Schlammhallen der chemischen und abwassertechnischen Industrie bergen eine oft unterschätzte Gefahr: Klärschlamm gast kontinuierlich Methan (CH₄) aus. Unter ungünstigen Lüftungsbedingungen kann die CH₄-Konzentration lokal in sicherheitskritische Bereiche vordringen. Da die untere Explosionsgrenze (UEG) von Methan bereits bei 4,4 Vol.-% liegt, ist eine zuverlässige, kontinuierliche Methan-Überwachung unverzichtbar – als Kernforderung aus GefStoffV, BetrSichV und den einschlägigen technischen Regeln TRGS 720 und TRBS 2152 Teil 1/TRGS 721 (Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre). In diesem Beitrag zeigen wir, wie Fresenius Umwelttechnik eine solche sicherheitsrelevante CH₄-Überwachung in einer Schlammhalle realisiert – und warum die Wahl des Messprinzips über Verlässlichkeit oder Fehlalarm entscheidet.
Ausgangslage: Klärschlamm-Atmosphäre als messtechnische Herausforderung
In der Schlammhalle unseres Anwendungsfalls treffen mehrere ungünstige Faktoren zusammen: hohe Feuchte, Staub, wechselnde Temperaturen bis 50 °C im Messgas und eine komplexe Gasmatrix aus CH₄, H₂S, CO₂ und O₂. Der Bereich ist als Ex-Zone gemäß ATEX-Richtlinie 2014/34/EU und EN 60079-Normenreihe ausgewiesen.
Die Messaufgabe erscheint auf den ersten Blick einfach: Methan im Bereich 0–10 Vol.-% erfassen, damit zuverlässig unterhalb der UEG alarmiert werden kann. In der Praxis entscheidet jedoch die Selektivität und Langzeitstabilität darüber, ob ein Analysator im Dauerbetrieb belastbare Werte liefert – oder durch Querempfindlichkeit und Sensorvergiftung zum Risiko wird.
Warum NDIR statt Pellistor? Sicherheit durch Selektivität
Klassische Pellistor-Sensoren (katalytische Wärmetönung) sind in Industrie-Gaswarnanlagen weit verbreitet. In einer Schlammhallen-Atmosphäre stoßen sie jedoch an ihre physikalischen Grenzen:
- H₂S-Vergiftung: Schwefelwasserstoff führt zu einer Deaktivierung des katalytischen Elements und damit zu systematisch zu niedrigen Messwerten – ein kritisches Sicherheitsrisiko bei UEG-Überwachung.
- Silikon- und Siloxan-Exposition: Klärschlamm-Ausdünstungen enthalten häufig Siloxane, die den Pellistor irreversibel schädigen und die Lebensdauer drastisch verkürzen.
- Sauerstoffmangel: Pellistoren benötigen O₂ für die katalytische Verbrennung. Sinkt der Sauerstoffgehalt unter etwa 10–15 Vol.-%, fällt das Signal – obwohl Methan weiterhin vorhanden ist.
- Unspezifität: Ein Pellistor detektiert jedes brennbare Gas – er kann Methan nicht von anderen Kohlenwasserstoffen unterscheiden, was zu Fehlalarmen führen kann.
Die nichtdispersive Infrarot-Spektroskopie (NDIR) umgeht diese Schwächen strukturell. Methan absorbiert infrarote Strahlung charakteristisch bei etwa 3,3 µm – einem Wellenlängenbereich, in dem weder H₂S noch CO₂ dominante Absorptionsbanden aufweisen. Über einen Dual-Beam-Ansatz mit Referenzkanal bei einer nicht-absorbierenden Wellenlänge wird das Methansignal um Drift- und Matrixeinflüsse korrigiert. Das Ergebnis: eine selektive, vergiftungsfreie CH₄-Messung, die auch in H₂S- und CO₂-haltigen Atmosphären stabil bleibt.
Unsere Lösung: GA210 mit angepasstem UEG-Messbereich
Für diese Anwendung setzen wir auf den Gas Analyzer GA210 von Fresenius Umwelttechnik in UEG-Ausführung mit NDIR-Dual-Beam-Technologie. Statt eines Standardmessbereichs bis 100 Vol.-% wird der Analysator auf 0–10 Vol.-% CH₄ optimiert – genau der sicherheitsrelevante Bereich rund um die UEG von 4,4 Vol.-%. Durch die optimierte Messzellengeometrie und angepasste Kennlinienauswertung stehen Auflösung und Genauigkeit voll im kritischen Fenster zur Verfügung.
