Numerische Untersuchung zur Leistung eines Zwangsbelüftungssystems bei Wasserstoffleckage in einem unterirdischen Wasserstoff-Geräteraum

Unterirdischen Wasserstoff sicher halten

Wasserstoff wird oft als sauberer Kraftstoff der Zukunft gepriesen, ist aber auch sehr brennbar und sehr leicht, wodurch er bei einem Innenraumleak unter Decken sammeln kann. Wenn Städte Wasserstoffanlagen und Tankstellen unter die Erde verlegen, um Platz zu sparen und die Sicherheit auf Straßenniveau zu verbessern, stellt sich eine drängende Frage: Wie verhindert man, dass ausgelaufener Wasserstoff in engen unterirdischen Räumen explosionsfähige Konzentrationen erreicht? Diese Studie nutzt detaillierte Computersimulationen, um zu untersuchen, wie effektiv verschiedene Lüfter- und Lufteinlasskonfigurationen ausgelaufenen Wasserstoff aus einem kompakten unterirdischen Geräteraum entfernen.

Warum Wasserstoffsysteme unter die Erde verlegen?

Überirdische Wasserstoffstationen müssen von Wohnhäusern, Schulen und anderen Gebäuden durch großzügige Sicherheitsabstände getrennt werden. In dicht bebauten Städten sind große freie Flächen für solche Anlagen schwer zu finden, was die Verbreitung wasserstoffbetriebener Mobilität verlangsamt. Die Verlagerung wichtiger Anlagen unter die Oberfläche kann die Auswirkung einer möglichen Druckwelle auf benachbarte Gebäude verringern und die Platzierung von Betankungspunkten erleichtern. Unterirdische Standorte eliminieren jedoch natürliche Luftbewegungen und setzen strukturelle Grenzen dafür, wie viele Öffnungen in Wände und Decken geschnitten werden können. Die Autor:innen konzentrieren sich auf einen realistisch kleinen Betonraum von nur wenigen Metern Kantenlänge, um zu untersuchen, wie sich Wasserstoff bei einem Leck ausbreiten würde und wie Zwangsbelüftung ihn wieder verdrängen kann.

Wie das Leck und die Belüftung am Computer getestet wurden

Das Team erstellte ein dreidimensionales Modell eines unterirdischen Raums mit einer Wasserstoffdüse am Boden, einem kleinen seitlichen Entlüftungsöffnungs nahe dem Fußboden, einem größeren Haupt-Lufteinlass und einem oder zwei Abluftventilatoren in Deckenhöhe. Mit kommerzieller Strömungssoftware simulierten sie, wie Wasserstoff aus dem Boden nach oben strömt und sich mit ruhender Luft mischt, und wie er später entfernt wird, wenn die Ventilatoren eingeschaltet werden. Neun »Was-wäre-wenn«-Fälle variierten drei Hauptfaktoren: wie viele Ventilatoren liefen, ob der Haupt-Lufteinlass offen oder geschlossen war und wie schnell Wasserstoff austrat. Die Simulationen verfolgten, wie sich die Wasserstoffkonzentration an vielen Punkten im Raum änderte und, wichtig, wie lange es dauerte, bis der Mittelwert kritische Sicherheitsgrenzwerte in Bezug auf Brennbarkeit überschritt.

Was passiert, wenn Wasserstoff innen austritt

In allen Leckfällen zeigte sich dasselbe Muster: Wasserstoff schoss als schmaler Strahl nach oben, traf die Decke und breitete sich dann seitlich aus, wobei sich eine Gasschicht bildete, die allmählich dicker wurde und nach unten kroch. Punkte auf gleicher Höhe zeigten ähnliche Konzentrationen, während höhere Bereiche zuerst gefährlich wurden. Bei realistischen Leckraten gerieten große Teile des Raums in weniger als einer Minute in einen deutlich brennbaren Bereich, und ohne eingeschalteten Ventilator überschritt ein großer Teil des Raums innerhalb von fünf Minuten 10 Prozent Wasserstoff. Ein geöffneter Anschluss nach draußen brachte zwar etwas natürliche Entlastung, reichte aber nicht aus, um die Werte sicher unter der unteren Zündgrenze zu halten.

