Zone 0 ist nicht immer die richtige Wahl: ATEX-Zonen in der Praxis verstehen

Warum Explosionsschutz industrielle Realität ist

Explosionsgefährdete Atmosphären sind in vielen industriellen Anwendungen kein Ausnahmefall, sondern Teil des normalen Betriebs. Überall dort, wo brennbare Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube auftreten können, besteht grundsätzlich die Gefahr einer Explosion. (Was alles für eine Explosion erforderlich ist, kann im Fachbeitrag "Explosionsschutz in der Druckmesstechnik" nachgelesen werden). Typische Beispiele finden sich in der Chemieindustrie, in der Energieversorgung, in Biogasanlagen oder in der Verarbeitung von Lösungsmitteln. Auch modernere Anwendungen wie Wasserstoffinfrastruktur oder Gasverteilungssysteme gehören zu diesen Bereichen.

Für die Auswahl geeigneter Messtechnik ist jedoch vor allem eine andere Frage entscheidend: In welcher Zone befindet sich die Messstelle?

Brennbare Gase und typische Anwendungen

Viele industrielle Prozesse arbeiten bewusst mit brennbaren Medien. Wasserstoff, Methan oder verschiedene Kohlenwasserstoffe werden beispielsweise als Energieträger, Prozessgas oder chemischer Rohstoff eingesetzt. Gleichzeitig können in zahlreichen Anwendungen explosionsfähige Atmosphären als Nebenprodukt eines Prozesses entstehen. Etwa durch verdampfende Lösungsmittel, zerstäubte Flüssigkeiten oder austretende Gase.

Typische Beispiele sind:

• Wasserstoffanlagen und H2-Tankstellen
• Gasverdichter- und Gasverteilung
• Chemische Prozessanlagen
• Biogas- und Energieanlagen

In solchen Umgebungen müssen elektrische Geräte so ausgelegt sein, dass sie selbst keine Zündquelle darstellen können.

Druckmessung in explosionsgefährdeten Bereichen

Druckmessung spielt in diesen Anwendungen eine zentrale Rolle. Sie dient unter anderem zur Überwachung von Tanks, Rohrleitungen, Verdichtern oder Prozessreaktoren. Drucktransmitter werden deshalb häufig genau an den Stellen installiert, an denen ein explosionsfähiges Gasgemisch auftreten kann.

Neben Messgenauigkeit und Langzeitstabilität muss daher sichergestellt werden, dass das Gerät unter keinen Umständen eine Zündung verursachen kann. Geräte für explosionsgefährdete Bereiche unterliegen deshalb speziellen Richtlinien, Normen und Zulassungsverfahren.

Die zentrale Frage: Welche Zone liegt wirklich vor?

Für die Auswahl eines geeigneten Gerätes ist jedoch nicht nur das Medium entscheidend, sondern vor allem die Gefährdungszone, in der die Messstelle installiert wird. Die Einteilung in Zonen beschreibt, wie häufig eine explosionsfähige Atmosphäre an einem bestimmten Ort auftreten kann.

In der Praxis zeigt sich dabei ein häufiges Missverständnis: Wird ein brennbares Gas verwendet, wird automatisch von der höchsten Gefahrenklasse ausgegangen. Tatsächlich unterscheiden sich industrielle Anlagen jedoch stark darin, wie häufig eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann.

Während sich beispielsweise im Inneren eines Tanks dauerhaft ein explosionsfähiges Gemisch befinden kann, tritt es in gut belüfteten Rohrleitungsbereichen oft nur selten oder nur in Störfällen auf. Genau aus diesem Grund unterscheidet das ATEX-System zwischen den Zonen 0, 1 und 2.

Die korrekte Einordnung der Messstelle ist daher entscheidend für die Auswahl geeigneter Druckmesstechnik.

ATEX-Zonen: Das Grundprinzip

Explosionsgefährdete Bereiche werden nicht allein durch das Vorhandensein eines brennbaren Stoffes definiert, sondern durch die Wahrscheinlichkeit, mit der eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Auf dieser Grundlage werden industrielle Anlagen in verschiedene Gefährdungszonen eingeteilt.

