zum Auftreten desFehlers führt.
4
5
6
Mittlere BedeutungDer Fehler beeinflußt eine bedeutende
Nebenfunktion des Systems. Das Systemist nur mit zusätzlichem Aufwand
geeignet. Kunde würde Fehler als Störungeiner Nebenfunktion wahrnehmen.
(Kundenanf. ist nur teilweise erfüllt)
6
MittelDer Fehler wird vor demNullserienstart entdeckt.(Feldtests, Dauertests,Kundenreviews etc.)
7
8
HochEs ist wahrscheinlich, daß die
vermutete Ursache zum Auftreten desFehlers führt.
7
8
Große BedeutungDer Fehler beeinflußt eine Hauptfunktion
des Systems. Das System ist nur mit großem Aufwand geeignet. Kunde würde
Fehler als Störung einer Hauptfunktion wahrnehmen.
(Kundenanforderung ist kaum erfüllt)
7
8
SpätDer Fehler wird vor demVerkaufsstart entdeckt.
(Nullserie, Feldtests, Dauertests,Kundenreviews etc.)
9
10
Sehr hochEs ist sehr wahrscheinlich, daß die
vermutete Ursache zum Auftreten desFehlers führt.
9
10
Sehr große BedeutungDer Fehler beeinträchtigt die
Hauptfunktionen so stark, daß das Systemkomplett ausfällt. Das System ist nicht
geeignet. Der Kunde lehnt das Produkt ab.(Kundenanforderung nicht erfüllt)
9
10
Sehr spätDer Fehler wird nach dem
Verkaufsstart des Produktsim Markt / beim Kunden entdeckt.
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37„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Gliederung
allgemeine Methoden der Sicherheitsanalyse
Sicherheitsaspekte und Begriffsbestimmungen
Brennstoffzellen-Heizgeräte
SABINE Methodik
Ausblick
TÜV Rheinland
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38„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Verbund- Forschungsprojekt „SABINE“
"Erarbeitung von Grundlagen zur Sicherheitsanalyse von verfahrenstechnischen Anlagen mit Brennstoffzellen in stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für einen Brennstoffeinsatz
kleiner ca. 70 kW (SABINE)“
Teilfinanziertes Verbundprojekt im Rahmen des ZIP-Förderprogramms (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie)
Partner: ♦ FEV Motorentechnik GmbH; Aachen,
♦ Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich,
♦ OWI Oel-Wärme-Institut Aachen gGmbH; Herzogenrath
♦ TÜV Immissionsschutz und Energiesysteme GmbH; Köln(Verbundkoordinator)
Projekt-Beirat: ♦ Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. ♦ Buderus Heiztechnik GmbH,♦ Sulzer Hexis AG, ♦ Vaillant GmbH, ♦ Viessmann GmbH & Co♦ Siemens Landis Staefa
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39„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Entwicklung einer speziellen Analysemethode für BZ-Geräte
Kombination der beiden Methoden HAZOP und FMEAfür eine Sicherheitsanalyse von Brennstoffzellen-Heiz-geräten; da eine sicherheitstechnische Betrachtung von
- Stoffströmen und- Systemen/ Baugruppen/ Funktionseinheiten
notwendig erscheint.
Systematisierung der Sicherheitsanalyse durch eineEingabemaske und Datenverwaltung unter MS ACCESS
erste Durchführung von Sicherheitsanalysen undÜberarbeitung der Systeme und Arbeitsmittel
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40„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Hazard/Gefahr Ursache
Abweichungvom
SollzustandFehler
Konsequenz Folgen
Ursachen-vermeidung- mech. Sicherheit
- Wartungsvorschriften- Schulungen
- Normenwerke- Sicherheitsvorschriften
und Richtlinien
Ursachenerkennungund Handhabung
durch Systemkontrolle- Automatische Prozeßkontrolle
- Manuelle Prozeßkontrolle- Redundanz von Komponenten
- Backup-Systeme
Verminderungder
Auswirkungendurch externeMaßnahmen
- Emergency response- Sprinkler
BrennbarkeitErhöhter Druck
Explosions-gefahr
Toxidität
AuslösendesEreignis:
BauteilfehlerVerfahrensfehlerexterner Einfluss
Verschleiß
- Kein Durchfluss- zu hohe Temperatur
- Verunreinigung- zu hoher Druck
ExplosionBrand
Austritt toxischen Materialsschlechterer Wirkungsgrad
Zerstörung der AnlageSystemausfall
keine Konsequenzen
VerletzungTote
wirtsch.Schaden
Erkennen- Temperatursensor
- DrucksensorBeherrschen
- Not-Aus- Alarm
- Druckentlastungen
Allgemeine Anatomie eines Fehlers
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41„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Umfang einer Sicherheitsanalyse
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42„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Das Feld der Sicherheitsbetrachtungen für Heizgeräte
Normaler Betrieb des Gerätes: durch den normalen Betrieb (auch Dauerbetrieb) dürfen keine Gefahren entstehen
Gestörter Betrieb: durch mögliche Störungen (mögliche/ zu erwartende Fehler) dürfen keine Gefahren entstehen
Durch Aktionsabläufe in Startvorgängen und Abschaltvorgängen dürfen keine Gefahren entstehen:
bei bestimmungsgemäßem Ablauf der Aktionen
bei zu erwartenden Fehlern in den Aktionsabläufen
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43„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Modellierung des Systems
reales System
Modell
Systemverhalten Aufbau
Differentialgleichungendynamische Modelle
ZeichnungenRI-Schemata
Informationsverlust?!
