Waterstof transporteren via het aardgasnet in de toekomst?

Waterstof is volgens verschillende organisaties op de energiemarkt een belangrijke vervanger van aardgas. In plaats van aardgas als fossiele brandstof te gebruiken kan men beter een duurzaam verkregen waterstof inzetten. Er zijn verschillende voordelen te benoemen voor waterstof. Deze gasvormige stof kan namelijk worden geproduceerd. Daardoor kan waterstof in feite niet opraken. Daarnaast kan waterstof worden opgeslagen en getransporteerd.

Aardgasvrij wonen
Voor het transporteren van aardgas kan men mogelijk ook het netwerk van aardgasleidingen gebruiken dat reeds in Nederland aanwezig is. in Nederland wordt decennia lang gebruik gemaakt van aardgas. Dat zorgt er voor dat er een goed netwerk aan aardgasleidingen aanwezig is inclusief de bijbehorende installaties. De huidige installaties en aardgasleidingen zijn over een periode van zestig jaar opgebouwd en onderhouden. Dat betekent dat in de praktijk bijna alle gebouwen aangesloten zijn op aardgasleidingen behalve de nieuwbouwwoningen die aardgasvrij zijn gebouwd en aangesloten.

Fijnmazig netwerk
Volgens de beheerders van deze aardgasleidingen is het netwerk fijnmazig en bovendien in uitstekende en veilige conditie. Dat zorgt er voor dat er een waardevol systeem in de grond zit. Men heeft zichzelf terecht de vraag gesteld of dit leidingnetwerk in de toekomst misschien voor andere doeleinden kan worden gebruikt. Het transporteren van waterstof is dan heel interessant. Omdat waterstof volgens veel bedrijven in de installatietechniek de toekomst is zou het aardgasleidingnetwerk in de toekomst kunnen worden gebruikt voor het transport van waterstof.

Waterstofketel
Er zijn volgens experts een aantal kleine aanpassingen nodig om het huidige leidingnetwerk aan te passen voor waterstof. Aardgas is namelijk een andere soort gas dan waterstof. De energiewaarde van aardgas is anders en ook de dichtheid van het gas. Naast het aanpassen van het leidingnetwerk is het belangrijk dat ook de woninginstallaties worden aangepakt. Veel woninginstallaties hebben nog een standaard aardgasgestookte cv-installatie. Dat zal in de toekomst een waterstofketel moeten worden. Een waterstofketel heeft een ander verbrandingssysteem dan een aardgasgestookte cv installatie. Het aanpassen van de huidige cv-ketels naar een waterstofketel is vaak niet of nauwelijks mogelijk.

Waaruit bestaat een geothermie installatie?

Geothermie is aardwarmte en kan worden aangewend als verwarmingsbron of indirect als energieleverancier worden gebruikt waarbij de aardwarmte bijvoorbeeld wordt omgezet in elektrische energie. Geothermie is een effectieve alternatieve energiebron omdat er bij deze installaties nauwelijks CO2 vrij komt in de atmosfeer. Dat maakt geothermie veel milieuvriendelijker dan bijvoorbeeld aardgas. Voordat met een geothermie-installatie gaat bouwen moet met een grondig onderzoek doen. Zo moet men een goed beeld hebben van de aardbodem en de aardlagen waarin warm grondwater aanwezig is. Als men dit in kaart heeft gebracht en de uitkomst interessant genoeg is, kan men gaan bouwen. Een geothermie-installatie bouwt men niet zomaar. Een dergelijke installatie kost miljoenen en moet daarom zorgvuldig worden gebouwd door professionele bedrijven. Een geothermie installatie bestaat uit een aantal onderdelen. Deze onderdelen zijn hieronder in een aantal alinea’s beschreven.