Die Einstufung erfolgt im Rahmen einer Gefährdungsanalyse durch den Anlagenbetreiber oder Planer. Faktoren wie Leckagewahrscheinlichkeit, Lüftung, Prozessbedingungen oder Betriebsweise spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Zone 0
Beschreibt Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre ständig, langzeitig oder häufig vorhanden ist. Typische Beispiele sind das Innere von Tanks, Behältern oder Prozessreaktoren, in denen sich dauerhaft ein brennbares Gas befindet.

Zone 1
Bezeichnet Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre gelegentlich im Normalbetrieb auftreten kann. Dies kann beispielsweise in der Nähe von Armaturen, Verdichtern oder möglichen Leckagestellen der Fall sein.

Zone 2
Umfasst Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre im Normalbetrieb normalerweise nicht auftritt und, falls sie doch entsteht, nur kurzzeitig vorhanden ist. Häufig handelt es sich dabei um gut belüftete Bereiche von Anlagen oder um Rohrleitungsperipherie.

Wichtig: Die Zoneneinteilung beschreibt die Umgebung, nicht das Gerät. Erst auf dieser Grundlage wird festgelegt, welche Schutzkonzepte für elektrische Betriebsmittel eingesetzt werden dürfen.

Zusammenhang zwischen Zonen und Gerätekategorie

Für Zone 0 werden in der Regel Schutzkonzepte eingesetzt, die auch im Fehlerfall eine Zündung sicher ausschliessen können, beispielsweise eigensichere Geräte.

In Zone 1 können zusätzlich andere Schutzprinzipien verwendet werden, etwa Produkte mit druckfester Kapselung, die eine mögliche Explosion innerhalb des Gerätes sicher einschliessen.

Für Zone 2 kommen Schutzkonzepte zum Einsatz, die im Normalbetrieb keine Zündquelle entstehen lassen und konstruktiv so ausgelegt sind, dass Funkenbildung oder übermässige Erwärmung verhindert werden.

Die richtige Zuordnung zwischen Zone und Gerätekategorie ist daher entscheidend für eine sichere und zugleich wirtschaftliche Anlagenplanung:

Zone 0 => Kategorie 1

Zone 1 => Kategorie 1 oder 2

Zone 2 => Kategorie 1, 2 oder 3

Praxisbeispiel: H2-Tankstelle

Die Zoneneinteilung wird besonders verständlich, wenn man sie an einer konkreten Anlage betrachtet. Wasserstofftankstellen eignen sich dafür gut, da sie verschiedene Prozessschritte enthalten und gleichzeitig mit einem hochentzündlichen Gas arbeiten.

Eine typische H2-Tankstelle besteht aus mehreren funktionalen Bereichen: Speicherung, Verdichtung, Zwischenspeicherung und Abgabe an das Fahrzeug. In jedem dieser Bereiche können unterschiedliche Bedingungen für das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre vorliegen.

Funktionsbereiche einer Anlage

Eine Wasserstofftankstelle umfasst in der Regel folgende Hauptkomponenten:

• Speicherbehälter für komprimierten Wasserstoff
• Verdichter, die den Wasserstoff auf den benötigten Druck bringen
• Hochdruckspeicher oder Puffersysteme
• Rohrleitungen und Ventile zur Verteilung des Gases
• Dispenser zur Betankung von Fahrzeugen

In allen diesen Bereichen wird der Prozessdruck überwacht, weshalb Drucktransmitter an verschiedenen Stellen innerhalb der Anlage eingesetzt werden.

Typische Zoneneinteilung

Im Inneren eines Wasserstofftanks befindet sich dauerhaft ein brennbares Gasgemisch. Dieser Bereich wird deshalb üblicherweise als Zone 0 eingestuft.

In Bereichen mit möglichen Leckagequellen, etwa an Verdichtern, Ventilen oder Armaturen, kann im Normalbetrieb gelegentlich Wasserstoff austreten. Diese Bereiche werden häufig als Zone 1 klassifiziert.

