Aardgasleidingen op waterstof

“Energietransitie veel goedkoper met waterstof door de aardgasleiding” stond geschreven in een online magazine over waterstof (Waterstofmagazine, 2021). In Europa worden verschillende initiatieven ontplooit om de CO2-uitstoot te verminderen. Een van de oplossingen is het gebruik van groen waterstofgas dat met duurzame bronnen zoals zonne-, wind- en waterkracht wordt geproduceerd. Daarbij is het idee om een gedeelte van het bestaande aardasnetwerk te gebruiken voor het vervoer van waterstofgas.

Sinds de ontdekking van het Groninger aardgas is er in Nederland gebouwd aan een fijnmazig netwerk van pijpleidingen. Dit aardgasnetwerk zou op een duurzame manier kunnen bijdragen aan de transitie naar duurzame energie zoals duurzame waterstof. Net zoals Gasunie en Fluxys in de Benelux, hebben vele andere gasleveranciers in Europa een backbone plan gemaakt waarbij een deel van het bestaande aardgasnetwerk zal worden gebruikt voor waterstofgas. De vraag is: ”Zijn deze aardgasleidingen wel geschikt voor waterstof?”

Om deze vraag te beantwoorden is gekeken naar een aantal belangrijke eigenschappen van waterstof, mogelijke risico’s die kunnen ontstaan, welke normen van toepassing zijn en welke mogelijkheden er zijn om aardgasleidingen op een veilige manier in bedrijf te nemen.

Eigenschappen van waterstof

Waterstof heeft overeenkomsten met aardgas, maar ook verschillen. Waterstof (H₂) is het eerste element van het periodieke systeem en daardoor het meest eenvoudig chemisch element. Het is in normale omgevingscondities een kleurloos, reukloos, niet-corrosief, niet-oxiderend, niet-radioactief, niet-kankerverwekkend en niet-toxisch gas (Waterstofnet, 2021).

Waterstof is een licht en snel ontvlambaar gas. Doordat waterstof lichter is kan het ten opzichte van aardgas (CH₄) makkelijker ontsnappen bij flenzen, kleppen en afsluiters. Doordat het zo licht is, zal het in de buitenlucht snel stijgen en afhankelijk van de weersomstandigheden, in een “rechte lijn” omhoog gaan. Het explosiegebied van aardgas ligt tussen de 4,4% en 16%, terwijl het explosiegebied van waterstof veel groter is (tussen de 4,1% en 74,8%).

Waterstof is een ‘beweeglijker’ gas dan aardgas, maar het verschil is in de praktijk van beperkte betekenis. De viscositeit van waterstof is ongeveer 40% lager, dit betekent dat bij eenzelfde klein laminair lek er 40% meer volume weglekt dan bij aardgas (KIWA & Stedin, 2021)

Expanderen levert energie

Een andere verschil tussen aardgas en waterstofgas is dat bij het in bedrijf nemen (commissioning) van een pijpleiding, waterstof warmte produceert. Waterstof is, net als helium, een gas dat zich bij een dalende druk anders gedraagt dan stikstof, lucht en andere gassen. Het zogenoemde isenthalpische proces. In tegenstelling tot veel andere moleculen wordt waterstof namelijk juist warmer als het uitzet. Dit effect wordt ook wel een omgekeerd Joule-Thompson effect genoemd. Voor het werken met waterstof onder hoge druk tot 700 bar, geeft de Britse Health and Safety Executive het kritieke belang aan van het begrijpen van deze implicaties om veilige oplossingen te kunnen ontwikkelen (Resato, 2021).

Waterstofbrosheid

Een andere eigenschap is de waterstofbrosheid. Waterstofbrosheid kan corrosie veroorzaken die leidt tot een aanzienlijke reductie in buigbaarheid en belastbaarheid, hetgeen zelfs bij een druk lager dan de normale operationele druk kan leiden tot scheurvorming en catastrofale brosheidsgevolgen (NACE, 2021).

