CFD-Simulation von Gasausbreitung im Störfall – Sicherheitsanalyse für leichte und schwere Gase

Bei industriellen Anlagen, Chemiebetrieben, Energieversorgungsinfrastrukturen und sicherheitsrelevanten Einrichtungen stellt die unkontrollierte Freisetzung von Gasen im Störfall ein erhebliches Risiko für Mensch, Umwelt und Sachwerte dar. Die präzise Vorhersage der Gasausbreitung ist daher ein wesentlicher Bestandteil moderner Sicherheitsanalysen, Risikobeurteilungen und Notfallplanungen.

Simulationsbasierte Störfallanalyse mit CFD

Mittels CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) werden im Störfall austretende Gase – sowohl leichte Gase (z. B. Wasserstoff, Methan, Ammoniak) als auch schwere Gase (z. B. Chlor, Propan, CO₂) – in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung präzise erfasst. Die Simulation berücksichtigt dabei die nahe Umgebung (Gebäudekonturen, Hindernisse, Geländestruktur) ebenso wie die entfernte Umgebung (Bebauungsdichte, Topografie, offene Flächen), um realistische Ausbreitungsszenarien abzubilden.

Stationäre und transiente Konzentrationsfelder

Die Berechnung sowohl stationärer als auch transienter Konzentrationsfelder erlaubt eine differenzierte Beurteilung der Ausbreitungsdynamik:

• Stationäre Felder zeigen den eingeschwungenen Zustand bei konstanter Leckagerate und geben Aufschluss über dauerhaft kritische Zonen, Explosionsgrenzen (UEG/OEG) und Toxizitätsschwellen (z. B. ERPG-, AEGL- oder IDLH-Werte).
• Transiente Felder bilden den zeitlichen Verlauf der Ausbreitung ab – von der Freisetzung über die Wolkenbildung bis zur Verdünnung – und sind entscheidend für die Bewertung von Evakuierungszeiträumen und Alarmierungskonzepten.

Einfluss verschiedener Windrichtungen und meteorologischer Bedingungen

Windrichtung, Windgeschwindigkeit und atmosphärische Stabilitätsklassen (nach Pasquill-Gifford oder Monin-Obukhov) haben einen maßgeblichen Einfluss auf Reichweite, Konzentration und Gefährdungszone einer Gaswolke. Durch die systematische Variation dieser Parameter werden alle sicherheitsrelevanten Szenarien abgedeckt – von ruhiger Wetterlage mit geringer Durchmischung bis hin zu turbulenter Strömung mit schneller Verdünnung.

Transiente Einstromrandbedingungen in atmosphärischen Grenzschichten

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal der Simulation ist die Verwendung eigens entwickelter transienter Einstromrandbedingungen für atmosphärische Grenzschichten. Im Gegensatz zu vereinfachten Windprofilen werden dabei realitätsnahe, zeitlich variable Strömungsprofile mit turbulenter Grenzschichtstruktur eingesetzt. Dies gewährleistet eine hohe Übereinstimmung mit realen meteorologischen Bedingungen und steigert die Zuverlässigkeit sowie Validierbarkeit der Simulationsergebnisse erheblich – ein entscheidender Vorteil gegenüber klassischen Gaußschen Ausbreitungsmodellen.

Anwendungsfelder und regulatorischer Rahmen

Die CFD-basierte Gasausbreitungssimulation findet Anwendung in:

• Störfallverordnung (12. BImSchV) / Seveso-III-Richtlinie: Nachweis sicherer Abstände und Sicherheitszonen
• Sicherheitsberichten und QRA (Quantitative Risk Assessment): Grundlage für probabilistische Risikoanalysen
• Feuerwehr- und Katastrophenschutzplanung: Unterstützung bei Einsatzszenarien und Evakuierungsplanung
• Anlagenplanung und Genehmigungsverfahren: Frühzeitige Identifikation kritischer Ausbreitungspfade