| Parameter | Auslegung |
| Messkomponente | CH₄ (Methan) |
| Messbereich | 0–10 Vol.-% |
| Messprinzip | NDIR Dual-Beam mit Referenz-Detektor |
| Auflösung | 0,1 Vol.-% |
| Nachweisgrenze | 0,5 Vol.-% |
| Messunsicherheit | ≤ 3 % vom Messwert |
| Ansprechzeit (Tₐ₀, Analysator) | ca. 3 s |
| Messintervall | Sekündlich (kontinuierlich) |
| Druckkompensation | 0,7–1,1 bar abs. |
| Messzelle | Temperaturstabilisiert auf 45 °C |
| Querempfindlichkeit | Keine gegenüber H₂S und CO₂ |
| Messgaspumpe | Intern, ca. 4 l/min |
| Analogausgang | 4–20 mA (SPS-Integration) |
| Nullpunktabgleich | 1× täglich, ca. 2 min, automatisch mit Umgebungsluft |
Ansprechzeit: Ist ein extraktives System schnell genug für die UEG-Überwachung?
Bei extraktiven Messsystemen – also Systemen, bei denen das Messgas über eine Probenahmeleitung zum Analysator transportiert wird – stellt sich berechtigterweise die Frage: Ist die Gesamtansprechzeit für eine sicherheitsrelevante UEG-Überwachung ausreichend? Die Antwort ergibt sich aus drei Faktoren.
Faktor 1: Die Dynamik des Methananstiegs im Hallenvolumen
Schlammhallen haben typischerweise ein Raumvolumen von mehreren hundert bis mehreren tausend Kubikmetern. Selbst bei einem plötzlichen Ausgasungsereignis steigt die CH₄-Konzentration im Hallenvolumen relativ langsam an – die Verdünnung im großen Raumvolumen wirkt als natürlicher Dämpfer. Ein Anstieg von Umgebungsniveau auf die Voralarmschwelle von 0,88 Vol.-% (20 % UEG) dauert in der Praxis Minuten, nicht Sekunden. Die entscheidende Frage ist daher nicht, ob der Analysator in 3 oder 30 Sekunden reagiert – sondern ob das Gesamtsystem den Konzentrationsanstieg zuverlässig erkennt, bevor ein kritisches Niveau erreicht wird.
Faktor 2: Schneller Gastransport durch leistungsstarke Pumpe
Die interne Messgaspumpe des GA210 fördert mit ca. 4 l/min – ein vergleichsweise hoher Volumenstrom für einen Analysator dieser Klasse. Selbst bei der maximalen Leitungslänge von 40 m mit PTFE-Schlauch (4 mm Innendurchmesser) beträgt die reine Transportzeit des Gases vom Entnahmepunkt zum Analysator nur wenige Sekunden. Zusammen mit der Analysator-Tₐ₀ von ca. 3 Sekunden ergibt sich eine System-Ansprechzeit, die selbst bei maximalem Leitungsweg deutlich unter 30 Sekunden liegt.
Faktor 3: Normative Einordnung – EN 60079-29-1
Die EN 60079-29-1 definiert die Anforderungen an das Betriebsverhalten von Gasmessgeräten für brennbare Gase. Die dort geforderte Tₐ₀-Zeit für den Analysator beträgt ≤ 30 Sekunden. Zum Vergleich: Pellistor-Sensoren, die direkt in der Halle installiert sind – also ganz ohne Probenahmeleitung –, weisen typische Tₐ₀-Zeiten von 10–30 Sekunden auf. Das extraktive GA210-System erreicht selbst mit 40 m Leitung eine vergleichbare oder sogar bessere Gesamtansprechzeit – und bietet dabei die entscheidenden Vorteile der NDIR-Technologie: Selektivität, H₂S-Resistenz und Langzeitstabilität.
Fazit zur Ansprechzeit: Das extraktive Systemkonzept ist für die UEG-Überwachung in Schlammhallen nicht nur ausreichend schnell, sondern übertrifft die normativen Anforderungen komfortabel. Die wenigen Sekunden Transportzeit stehen einem realen Sicherheitsgewinn gegenüber, der mit einem In-situ-Pellistor in H₂S-haltiger Atmosphäre nicht erreichbar ist.
Ex-Schutz ohne ATEX-Analysator: Das extraktive Systemkonzept
Der GA210 ist ein Präzisionsanalysator für klimatisierte Technikräume (ideal 15–25 °C Umgebungstemperatur). Er besitzt keine ATEX-Gerätezulassung und wird daher konsequent außerhalb der Ex-Zone installiert. Die Schlammhalle selbst bleibt messgerätefrei – die Probenahme erfolgt extraktiv.
Unsere Systemarchitektur:
- Probenahmesonde in der Schlammhalle mit Grobfilter.
