Störfallvorsorge: Kälteanlagen mit Ammoniak: Sicherheit ist eine Daueraufgabe

26.08.2015 - Durch das Verbot klimaschädlicher Kältemittel werden künftig wieder vermehrt Kälteanlagen mit Ammoniak gebaut. Weil dieses Gas in hohen Konzentrationen giftig ist, will der Bund das Risiko von Ammoniakaustritten vermindern. Ein Werkbesuch bei der Firma Emmi in Ostermundigen (BE) veranschaulicht den Stand der Sicherheitstechnik.

Hanspeter Riesen (links) ist Projektleiter der Milchverarbeitungsfirma Emmi am Produktionsstandort in Ostermundigen (BE). Vor Ort informiert er die Fachleute für Störfallvorsorge des Kantons Bern und des BAFU über die getroffenen Massnahmen für einen sicheren Umgang mit dem Kältemittel Ammoniak.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Text: Nicolas Gattlen, Bilder: Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Ammoniak (NH3) hat einen üblen, stechenden Geruch, was auch einen Vorteil mit sich bringt: Tritt das ätzende Gas bei einem Leck aus, so wird dies sofort bemerkt. Selbst niedrigste und für Menschen ungefährliche Konzentrationen von weniger als 30 Milligramm pro Kubikmeter (mg/m3) in der Umgebungsluft werden als derart unangenehm empfunden, dass Personen vor dem Gas flüchten. An Orten, wo sich keine Leute aufhalten, können Detektoren die Funktion einer Nase übernehmen.

Eine solch «künstliche Nase» ist im Kältemaschinenraum der Firma Emmi in Ostermundigen (BE) montiert. «Sie detektiert die Ammoniakmoleküle in der Luft und löst einen internen Alarm aus, sobald der Grenzwert von 150 mg/m3 überschritten wird», erklärt Hanspeter Riesen, Projektleiter bei Emmi. Dadurch schalte sich automatisch die Lüftung im Maschinenraum ein, was zu einer starken Verdünnung führe. So könnten die mit Atemschutzmasken ausgerüsteten Betriebsmitarbeiter die Ursache der NH3-Freisetzung ergründen und das Problem beheben. Sollte bei einem gravierenden Ereignis der Wert die Schwelle von 1500 mg/m3 überschreiten, werden über ein automatisches System Chemiewehr und Polizei alarmiert, und die Kälteanlage schaltet sich selbstständig aus.

Frischprodukte wie Joghurts werden im Hochregallager ununterbrochen gekühlt.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Erhebliches Gefährdungspotenzial

Die «Nase» ist Teil eines umfassenden Sicherheitskonzepts, das Emmi für den Umgang mit dem Kältemittel erstellt hat. Denn Ammoniak birgt ein erhebliches Gefährdungspotenzial für Mensch und Umwelt. Wenn bei einem Leck verflüssigtes NH3 austritt, kann es in der näheren Umgebung zu schweren Vergiftungen kommen. In einem solchen Fall breitet sich das tiefkalte, schwere Gas in Form einer weissen Wolke über dem Boden aus. In dieser Wolke können Ammoniakgehalte von mehreren 1000 mg/m3 Luft auftreten. Solche Konzentrationen sind akut toxisch und führen innert Kürze zum Tod.

Angesichts dieser Gefahren sind Betriebe mit einer Lagermenge ab 2 t Ammoniak der Störfallverordnung unterstellt. Gemäss einer Auswertung des eidgenössischen Risikokatasters (ERKAS) aus dem Jahr 2009 gibt es in der Schweiz rund 150 Kälteanlagen, welche diese Mengenschwelle überschreiten. Der Störfallverordnung unterstellt sind zudem auch einige Betriebe mit geringeren Lagermengen, die in direkter Nachbarschaft zu Nutzungen mit grossen Menschenansammlungen stehen.

Die Steuerungszentrale der Kälteanlage ist aus sicherheitstechnischen Gründen vom Maschinenraum getrennt.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Breite Verwendung als Kältemittel

Ammoniak wird industriell schon seit über 130 Jahren zum Kühlen verwendet. Dank der hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften avancierte die aus Stickstoff und Wasserstoff gewonnene Chemikalie bald zum wichtigsten Kältemittel. Sie wird in Kunsteisbahnen, Klimakälteanlagen, grossen Wärmepumpen sowie in Gewerbe- und Industriekälteanlagen mit Leistungen ab 400 Kilowatt (kW) eingesetzt. Heute funktionieren über 90 % aller Industriekälteanlagen mit Ammoniak.

