01.08.2017, 00:00 Uhr

Zündgefahren beim Einsatz von Mobiltelefonen an Tankstellen

Um zu bestimmen, welche Zündgefahren durch Mobiltelefone entstehen können, die an Tankstellen an der Zapfsäule von Kunden benutzt werden, um z. B. Bezahlfunktionen auszulösen, wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden mittels einer Zündgefahrenbewertung die Risiken im Hinblick auf die Gefährdung durch Kraftstoffdampf/Luft-Gemische (Gasgruppe IIA, Temperaturklasse T3) ermittelt und aktuell im Einsatz befindliche Mobiltelefone getestet. Aufgrund der Ergebnisse konnte eine Empfehlung für den künftigen Einsatz von Mobiltelefonen an Tankstellen erarbeitet werden.

Quelle: PantherMedia/bertys30

Quelle: PantherMedia/bertys30

Zur Frage, welche Zündgefahren durch Mobiltelefone entstehen können, die an Tankstellen an der Zapfsäule von Kunden benutzt werden, um z.B. Bezahlfunktionen auszulösen, wurde vorab eine Literaturrecherche durchgeführt. Es zeigte sich, dass bereits verschiedene Untersuchungen zu diesem Thema vorliegen. Dabei ging es allerdings in der Regel um den Einsatz von Mobiltelefonen in klassischen explo­sionsgefährdeten Bereichen. In der Summe wurde festgestellt, dass die handelsüblichen Geräte durchweg nicht den Baubestimmungen für explosionsgeschützte Geräte entsprechen, auch nicht für Gefahrbereiche der Zone 2. Es zeigte sich aber auch, dass im Allgemeinen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch keine akute Zündgefahr von Mobiltelefonen ausgeht. Das größte Risiko ist stets dann gegeben, wenn das Gerät auf eine harte Oberfläche fallengelassen wird. Je nach Bauart der Geräte wird dabei die Batterie freigelegt und z. T. auch vom Gerät getrennt. Hierzu wurden in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entsprechende ergänzende Versuche gemacht.

Viele der übrigen potenziellen Zündquellen in den Geräten können nach den in der Literatur beschriebenen Unter­suchungen im Normalbetrieb und auch bei gelegentlichen (zu erwartenden) Störungen des Mobiltelefons als vernachlässigbar angesehen werden. Diese Aussage gilt z. B. für das Display, für den Lautsprecher oder für den Vibratormotor. Auch die Speicherkarte, die SIM-Karte, die Kamera, der LED-Blitz usw. sind zumindest im Normalbetrieb nicht als wirksame Zündquelle zu betrachten. Darüber hinaus wurden noch Unter­suchungen an den leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkus und hinsichtlich der Elektrostatik von Gehäusen und Schutztaschen durchgeführt.

Aufbau moderner Mobiltelefone

Ein Mobiltelefon ist im Wesentlichen ein Sender/Empfänger, der im Frequenzbereich von 890 bis 915 MHz und von 935 bis 960 MHz (GSM 900) sowie von 1 710 bis 1 785 und von 1 805 bis 1 880 MHz (GSM 1800) arbeitet. Die UMTS-Netze nutzen die Frequenzen von 1 920 bis 1 980 MHz sowie von 2 110 bis 2 170 MHz. Für die modernen LTE-Mobilfunknetze wurden von der Bundesnetzagentur Frequenzen in den Bereichen 800 MHz, 1,8, 2 und 2,6 GHz vergeben. Aktuelle Mobiltelefone, sog. Smartphones, können in allen diesen Netzen arbeiten. Ein Mobiltelefon kommuniziert mit einem Netzwerk von Basisstationen, die wiederum mit den Telefonnetzen verbunden sind.