- ATEX-zertifizierte Inline-Flammsperre (EN ISO 16852) am Übergang von der Ex-Zone in den sicheren Bereich. Sie verhindert zuverlässig einen Flammen- oder Zünddurchschlag.
- PTFE-Messgasleitung mit Längen bis zu 40 m. Für feuchte Messgase empfehlen wir zusätzlich eine selbstlimitierende Messgas-Begleitheizung, die das Gas oberhalb des Taupunkts führt und Kondensation sicher unterbindet.
- Universal-Messgasfilter (5 µm PTFE-Membran) unmittelbar vor dem Analysator zum Schutz vor Reststaub und Aerosolen.
- Klimatisierter Technikraum mit 15–25 °C, in dem der GA210 stabil betrieben werden kann.
Dieses Konzept trennt Messtechnik und Gefahrenbereich sauber voneinander – eine Grundlage für Anlagen, die nach GefStoffV § 6 und BetrSichV §§ 15/16 betrieben werden.
Messgasaufbereitung als Schlüssel zur Langzeitstabilität
In feuchter, staubhaltiger Atmosphäre entscheidet nicht der Analysator allein, sondern die Messgasaufbereitung über die Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
Kondensatmanagement
Fällt Feuchtigkeit in der Leitung aus, bilden sich Tropfen, die Pulsationen und Messwertschwankungen verursachen. Eine optionale Begleitheizung der PTFE-Leitung hält das Gas durchgängig oberhalb des Taupunkts. Bei Bedarf kann zusätzlich ein Messgaskühler mit Kondensatabscheider eingesetzt werden.
Partikelrückhaltung
Staub aus der Schlammhalle darf keinesfalls in die NDIR-Messzelle gelangen. Wir empfehlen zweistufig: einen Sondenfilter (ca. 100 µm) an der Entnahmestelle und den Universal-Messgasfilter (5 µm) direkt vor dem Analysator. Wartungsintervalle: quartalweise Inspektion, halbjährlicher Filterwechsel.
Druckanpassung
Der anliegende Messgasdruck muss in den Kompensationsbereich des Analysators (0,7–1,1 bar abs.) geführt werden. Bei Messgasdrücken außerhalb dieses Bereichs kann über Strömungswiderstände, Bypass-Führungen oder eine aktive Druckregelung der Eingangsdruck stabilisiert werden.
Redundanz: Zwei Geräte für lückenlose Sicherheitsüberwachung
Eine Arbeitsschutz-Messung im UEG-Bereich darf keine Überwachungslücken zulassen – auch nicht während des täglichen automatischen Nullpunktabgleichs. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen empfehlen wir daher eine redundante Ausführung mit zwei Analysatoren. Während ein Gerät seinen Abgleich durchläuft (ca. 2 Minuten), übernimmt das zweite lückenlos die Messung. Dieses Konzept erhöht die Verfügbarkeit erheblich und erlaubt zusätzlich eine Plausibilisierung der Messwerte im laufenden Betrieb.
Die Analogausgänge 4–20 mA beider Geräte lassen sich auf die übergeordnete Sicherheits-SPS aufschalten, inklusive Voralarm- und Hauptalarmschwellen – üblicherweise bei 20 % UEG (0,88 Vol.-% CH₄) und 40 % UEG (1,76 Vol.-% CH₄). Bei Überschreitung werden automatisch Lüftungsmaßnahmen aktiviert oder Prozesse gestoppt.
Normen und Vorschriften: Rechtssichere Umsetzung
Die Auslegung und der Betrieb von Methan-Überwachungssystemen in Schlammhallen und vergleichbaren Bereichen der chemischen Industrie unterliegen strengen gesetzlichen Vorgaben:
- TRGS 720: Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre – Allgemeines.
- TRBS 2152 Teil 1 / TRGS 721: Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre – Beurteilung der Explosionsgefährdung.
- BetrSichV §§ 15/16: Prüfung überwachungsbedürftiger Anlagen vor Inbetriebnahme und wiederkehrend.
- GefStoffV § 6: Informationsermittlung und Gefährdungsbeurteilung bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen.
- EN 60079-29-1: Gasmessgeräte – Anforderungen an das Betriebsverhalten von Geräten für die Messung brennbarer Gase.
- EN ISO 16852: Flammendurchschlagsicherungen – Leistungsanforderungen, Prüfverfahren und Einsatzgrenzen.
- ATEX-Richtlinie 2014/34/EU: Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen.
Fresenius Umwelttechnik unterstützt Sie bei der Gefährdungsbeurteilung und der Erstellung des Explosionsschutzdokuments gemäß GefStoffV/BetrSichV. Kontaktieren Sie uns gerne!
