Vor einem Jahr wurde die libanesische Hauptstadt Beirut durch eine Explosion erschüttert, welche große Teile der Stadt verwüstete und zahlreiche Todesopfer sowie Verletzte forderte. Als Explosionsursache konnte bald darauf die Detonation von gelagertem Ammoniumnitrat (AN) identifiziert werden. Wie die folgende Aufzählung zeigt, war dies nicht das erste Ereignis in Verbindung mit AN [18, 21]:
- 2020 Beirut (Libanon): Explosion in einem Hafengebäude
- 2015 Tianjin (China): Explosion in einem Gefahrgutlager
- 2013 Texas (USA): Explosion in einer Düngemittelfabrik
- 2004 Ryongchon (Nordkorea): Zugunglück in einem Bahnhof
- 2001 Toulouse (Frankreich): Explosion in einer Chemiefabrik
- 1995 Oklahoma City (USA): Anschlag auf ein Regierungsgebäude
- 1947 Texas City (USA): Schiffsexplosion in einem Hafen
- 1947 Brest (Frankreich): Schiffsexplosion in einem Hafen
- 1921 Oppau (Deutschland): Explosion in einer Düngemittelfabrik
(Aufzählung nicht abschließend)
Die Ereignisse wurden in verschiedenen Publikationen aufgearbeitet und analysiert. Jedoch ist anzumerken, dass diese Veröffentlichungen unterschiedliche Zielsetzungen verfolgen (beispielsweise Ursachenermittlung oder Bestimmung der Auswirkungen). Dadurch ist es nur bedingt möglich, die Ereignisse anhand der vorhanden Berichte zu vergleichen, auch weil unterschiedliche örtliche, zeitliche und räumliche Bedingungen die Explosionen prägten.
Aufgrund der erkannten Problemstellung wurde in einem Masterprojekt der Technischen Hochschule Köln am Institut für Rettungsingenieurwesen und Gefahrenabwehr untersucht, ob Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei den Ammoniumnitrat-Ereignissen in Beirut (2020), Tianjin (2015), Toulouse (2001) und Oppau (1921) erkennbar sind.
Eigenschaften von Ammoniumnitrat
AN ist ein kristalliner Feststoff, welcher durch die Neutralisationsreaktion von Ammoniak (NH3) mit Salpetersäure (HNO3) entsteht:
NH3 + HNO3 –> NH4NO3
AN ist bei Raumtemperatur stabil und bei sachgemäßer Handhabung gehen keine Gefährdungen davon aus. Jedoch zersetzt sich der Stoff, je nach Temperatur, in unterschiedliche Reaktionsprodukte mit unterschiedlich starker Energiefreisetzung.
Hauptsächlich wird AN als Bestandteil in Düngemitteln und in technischen Sprengstoffen verwendet. Daher wird AN in zwei Klassen unterteilt, welche sich an der späteren Anwendung als Düngemittel oder Sprengstoff orientieren. Die chemische Zusammensetzung ist dabei identisch, Unterschiede finden sich nur in der Darreichungsform der Klassen. Zur landwirtschaftlichen Anwendung (fertilizer grade oder FGAN) wird AN oftmals in Pellets oder Granulat verpresst, welches die weitere Verwendung vereinfacht. Als Düngemittel versorgt AN die Pflanzen mit Stickstoff in Form von NH3. Bei technischen Anwendungen (technical grade oder TGAN) wird eine möglichst große Oberfläche angestrebt. Bei Sprengstoffen dient AN als Oxidationsmittel.
Ereignis Beirut
Das jüngste katastrophale Ereignis mit AN ereignete sich am 4. August 2020 gegen 18:00 Uhr Ortszeit in der libanesischen Hauptstadt Beirut. Dabei wurden weite Teile der Stadt verwüstet und es waren zahlreiche Tote und Verletzte zu beklagen.