Ein grosser Teil der Anlage befindet sich jedoch ausserhalb dieser unmittelbaren Leckagepunkte. Rohrleitungen, Messstellen oder Anlagenteile in gut belüfteten Bereichen werden deshalb häufig als Zone 2 eingestuft.

Bedeutung für die Druckmesstechnik

Für die Druckmesstechnik bedeutet dies, dass innerhalb derselben Anlage sehr unterschiedliche Anforderungen an den Explosionsschutz gelten können.

• Messstellen im Inneren von Tanks oder Behältern liegen typischerweise in Zone 0.
• Messstellen in der Nähe von Verdichtern oder Ventilen befinden sich häufig in Zone 1.
• Messstellen in Rohrleitungen oder in gut belüfteten Bereichen werden oft als Zone 2 eingestuft.

Gerade in komplexen Anlagen zeigt sich, dass ein grosser Teil der Messstellen nicht in der höchsten Gefährdungsklasse liegt. Eine präzise Analyse ermöglicht daher einen technisch passenden und gleichzeitig effizienten Explosionsschutz.

Schutzkonzepte im Vergleich

Je nach Zoneneinteilung kommen unterschiedliche Schutzkonzepte für elektrische Betriebsmittel zum Einsatz.

Ex i: Energiebegrenzung und Barriere

Bei der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) wird die elektrische Energie im Stromkreis so stark begrenzt, dass selbst bei Funkenbildung oder Erwärmung keine Zündung entstehen kann.

Dazu wird der gesamte Messkreis energetisch begrenzt. Typischerweise werden dafür Sicherheitsbarrieren oder Trennverstärker eingesetzt.

Typische Merkmale:

• Energiebegrenzung im gesamten Stromkreis
• Zusätzliche Komponenten wie Barrieren oder Trennverstärker
• Hohe Anforderungen an Planung und Dokumentation

Gekapselte Bauweise

Ein anderes Schutzprinzip besteht darin, mögliche Zündquellen innerhalb eines stabilen Gehäuses einzuschliessen. Sollte innerhalb des Gerätes eine Explosion entstehen, darf diese nicht nach aussen dringen.

Typische Merkmale:

• Massives Gehäuse zur Aufnahme möglicher Explosionsdrücke
• Keine zusätzliche Barriere im Stromkreis erforderlich
• Robuste Bauweise

Ex ec: Konstruktive Vermeidung von Zündquellen

Die Zündschutzart erhöhte Sicherheit (Ex ec) verfolgt einen anderen Ansatz. Ziel ist es, bereits im Normalbetrieb das Entstehen möglicher Zündquellen zu verhindern. Dazu wird das Gerät konstruktiv so ausgelegt, dass Funkenbildung, hohe Oberflächentemperaturen oder andere potenzielle Zündmechanismen ausgeschlossen werden.

Typische Merkmale:

• konstruktive Vermeidung von Funkenbildung
• Begrenzung der Oberflächentemperatur
• keine zusätzliche Energiebegrenzung im Stromkreis erforderlich
• kompaktere Bauweise im Vergleich zu gekapselten Geräten

Einordnung ins Portfolio

Die unterschiedlichen Schutzkonzepte spiegeln sich auch im Produktportfolio für explosionsgefährdete Anwendungen wider. Je nach Gefährdungszone und Anlagenanforderung kommen unterschiedliche Gerätekonzepte zum Einsatz.

Für Betreiber und Anlagenplaner ist es deshalb wichtig, dass ein Portfolio mehrere Schutzprinzipien abdeckt, um für unterschiedliche Installationsbedingungen geeignete Lösungen bereitzustellen.

Zone 0: eigensichere Varianten (Ex i)

Für Anwendungen, mit dauerhaft vorhandener explosionsfähiger Atmosphäre, etwa innerhalb von Tanks oder Prozessbehältern.

Zone 1: gekapselte Bauweise (Ed)

Robuste Geräte, die eine mögliche Explosion innerhalb des Gehäuses einschliessen und ohne Energiebegrenzung im Stromkreis betrieben werden können.