Sicherheit ist ein Systemthema – nicht nur ein Sensorthema
Die zuverlässige CH₄-Überwachung in einer Schlammhalle gelingt nur, wenn Messprinzip, Probenahme, Messgasaufbereitung und Anlagenintegration als eine Einheit gedacht werden. NDIR-Technologie mit gezielter Wellenlängenselektion bei 3,3 µm liefert die selektive, vergiftungsfreie Methanmessung, die Pellistor-Systeme in H₂S-haltigen Atmosphären nicht leisten können. Die Kombination aus Inline-Flammsperre, Probenahmeleitung bis 40 m und klimatisiertem Technikraum ermöglicht den sicheren Betrieb des Analysators außerhalb der Ex-Zone. Das extraktive Konzept ist dabei nicht langsamer als In-situ-Pellistorsysteme – bei deutlich höherer Messsicherheit. Und ein redundantes Zwei-Geräte-Konzept stellt sicher, dass die Überwachung auch während des täglichen Nullpunktabgleichs nie unterbrochen wird.
Bei Fresenius Umwelttechnik begleiten wir unsere Kunden von der Gefährdungsbeurteilung über die Auslegung der Probenahme bis zur Inbetriebnahme und dem langfristigen Service. Wenn Sie für Ihre Schlammhalle oder eine vergleichbare Anwendung in der chemischen Industrie eine belastbare UEG-Überwachung planen, sprechen Sie uns an – wir entwickeln gemeinsam mit Ihnen ein Konzept, das den normativen Anforderungen und Ihrer Anlagenrealität gleichermaßen gerecht wird.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Warum ist NDIR besser als Pellistor für Methan in Schlammhallen?
NDIR-Sensoren sind selektiv auf Methan bei 3,3 µm Wellenlänge und werden nicht durch H₂S, Siloxane oder Sauerstoffmangel beeinträchtigt. Pellistoren können durch H₂S vergiftet werden, benötigen Sauerstoff und sind unspezifisch gegenüber brennbaren Gasen.
Welche Alarmschwellen sind bei UEG-Überwachung üblich?
Voralarm bei 20 % UEG (0,88 Vol.-% CH₄) und Hauptalarm bei 40 % UEG (1,76 Vol.-% CH₄). Bei Überschreitung werden Lüftungsmaßnahmen aktiviert bzw. Prozesse gestoppt.
Muss der Gasanalysator ATEX-zertifiziert sein?
Bei extraktiver Probenahme nicht. Der Analysator wird außerhalb der Ex-Zone installiert. Entscheidend ist eine ATEX-zertifizierte Inline-Flammsperre (EN ISO 16852) am Zonenübergang.
Wie oft muss der GA210 kalibriert werden?
Der GA210 führt automatisch einmal täglich einen Nullpunktabgleich mit Umgebungsluft durch – Dauer ca. 2 Minuten, vollautomatisch oder extern triggerbar über SPS. Zusätzlich empfehlen wir eine regelmäßige Endwertprüfung mit Prüfgas – das Intervall richtet sich nach den betrieblichen Sicherheitsanforderungen.
Ist das extraktive System schnell genug für die UEG-Überwachung?
Ja. Die Analysator-Tₐ₀ beträgt ca. 3 Sekunden. Selbst mit 40 m Probenahmeleitung und der leistungsstarken internen Pumpe (4 l/min) bleibt die System-Ansprechzeit deutlich unter 30 Sekunden – und erfüllt damit komfortabel die Anforderungen der EN 60079-29-1. Zum Vergleich: In-situ-Pellistorsensoren haben typische Tₐ₀-Zeiten von 10–30 Sekunden, bieten aber keine Selektivität und keine H₂S-Resistenz.
Welche Messgasaufbereitung ist notwendig?
Unverzichtbar: PTFE-Messgasleitung (bis 40 m), zweistufige Filterung (Sondenfilter + Messgasfilter) und ATEX-Flammsperre. Bei hoher Feuchte empfehlen wir eine Messgas-Begleitheizung. Optional kann ein Messgaskühler mit Kondensatabscheider eingesetzt werden.
Wie schnell reagiert das System auf einen Methananstieg?
In einer großvolumigen Schlammhalle steigt die CH₄-Konzentration auch bei einem plötzlichen Ausgasungsereignis über Minuten, nicht Sekunden. Die System-Ansprechzeit des GA210-Extraktivsystems liegt bei wenigen Sekunden bis maximal ca. 20 Sekunden (bei 40 m Leitung) – damit erkennt das System einen Konzentrationsanstieg weit bevor ein kritisches Niveau erreicht wird.