Beirut liegt an der westlichen Landesgrenze des Libanons direkt am Mittelmeer. Aufgrund der Flüchtlingssituation im Nahen Osten ist es nicht möglich eine genaue Einwohneranzahl zu ermitteln. Jedoch schätzt das BMZ, dass ungefähr 4,4 Millionen Menschen im Großraum Beirut leben [6]. Beirut ist urban geprägt und das wirtschaftliche und kulturelle Zentrum des Landes. Die Explosion ereignete sich in einem Lagerhaus im Hafen der Stadt, welcher nördlich des Stadtkerns lokalisiert ist und unmittelbar an dicht bebaute Stadtteile angrenzt.
Aus mehreren Berichten des United Nations Office for the Coordination of Humanitarian Affairs (OCHA) geht hervor, dass die Anzahl der geschädigten Personen im Zeitraum vom 5. bis zum 25. August 2020 von circa 135 getöteten, 5000 verletzten und 100 vermissten Personen auf mehr als 180 getötete und 6500 verletzte Personen anstieg [19, 20].
Das GFZ hat die Explosion mit einer Magnitude von 3,5 auf der Richterskala bestimmt, wobei die Explosion noch in Zypern wahrgenommen werden konnte [10]. In einem Umkreis von 500 Metern um das Zentrum der Explosion wurden nahezu alle Gebäude zerstört, und in einem Radius von bis zu 1500 Metern schwere Schäden an den Gebäuden verursacht. Die Auswirkungen der Explosion beschädigten bis zu 3000 Meter entfernte Gebäude [7], darunter zahlreiche Krankenhäuser und medizinische Einrichtungen. Insgesamt wurden circa 200.000 Wohneinheiten und 40.000 Gebäude beschädigt, wovon circa 3000 stark beschädigt beziehungsweise zerstört wurden [20].
Der Ablauf der Explosion wurde von mehreren Quellen rekonstruiert. Aufgrund des noch ausstehenden Untersuchungsberichts liegt allerdings kein abschließend bestätigter Ereignisablauf vor. Jedoch kann vermutet werden, dass durch die ähnlichen Ergebnisse unterschiedlicher Untersuchungen der Ablauf ausreichend genau nachvollzogen werden kann.
Gemäß der Untersuchung von Pasman et al. wird das Ereignis auf eine Verkettung misslicher Umstände, welche sich über mehrere Jahre hingezogen haben, zurückgeführt. 2014 wurde AN beschlagnahmt, nachdem das transportierende Schiff aufgrund starker Beschädigungen nicht seetüchtig war und die Hafengebühren nicht zahlen konnte. Die Ladung von 2750 Tonnen AN wurde in Schüttgutsäcken in einem Lagerhaus eingelagert. Zusätzlich wurden zu einem späteren Zeitpunkt höchstwahrscheinlich auch Feuerwerkskörper und diverse andere brennbare Stoffe wie Öl, Kerosin und Zündschnüre dort eingelagert. Aufgrund der langen Lagerzeit ist anzunehmen, dass sich das AN veränderte, die Schüttgutsäcke beschädigt wurden und sich AN im Lagerhaus verteilte [16]. Zusätzlich wird vermutet, dass keine ausreichenden Sicherheitskontrollen in der mehrjährigen Lagerzeit erfolgten [21].
Das eigentliche Ereignis wird in den Untersuchungsberichten und den Medien als eine Abfolge mehrerer kleinerer Explosionen und einer darauffolgenden großen Detonation beschrieben. Es wird vermutet, dass durch Heißarbeiten an dem Lagerhaus ein Feuer ausbrach, welches die Feuerwerkskörper entzündete oder dass die Heißarbeiten selbst zur Entzündung der Feuerwerkskörper führten. Vermutlich zersetzte sich aufgrund der hohen Temperaturen das AN, welches die fatale Detonation zur Folge hatte [16].