Wie Lüfteranordnungen die Sicherheitsmargen verändern

Als die Forschenden nach einem Leck Zwangsbelüftung einschalteten, machten die Details von Lüfter- und Öffnungsanordnung einen deutlichen Unterschied. War der Haupt-Lufteinlass geschlossen, beschleunigte selbst das Hinzufügen eines zweiten Abluftventilators die Verdünnung nur mäßig. Im Gegensatz dazu verkürzte das Öffnen des Haupt-Lufteinlasses, so dass Frischluft frei einströmen konnte, die Zeit, die benötigt wurde, damit der Wasserstoff in Deckenhöhe unter die Brennbarkeitsgrenze fiel, um etwa 75 bis 90 Prozent. Das Platzieren von Ein- und Auslass an derselben Wand funktionierte besser als gegenüberliegende Anordnungen, da ungünstige Layouts stagnante Taschen in der Nähe einer Deckenvorspringung erzeugten, in denen Wasserstoff verweilte. Unter den besten Konfigurationen sank der obere Teil des Raums in nur wenigen Sekunden unter die brennbare Konzentration; bei schlechten Konfigurationen konnte es mehr als eine Minute dauern.

Ein einfaches Faustregel-Werkzeug

Neben den detaillierten Simulationen entwickelten die Autor:innen ein einfaches mathematisches Modell, das den gesamten Raum so behandelt, als sei das Gas perfekt vermischt. Dieses Modell verwendet nur Raumvolumen, Leckrate sowie Ein- und Ausblasraten der Ventilatoren, um abzuschätzen, wie der mittlere Wasserstoffgehalt über die Zeit ansteigt und abfällt. Wenn sich der simulierte Raum relativ gleichmäßig verhielt – ohne starke Konzentrationsunterschiede oder Taschen – sagte das einfache Modell die Zeit bis zum Erreichen oder Unterschreiten der Brennbarkeitsgrenzen auf etwa 7 Prozent genau voraus. In Fällen mit starker Schichtung oder stagnanten Zonen wuchs der Fehler auf rund 15 Prozent, lieferte aber dennoch eine brauchbare erste Abschätzung. Das macht das Modell während der frühen Entwurfsphase nützlich, während detaillierte Simulationen für die abschließenden Prüfungen vorbehalten bleiben sollten.

Was das für unterirdische Wasserstoffräume bedeutet

Für Planer von unterirdischen Wasserstoff-Geräteräumen ist die Botschaft der Studie klar: Die Anordnung der Öffnungen kann genauso wichtig sein wie — oder wichtiger sein als — die Leistung Ihrer Ventilatoren. Ein großzügig bemessener Frischlufteinlass und dessen abgestimmte Platzierung in Relation zum Abluftventilator — idealerweise an derselben Seite und so ausgerichtet, dass er über Bereiche fegt, in denen sich Wasserstoff sammelt — kann die Zeit, in der sich der Raum in einem brennbaren Zustand befindet, um bis zu 90 Prozent verkürzen. Die Autor:innen zeigen, dass mit durchdachter Geometrie und moderaten Ventilatorvolumenströmen unterirdische Räume strenge Wasserstoffsicherheitsziele erfüllen können, ohne große, strukturell schwächende Öffnungen in Wände und Decken schneiden zu müssen.

Zitation: Shin, HC., Hwang, I. & Seo, H. Numerical study on the performance of a forced ventilation system under hydrogen leakage in an underground hydrogen equipment room. Sci Rep 16, 10782 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43773-5

Schlüsselwörter: Wasserstoffsicherheit, unterirdisches Betanken, Belüftungsdesign, Gasausbreitungsleck, Computational Fluid Dynamics