Van aardgasnet naar waterstofnet, niet ingewikkeld, wel uitdagend
De Nederlandse Gasunie is volop bezig met de voorbereidingen om een landelijke ringleiding voor aardgas geschikt te maken voor het toekomstige transport van waterstof. Daarbij wordt gekeken naar de kwaliteit van de buizen, de afsluiters en aftakkingen, maar ook of het voldoende klimaatwinst oplevert en bovenal of het veilig is. De technisch specialisten van Gasunie werken daarbij samen met collega’s in het buitenland. Via de website houden Otto Jan Huising, Technical Manager en Martin van Agteren, Asset Manager bij de Gasunie belangstellenden op de hoogte en geven uitleg over wat er bij zo’n ombouwplan allemaal komt kijken.
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. Kortom, is het wel veilig? Dit zijn vragen die regelmatig bij de redactie van Waterstof Magazine binnenkomen.
“Voor mij telt één simpele regel: als het niet veilig kan, doen we het niet”, zegt Otto Jan Huising (foto). Hij doet als materiaaldeskundige bij de Gasunie 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.
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.
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 (foto), 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.
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.’
Een jaar geleden ontstond onrust toen uit een Amerikaans rapport bleek dat de ombouw van aardgasleidingen naar waterstof gevaren kon opleveren. 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.”
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.’
Omdat bestaande leidingen geschikt gemaakt moeten worden voor het transport van waterstof, wordt regelmatig gezegd dat het
onbetaalbaar wordt. Van Agteren denkt van niet. “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.
Het mengen van aardgas en waterstof lever ook klimaatwinst op. 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. Dat is niet veel, hoewel het bijmengen van waterstof ook startpunt kan zijn. Maar uiteindelijk is de strategie van Gasunie en andere Europese gastransportbedrijven erop gericht om 100 procent waterstof te transporteren. De reductie van de CO2-uitstoot is dan navenant groter.
‘Het aardgasnet ombouwen naar waterstof, kan dat zomaar?’ Het antwoord is: ja het kan, maar 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.
Tekst: Gasunie / Waterstof Magazine
Lees ook: witte-waterstof-een-revolutie-in-hernieuwbare-energie