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ExpertenNetzwerk  Chemikalien-Anlagen-Arbeit  Sicherheit

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Prof. Ursula Stephan  -  Prof. Ulrich Hauptmanns  -  Dr. Jürgen Herrmann

Wissen / Informationen

Anlagen(-sicherheit) und Technik


Methoden der Probabilistik

Bei Störfällen in technischen Systemen handelt es sich um seltene Ereignisse. Deshalb lässt sich ihr Risiko im allgemeinen nicht direkt aus der Betriebserfahrung ableiten und dann auf die Zukunft zu übertragen, wie dies beispielsweise bei der Abschätzung der Anzahl zu erwartender Arbeitsunfälle möglich ist. Stattdessen werden technische Risiken üblicherweise nach einer Vorgehensweise ermittelt, die man Risikoschätzung anhand von Detailkenntnissen nennt.


      Probabilistik


Zum Thema Risikomanagement, Risikostudien, Gefahrenanalysen, Angemessene Abstände (KAS 18), u. a. bietet Ihnen ExpertenNetzwerk Chemikalien-Anlagen-Arbeit Sicherheit individuelle Beratung durch Experten vor Ort an.

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  Literaturhinweise (nur Beispiele)

/1/ Hauptmanns, U., Herttrich, M. und W. Werner:   Technische Risiken - Ermittlung und Beurteilung,  Berlin und Heidelberg 1987, und
Hauptmanns, U. and W. Werner:   Engineering Risks - Evaluation and Valuation, Springer-Verlag, Berlin 1991
/2/ Bundesamt für Strahlenschutz (Hrsg.):   Facharbeitskreis Probabilistische Sicherheitsanalyse für Kernkraftwerke,  Methoden zur probabilistischen Sicherheitsanalyse für  Kernkraftwerke, Dezember 1996, BfS-SCHR-37/05, August 2005
/3/  Analysetechniken für die Funktionsfähigkeit von Systemen - Verfahren für die Fehlzustandsart- und -auswirkungsanalyse (FMEA), DIN EN 60812:2006-11
/4/ Risikobegrenzung in der Chemie PAAG-Verfahren (HAZOP)
Internationale Sektion der IVSS für die Verhütung von Berufsunfällen und Berufskrankheiten in der chemischen Industrie,  Heidelberg 1990
/5/ Ereignisablaufanalyse - Verfahren, graphische Symbole und Auswertung, DIN-25419 (1985)
/6/ Fehlerbaumanalyse,  DIN 25424,    Teil 1, Methode und Bildzeichen; September 1981,   Teil 2, Handrechenverfahren zur Auswertung eines Fehlerbaums, April 1990
/7/ Lees, F.P.: Loss Prevention in the Process Industries, Vols. 1-3, Oxford 1996
/8/ Bottelberghs, P.H.: Risk analysis and safety policy developments in the Netherlands, Journal of Hazardous Materials 71 (2000), 59-84
/9/ Bridges, W.G., Dowell, A.M.,III, Gollin, M., Greenfield, W.A., Poulsen, J.M., and W. Turetzky: Layer of Protection Analysis: Simplified Process Risk Assessment, Center for Chemical Process Safety, AIChE, New York, N.Y. 2001
/10/ Hauptmanns, U.: Probabilistische Methoden in der Anlagensicherheit und ihr Anwendungspotenzial, Chemie Ingenieurtechnik 2009, 81, No. 1-2, 1-11
/11/ Arnold, J. und A. Niehoff: Vergleichendes Gutachten: Praxis bei der Ermittlung von Risiken in Betrieben nach der Seveso-II-Richtlinie in Europa und entsprechenden Betrieben in Nordamerika, DNV Consulting, Essen 2005

Technische Risikoanalysen

Bild 1 zeigt den Ablauf einer technischen Risikoanalyse, ausgehend vom auslösenden Ereignis bis hin zur Ermittlung von Schaden und Risikozahlen.

















Bild 1: Schematische Darstellung der Risikoermittlung (aus /1/)


Die Methodik der probabilistischen Risikoanalyse (PRA) oder QRA (quantitative Risikoanalyse) wird z.B. in /1/ und /2/ im Detail dargestellt; hier wird sie nachfolgend kurz umrissen.
Man unterscheidet vier Schritte:

  1. Ereignisabläufe
  1. Merkmale
  2. Expositionsabläufe
  1. Schaden und Risiko


Der erste Schritt  „Ereignisabläufe“ befasst sich mit denkbaren Ereignisabläufen, auch Szenarien genannt, und der Ermittlung der zugehörigen erwarteten Häufigkeiten (Beispiel: Chlorfreisetzung durch Rohrversagen infolge Überdrucks mit einem Erwartungswert der Häufigkeit (erwartete Häufigkeit) von 10-6 a-1). Ausgangspunkt sind dabei auslösende Ereignisse, die in der Regel im Versagen einer betrieblichen Komponente bestehen (hier: Komponentenausfall, der den Überdruck verursacht hat).