In Zukunft dürften noch mehr Betriebe NH3 in ihren Kälteanlagen verwenden, denn die revidierte Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung (ChemRRV) verbietet seit dem 1. Dezember 2013 die Installation von grösseren Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen, die mit klimaschädigenden teilhalogenierten fluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) funktionieren. Seit Anfang 2015 ist zudem auch die Verwendung von rezyklierten teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (HFCKW) untersagt. Als Alternative zu diesen Treibhausgasen bietet sich - neben Ammoniak - vor allem Kohlendioxid (CO2) an. Es eignet sich hervorragend für mittelgrosse Kühlanlagen im Leistungsbereich von 5 bis 100 kW sowie zur Tiefkühlung. Der Nachteil ist jedoch, dass CO2 in hohen Konzentrationen von 8 bis 10 % in der Atemluft zur Bewusstlosigkeit und zum Tod durch Ersticken führen kann. Weil das Gas geruchlos ist, wird eine gefährliche Situation von Menschen nicht wahrgenommen. Bisher sind sämtliche Versuche für eine wirkungsvolle und kostengünstige Odorierung gescheitert. Vermehrt kommen inzwischen auch weitere Alternativen wie fluorierte Olefine oder Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.

Seit Ende 2014 wird im Maschinenraum der neuen Kälteanlage mit Ammoniak gekühlt. Zum Schutz vor dem ätzenden Gas detektiert eine «künstliche Nase» die Ammoniakmoleküle in der Luft und löst bei einem Störfall Alarm aus.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Mehr Sicherheit dank zwei Kreisläufen

Ende 2014 hat auch der Emmi-Betrieb in Ostermundigen 6 t des klimaschädlichen HFCKW-Kältemittels R22 ersetzt. An diesem Standort verarbeitet die Firma jährlich etwa 120 Mio. kg Milch vorwiegend zu Joghurt und Caffè Latte. Aufgrund des stetig steigenden Platzbedarfs für gekühlte Frischprodukte hat man das damalige Tiefkühlhaus 2014 in ein Kühllager umgebaut. Der Wechsel von Minus- auf Plustemperaturbetrieb im automatischen Hochregallager erforderte einen Ersatz der Kälteanlage. Seither werden zwei unterschiedliche Kühlsysteme kombiniert, nämlich die Direktverdampfung von Ammoniak im Hochregallager und das 2-Kreislauf-System für die Frischelogistik. In einem solchen System erfolgt eine Übertragung der tiefen Temperaturen im primären Kreislauf mit Ammoniak auf ein sekundäres Kälteträgermedium mit Glykolzusatz.

Das 2-Kreislauf-System verbraucht zwar mehr Energie als die Direktverdampfung, weil an der Schnittstelle der Kälteübertragung vom Ammoniak auf das Glykolgemisch etwa 5 % der Energie verloren gehen. «Doch diesen Nachteil können wir weitgehend durch optimierte Komponenten wie drehzahlgeregelte Pumpen sowie hocheffiziente Motoren für Verdichter und Ventilatoren kompensieren», erklärt Emmi-Mitarbeiter Hanspeter Riesen. «Zudem bietet ein System mit zwei Kreisläufen mehr Sicherheit.» Sollte eine Leitung ausserhalb des Maschinenraums lecken, entweicht statt des Ammoniaks nur das harmlose Glykol-Wasser-Gemisch. Und weil bei einem System mit zwei Kreisläufen die Lagermengen an Ammoniak bedeutend tiefer sind, hätte ein Störfall im Maschinenraum weniger gravierende Folgen. So benötigt die neue Anlage von Emmi nur noch 2 statt 6 t NH3.

Die bei Emmi Ende 2014 ersetzten Kompressoren sind das Herzstück einer Kältemaschine. Sie verdichten das gasförmige Ammoniak, welches dann in einem Kondensator verflüssigt wird. Durch die anschliessende Verdampfung des Kühlmittels wird Kälte erzeugt.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Auch das Undenkbare durchspielen

Dennoch ist höchste Vorsicht geboten. Hanspeter Riesen führt uns in die vom Maschinenraum abgetrennte Steuerungszentrale. An der Wand hängt eine - für Laien unfassbar komplexe - schematische Darstellung der Kälteanlage. Einige m daneben befinden sich die Schaltschränke und das Bedienfeld für die Steuerung. «Weil alle elektrischen Schalter im Steuerungsraum untergebracht sind, ist das Risiko einer Explosion im Maschinenraum deutlich reduziert», sagt Hanspeter Riesen.

In einem ausführlichen Bericht liess Emmi im Jahr 1992 die Risiken ihrer Kälteanlage analysieren. Zusätzliche Beurteilungen erfolgten nach baulichen Erweiterungen in den Jahren 2004, 2006 sowie 2009, und auch die zueltzt installierte Anlage wird noch einer Kontrolle unterzogen. Solche Risikoanalysen sind gemäss der Störfallverordnung erforderlich, wenn von einer Ammoniak-kälteanlage eine «schwere Schädigung der Bevölkerung und Umwelt» ausgehen kann. Dabei werden unzählige denkbare Störfälle berechnet und beschrieben: etwa eine Ammoniakwolke, die in ein Wohnquartier oder in ein voll besetztes Fussballstadion verweht wird.