Jede neue Generation von Mobiltelefonen hat die Größe, das Gewicht und die Kosten reduziert, während die Leistung, die Anwendungsmöglichkeiten und die Vielseitigkeit zunahmen. In der letzten Zeit ist allerdings wieder ein Trend zum größeren Display zu beobachten, überwiegend bei den Spitzengeräten. Dadurch nehmen Gewicht und Größe wieder zu. Im Prinzip besteht ein Mobiltelefon aus den Funktionsblöcken entsprechend Bild 1.

Bild 1 Blockdiagramm eines Mobiltelefons. Quelle: PTB

Bild 1 Blockdiagramm eines Mobiltelefons.

Foto: PTB

 

Explosionsfähige Atmosphäre

Die explosionsgefährdeten Bereiche an Tankstellen sind in der TRBS 3151/ TRGS 751 definiert. Dies betrifft entzündbare, leicht entzündbare und extrem entzündbare Kraftstoffe mit einem Flammpunkt  55 °C. Für Kraftstoffe mit einem Flammpunkt > 55 °C (z. B. Diesel) entfallen explosionsgefährdete Bereiche normalerweise, da hier der Flammpunkt zu hoch liegt. Das Innere der Schutzgehäuse von Zapfsäulen und Zapfgeräten, das der Schutzgehäuse für Förder- und Messeinheiten von Zapfsystemen sowie das Innere von Fernfüllschränken sind als Zone 1 klassifiziert.

Der Bereich bis zu einem Abstand von 0,2 m um diese Schutzgehäuse von der Gehäuseoberkante bis zum Erdboden und das Innere von Gehäusen oder Verkleidungen für oberirdische Rohrleitungen mit lösbaren Verbindungen sind Zone 2. Vergaserkraftstoffe (Ottokraftstoffe) fallen in die Explosionsgruppe IIA und in die Temperaturklasse T3. LPG oder Autogas besteht im Wesent­lichen aus Propan und/oder Butan. Propan bzw. Butan sind der Explosionsgruppe IIA und der Temperaturklasse T1 bzw. T2 zugeordnet. Das bedeutet, dass der Bereich, in dem sich der Kunde üblicherweise aufhält, kein klassischer explo­sionsgefährdeter Bereich (Zone) ist.

Mögliche Zündquellen

Folgende mögliche Zündquellen sind zu beachten (fettgedruckte Zündquellen bei Mobiltelefonen ggf. relevant):

  •   heiße Oberflächen ,
  •   Flammen und heiße Gase,
  •  mechanisch erzeugte Funken,
  •  adiabatische Kompression,
  •  elektrische Anlagen,
  •  statische Elektrizität,
  •  elektrische Ausgleichsströme,
  •   Blitzschlag,
  •  elektromagnetische Felder,
  •  optische Strahlung,
  •  ionisierende Strahlung,
  •   Ultraschall,
  •  chemische Reaktionen.

HF-Strahlung (elektromagnetische Felder)

Der Grenzwert für elektromagnetische Strahlung in EN 60079 beträgt 6 W für die Gruppe IIA. Bei gepulster Strahlung liegt der Grenzwert bei 950 J für den Einzelpuls.

Ein Mobiltelefon arbeitet mit HF-Sendeleistungen von einigen hundert mW bis zu 2 W, abhängig von der Signalstärke der Basisstation (Bild 2).

Bild 2 Sendeleistung des Mobiltelefons. Bild: Informationszentrum Mobilfunk (IZMF)

Bild 2 Sendeleistung des Mobiltelefons. Bild: Informationszentrum Mobilfunk (IZMF)

Allerdings wird dieser Wert bei normaler bis guter Funkverbindung deutlich unterschritten. Damit liegen die HF-Leistungen deutlich unter den Grenzwerten für explosions­geschützte Geräte. Eine wirksame Zündquelle durch HF-Strahlung ist damit hinreichend unwahrscheinlich.