Ereignis Tianjin
Am 12. August 2015 ereignete sich in Folge eines Feuers eine Explosion im Hafen der chinesischen Stadt Tianjin. Gegen 22:51 Uhr Ortszeit entzündete sich ein Seecontainer mit Cellulosenitrat (auch Nitrocellulose genannt), da das für die thermische Stabilität erforderliche Netzmittel (ein Wasser-Alkohol-Gemisch) ausgetrocknet war. Die Verdunstung wurde durch heiße Wetterbedingungen begünstigt und die damit einhergehende Instabilität des Cellulosenitrats führte zur thermischen Zersetzung. Aufgrund des damit verbundenen Druckanstiegs kam es zum Bersten des Containers und zu einer massiven Brandausbreitung, welche unter anderem 800 Tonnen Ammoniumnitrat erhitzte und zur chemischen Zersetzung brachte. Dadurch ereigneten sich zwei Explosionen, wobei auch weitere Stoffe, darunter Magnesium und Calciumnitrat, entzündet wurden [9].
Die Stadt Tianjin liegt im Norden der Volksrepublik China und ist circa 120 km von der Hauptstadt Peking entfernt. Die Explosionen ereigneten sich im Stadtteil Binhai, welcher circa 50 km außerhalb des Stadtzentrums liegt und in dem ungefähr 3.000.000 Einwohner leben. Binhai ist die Hafengegend von Tianjin und grenzt direkt an das Bohai-Meer an, welches Teil des Gelben Meeres ist. Die Explosionen ereigneten sich auf dem Firmengelände eines Logistikunternehmens für Gefahrgüter [2].
Infolge der beiden Explosionen entstanden auf dem Firmengelände zwei Krater, einer mit einem Durchmesser von 15 Metern und einer Tiefe von 1,1 Metern und ein weiterer mit einem Durchmesser von 97 Metern und einer Tiefe von 2,7 Metern. Tragischerweise wurden 165 Menschen getötet, weitere acht Menschen als vermisst gemeldet und anschließend für tot erklärt. Insgesamt wurden 798 Menschen verletzt [9].
In einem Radius von bis zu einem Kilometer wurden Gebäude vollständig beziehungsweise bis auf die Stahlverstärkungen zerstört. Container in diesem Bereich wurden zerrissen und durch die Luft gewirbelt. Bis zu einem Radius von zwei Kilometern stürzten Wände von Gebäuden ein und Fenster wurden zerstört [13, 22]. Je nach Topografie wurden Beschädigungen noch in einer Entfernung von bis zu 5,5 Kilometern festgestellt. Aufgrund der Erschütterung wurden in einer Entfernung von 13,3 Kilometern zerstörte Fenster und Türen gemeldet [22]. Insgesamt wurden 304 Gebäude, 12.428 Fahrzeuge und 7.533 Container zerstört. Des Weiteren wurde eine Vielzahl an Stoffen freigesetzt, welche unterschiedliche Luft‑, Wasser- und Bodenverunreinigungen verursachten [9].
Der Untersuchungsbericht der zuständigen Behörden ergab, dass mehrere Entscheidungsträger wissentlich unsichere und illegale Entscheidungen getroffen haben und demnach das Ereignis als “accountability accident” eingestuft wird. Maßgebliche Fehler waren der unsichere Umgang mit Cellulosenitrat und die illegale Lagerung von AN. Zusätzlich wurden Container mit unzureichendem Abstand und zu hoch gelagert. Aufgrund dessen wurden 171 Personen verschiedener Organisationen (betroffene Firma, Hafenverwaltung, Arbeitssicherheitsbehörde) verurteilt [9].
Ereignis Toulouse
Gegen 10:17 Uhr Ortszeit ereignete sich am 21. September 2001 eine Explosion in der französischen Stadt Toulouse. Die Ursache für das Ereignis konnte nicht abschließend geklärt werden und es bestehen verschiedene Theorien, wie es zur Explosion gekommen sein könnte.
