Wie Sie kostspielige flüchtige Emissionen mithilfe von zertifizierten Ventilen reduzieren

Wie Sie kostspielige flüchtige Emissionen mithilfe von zertifizierten Ventilen reduzieren

Sean Hunsicker, Market Manager, Swagelok

Flüchtige Emissionen sind zwar ein noch relativ neues, aber dennoch wichtiges Thema in chemischen Verfahrensanlagen und Raffinerien. Ohne entsprechende Vorkehrungen können sich solche Emissionen schnell auf die Profitabilität Ihres Unternehmens auswirken. Zudem sind zur Einhaltung bestehender Emissionsvorschriften möglicherweise Änderungen in Ihrer Supply Chain bzw. an Ihren Projekten erforderlich. Vor dem Hintergrund, dass staatliche Behörden wie beispielsweise die US-amerikanische Environmental Protection Agency (EPA) und Unternehmen zunehmend Vereinbarungen zur Eindämmung von flüchtigen Emissionen treffen und auch in Deutschland neben der TA-Luft die DIN EN ISO 15848-1 im Hinblick auf flüchtige Emissionen immer mehr an Bedeutung gewinnt , ist dies der ideale Zeitpunkt, um sich auf den neuesten Kenntnisstand zu diesem Thema zu bringen.

In diesem Artikel gehen wir auf alles Wissenswerte rund um flüchtige Emissionen ein. Es macht also keinen Unterschied, ob Sie neu in dieses Thema einsteigen oder bereits über einen umfassenden Erfahrungsschatz verfügen und sich nun einen Überblick über die besten Methoden zur Kostensenkung verschaffen möchten.

Was sind flüchtige Emissionen?

Bei flüchtigen Emissionen handelt es sich um diffuse Emissionen , in diesem Fall um die Freisetzung von Gasen aus Prozessausrüstungsteilen, die hauptsächlich auf unerwünschte Leckagen zurückgehen. Insbesondere flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds – VOC) wie Benzol, Methan und Ethanol stellen hierbei ein großes Problem dar. Da VOC die Luftqualität beeinträchtigen und zur Ozonbildung beitragen, haben Regierungsbehörden gesetzliche Grenzwerte für flüchtige Emissionen festgelegt. Bei einer Verletzung dieser Vorschriften ist mit erheblichen Strafzahlungen zu rechnen.

Dynamische und statische Dichtungen an Ventilen, Pumpen und Flanschverbindungen zählen zu den häufigsten Stellen für die Freisetzung von flüchtigen Emissionen. So gehen schätzungsweise ca. 62 % aller diffusen VOC-Emissionen auf Ventile zurück. Aus diesem Grund setzen viele Anlagenbetreiber auf spezielle Ventile, mit denen flüchtige Emissionen nachweislich reduziert werden.

Anerkenntnisurteile der EPA

Eine wichtige Aufgabe der EPA besteht darin, Unternehmen bei der Einhaltung der aktuellen Umweltschutzbestimmungen, -gesetze und -vorschriften zu unterstützen. Hierzu zählen beispielsweise der Clean Water Act und der Clean Air Act. Generell wird eine freiwillige Umsetzung durch die Unternehmen angestrebt. Im Falle einer Zuwiderhandlung bzw. Verletzung leitet die EPA allerdings auch rechtliche Schritte ein. Der EPA stehen hierfür verschiedene Durchsetzungsmaßnahmen zur Verfügung. Bei chemischen Anlagen und Raffinerien wird jedoch häufig auf Anerkenntnisurteile zurückgegriffen.