Komponenten von Mobiltelefonen, die als potenzielle Zündquelle wirksam sein können

Lautsprecher

Die in Mobiltelefonen verbauten Lautsprecher sind üblicherweise kleine Bauformen normaler Lautsprechersysteme mit Membran und Schwingspule. Die Induk­tivitätswerte der Lautsprecher liegen typischerweise unter 200 H (gemessen bei 1 kHz) und einem Gleichstrom­widerstand von etwa 10 . Bei einer Spannung der Batterie von maximal 4 V ergibt sich so eine gespeicherte Energie in der Spule von < 20 J. Für die Gruppe IIA liegt der Grenzwert nach DIN EN 60079-11 bei 320 J. Betriebsmäßig treten hier allerdings gar keine Funken auf, da der Stromkreis nicht geschaltet oder unterbrochen wird.

Vibratormotor

Moderne Mobiltelefone enthalten meistens einen Vibratoralarm, der durch einen kleinen Motor mit einem Exzentergewicht realisiert wird. Typische wirksame Induktivitäten des Motors liegen bei 200 H, gemessen bei 1 kHz. Der Innenwiderstand beträgt 50 bis 100 ; dadurch ergibt sich eine gespeicherte Energie von < 1 J (zulässig als Zündgrenze sind 320 J für IIA), sodass auch bei permanenter Funkenbildung am Kommutator keine Zündgefahr besteht. Dies wurde durch Zündversuche in explosionsfähigen Wasserstoff/Luft-Ge­mischen bestätigt [1].

Tastatur

Ein Teil der Mobiltelefone ist mit physischen Tastaturen ausgestattet. Hier werden die Schaltvorgänge üblicherweise in einem gekapselten „Domsystem“ (Hybridsystem von Membran und mechanischen Komponenten) zwischen den Leiterbahnen einer Leiterplatte erzeugt. Dabei handelt es sich oft um gekapselte Schaltkontakte. Weiterhin liegen die geschalteten Stromstärken im A-Bereich, sodass derartige Tastaturen nicht als Zündquelle wirken können.

Die heute vielfach üblichen Touch­screens haben nur eine softwareabhängige virtuelle Tastatur. Hier wird der kapazitive Effekt der äußeren Berührung zur Betätigung ausgenutzt. Derartige Displays mit Tastaturfunktion haben deshalb keine echten Schaltkontakte.

Display

Zur Display-Beleuchtung dient ein LED Treiberstromkreis, der die Leuchtdioden für die Hintergrundbeleuchtung speist. Dieser Stromkreis enthält einen Spannungswandler, der die Spannung der Batterie von ca. 3,8 V auf höhere Werte transformiert (kapazitive Ladungspumpe). Dieser Stromkreis enthält jedoch keine betriebsmäßigen Schaltkontakte und ist außerdem von einer schützenden Metallplatte bedeckt. Das eigentliche LCD- oder OLED-Display ist durch die Abdeckplatte des berührungsempfindlichen Touchscreens geschützt.

Kamera

Viele Mobiltelefone sind mit einer Kamerafunktion ausgestattet. Der Bildsensor befindet sich auf der Rückseite des Telefons, teilweise ist eine weitere Kamera auf der Bedienerseite vorhanden. Die betriebsmäßigen Strom- und Spannungswerte dieser Kameramodule sind vergleichsweise gering. Da weiterhin auch keine elektrischen Schaltkontakte vorhanden sind, besteht hierdurch keine Zündgefahr.

Mikrofon

Das Mikrofon für die Sprachübertragung ist auf der Vorderseite des Mobil­telefons angeordnet. Es wird ebenfalls betriebsmäßig mit sehr kleinen Strom- und Spannungswerten betrieben, durch die keine Gefahr durch Funkenzündung besteht.

Blitz für die Kamera

Der Blitz wird durch eine LED realisiert, die mit einer Leistung von bis zu einigen hundert mW betrieben wird. Eine Zündgefahr durch optische Strahlung ist jedoch bei Mobiltelefonen auszuschließen, da die Strahlung nicht fokussiert, sondern divergent abgestrahlt wird.