Die meistdiskutierten Ursachen sind die Vermischung von deklassiertem1 AN mit Natriumdichlorisocyanurat, ein elektrischer Erdschluss mit einhergehendem Lichtbogen oder ein terroristischer Hintergrund (Anmerkung: Das Ereignis in Toulouse geschah zehn Tage nach den Anschlägen auf das World Trade Center in New York, ein möglicher Anschlag in Europa wurde zunächst nicht ausgeschlossen). In der vorliegenden Arbeit wird die versehentliche Vermischung von AN als Ursache thematisiert, welche von Fachkreisen [14] und der Justiz als am wahrscheinlichsten angenommen wird [5].
Die Explosion ereignete sich auf dem Gelände einer Düngemittelfabrik, welche circa 3 km südlich des Stadtkerns lokalisiert war und unmittelbar an urbane Bebauung angrenzte. Zum Zeitpunkt des Ereignisses lebten circa 700.000 Einwohner in Toulouse, wovon circa 16.000 Einwohner in einem Radius von 16 km um die Fabrik angesiedelt waren [4, 5].
In dem Lagerhaus durften bis zu 500 Tonnen deklassiertes AN eingelagert werden, am Tag der Explosion waren zwischen 300 und 400 Tonnen gelagert. Da als Ursache weder ein Feuer oder eine initiale Explosion in Betracht kommen, wird die Explosion auf die Vermischung von AN mit Natriumdichlorisocyanurat und die damit einhergehende Entstehung von Stickstofftrichlorid (NCl3) zurückgeführt. Stickstofftrichlorid ist stark instabil und explodiert unter anderem bei Berührung oder Einwirkung von Sonnenlicht [11].
In Folge der Explosion wurden 31 Menschen getötet, davon 22 Personen innerhalb des Werksgeländes. Des Weiteren wurden 2242 Menschen verletzt und mussten behandelt werden. Zusätzlich wurden 5079 Menschen aufgrund psychischer Probleme behandelt. Die Explosion verursachte einen Krater mit einer Größe von 65 mal 54 Metern mit einer Tiefe von 7 Metern [5].
Die Gebäude auf dem Werksgelände wurden teilweise vollständig zerstört und angrenzende Gebäude schwer beschädigt. In einem Abstand von 3 Kilometern wurden Scheiben zerstört. Insgesamt entstand ein Schaden von 150.000.000 Euro [5]. Infolge der Explosion bildete sich eine Rauch- und Staubwolke aus Salpetersäure, Ammoniak und weiteren Stoffen, welche zur Reizung der Atemwege führte, die sich jedoch rasch verflüchtigte [14].
Als Konsequenz auf die Katastrophe wurden in den folgenden Monaten die notwendigen Schutzabstände im Flächennutzungsplan überprüft und sechs chemische Fabriken in diesem Industriegebiet geschlossen [5]. Des Weiteren wurde die Rolle von Subunternehmern, welche in dem betroffenen Lager hauptsächlich arbeiteten und vermutlich nicht ausreichend über die Gefahrenmerkmale von AN informiert waren, untersucht [14].
Ereignis Oppau
Das letzte Ereignis, das in dieser Arbeit betrachtet wird, fand am 21. September 1921 in der pfälzischen Gemeinde Oppau statt. Gegen 7:32 Uhr Ortszeit ereigneten sich zwei Explosionen, die das Werk, welches Stickstoffdünger produzierte, fast vollständig zerstörten [12].
Als Explosionsursache konnten die planmäßigen Auflockerungssprengungen identifiziert werden, welche aufgrund der Haldenlagerung des Düngers notwendig waren. Zur Zeit der Explosion erfolgte in der Fabrik die Herstellung von Ammoniumsulfatnitrat (ASN), welches auch Doppelsalz genannt wird und aus AN und Ammoniumsulfat (AS) besteht. Aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaften und der langen Lagerzeiten verklumpte das ASN und musste durch Auflockerungssprengungen gelöst werden. Dieses Verfahren war zum damaligen Zeitpunkt vielfach erprobt und aufgrund von vorherigen Untersuchungen für diesen Anwendungsfall als sicher eingestuft worden. Infolge einer Verfahrensänderung veränderte sich jedoch die Restfeuchte im ASN und eine Abweichung vom üblichen Mischungsverhältnis (50:50 AN:AS) ist ebenfalls nicht auszuschließen. Aufgrund dessen reichten die Energien der Lockerungssprengungen, um eine Zersetzung des AN auszulösen [3, 12].