Waterstofbrosheid is het binnendringen van waterstof in een component, een gebeurtenis die de buigbaarheid en het draagvermogen ernstig kan verminderen, scheuren en catastrofale brosse breuken kan veroorzaken bij spanningen onder de vloeispanning van gevoelige materialen. Voorbeelden van waterstofverbrossing zijn het scheuren van lasnaden of gehard staal bij blootstelling aan waterstof in het onderdeel. Momenteel wordt dit fenomeen niet volledig begrepen en in het bijzonder de detectie van waterstofverbrossing lijkt een van de moeilijkste aspecten van het probleem te zijn. Waterstofverbrossing tast niet alle metalen materialen in gelijke mate aan. De meest kwetsbare zijn staalsoorten met een hoge treksterkte, titaniumlegeringen en aluminiumlegeringen.

“Energietransitie veel goedkoper met waterstof door de aardgasleiding” stond geschreven in een online magazine over waterstof (Waterstofmagazine, 2021). In Europa worden verschillende initiatieven ontplooit om de CO2-uitstoot te verminderen. Een van de oplossingen is het gebruik van groen waterstofgas dat met duurzame bronnen zoals zonne-, wind- en waterkracht wordt geproduceerd. Daarbij is het idee om een gedeelte van het bestaande aardasnetwerk te gebruiken voor het vervoer van waterstofgas.

Sinds de ontdekking van het Groninger aardgas is er in Nederland gebouwd aan een fijnmazig netwerk van pijpleidingen. Dit aardgasnetwerk zou op een duurzame manier kunnen bijdragen aan de transitie naar duurzame energie zoals duurzame waterstof. Net zoals Gasunie en Fluxys in de Benelux, hebben vele andere gasleveranciers in Europa een backbone plan gemaakt waarbij een deel van het bestaande aardgasnetwerk zal worden gebruikt voor waterstofgas. De vraag is: ”Zijn deze aardgasleidingen wel geschikt voor waterstof?”

Om deze vraag te beantwoorden is gekeken naar een aantal belangrijke eigenschappen van waterstof, mogelijke risico’s die kunnen ontstaan, welke normen van toepassing zijn en welke mogelijkheden er zijn om aardgasleidingen op een veilige manier in bedrijf te nemen.

Eigenschappen van waterstof

Waterstof heeft overeenkomsten met aardgas, maar ook verschillen. Waterstof (H₂) is het eerste element van het periodieke systeem en daardoor het meest eenvoudig chemisch element. Het is in normale omgevingscondities een kleurloos, reukloos, niet-corrosief, niet-oxiderend, niet-radioactief, niet-kankerverwekkend en niet-toxisch gas (Waterstofnet, 2021).

Waterstof is een licht en snel ontvlambaar gas. Doordat waterstof lichter is kan het ten opzichte van aardgas (CH₄) makkelijker ontsnappen bij flenzen, kleppen en afsluiters. Doordat het zo licht is, zal het in de buitenlucht snel stijgen en afhankelijk van de weersomstandigheden, in een “rechte lijn” omhoog gaan. Het explosiegebied van aardgas ligt tussen de 4,4% en 16%, terwijl het explosiegebied van waterstof veel groter is (tussen de 4,1% en 74,8%).

Waterstof is een ‘beweeglijker’ gas dan aardgas, maar het verschil is in de praktijk van beperkte betekenis. De viscositeit van waterstof is ongeveer 40% lager, dit betekent dat bij eenzelfde klein laminair lek er 40% meer volume weglekt dan bij aardgas (KIWA & Stedin, 2021)

Expanderen levert energie

Een andere verschil tussen aardgas en waterstofgas is dat bij het in bedrijf nemen (commissioning) van een pijpleiding, waterstof warmte produceert. Waterstof is, net als helium, een gas dat zich bij een dalende druk anders gedraagt dan stikstof, lucht en andere gassen. Het zogenoemde isenthalpische proces. In tegenstelling tot veel andere moleculen wordt waterstof namelijk juist warmer als het uitzet. Dit effect wordt ook wel een omgekeerd Joule-Thompson effect genoemd. Voor het werken met waterstof onder hoge druk tot 700 bar, geeft de Britse Health and Safety Executive het kritieke belang aan van het begrijpen van deze implicaties om veilige oplossingen te kunnen ontwikkelen (Resato, 2021).