In der Regel wird in einem solchen Anerkenntnisurteil schriftlich festgehalten, welche Maßnahmen der Anlagenbetreiber in welchem Zeitrahmen umsetzen muss, um die Einhaltung der geltenden Umweltschutzbestimmungen sicherzustellen. Im Falle einer Nichteinhaltung muss der Beklagte mit zivilrechtlichen Strafen, wie hohen Bußgeldzahlungen, rechnen. Eine Anhäufung von Bußgeldern gilt als Zuwiderhandlung gegen das Anerkenntnisurteil und kann weitere rechtliche Konsequenzen nach sich ziehen. Es gibt viele unterschiedliche Methoden zur Eindämmung von flüchtigen Emissionen. In einigen Anerkenntnisurteilen wird beispielsweise gefordert, dass in der Anlage ein erweitertes Programm zur Leckageerkennung und -reparatur (Leak Detection and Repair – LDAR) umgesetzt wird und ausschließlich Ventile für geringe flüchtige Emissionen verwendet werden.

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Erweiterte LDAR-Programme und Ventile für geringe flüchtige Emissionen

Mit erweiterten LDAR-Programmen wird das Ziel verfolgt, die regelmäßigen Leckageerkennungs- und Überwachungsmethoden der EPA nachzubilden. Bei Ventilen umfasst der EPA-Audit sowohl die Überprüfung der schriftlichen Dokumentation als auch der Emissionen an den Ventilen direkt vor Ort. Anlagen mit einem solchen LDAR-Programm setzen vorrangig die folgenden Methoden zur Senkung von flüchtigen Emissionen ein:

• Umsetzung eines umfassenden Maßnahmenplans, in dessen Rahmen Leckagen durch eine Prüfung von Ventilen und anderen Verbindungen anhand der Methode 21 der EPA ermittelt werden
• Ermittlung, Dokumentation und Reparatur von Leckagen innerhalb eines festgelegten Zeitraums
• Verringerung der zulässigen Leckagegrenzwerte an Ventilen, Verbindungen und Pumpen

Eine weitere Anforderung besteht darin, dass alle künftig neu beschafften Ventile (im Rahmen von Instandhaltungs-, Reparatur- und Betriebsabläufen sowie neuen Projekten) auf reduzierte flüchtige Emissionen ausgelegt sein müssen. In vielen Anerkenntnisurteilen der EPA bleibt es allerdings dem betreffenden Unternehmen überlassen, wie genau solche Ventile für geringe flüchtige Emissionen definiert werden. In der Regel gibt es mehrere Methoden, mit denen ein Ventil entsprechend eingestuft werden kann. Es liegt im Ermessen des Anlagenbetreibers, ob die folgenden Herstellerangaben zu den betreffenden Ventilen hierfür herangezogen werden:

• Schriftliche Garantie, dass bei dem Ventil eine Leckage von mehr als 100 ppm über einen Zeitraum von fünf Jahren ausgeschlossen ist
• Schriftliche Garantie, Zertifikat oder vergleichbares Dokument zum Nachweis, dass das Ventil nach allgemein anerkannten Regeln der Technik getestet wurde und eine Leckagerate von weniger als 100 ppm aufweist

Da es mitunter nicht ganz einfach ist, den genauen Unterschied zwischen diese beiden Möglichkeiten nachzuvollziehen, finden Sie im Folgenden eine Übersicht über die Vor- und Nachteile der beiden Optionen.

Schriftliche Garantie des Herstellers

Die schriftliche Herstellergarantie ist eine scheinbar einfache Lösung zum Nachweis, dass in einer Anlage Ventile für geringe flüchtige Emissionen zum Einsatz kommen. Mit dieser Garantie gewährleistet der Hersteller, dass eine Leckage von mehr als 100 ppm über einen Zeitraum von fünf Jahren ausgeschlossen ist. Für den Fall, dass es dennoch zu einer Leckage kommt, sollten jedoch die Auswirkungen einer solchen Ventilleckage entsprechend berücksichtigt werden. Welche Ausgleichsmaßnahmen werden für eine mögliche Leckage getroffen? Ist die Garantie lediglich auf den Austausch des undichten Ventils beschränkt? Sind die für den Ventilaustausch anfallenden Kosten erstattungsfähig?

