Het aardgasnet ombouwen naar waterstof, kan dat zomaar?

Leestijd: 10-15 minuten

Over de snelweg kunnen auto’s, vrachtwagens en motoren rijden. Het asfalt slijt bij het ene voertuig wat sneller dan bij het andere, maar in principe kan iedereen van de snelweg gebruikmaken, ongeacht het voertuig. In essentie geldt dat ook voor pijpleidingen; daar kan in principe aardgas, CO2 of waterstof mee getransporteerd worden, of een willekeurig ander gas. Maar net zoals vrachtwagens een zwaardere belasting zijn voor het asfalt dan auto’s, gedragen verschillende gassen zich in een pijpleiding op een andere manier, en daar moeten we rekening mee houden.

Hoe veilig is het om waterstof per pijpleiding te transporteren?

Sommige critici zeggen dat waterstof een desastreus effect kan hebben op het staal van een pijpleiding. Zij vrezen dat staal makkelijk gepenetreerd worden door waterstof, waardoor pijpleidingen ‘verbrossen’, met scheuren en lekkages tot gevolg. 

‘Voor mij telt één simpele regel: als het niet veilig kan, doen we het niet’, zegt Otto Jan Huising, Technical Manager bij Gasunie. Hij doet als materiaaldeskundige onderzoek naar de herbruikbaarheid van gaspijpleidingen voor waterstof. ‘Om het veilig te kunnen transporteren, moet je wel goed begrijpen onder welke condities dan kan. Want dat waterstof effect heeft op staal staat buiten kijf. De taaiheid van staal gaat omlaag en vermoeiingsscheuren kunnen sneller groeien onder invloed van waterstof dan bij het transport van aardgas’, zegt hij.

Hoe komt dat? Waterstofmoleculen (H2) zijn niet zozeer het probleem. Het zijn vooral de waterstofatomen (H) waar het om gaat. Waterstofmoleculen zijn in principe stabiel, ze vervallen bij transport alleen tot losse atomen met behulp van een katalysator. IJzer is zo’n katalysator. De stalen aardgaspijpleidingen zijn aan de binnenkant beschermd met een oxidelaagje, maar als dat laagje door bijvoorbeeld lasfouten wordt aangetast, en er een schoon ijzeroppervlak ontstaat, dan kunnen waterstofmoleculen ter plekke vervallen tot waterstofatomen, die het staal binnendringen.

Het “initiële defect”, zoals Huising dat noemt, gaat door de penetratie van waterstofatomen groeien. Het gaat dan om ‘het begin van een scheurtje’. Waterstof kan scheurtjes twintig tot vijftig keer sneller laten groeien dan andere gassen. Dat gebeurt met name als de drukwisselingen in de pijpleiding groot zijn. In het rapport HyWay 27 concludeerde PwC in 2021 dat dit verbrossingseffect zonder aanvullende maatregelen op langere termijn (20 tot 25  aar) tot ‘kleine lekkages’ kan leiden.

Kunnen lekkages voorkomen worden?

Lekkages zijn uiteraard onwenselijk. Het kan tot gevaarlijke situaties leiden, want waterstof is zeer brandbaar. Bovendien is het productverlies. Iedere kubieke meter waterstof die weglekt, kan niet meer verkocht worden. Tot slot is er klimaatschade, want waterstof vertraagt mogelijk de afbraak van het broeikasgas methaan in de atmosfeer.

Hoe veilig is het om waterstof per pijpleiding te transporteren, als er lekkages kunnen ontstaan? Gasunie gaat bij een waterstoflek veiligheidshalve uit van een ontstekingskans van 100 procent, hoewel dat in de praktijk niet het geval is (bij aardgas wordt gerekend met een ontstekingskans van 40 tot 80 procent, afhankelijk van de diameter en de druk). Martin van Agteren, Asset Manager bij Gasunie, vertelt over een proef die is uitgevoerd op de Safety Campus Twente met een stuk pijpleiding die vol zat met waterstof en die leeg werd gehaald met een ‘afblaas’, ook wel ‘flare’ genoemd. ‘Met ontstekers boven die flare kregen we het zeer moeilijk aangestoken en uit zichzelf ontstak de waterstof ook niet.’ Dat komt omdat waterstof weliswaar heel brandbaar is, maar ook zeer vluchtig.

Naast gewoon verbranden kan waterstof ook versneld verbranden met overdruk tot gevolg oftewel een explosie. Pas als waterstof een mengverhouding heeft van minimaal 10 procent in de lucht kan het onder bepaalde omstandigheden exploderen. Omdat waterstof zo licht en vluchtig is, wordt die 10 procent niet snel bereikt. ‘Als een waterstofpijpleiding in open veld een lekkage heeft, dan kom je daar vanwege de lichtheid en vluchtigheid van waterstof niet aan’, zegt zijn collega Huising. ‘In Noorwegen is door ingenieursbureau DNV een test gedaan bij een waterstoftankstation, waar ze na het creëren van een lekkage op een mengverhouding van maximaal 8 procent kwamen en dus niet tot een explosief gasmengsel.’