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44„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Unterteilung des Gesamtsystems
PI
Gesamtsystem
Subsysteme
ATR
Gasgem
isch 3 ein
Reformat 3 aus
Tmax
Signal_1 3 ausp
Signal_2 3 aus
DÜW1 TÜW1
Baueinheiten
Top-Down-Verfahren
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45„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Analyse des Normalbetriebs
Sind die grundlegenden
Sicherheitsanfor-derungen erfüllt ?
Treten in den einzelnen
Betriebsmodi gefährliche
Zustände auf?
InverseVorgehensweise:
Ist es möglich, im System im
Normalbetrieb gefährliche Zustände
zu erzeugen?
detaillierte Beschreibung der einzelnen Betrieszustände sowie des Systems und der darin enthaltenden Stoffe.
Checklistenmethode, einschlägige Normen
und Regelwerke.
Gefahrenfeldanalyse
inverse Methoden: z.B. Anticipatory
FailureDetermination
Werkzeuge/Hilfsmittel
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46„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Analyse des gestörten Betriebes, Überblick
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47„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
AuswahlSubsystem
Anwendung derLeitworte
Auswahl Strom/Signal
Anwendung derLeitworte
Bewertung
Eintrittstrom: Temperatur +“zu hoch“
hohe Temperaturen?hohe Drückeexpl. Gemische?….?
Analyse des gestörten Betriebes, Überblick
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48„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Durchführung der Sicherheitsanalyse Folgen u. Auswirkungen
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49„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Durchführung der Sicherheitsanalyse Sicherheitsrelevanz
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50„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Durchführung der Sicherheitsanalyse Ursachen
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51„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Durchführung der Sicherheitsanalyse Detektion
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52„Die Ergebnisse stammen teilw. aus dem geförderten „SABINE“- Projekt
Durchführung der Sicherheitsanalyse Verweise
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Sicherheitsanalyse des An- und Abfahrvorgangs
Beschreibung des instationärenVorganges durch diskrete Aktionen und Zustände Analyse des gestörten Betriebs: Ausfall einzelner Aktionen, Auswirkung auf den weiteren An- bzw. Abfahrvorgang.Die Anwendung der Methodik sowie die Dokumentation erfolgt analog zur Analyse des Stationärbetriebs.
„Ventil schließt“ nein/nicht/anders alsVentil schließt nicht bzw. unvollständig+
Aktion Leitwort Fehler
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Beispiel für ein mögliches Formblatt zu zur Analyse nach der SABINE Methodik
SABINE-Sicherheitsanalyse System Subsystem Blatt vom
Betriebsart: normal anfahren abfahren
Stoffstrom/Energiestrom/ Signal: Sollfunktion:
vorläufige Gefahrenfeldanalyse: Gefahren durch .... hohe Temp. hohe Drücke Bild. explos. Gemische Bildung tox. Gemische Gefahr d. Strom/Spannung
Parameter: Massenstrom Druck Temperatur Stoffzusammensetzung Energie Zustand Aktion
Leitwort: nein/nicht kein/keine mehr weniger sowohl als auch teilweise Umkehrung anders als
Folgen und Auswirkungen Beherrschung der F. u. A.
Ursachen Ursachen-Vermeidung/-Ausschluss
Detektion und danach zu ergreifende Maßnahmen Prüfkategorie: Zeichnungs- und Dokumentenprüfung praktischer Test Studie noch zu bestimmen Prüfprozedur
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Zusammenfassung
Brennstoffzellengeräte stellen eine neuartige Kombination von verfahrenstechnischen Merkmalen im Gerätemarkt dar
Zum sicheren Nachweis der Erfüllung der anwendbaren Sicherheitsanforderungen kann noch nicht auf ein vollständiges Normen- und Regelwerk zurückgegriffen werden Sicherheitsanalyse ist nötig
Speziell zur Sicherheitsanalyse von Brennstoffzellen-Heizgeräten wurde die SABINE Methodik entwickelt und wird parallel zur Geräteentwicklung weiter angepasst
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