Bei der Nichteinhaltung von Anerkenntnisurteilen kommen auf Unternehmen in der Regel finanzielle Geldstrafen zu, die nicht außer Acht gelassen werden sollten. Diese können sich auf bis zu 10.000 US-Dollar pro Vorfall und Tag belaufen. Was passiert, wenn aufgrund eines undichten Ventils ein Bußgeld von der EPA verhängt wird? Kann der Anlagenbetreiber die anfallenden Kosten beim Ventilhersteller geltend machen?

Bei einer alleinigen Berufung auf die Herstellergarantie setzt sich der Anlagenbetreiber allerdings dem Risiko aus, dass die vom Hersteller bereitgestellten Ventile entweder beabsichtigt oder unbeabsichtigt eine höhere Leckagerate als 100 ppm aufweisen. Gerade wenn Prüfmethoden zur Bestimmung der erforderlichen Leckagerate eines Ventils vorliegen, birgt eine Herstellergarantie alleine einfach zu viele Unsicherheiten für Anlagenbetreiber.

Emissionsprüfungen

In vielen Anerkenntnisurteilen der EPA wird schriftlich festgehalten, dass der Ventilhersteller eine Garantie vorlegen kann, dass das Ventil nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik getestet wurde und eine Leckagerate von maximal 100 ppm aufweist. Diese „allgemein anerkannten Regeln der Technik“ können dabei von Anlagenbauern und Umwelttechnikern unterschiedlich ausgelegt werden – z. B. kann die Prüfung des Herstellers in gutem Glauben erfolgen oder auf den tatsächlichen Prozessbedingungen basieren. Bei einer Prüfung durch den Hersteller muss der Anlagenbetreiber gewisse Risiken in Kauf nehmen. Außerdem können so auch Unsicherheiten bei der Ermittlung entstehen, ob die Ventile tatsächlich zu geringeren flüchtigen Emissionen beitragen.

Glücklicherweise haben das American Petroleum Institute (API) und die Internationale Organisation für Normung (ISO) branchenweit geltende Prüfungen entwickelt, die eine entsprechende Klassifizierung von Ventilen regeln.

• API STD 624 (Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions – nur auf Englisch verfügbar) beschäftigt sich mit der Prüfung von Absperrventilen mit geradem Durchgang. Als Prüfmedium wird Methan verwendet. Das Ventil muss über 310 Zyklen und drei thermische Zyklen (Prüfung bei Umgebungstemperatur, erhöhter Temperatur und anschließend wieder bei Umgebungstemperatur) eine Leckagerate von unter 100 ppm Methan aufweisen.
• API STD 641 (Type Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emissions – nur auf Englisch verfügbar) spezifiziert die Prüfung von Kugelventilen. Auch hier kommt Methan als Prüfmedium zum Einsatz. Alle nach diesem Standard getesteten Ventile müssen über 610 Zyklen und drei thermische Zyklen eine Leckagerate von unter 100 ppm Methan aufweisen.
• ISO 15848-1 (Industriearmaturen – Mess-, Prüf- und Qualifikationsverfahren für flüchtige Emissionen) gibt einen Überblick über die Vorgehensweisen und Anforderungen zum Nachweis der mechanischen sowie der Temperaturbeständigkeit von Ventilen im Rahmen von Leckageprüfungen an unterschiedlichen Punkten. In diesem Standard werden sowohl Methan als auch Helium als Prüfmedien eingesetzt.

Bei den API-Prüfungen gibt es lediglich die beiden Möglichkeiten bestanden oder nicht bestanden. Bei Bestehen wird das Ventil entsprechend als Ventil für geringere flüchtige Emissionen klassifiziert. Bei der Beschaffung von Ventilen sollte allerdings beachtet werden, dass es nach dem ISO-Standard verschiedene Einstufungen gibt, in die die Ventile je nach Prüfergebnis eingeordnet werden. Gemäß ISO ist es demnach möglich, dass ein für geringere flüchtige Emissionen eingestuftes Ventil die EPA-Anforderung von maximal 100 ppm nicht einhält. Für Dichtheitsklasse CM ist beispielsweise eine Leckagerate zwischen 100 ppm und 500 ppm Methan definiert.