Daraus resultierend ereigneten sich zwei Explosionen, wobei die erste Explosion 70 bis 80 Tonnen ASN und die darauffolgende Explosion 300 bis 400 Tonnen Dünger zur Explosion brachten. Insgesamt wurden am Tage der Explosion 4500 Tonnen ASN im Lagerhaus gelagert, wobei eine Lagermenge von bis zu 50.000 Tonnen möglich gewesen wäre und ein zweites, identisches Lagerhaus in der Nähe gewesen ist, das jedoch zum Zeitpunkt der Explosion leer war [12].
Das Lagerhaus befand sich auf dem Firmengelände der Oppauer Stickstoffwerke in unmittelbarerer Nähe zur Muttergesellschaft, der Badischen Anilin- und Sodafabrik, und circa 1,5 km entfernt von der Stadt Ludwigshafen am Rhein. Die Fabrik wurde 1912/13 errichtet, um die Herstellung von Düngemitteln nach dem Haber-Bosch-Verfahren im industriellen Maßstab zu realisieren [8]. Durch die Fusion im Jahre 1920 mit den Leuna-Werken wurde das Werk zu den „Ammoniakwerke Merseburg-Oppau GmbH“ und beschäftigte circa 8000 Menschen. Das Werksgelände in Oppau ist Teil der heutigen BASF SE [12].
Das Ereignis wird bis heute als eines der schwersten Industrieunglücke in Deutschland eingestuft und als schwerste Explosion zu Friedenszeiten in Deutschland. Insgesamt wurden 561 Menschen getötet, 1952 Menschen verletzt und über 7500 obdachlos. Die Mehrheit der vermissten Personen wurde weder gefunden noch identifiziert [17].
Die entstandenen Sachschäden waren immens, im Ort Oppau (heute Stadtteil von Ludwigshafen) wurden circa 80 % aller Gebäude zerstört. Erhebliche Schäden wurden zudem in Ludwigshafen und Mannheim festgestellt. In der circa 30 km entfernten Stadt Heidelberg wurden ebenfalls zersprungene Scheiben gemeldet. Das Werksgelände war fast vollständig zerstört und wurde für mehrere Monate stillgelegt. Am Ort der Explosion fand sich ein Krater, welcher 96 Meter breit, 165 Meter lang und 18,5 Meter tief war. Insgesamt wurden circa 12.000 m³ Erdreich durch die Explosion bewegt [3].
Aufgrund der Explosion wurden in Deutschland alle Auflockerungstätigkeiten mit Sprengstoff verboten und weltweit die Gefahren von Düngern mit AN publiziert, welche bis dahin als ungefährlich galten. Zusätzlich wurden Lösungen gefunden, ASN-Dünger in eine sicherere Form zu überführen (geschmolzene Pellets) und die Lagerung in Halden zu vermeiden [12].
Im zweiten Teil des Beitrags erfolgt die Gegenüberstellung der Ereignisse mit einem Vergleich der Lagermengen, der begünstigenden und der auslösenden Bedingungen, der Sach- und der Personenschäden sowie der Abgleich mit dem technischen Regelwerk.
References
- 2021. Admin 0 – Countries. Free vector and raster map data.
- Aitao, Z. and Lingpeng, F. A new insight into the accident investigation: A case study of Tianjin Port fire and explosion in China 4. DOI=10.1002/prs.11891.
- ARIA. 2008. Explosion in a nitrogenous fertiliser plant. 21 September 1921. Oppau – [Rhénanie] Germany 14373.