Der zweite Schritt „Merkmale“ beinhaltet die Anfangs- und Randbedingungen für die Aus­wirkungen des Ereignisablaufs auf Beschäftigte und Bevölkerung (Beispiel: Leckquerschnitt: 10 cm2, Freisetzungshöhe 10 m), die sinnvollerweise zu Kategorien (Leckagen, Brand etc.) zusam­men­gefasst werden. Dabei sind die Randbedingungen normalerweise stochastischer Natur, d.h. man kann allenfalls angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit das vorangehend charakterisierte Leck eintritt. Diese wird in der Regel nicht gleich 1 sein, wie man bei der deterministischen Vorgehensweise unterstellt. Andere Leckgrößen und -lagen sind selbstverständlich möglich.

Diese beiden Schritte stellen die anlagentechnische Untersuchung dar. Diese erfolgt zunächst qualitativ, wozu Methoden wie Ausfalleffektanalyse /3/ und das HAZOP/PAAG /4/ heran­gezo­gen werden. Das Ergebnis der Untersuchung wird dann in Form von Ereignisablauldiabrammen /5/ und Fehlerbäumen /6/ dargestellt. Dabei werden die Ereignisverkettungen, die zu den ver­schiedenen Endunkten der Ereignisabläufe (z.B. Leckagen unterschiedlicher Größe) systematisch aufgeführt, so dass sie anschließend mit Hilfe von Zuverlässigkeitskenngrößen für das Versagen technischer Komponenten und menschliche Fehlhandlungen mit Wahrscheinlichkeiten belegt werden können. Ergebnis sind dann erwartete Häufigkeiten der einzelnen Kategorien des Bildes 1.

Endet die Untersuchung hier, so spricht man von einer probabilistischen Sicherheitsanalyse (PSA), deren hauptsächliches Ziel darin besteht, etwaige Schwachstellen in der Anlagenauslegung aufzufinden und sie wirkungsvoll und kostenbewusst zu beheben.

Zur probabilistischen Risikoanalyse (PRA) gelangt man, wenn auch die Abschätzung der Störfallfolgen, d.h. die nachfolgend aufgeführten Schritte, durchgeführt werden.

Der dritte Schritt „Expositionsabläufe“ beschreibt, wie das schädliche Agens (hier: Chlor) auf das Schutzgut einwirkt (Beispiel: Ausbreitungsrechnung mit dem Ziel, festzustellen, wie viele Menschen in der Umgebung für welche Zeit welchen Chlorkonzentrationen ausgesetzt sind; dabei können Maßnahmen wie der Verbleib in Gebäuden oder Evakuierung berücksichtigt werden).

Der vierte Schritt „Schaden und Risiko“ beinhaltet zunächst den Schaden, d.h. die Auswirkungen des Störfalls (Beispiel: x Tote infolge der Chlorexposition, y Fälle schwerer Chlorakne).

Zur Ermittlung des Risikos werden dann Schaden und erwartete Eintrittshäufigkeit miteinander verbunden (Beispiel: x.10-6 a-1 Tote infolge Chlorfreisetzung, y.10-6 a-1 Fälle schwerer Chlorakne).

Die Ermittlung der Störfallfolgen erfordert die Modellierung zahlreicher Phänomene, wie Ausström­vorgänge (auch zweiphasige und mehrerer Komponenten), atmosphärische Ausbreitung oder Wärmestrahlung von Bränden. Hinzu kommen Beziehungen, welche die Intensität der Exposition des Menschen oder der Umwelt in Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Schadens­umfänge umrechnen. Dazu werden häufig Probit-Beziehungen („Probability Integral“) herangezogen (vgl. /7/).

Die verwendeten Rechenmethoden sind diejenigen, die auch in der deterministischen Analyse benutzt werden. Der Unterschied besteht darin, dass stochastische Randbedingungen, die realitätsnäher sind, für die Rechnungen verwandt werden. Beispielsweise wird anstelle einer festgelegten Leckgröße ein ganzes Spektrum behandelt, wobei den unterschiedlichen Größen entsprechende Eintrittshäufigkeiten zugeordnet werden. Oder statt eine bestimmte Wetterlage der Ausbreitung toxischer Stoffe zu Grunde zu legen, werden verschiedene mit ihren ent­sprech­enden Eintrittswahrscheinlichkeiten berücksichtigt. Dies ist sinnvoll, da ja der Moment der Frei­setzung und die dann vorherrschende Wetterlage, nicht im Voraus bekannt sind.