Putten
Allereerst zijn er twee schachten nodig die ook wel putten worden genoemd. Deze putten worden met een grote boorinstallatie geboord en zijn ongeveer 2 kilometer lang. Op 2 kilometer diepte is de aardwarmte ongeveer 60 tot 80 graden Celsius. De put wordt tot onder het grondwater geboord. Er moet dus rekening worden gehouden met de grondwaterstand voordat men gaat boren. Het warme water wordt uit de put omhoog gepompt.

Het is natuurlijk wel belangrijk dat de putten of schachten niet in elkaar storten tijdens het oppompen van het warme grondwater. De ondergrondse druk is hierbij een belangrijke factor. Deze druk kan er voor zorgen dat de schachten in elkaar gedrukt worden. Dat moet worden voorkomen en daarvoor worden buizen geplaatst in het boorgat van de put. Deze buizen worden vervolgens vastgezet met cement. Op die manier zijn de schachten verankert.

De uiteinden van schachten of putten zijn onder de grond ongeveer 1 tot 2 kilometer van elkaar verwijderd. Dat is noodzakelijk want via de ene put wordt warm water opgepompt en via de andere put wordt koud of afgekoeld water weer naar beneden gepompt. Dit koude water wordt vervolgens weer opgewarmd door de aarde en het overige grondwater zodat het weer opgewarmde water naar boven gehaald kan worden in de eerst schacht. Zo ontstaat er een circulair systeem waardoor het volume aan grondwater gelijk blijft en bodemdaling wordt voorkomen of geminimaliseerd.

Warmtewisselaar

Het opgepompte warme water stroomt door buizen in een warmtewisselaar. In deze warmtewisselaar komt het warme grondwater in contact met het water van het verwarmingssysteem. Dit water wordt door het grondwater verwarmt. Er vindt uitwisseling van warmte plaats vandaar de term warmtewisselaar. Het opgewarmde water stroom uit de warmtewisselaar naar de verwarmingssystemen van gebouwen, utiliteit en woningen. Een pomp zorgt er voor dat het afgekoelde grondwater weer naar beneden wordt gepompt via de juiste put. Daardoor komt het afgekoelde grondwater weer op dezelfde diepte waar het ook vandaan werd gepompt via de andere put.

Pompen
In de alinea’s hiervoor is een paar keer het woord ‘pomp’ gebruikt. Een geothermische installatie kan niet zonder een paar pompen waarmee het water wordt opgepompt uit de aardbodem en teruggepompt naar de oorspronkelijke diepte. Deze pompen worden net als de warmtewisselaar in een gebouw geplaatst van ongeveer twintig bij twintig meter. Hierin zijn vaak ook filters geplaatst voor het filteren van het grondwater.

Ontgassingsinstallatie
Samen met het grondwater kan ook aardgas naar boven komen. Dit brengt extra risico’s met zich mee in de vorm van brandgevaar en explosiegevaar. Om die reden wordt er meestal een ontgassingsinstallatie met een ontgassingstank. Dit is een veiligheidsvoorziening. Als er aardgas aanwezig is kan er ook een noodfakkel worden aangebracht die er voor zorgt dat het aardgas wordt afgefakkeld.

Technische ruimte
Tot slot is er nog een technische ruimte nodig voor het uitvoeren van revisie, reparatie en onderhoud. Een geothermie installatie heeft net als andere grote installaties onderhoud nodig. Vooral de aanwezigheid van aardgas kan voor extra risico’s zorgen waardoor het onderhoud en de reparaties door specialisten moet gebeuren met een werkvergunning en verschillende veiligheidscertificaten.

Geothermie en duurzaamheid

Geothermie is een ander woord voor aardwarmte en wordt steeds vaker genoemd als een goed alternatief voor aardgas. Dat is geen wonder want geothermie is altijd aanwezig en daardoor een onuitputtelijke duurzame energiebron. Veel woningen hebben nog een centrale verwarming waarin aardgas wordt verbrand om warm cv-leidingwater te realiseren. Het verstoken van aardgas staat echter ter discussie vanwege de CO2 uitstoot maar ook vanwege het feit dat aardgas een fossiele brandstof is die niet onuitputtelijk is.