- Barthelemy, F., Hornus, H., Roussot, J., Hufschmitt, J.-P., and Raffoux, J.-F. 2001. Accident on the 21st of September 2001 at a factory belonging to the Grande Paroisse Company in Toulouse. Report of the general inspecorate for the environment Affair no. IGE/01/034. REPORT OF THE GENERAL INSPECORATE FOR THE ENVIRONMENT, Paris.
- Dechy, N., Bourdeaux, T., Ayrault, N., Kordek, M.-A., and Le Coze, J.-C. 2004. First lessons of the Toulouse ammonium nitrate disaster, 21st September 2001, AZF plant, France. Journal of hazardous materials 111, 1–3, 131–138.
- Deutschbein, O. o.J. Überblick Libanon. Kleines Land mit sehr großen Herausforderungen.
- DLR. 2020. Lebanon. Beirut. Situation as of August 05, 2020 – Overview map. German Aerospace Center, Köln.
- Fischer, P. J. and Kühn, F. E. 2019. „Brot aus Luft“ und andere chemische Beiträge zur Welternährung. Chem. Unserer Zeit 53, 2, 112–124.
- Fu, G., Wang, J., and Yan, M. 2016. Anatomy of Tianjin Port fire and explosion: Process and causes.
Accessed 27 November 2020. - GFZ. 2020. Beirut Explosion. 2020-08-04 15:08:19.2 UTC.
- Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung. 2021. GESTIS Stoffdatenbank. Stickstofftrichlorid (CAS-Nr. 10025–85–1).
- Kristensen, T. E., Ed. 2016. A factual clarification and chemical-technical reassessment of the 1921 Oppau explosion disaste. the unforeseen explosivity of porousammonium sulfate nitrate fertilizer. FFI-Rapport 16/01508.
- López, A. L., Sam, C., and Wong, D. 2015. Satellite images reveal scale of deadly warehouse explosion in Tianjin. The damage seen from space.
- MAHB Bulletin. 2015. Verhinderung von Chemieunfällen & Vorsorge für den Fall von Chemieunfällen. Schwere Unfälle mit Düngemitteln. Lessons lerned Bulletin, Nr. 5.
- OpenStreetMap contributors. 2021. OpenStreetMap.
- Pasman, H. J., Fouchier, C., Park, S., Quddus, N., and Laboureur, D. 2020. Beirut ammonium nitrate explosion: Are not we really learning anything? Proc Safety Prog.
- Pittman, W., Han, Z., Harding, B., Rosas, C., Jiang, J., Pineda, A., and Mannan, M. S., Eds. 2014. Lessons to be learned from an analysis of ammonium nitrate disasters in the last 100 years 280.
- Prell, T. and Häfeli, S. 2020. Ammoniumnitrat – Düngemittel, Explosionen und Airbag-Skandal. UMCO GmbH, Hamburg.
- Rey, S. and Mazarro, H. 2020. Lebanon: Beirut Port Explosions. Situation Report No. 1 1. UNOCHA Lebanon, Lebanon.
- Rey, S. and Moylan, D. J. 2020. Lebanon: Beirut Port Explosions. Situation Report No. 7 7. UNOCHA Lebanon, Lebanon.
- Shakoor, A., Shahzad, S. M., Farooq, T. H., and Ashraf, F. 2020. Future of ammonium nitrate after Beirut (Lebanon) explosion. Environmental Pollution 267, 115615.
- Zhao, B. Facts and lessons related to the explosion accident in Tianjin Port, China. Nat Hazards 2016, 84, 707–713. DOI=10.1007/s11069–016‑2403–0.
1 Ammoniumnitrat, welches aufgrund von Schwankungen bei der Stoffzusammensetzung oder unregelmäßigen Korngrößen unverkäuflich ist.
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Institut für Rettungsingenieurwesen und Gefahrenabwehr an der Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme der Technischen Hochschule Köln
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Mitarbeiter im Referat Anlagen- und Verfahrenssicherheit bei der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie (BG RCI) und Mitglied der Kommission für Anlagensicherheit (KAS)
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