Darüber hinaus gibt es in der ISO-Norm keine Korrelation zwischen den Dichtheitsklassen für das Prüfmedium Helium (Klassen AH, BH und CH) und den Klassen für das Prüfmedium Methan (Klassen AM, BM und CM). Das liegt unter anderem daran, dass die Ergebnisse für die verschiedenen Medien unterschiedlich ausfallen. Wenn die Prüfung mit Helium anstelle von Methan durchgeführt wird, wird die Leckagerate proportional zum Kegeldurchmesser angegeben. Die Durchflussrate bei atmosphärischem Druck wird dabei in Kubikzentimetern pro Sekunde angegeben (atm-cm3/s). Dieser Wert spiegelt eher die Leckagerate als eine gemessene Konzentration in ppm wider. Allerdings gibt es keine Methode zur Umrechnung von atm-cm3/s in ppm. Aus diesem Grund lässt sich bei Prüfungen mit Helium nicht auf den ersten Blick erkennen, ob die EPA-Anforderung von „100 ppm oder weniger“ eingehalten wird.

Im Idealfall sollten diese Prüfungen in einem unabhängigen Testlabor und nicht direkt vom Hersteller selbst durchgeführt werden. Wenn der Ventilhersteller mit einem Prüflabor zusammenarbeitet, wird die Einhaltung der geltenden Normen durch einen unabhängigen Dritten nachgewiesen. Der Ventilhersteller sollte die Zertifizierung anschließend in die Ventildokumentation aufnehmen und dabei auch das Siegel des unabhängigen Prüflabors, den Ort der Prüfung sowie die Prüfergebnisse angeben.

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Frühzeitige Berücksichtigung von Emissionsvorschriften

Ob es um die Auslegung eines neuen Systems oder die Verbesserung Ihres LDAR-Programms geht – mit zertifizierten Ventilen bekommen Sie flüchtige Emissionen im Handumdrehen in den Griff. Durch die frühzeitige Spezifizierung und Verwendung von zertifizierten Ventilen beugen Sie einer kostspieligen Nachrüstung zur Einhaltung von Umweltschutzvorschriften vor. Zudem stellen Sie so sicher, dass Sie im Hinblick auf Best Practices zum Umweltschutz stets auf dem neuesten Stand sind. Mit klaren Regeln und Vorgehensweisen zu Ventilen für den Einsatz bei flüchtigen organischen Verbindungen schützen Sie somit gleichzeitig die Umwelt sowie Ihre betriebliche Integrität.

Weitere Informationen zum Umgang mit flüchtigen Emissionen bzw. zur Vermeidung künftiger Leckagen finden Sie in unserem Blogbeitrag zur Reduzierung von Leckagen in Raffinerien. Bei der Auswahl der passenden Lösungen zur Reduzierung von flüchtigen Emissionen in Ihrem Betrieb stehen Ihnen unsere erfahrenden Fluidsystemexperten gerne zur Seite. Erfahren Sie mehr über die Evaluierungs- und Beratungsservices von Swagelok.

Darüber hinaus bietet Swagelok ein umfassendes Produktportfolio an Prozess- und Instrumentierungsventilen sowie Kugel-, Nadel-, Absperr- und Entlüftungsventilen, die auf die Reduzierung von flüchtigen Emissionen ausgelegt sind und die Anforderungen nach API-Standards ohne auslegungsbedingte Änderungen einhalten (d. h. die maximale Leckagerate bei den Prüfungen betrug 100 ppm). Wenn Sie eines der Produkte in Ihren Fluidsystemen einsetzen möchten, wenden Sie sich jederzeit gerne an Ihr zuständiges Vertriebs- und Servicezentrum. Hier erhalten Sie entsprechende Zertifikate sowie Antworten auf sämtliche Fragen in diesem Zusammenhang.

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