Elektronikplatine

Die Hauptleiterplatte bei Smartphones besteht aus Mehrfach-Leiterplatten (sechs bis acht Lagen) (Bild 3).

Bild 3 Hauptplatine eines Smartphones. Quelle: PTB

Bild 3 Hauptplatine eines Smartphones.

Foto: PTB

Die unterste und oberste Lage sind üblicherweise komplett aus Kupfer, mit Ausschnitten für Leiterbahnen und Lötpunkte. Weiterhin ist eine Lötstopp­maske auf den beiden Außenseiten aufgebracht, die die Leiterplatte schützt.

Bei vielen Modellen ist ein Teil der Leiterplatte (der die Haupt-ICs wie Leistungsverteilung und Prozessor enthält) mit einem metallischen Gehäuse ver­sehen, das diesen Teil der Schaltung gegen Feuchtigkeit und Staub schützt. Das Metallgehäuse dient auch dazu, die Wärme aus dem Bereich der integrierten Schaltkreise abzuführen. Die Tempera­turen der Bauelemente im normalen Betriebszustand liegen deutlich unter der Temperaturklassengrenze für T3 (200 °C).

Batterie (Akku)

Die heutigen Mobiltelefone und Smartphones werden üblicherweise mit leistungsfähigen Lithium/Ionen-Akkus ausgestattet. Die Kapazität dieser Akkus liegt bei größeren Modellen bei bis zu 3 Ah. Bei einer Nennspannung von 3,8 V beträgt die gespeicherte Energie dann 11,4 Wh. Diese Akkus werden teilweise als austauschbare Einheiten, aber auch fest eingebaut verwendet. Die fest eingebauten Akkus sind dann oft als Lithium/Polymer-Akkus mit weichem Gehäuse (Coffeebag) ausgeführt. Wie bei den meisten Lithium-Ionen-Akkus besteht die negative Elektrode aus Grafit, die positive aus Lithium-Metalloxid. Lithium-Polymer-Akkus enthalten jedoch keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Die Komponenten des Akkumulators – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode – lassen sich als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als 100 m herstellen. Die beiden Elektroden und das Elektrolyt sind als extrem dünne Folien ausgeführt und können wie ein Folienkondensator gewickelt oder in andere Formen wie die einer Folientasche gepresst werden. Diese Form wird dann als Coffeebag-Zelle bezeichnet. Dadurch erreichen Lithium-Polymer-Akkus eine sehr hohe Kompaktheit. Die Leistungs- und Energiedichte liegt höher als bei allen anderen Akkus.

Bei den Mobiltelefonen mit herausnehmbarem Akku sind drei oder vier Kontakte herausgeführt, die an federnden Kontakten im Telefon den elekt­rischen Anschluss herstellen. Geräte mit festeingebauten Akkus sind sicherheitstechnisch weniger kritisch, da die Akkus fest mit dem Mobiltelefon verdrahtet sind und beim Herunterfallen diese Verbindung mit großer Wahrscheinlichkeit bestehen bleibt.