Waterstofbrosheid

Een andere eigenschap is de waterstofbrosheid. Waterstofbrosheid kan corrosie veroorzaken die leidt tot een aanzienlijke reductie in buigbaarheid en belastbaarheid, hetgeen zelfs bij een druk lager dan de normale operationele druk kan leiden tot scheurvorming en catastrofale brosheidsgevolgen(NACE, 2021).

Waterstofbrosheid is het binnendringen van waterstof in een component, een gebeurtenis die de buigbaarheid en het draagvermogen ernstig kan verminderen, scheuren en catastrofale brosse breuken kan veroorzaken bij spanningen onder de vloeispanning van gevoelige materialen. Voorbeelden van waterstofverbrossing zijn het scheuren van lasnaden of gehard staal bij blootstelling aan waterstof in het onderdeel. Momenteel wordt dit fenomeen niet volledig begrepen en in het bijzonder de detectie van waterstofverbrossing lijkt een van de moeilijkste aspecten van het probleem te zijn. Waterstofverbrossing tast niet alle metalen materialen in gelijke mate aan. De meest kwetsbare zijn staalsoorten met een hoge treksterkte, titaniumlegeringen en aluminiumlegeringen.

De norm

Nieuwe transportleidingen zijn onderhevig aan de (inter)nationale normen. In Nederland is dat de NEN3650 die beschrijft op welke manier een leiding getest moet worden zodat deze op een veilige manier kan worden gebruikt. De leidingen in bijvoorbeeld Duitsland zijn onderhevig aan de TÜV. Hierdoor zijn er in beide landen andere manier van testen. Daar waar in Nederland een hydrostatische sterktetest wordt gedaan op 1,5x de ontwerpdruk, gaat men in Duitsland een stapje verder. Hier worden de leidingen onderworpen aan een test die tot de vloeigrens van het leidingmateriaal gaat. Een test die risico’s meeneemt, maar wel op deze manier de kans op kleine defecten kan minimaliseren.

Ondanks dat de wereld continue in beweging is, zijn er in Nederland en Europa nog geen nieuwe normen met betrekking tot het gebruik van bestaande aardgasleidingen voor waterstof. De hele industrie is hard bezig om te onderzoeken op welke manier de integriteit van deze leidingen het beste gewaarborgd kunnen worden.

Naast de grote industrie die in hun plant waterstof transporteren zijn er gassenleveranciers zoals Air liquid en Air Products, Linde Gas, Nippon Gases die al jaren waterstof door hun netwerk vervoeren. Dit zijn pijpleidingen die speciaal zijn geconstrueerd met als doel om waterstof te transporteren. Pas sinds 2018 verbindt een 12 km lange waterstofpijplijn de chemische bedrijven Dow Chemical en Yara. Dit is een voormalige aardgasleiding die sinds 2018 exclusief voor waterstof wordt ingezet (BIG-leidingen, 2020). Tot op heden loopt er via dit tracé, zonder problemen, waterstof van de ene plant naar de andere.

Ondersteunende diensten

Om een waterstofleiding in dienst te kunnen nemen en te onderhouden zijn er verschillende zaken die van belang zijn, beginnende bij een goed design, keuze in materialen, het aanbrengen van kathodische bescherming, etc. Een aantal punten die ook van belang zijn (en aansluiten bij de diensten van TECCURO hebben betrekking op) is het drogen, lektesten en inspecteren van waterstofleidingen.