Hoewel explosiegevaar dus beperkt is, is Gasunie er veel aan gelegen om lekkages te voorkomen. Daarvoor moet het effect van de versnelde scheurgroei, indien aanwezig, worden vertraagd. Om dat voor elkaar te krijgen, mag een scheurtje volgens Huising ‘over een bedrijfsperiode van 100 jaar niet meer dan 0,25 mm groeien’. Omdat drukwisselingen in de pijpleiding bepalend zijn voor de groeisnelheid van scheurtjes, moeten die zoveel mogelijk worden voorkomen. Op basis van vermoeidheidsberekeningen kan Huising vaststellen wat de maximale drukwisseling in het waterstofnetwerk mag zijn en hoe vaak die mogen voorkomen.

‘Bij aardgas sturen we vooral op de klantvraag. En als de druk in het pijpleidingnetwerk schommelt, maakt dat niet zoveel uit’, vertelt Huising. ‘Bij waterstof gaan we ook op drukwisselingen in het netwerk sturen.’ Om de druk binnen een beperkte bandbreedte te houden, zal er gebruik worden gemaakt van de grootschalige waterstofopslag in zoutcavernes, die net als een expansievat thuis drukwisselingen in het systeem kan opvangen. Bovendien helpt het als het waterstofnet steeds groter wordt. ‘Voor een landelijk waterstofnetwerk van vele honderden kilometers is heel veel waterstof nodig om een drukstijging van slechts 0,1 bar te krijgen’, legt Huising uit. ‘Des te groter het netwerk, des te kleiner de drukschommelingen.’

Gedurende de eerste jaren dat het waterstofnet operationeel is, zullen vraag en aanbod soms onvoldoende in balans zijn. Bovendien zullen dan de cavernes nog niet klaar zijn voor opslag. Daardoor kunnen er drukwisselingen optreden. Berekeningen hebben volgens Van Agteren aangetoond dat die schommelingen klein zullen zijn, zowel in heftigheid als aantal. ‘Zo klein zelfs, dat wij drukschommelingen tot een veilig niveau kunnen toestaan als vraag en aanbod niet helemaal in balans zijn.’ Deze dynamische vorm van opslag wordt line pack genoemd. Van Agteren: ‘De operationele druk in de pijpleiding heeft een bandbreedte van 30 tot 50 bar en zal in de praktijk rond de 40 bar schommelen. Dat is lager dan de ontwerpdruk van 66 bar.’

Als in de toekomst de gevraagde volumes of capaciteiten toenemen ‘pak je een tweede leiding erbij, in plaats van dat je grote en dure compressorstations gaat gebruiken’, schetst Van Agteren. ‘Zo zal het aardgasnetwerk langzaam maar zeker naar waterstof worden overgeschakeld.’ De netwerk-expert van Gasunie verwacht niet dat er voor 2035 compressorstations voor het waterstofnetwerk gebouwd hoeven te worden.

Omdat er nog weinig ervaring is met waterstoftransport per pijpleiding, zijn er tal van onderzoeksgroepen bezig met testen. Zo is Huising met diverse collega’s van andere gastransportbedrijven actief betrokken bij onderzoeksprojecten van de European Pipeline Research Group en de Pipeline Research Council International. ‘We gaan bijvoorbeeld beschadigde buizen testen. Stel dat een graafmachine een deuk veroorzaakt, hoe gedraagt die buis zich dan? Voor aardgas hebben we daar modellen voor. Dat hebben we voor waterstof ook nodig’, zegt hij. Schade aan leidingen door graafwerkzaamheden komt volgens Van Agteren gemiddeld eens in de vijf jaar voor.

Huising benadrukt dat het Nederlandse en Europese gasnetwerk is aangelegd in de jaren ‘60 en ‘70. De kwaliteit van het staal was veel hoger dan wat in de Verenigde Staten is gebruikt, waar delen van het hoofdnetwerk al in de jaren ‘40 zijn gebouwd. ‘Daar hebben ze veel meer uitdagingen bij het omzetten van het gasnet naar waterstof. De rapporten die waarschuwen voor de problemen in Amerika kun je niet zomaar projecteren op de transitie in Europa en Nederland.’

Zijn de aftakkingen en afsluiters in het netwerk wel veilig?

Als het aardgasnetwerk wordt omgebouwd naar een waterstofnet, dan blijven eigenlijk alleen de pijpleidingen liggen. De rest wordt vervangen. Het gaat dan met name om de afsluiters. Dat zijn de punten in het netwerk waar bijvoorbeeld aftakkingen worden aangebracht om afnemers op aan te sluiten. ‘Veel afsluiters stammen nog uit de jaren ‘60’, aldus Huising. ‘Als je een nieuw netwerk gaat bouwen, dan is het logisch om die te vervangen.’

Een afsluiter is als een kraan in de waterleiding. In een aardgasleiding is het een bol met een gat erin. Door de bol een kwartslag te draaien kan het gas doorstromen, door nog een kwartslag door te draaien wordt het juist tegengehouden. Gasunie overweegt om minder afsluiters in het waterstofnet op te nemen, vertelt Van Agteren. In het huidige gasnet zit om de 15 kilometer een afsluiter. ‘Zo kunnen we voorkomen dat de omgeving langer dan uur lang overlast ervaart, ook bij een grote lekkage.’