Zone 2: Erhöhte Sicherheit (Ex ec)

Neben Anwendungen mit höheren Gefährdungsstufen gibt es in industriellen Anlagen eine grosse Anzahl von Messstellen in Zone-2-Bereichen. Für solche Anwendungen können Geräte mit der Zündschutzart Ex ec eingesetzt werden.

Mit der Zone-2-Zulassung der Y-Line wird das Portfolio um eine Lösung erweitert, die speziell für diese häufigen Anwendungsfälle ausgelegt ist.

Was Zone 2 in der Praxis verändert

Die Zoneneinteilung einer Messstelle hat nicht nur Einfluss auf das eingesetzte Gerät, sondern auf das gesamte Messsystem.

Diese Unterschiede wirken sich vor allem auf Planung, Installation und Betrieb der Messtechnik aus.

Wegfall der Barriere

Bei eigensicheren Messsystemen muss die Energie im gesamten Stromkreis begrenzt werden. Dazu werden Sicherheitsbarrieren oder Trennverstärker eingesetzt, die zwischen Messgerät und Steuerung installiert werden. Diese Komponenten befinden sich im sicheren Bereich und stellen sicher, dass im explosionsgefährdeten Bereich keine zündfähige Energie entstehen kann.

In Zone-2-Anwendungen mit Geräten der Zündschutzart Ex ec ist eine solche Energiebegrenzung in der Regel nicht erforderlich. Das Messgerät kann direkt mit der Auswerteelektronik oder Steuerung verbunden werden.

Reduzierter Installationsaufwand

Eigensichere Systeme erfordern eine detaillierte Auslegung des gesamten Stromkreises, einschliesslich Leitungslängen, Kapazitäten und Induktivitäten.

Bei Zone-2-Installationen mit entsprechend zugelassenen Geräten entfällt ein grosser Teil dieser Anforderungen. Die Installation ähnelt stärker derjenigen in nicht explosionsgefährdeten Bereichen, was Planung und Montage deutlich vereinfacht.

Geringere Systemkomplexität

Der Verzicht auf zusätzliche Komponenten reduziert Verdrahtung, Schaltschrankaufwand und potenzielle Fehlerquellen. Gerade in grösseren Anlagen mit vielen Messstellen kann sich dieser Effekt deutlich bemerkbar machen. Jede zusätzliche Komponente erhöht grundsätzlich den Aufwand für Planung, Installation und Wartung.

Wirtschaftliche Auswirkungen

Neben den technischen Vorteilen wirkt sich eine reduzierte Systemkomplexität auch wirtschaftlich aus. Der Wegfall zusätzlicher Komponenten wie Barrieren reduziert nicht nur die Materialkosten, sondern auch den Aufwand für Planung, Installation und Inbetriebnahme.

Darüber hinaus kann eine einfachere Systemstruktur auch die Wartung erleichtern. Weniger Komponenten bedeuten in der Regel weniger potenzielle Ausfallstellen und eine einfachere Fehlersuche im Betrieb.

Für Anlagenbetreiber und Integratoren ist die korrekte Zoneneinteilung daher nicht nur eine Frage der Sicherheit, sondern auch ein wichtiger Faktor für eine effiziente und wirtschaftliche Umsetzung von Messsystemen.

Fazit

Die Auswahl geeigneter Druckmesstechnik beginnt nicht beim Gerät, sondern bei der korrekten Zoneneinteilung der Messstelle.

Während für Anwendungen in Zone 0 oder Zone 1 besonders hohe Anforderungen gelten, befindet sich ein grosser Teil industrieller Messstellen tatsächlich in Zone-2-Bereichen. Hier können Geräte eingesetzt werden, die konstruktiv Zündquellen vermeiden, ohne eine zusätzliche Energiebegrenzung im Stromkreis zu erfordern.

Der Wegfall von Sicherheitsbarrieren vereinfacht Planung, Installation und Dokumentation des Messsystems und reduziert gleichzeitig die Systemkomplexität.

Eine präzise Zoneneinteilung ermöglicht es daher, den Explosionsschutz sowohl sicher als auch effizient umzusetzen und die jeweils passende Lösung für die tatsächlichen Bedingungen in der Anlage auszuwählen.