Drogen

Niet alleen zal water in een waterstofsysteem waterstofbrosheid bevorderen, ook kan er hydraatvorming en corrosie ontstaan die de integriteit in gevaar kan brengen. Leidingen die (opnieuw) onderworpen zijn aan een hydrostatisch sterkte test zullen hierdoor tot een zo laag mogelijk dauwpunt gedroogd moeten worden. Momenteel ligt de standaard voor waterstofleidingen op een dauwpunt van -40 graden Celsius, maar in sommige documenten wordt al gesproken over dauwpunten van -60 graden Celsius. Het drogen kan dan vaak een langdurig proces zijn waarbij een combinatie van verschillende technieken wordt ingezet die eindigen met het afvullen van de leiding onder stikstofcondities.

Lektesten

Waterstof is een kleiner molecuul dat bij hetzelfde laminaire aardgaslek, 40% meer lekt. Er zijn twee verschillende situaties waarbij een lek kan ontstaan. Tijdens het testen voordat een systeem in bedrijf wordt genomen (pre-commissioning) en tijdens de operationele fase.

Na een eventuele modificatie en voor de commissioning is het mogelijk om flenzen, afsluiters, etc. met een tracergas op lekkages te controleren. Hierdoor is het mogelijk om lekkages te identificeren en te kwantificeren. De meest gebruikte methode is een mengsel van helium en stikstofgas. De reden is dat het beide inerte gassen zijn en helium nauwelijks van nature in de lucht voorkomt. Een groot nadeel is dat helium relatief duur is en soms moeilijk te verkrijgen is.

Het stikstof-waterstof formeergas is dan een goedkopere oplossing voor het traceren van lekkages. Omdat waterstof het kleinste molecuul is dat bestaat, komt het bij een lage persdruk makkelijk vrij. Het is vergeleken met andere gassen het minst stroperig en het lichtst, waardoor het effectief werkt als traceergas bij lekkages. Daarnaast is waterstof het uiteindelijk het product dat door de leiding moet stromen. Dit traceergas is daarom zeer geschikt. Echter is pure waterstof zeer licht ontvlambaar en mag het stikstof-waterstof mengsel nooit meer dan 5% waterstof bevatten (gassen, 2021). Het goed mixen is dan van wezenlijk belang.

Inspecties

Transportleidingen worden regelmatig met intelligente inspectiepigs onderzocht op afwijkingen (defecten) om de integriteit te kunnen bepalen. Defecten die een verhoogd risico geven worden dan in een onderhoudsprogramma hersteld. De kennis vanuit deze inspecties kan worden gebruikt om de leiding klaar te maken voor waterstofgas.

Hoewel het gebruik en transport van waterstof al tientallen jaren bestaat, zijn er enkele specifieke gebieden en integriteitsuitdagingen betrokken bij de transitie van pijpleidingen tussen aardgas en waterstof, dat vraagt om toekomstig onderzoek. Dit kan leiden tot wijzigingen of toevoegingen aan het huidige integriteitsbeheer (en mogelijk operationele) praktijken, om de potentiële nieuwe bedreigingen te volgen. Een holistische benadering zoals het gepresenteerde Hydrogen Integrity Framework, waarbij identificatie en kwantificering van de bedreigingen, zorgen voor een aanpassing in het managementplan waardoor een veilige, economische en succesvolle introductie van waterstof in het aardgasnet mogelijk kan zijn (Neil Gallon, 2020).

Een ander aandachtspunt tijdens de inspecties zijn de materialen waarvan de pig is gemaakt. In onderzoek is naar voren gekomen dat de normale magneten die worden gebruikt in MFL-inspecties bros worden en uit elkaar vallen (Barker, 2020). De juiste keuze van materialen die tijdens de inspectie in contact komen met de verhoogde concentraties waterstofgas is dus van belang op het succes.

Conclusie

De wereld van waterstof is in beweging. Op basis van de huidige kennis en ervaring is de eerste waterstofpijpleiding is Nederland al een aantal jaren succesvol in dienst. Daarnaast zijn diverse bedrijven en instellingen elke dag bezig om middels onderzoek de risico’s van waterstof beter in kaart te brengen zodat wij allemaal in een veilige omgeving kunnen leven.

Mocht u naar aanleiding van dit artikel vragen hebben over waterstof of de diensten van TECCURO, kunt u via het contactformulier een bericht sturen.