Die vorangehend skizzierten Analysen kommen auch nicht ganz ohne Festlegungen und Vereinfachungen aus, wie dies bei deterministischen Analysen unabdingbar ist. Allerdings ist ihre Anzahl wesentlich geringer; ihr Umfang hängt dann davon ab, ob unterschiedliche Schwerpunkte oder unterschiedliches Detail den Analysen zu Grunde gelegt werden.
Man unterscheidet:

Detaillierte Risikoanalysen

Die detaillierte Risikoanalyse ist die aufwendigste Analyseform. Bei ihr werden Anlagentechnik und Störfallfolgen im Einzelnen untersucht, wodurch ein profundes Verständnis für mögliche Störfälle und ihre Auswirkungen innerhalb und außerhalb der Anlage erarbeitet wird.

Risikobasierte Analysen

Der Schwerpunkt risikobasierter Analysen liegt auf den Störfallfolgen. Anlagentechnik und Sicherheitskultur gehen dabei nicht oder kaum in die Untersuchung ein. Vielmehr wird ein in Klassen unterteiltes Versagen (z.B. großes Leck an einer Kolonne, katastrophales Versagen der Kolonne) direkt mit einer erwarteten Eintrittshäufigkeit belegt. Eine solche Vorgehensweise ist Teil des niederländischen Genehmigungsverfahrens (vgl. /8/).

Detaillierte probabilistische Sicherheitsanalyse

Eine detaillierte PSA gestattet es dem Betreiber, ein umfassendes Bild von der Sicherheit der Auslegung und des Betriebs seiner Anlagen zu gewinnen. Er erhält Hinweise zur Verbesserung oder eine Bestätigung des Vorhandenen. Die Störfallfolgen werden nicht betrachtet.

LOPA

Bei der halb quantitativen Vorgehensweise LOPA (Layer of protection analysis) /9/ werden sämtliche Schritte einer Risikoanalyse in Grobform („screening“ Analyse) behandelt. Die Vorgehensweise beruht auf dem Grundgedanken der Ereignisablaufanalyse /5/. Bei ihr werden den auslösenden Ereignissen (z.B. Ausfall einer Kühlmittelpumpe) generische Eintrittshäufigkeiten zugewiesen. Gleiches gilt für die Nichtverfügbarkeiten der Schutzbarrieren, mit denen die auslösenden Ereignisse beherrscht werden sollen (z.B. Begrenzungs- und Abschaltsysteme). Diese Barrieren müssen voneinander unabhängig sein. Um eine Risikoabschätzung durchzuführen, werden die erwarteten Eintrittshäufigkeiten unerwünschter Ereignisse (z.B. Freisetzung von Gefahrstoffen), die eintreten, nachdem die Barrieren des Systems versagt haben, mit kategorisierten Störfallfolgen verknüpft. LOPA gibt Abschätzungen der Größenordnung des Risikos, soll aber detailliertere Untersuchungen nicht ersetzen.

In Tabelle 1 werden mögliche Anwendungsbereiche der vorangehend skizzierten Methoden aufgeführt.

Entsprechend den unterschiedlichen Analyseformen können zu erfüllende Zielwerte angegeben werden. Für die probabilistische Anlagenuntersuchung wären dieses beispielsweise Nichtverfügbarkeiten einzelner technischer Systeme. Bei Risikountersuchungen wären maximal tragbare Individualrisiken bzw. ortsbezogene Risiken und Kurven für Kollektivrisiken anzugeben. Einen Überblick gibt /11/.

Zwei Gesichtspunkte müssen bei der Festlegung beachtet werden

1.   Risikogrenzwerte stellen eine Konvention dar, die in der Sicherheitsabteilung einer Anlage, einer Behörde oder im Parlament getroffen werden kann.

2.   Die Grenzwerte müssen unter Berücksichtigung der Annahmen bei der Analyse und der Unsicherheiten, mit denen die Beurteilung technischer Risiken unabänderlich verbunden ist, festgelegt werden.


Tabelle 1. Zusammenfassung der Vorschläge für Anwendungsbereiche verschiedener Ausprägungen probabilistischer Untersuchungen (aus /10/)






























  Stand 22.09.2015  UH


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