Aus den genannten Gründen wurden fünf unterschiedliche Mobiltelefone mit herausnehmbarem Akku einer Fallprüfung, wie sie für explosionsgeschützte Geräte nach IEC/EN 60079 gefordert wird, unterzogen. Bei dieser Prüfung wird das Gerät viermal aus 1 m Höhe auf eine Betonoberfläche fallen gelassen. Es zeigte sich, dass alle fünf geprüften Geräte mindestens einmal in die drei Teile Hauptteil, Rückwand und Akku zerfielen. Es wurde deshalb der Kurzschlussstrom an den Kontakten des Akkus des leistungsstärksten Geräts Blackberry Q10 gemessen (8 Wh). Der erreichte Spitzenwert des Kurzschlussstroms von 61 A liegt zwar recht hoch, es ist aber zu berücksichtigen, dass für das Entstehen eines elektrischen Funkens eine Spannung von mindestens 8 V erforderlich ist. Die Leerlaufspannung des geprüften Akkus lag bei 4,35 V, sodass nur bei einer Induktivität im Stromkreis eine Funkenzündung möglich ist. Eine solche Induktivität ist jedoch nicht zu erwarten, wenn sich der Akku infolge eines Sturzes löst und auf den Boden trifft. Weiterhin liegen die Kontakte in den Akkus mechanisch zurückgesetzt, sodass ein zufälliger Kontakt mit leit­fähigen Teilen sehr unwahrscheinlich ist. Eine thermische Zündgefahr besteht auch nicht, da der Kurzschlussstrom schon nach etwas über 0,5 ms auf sehr kleine Werte begrenzt wird. Dies wird durch die in den Akkus eingebaute Schutzschaltung bewirkt.

Elektrostatische Betrachtung

Die Gehäuseoberflächen der Mobil­telefone sind vielfach aus Kunststoff gefertigt. Nach der einschlägigen Norm für explosionsgeschützte Geräte EN 60079 gilt für Kunststoffoberflächen eine Größenbegrenzung auf 100 cm². Diese wird auch bei den heute verbreiteten größeren Smartphones in der Regel eingehalten. Deshalb ist nicht davon auszugehen, dass eine Zündgefahr für Kraftstoffdampf/Luftgemische durch elektrosta­tische Aufladung des Mobiltelefons besteht. Die Aufladung einer Person beim Aussteigen aus dem Fahrzeug ist hier stets die größere Gefahr.

Sicherheitstechnische Gesamt­bewertung

Die sicherheitstechnische Bewertung berücksichtigt einerseits die Randbedingungen der Benutzung sowie andererseits die konkrete Zündgefahr durch Mobiltelefone. Bei der Betankung von Kraftfahrzeugen an Tankstellen ist davon auszugehen, dass die Bereiche, in denen ein Kunde mit dem Mobiltelefon agiert, bzw. in denen im Fehlerfall ein Mobil­telefon herunterfällt, maximal der Zone 2 unterfallen. Die zugrundegelegte Einstufung für Kraftstoffdampf/Luft- Gemisch ist Explosionsgruppe IIA und Temperaturklasse T3. Obwohl sich bei der Betankung auch das Kraftfahrzeug zumindest teilweise in diesem Gefahrbereich befindet, und hier heiße Ober­flächen (Auspuff, Katalysator etc.) sowie viele elektrische potenzielle Zündquellen vorhanden sind, akzeptiert man diese Gefahr gemeinhin.

Im Hinblick auf Mobiltelefone wurde untersucht, wie moderne Geräte im Hinblick auf mögliche Zündquellen zu bewerten sind. Eine intensive Literatur­recherche zu diesem Thema ergab, dass die handelsüblichen Geräte durchweg nicht den Baubestimmungen für explo­sionsgeschützte Geräte entsprechen, auch nicht für Gefahrbereiche der Zone 2. Dieses Ergebnis ist nicht weiter erstaunlich, da die Geräte ja auch nicht für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen entwickelt und gebaut worden sind. In [1] wird durch probabilistische Methoden nachgewiesen, dass die Zündgefahr durch Mobiltelefone trotzdem hin­reichend klein ist. Allerdings wurden in dieser etwa zehn Jahre alten Studie die heute üblichen Smartphones noch nicht berücksichtigt. In dieser Arbeit sind diese Geräte nun in die Untersuchungen einbezogen worden. Es wurden die potenziellen Zündquellen, die von solchen Geräten ausgehen könnten, einzeln betrachtet. Experimentelle Unter­suchungen mit verschiedenen Modellen ergänzten die Untersuchungen.