Die anschliessende Risikoermittlung zeigt auf, ob die Risiken akzeptabel sind. Diese Bewertung zieht auch die unglücklichsten Verkettungen und Ereignisse heran, wie etwa Erdbeben, einen Flugzeugabsturz oder Staus in der Nähe des Schadenorts. Falls die Risiken «nicht tragbar» sind, kann die kantonale Behörde vom Betreiber der Anlage zusätzliche Sicherheitsmassnahmen verlangen oder ihm im Extremfall die Betriebsbewilligung entziehen. Schliesslich sind die bewilligten Anlagen laufend an den Stand der Sicherheitstechnik anzupassen. «Die Sicherheit zu gewährleisten, ist für die Betriebe eine Daueraufgabe», stellt Michael Hösli von der BAFU-Sektion Störfall- und Erdbebenvorsorge fest. «Dabei gilt der Grundsatz, auch das Undenkbare durchzuspielen, denn es ereignet sich ständig etwas, das noch nie zuvor passiert ist.» Diese Erkenntnis findet sich denn auch im englischen Zitat «Things that have never happened before, happen all the time».

Dass es dabei nicht um hypothetische Risiken geht, zeigt ein Blick in die schweizerische Störfallstatistik: So wurde beispielsweise in Rapperswil (SG) bei Unterhaltsarbeiten in der Eishalle eine ausserhalb des Eisfelds verlaufende Ammoniakleitung angebohrt. In Saas-Grund (VS) beschädigte in den 1990er-Jahren ein kleiner Erdrutsch das Kühlsystem der Kunsteisbahn und setzte NH3 frei. Im Freibad von Münchenbuchsee (BE) mussten 2003 die Badegäste evakuiert werden, weil infolge eines Überdrucks beim nahen Eisfeld Ammoniak ausgetreten war. Und in Langenthal (BE) wurden die Sicherheitskräfte 2011 zu einem Kühlhaus gerufen, da das giftige Gas aus einem Leck strömte. Alle diese Störfälle sind glücklicherweise glimpflich verlaufen, denn mit Ausnahme von akuten Atemwegsbeschwerden und Augenreizungen traten keine Verletzungen auf.

Transport aus dem gekühlten Hochregallager bei Emmi: eine Holzpalette mit lieferfertigen Caffè-Latte-Bechern.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Heikle Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine

Die meisten Unfälle ereignen sich im Maschinenraum, wie die Auswertung von 29 meldepflichtigen Ereignissen zwischen 1993 und 2004 in Deutschland zeigt. Heikel sind insbesondere Wartungs- und Reparaturarbeiten: Jede vierte Ammoniakfreisetzung erfolgte während einer Servicearbeit. Und immerhin 38 % aller Unfälle sind auf menschliches Versagen zurückzuführen, so zum Beispiel Fehlbedienungen, organisatorische Unzulänglichkeiten oder unsachgemässe Reparaturen. «An unseren Kälteanlagen arbeiten nur qualifizierte Fachkräfte», sagt Hanspeter Riesen von der Emmi. «Wichtig ist zudem, dass die Anlagedokumentationen sowie die Arbeitsanweisungen stets auf dem aktuellen Stand sind.» Er schliesst den Zugang zum Steuerungsraum ab und führt uns ins Personalrestaurant, wo der Werkbesuch mit einem erfrischenden Caffè Latte endet.

Für den Maschinenraum mit der neu installierten Kälteanlage gelten strikte Sicherheitsvorkehrungen.
© Flurin Bertschinger, Ex-Press/BAFU

Kurze Geschichte des Kühlens

Seit der Antike wird aus gefrorenen Weihern oder von Gletscherzungen Eis gepickelt, um damit Speisen und Getränke zu kühlen. Die erste künstliche Kühlung gelingt dem Schotten William Cullen 1748 mittels Vakuumverdampfung von Wasser und Lösungsmitteln. 1834 bringt der Amerikaner Alexander Twinning den von ihm entwickelten Luftkompressor-Kühlschrank auf den Markt. 25 Jahre später setzt der Franzose Ferdinand Carré erstmals Ammoniak als Kältemittel ein. Bald darauf findet NH3 in der Industrie Verwendung, doch für den Hausgebrauch ist das ätzende Gas zu gefährlich. Erst mit der Entwicklung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) hält der Kühlschrank Einzug in Privathaushalte, zunächst in Kuba und den USA, nach dem Zweiten Weltkrieg auch in Europa. Als in den 1980er-Jahren die ozonschädigende Wirkung der FCKW bekannt wird, regt Greenpeace die Entwicklung von FCKW-freien Kühlschränken an. 1992 präsentiert die deutsche Firma DKK Scharfenstein den ersten mit Propan/Butan betriebenen Kühlschrank. Wegen seiner Brennbarkeit wird Butan aber vor allem in kleineren Haushaltsgeräten verwendet.

In den gewerblichen und industriellen Kälteanlagen gelangen ab den 1990er-Jahren anstelle der FCKW zunehmend teilhalogenierte fluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) zum Einsatz. Seit Dezember 2013 sind diese sehr potenten Treibhausgase in neu installierten Kälte- und Klimaanlagen ab mittlerer Grösse sowie in Wärmepumpen nicht mehr zulässig. Als klimaschonende Alternativen bieten sich CO2, Kohlenwasserstoffe, fluorierte Olefine und Ammoniak an.

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Letzte Änderung 26.08.2015

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