Bij aardgas duurt het een uur voordat een buislengte van 15 kilometer is leeggestroomd. ‘Omdat waterstof veel vluchtiger is, stroomt een buislengte van 50 of misschien wel 80 kilometer in een uur leeg. We hebben daarom minder afsluiters nodig. In afsluiters zitten bewegende delen, die een hoger lekkagerisico hebben dan de stalen leiding.’

Wat als er toch iets gebeurt?

Voordat pijpleidingen in gebruik worden genomen, worden ze inwendig geïnspecteerd. Daarvoor zijn allerlei instrumenten. Zo is er een tool die een resonante trilling in het staal opwekt, waardoor scheurvorming en andere defecten kunnen worden opgespoord.

Bij calamiteiten gaan de afsluiters dicht. Hoewel 100 procent zuivere waterstof een kleurloze vlam geeft, zitten er altijd kleine vervuilingen in het gas, maar ook in de aangezogen lucht die nodig is voor de verbranding, waardoor de vlam zichtbaar wordt. Monteurs en inspecteurs hebben allerlei apparatuur om beschadigingen en lekkages te lokaliseren en ook om zichzelf te beschermen omdat Gasunie ervan uitgaat dat waterstof in principe een onzichtbare vlam geeft. Tot de uitrusting van de monteurs behoren ook camera’s die warmtestraling signaleren en kastjes die gas detecteren.

Is het economisch wel haalbaar om voor waterstof aardgasleiding te hergebruiken?

Omdat bestaande leidingen geschikt gemaakt moeten worden voor het transport van waterstof, vrezen sommigen dat het technisch misschien wel zou kunnen, maar veel te duur wordt. Volgens Van Agteren is ook daar uitgebreid naar gekeken. ‘Bij de ontwikkeling van waterstofinfrastructuur in Europa is bij gezamenlijke studies ook naar dit aspect gekeken. Daaruit bleek dat hergebruik van een bestaande leiding twintig procent kost ten opzichte van een nieuwe gasleiding. Gasunie-dochter HyNetwork, die het landelijke waterstofnetwerk in Nederland aanlegt, heeft berekend dat de kosten van hergebruik vier keer lager liggen dan nieuwbouw.’

Naast de lagere kosten speelt ook een ander aspect mee voor Gasunie. ‘Hergebruik heeft veel minder impact voor de omgeving als je een nieuwe gasleiding in de grond moet inpassen. Nederland is behoorlijk vol, dus ook vanuit die invalshoek heeft hergebruik van een leiding die er al ligt de voorkeur’, aldus Van Agteren.

Levert het wel klimaatwinst op?

In de Verenigde Staten en ook Europese landen met een beperkt aardgasnetwerk is de strategie erop gericht om waterstof te mengen met aardgas. Een mengsel van 80 procent aardgas en 20 procent groene waterstof leidt vanwege de lagere energiedichtheid van waterstof tot een verlaging van de CO2-uitstoot met maar 7 procent. Waarom zo’n grote investering doen in het netwerk als de klimaatwinst zo beperkt is, vragen critici zich af.

Hoewel het bijmengen van waterstof in veel gevallen het startpunt kan zijn, is de strategie van Gasunie en andere Europese gastransportbedrijven erop gericht om uiteindelijk (bijna) 100 procent waterstof te transporteren. De reductie van de CO2-uitstoot is dan navenant groter.

Kan het?

Terug naar de kop boven dit artikel: ‘Het aardgasnet ombouwen naar waterstof, kan dat zomaar?’ Het antwoord is: ja het kan, maar niet zomaar. Als de vraag naar waterstof vanuit de industrie, de chemie en het transport toeneemt, dan is er infrastructuur nodig om het bij de afnemers te krijgen.

Gastransportbedrijven houden zich al twintig jaar bezig met de vraag of en hoe aardgaspijpleidingen gebruikt kunnen worden voor het transport van waterstof. Onder de vlag van de European Gas Research Group werd in 2004 voor het eerst een rapport gepubliceerd over dit vraagstuk. Veertig Europese partners onderzochten hoe de overgang naar waterstof kon worden vergemakkelijkt door gebruik te maken van de bestaande gasinfrastructuur voor het transport van een mengsel van aardgas en waterstof. Het project werd NaturalHy genoemd en kreeg financiering van de Europese Commissie.

Tot op de dag van vandaag zijn onderzoekers in Europa, de VS en elders bezig met studies naar het transport van waterstof. Dat levert nieuwe inzichten en technologische innovaties op die het werken met waterstof steeds makkelijker zullen maken. Experts als Martin van Agteren en Otto Jan Huising bezoeken congressen over het onderwerp, voeren praktijkexperimenten uit, en delen kennis met wetenschappers en specialisten uit andere landen.

Het kan dus niet zomaar. Maar met de juiste investeringen en voorzorgsmaatregelen is het transport van waterstof door aardgaspijpleidingen veilig en economisch verantwoord, en levert het ook klimaatwinst op.