Im Ergebnis kann festgestellt werden, dass im normalen Betrieb der Mobiltelefone keine Zündgefahr besteht. Diese Aussage kann auch getroffen werden, wenn zusätzlich berücksichtigt wird, dass die Geräte dem Benutzer aus der Hand fallen und auf eine harte Ober­fläche aufprallen könnten. Hierbei kann das Gerät in zwei oder drei Teile zerfallen und der Akku freigesetzt werden. Auch ein freigelegter Akku stellt keine Zündquelle dar, weil die Kontakte leicht im Gehäuse zurückgesetzt liegen und dadurch ein zufälliges Kurzschließen praktisch ausgeschlossen werden kann. Die aus dem Akku zu entnehmenden Stromwerte sind zwar recht hoch, bei der Spannung von maximal 4,35 V ist jedoch eine Funkenbildung nur mit einer (z. B. durch eine Leiterschleife gebildeten) Induktivität möglich, die aber in diesem Fall praktisch nicht vorhanden ist. Der hohe Kurzschlussstrompeak ist auch in weniger als einer Millisekunde beendet (durch eingebaute Schutzhalbleiter). Im normalen Betrieb des Geräts ist der Strom wesentlich kleiner und bewegt sich im eigensicheren Bereich.

Als Fazit kann festgestellt werden, dass von Mobiltelefonen an Tankstellen im Bereich der von Kunden benutzten Flächen keine besondere (über das Maß der Gefahr durch die Person selbst oder das Fahrzeug hinausgehende) Zündgefahr ausgeht. Eine Erlaubnis, das Mobiltelefon an der Zapfsäule eingeschaltet zu lassen bzw. zu bedienen, könnte deshalb erwogen werden.  TS 602

 

Literaturverzeichnis

[1] Bozek, A.; Martin, K.; Cole, M.: Cellular Phones in Class I, Division 2/Zone 2 Hazardous Locations”. IEEE, Paper No. PCIC-04.

Von Dr. Ulrich Johannsmeyer

Dr. Ulrich Johannsmeyer, vormals Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig.

Top Stellenangebote

BASF Coatings GmbH-Firmenlogo
BASF Coatings GmbH Projektingenieur_in Elektrotechnik / Automatisierungstechnik (m/w/d) Münster
DACHSER Group SE & Co. KG-Firmenlogo
DACHSER Group SE & Co. KG Versorgungstechniker (m/w/d) TGA Kempten
DACHSER Group SE & Co. KG-Firmenlogo
DACHSER Group SE & Co. KG Elektrotechniker (m/w/d) Kempten
Goblet Lavandier & Associes Ingenieurs-Conseils S.A.-Firmenlogo
Goblet Lavandier & Associes Ingenieurs-Conseils S.A. Ingenieure / Techniker (m/w/d) für die Gewerke HVAC/S und medizinische Gase, im Geschäftsbereich Krankenhausprojekte Niederanven (Luxemburg)
Goblet Lavandier & Associes Ingenieurs-Conseils S.A.-Firmenlogo
Goblet Lavandier & Associes Ingenieurs-Conseils S.A. Ingenieur (m/w/d) Energie & Gebäudephysik Niederanven (Luxemburg)
KfW Bankengruppe-Firmenlogo
KfW Bankengruppe Experte / Sachverständiger (w/m/d) für Umwelt- und Sozialrisikomanagement Frankfurt am Main
Technische Hochschule Bingen-Firmenlogo
Technische Hochschule Bingen Präsident (m/w/d) Bingen
OST – Ostschweizer Fachhochschule-Firmenlogo
OST – Ostschweizer Fachhochschule Professor/in für Industrielle Automation Rapperswil (Schweiz)
Technische Universität Dresden-Firmenlogo
Technische Universität Dresden Professur (W3) für Autonome Systeme / Mitgliedschaft in der Institutsleitung Dresden
Technische Universität Dresden-Firmenlogo
Technische Universität Dresden Professur (W3) für Kooperative Systeme / Leitung der Abteilung "Kooperative Systeme" Dresden
Zur Jobbörse