Aardwarmte is onuitputtelijk duurzaam
Aardwarmte is de warmte die de aarde zelf afgeeft en is daardoor onuitputtelijk. Daarvoor moet men echter wel diep in de aardkorst boren. Hoe dieper men in de aardlagen boort hoe hoger de temperatuur wordt. Dat betekent dat men diep moet boren om voldoende warmte te winnen voor verwarmingsinstallaties van woningen en utiliteitscomplexen. Het boren van een schacht kost miljoenen euro’s. De geothermische dieptemaat is een belangrijke factor in de prijs van het boren naar aardwarmte of geothermie.

Geothermische dieptemaat
Aardwarmte wordt naar boven gehaald doormiddel van grondwater. Grondwater bevind zich in verschillende bodemlagen en heeft daardoor ook een verschillende temperatuur. Gemiddeld wordt de temperatuur van de aardbodem 35 °C tot 40 °C hoger naar mate men dieper boort. De diepte waarop men boort naar aardwarmte wordt ook wel de geothermische dieptemaat genoemd. De dieptemaat waarop men op een bepaalde aardwarmte stuit is echter niet in elk land hetzelfde en ook binnen een land verschilt de warmte die men aantreft in de aardlagen. Dat maakt het lastig om een vaste geothermische dieptemaat te bepalen waarop men een bepaald rendement aan geothermie kan aantreffen. Als men in een bepaalde regio gebruik wil maken van aardwarmte zal men daarom eerst een grondig bodemonderzoek moeten doen naar de aardlagen en de aanwezigheid van (warm) grondwater.

Warmteanomalieën
De geothermische dieptemaat oftewel de aardlaag waar een bepaalde aardwarmte wordt aangetroffen is verschillend zoals in de alinea hierboven beschreven is. Dat betekent dat er positieve en negatieve afwijkingen kunnen zijn in de aanwezige warmte. Deze afwijkingen van de standaard noemt men ook wel warmteanomalieën. Deze afwijkingen kunnen bijvoorbeeld ontstaan door lagen met vulkanische activiteit. Denk hierbij aan de geisers op IJsland waaruit kokend heet water naar boven spuit. Dit is een voorbeeld van geothermie waarbij enorm veel heet water vrij komt. Er zijn echter meerdere locaties waar vulkanische activiteit aanwezig is en het water op een redelijk kleine diepte al kokend heet is. Deze anomalieën zijn waardevol voor geothermie. In de geothermie worden deze beschouwd als hoogenthalpie vindplaatsen.

Direct en indirect gebruik van geothermie
Hoogenthalpie vindplaatsen zijn op verschillende locaties in de wereld aanwezig. Deze locaties worden wereldwijd gebruikt als energiebronnen voor het opwekken van elektrische stroom. Dit gebeurd in een geothermiecentrale. Daarbij maakt men bijvoorbeeld gebruik van een warmte-krachtkoppeling (WKK). Dit is echter een vorm van indirect gebruik van geothermie met een hoog rendement. Men kan echter ook direct gebruik maken van geothermie. Daarbij gaat men het warme grondwater direct door een verwarmingssysteem heen pompen.

Aardbodemdaling door geothermie?
Er zijn risico’s verbonden aan het gebruik van warm grondwater. Door grondwater uit de aardbodem te pompen bestaat er een kans dat de aardbodem gaat dalen als het grondwatervolume aanzienlijk afneemt. Daarom gebruikt men bij geothermie vaak installaties waarbij ook weer afgekoeld water teruggepompt wordt in de aardbodem zodat het volume aan grondwater ongeveer gelijk blijft.

Wat is geothermie?

Geothermie is een ander woord voor aardwarmte en is tevens een verzamelnaam voor technologie waarmee warmte uit verschillende aardlagen wordt gewonnen, getransporteerd en gebruikt om gebouwen en andere voorzieningen te verwarmen. Als men het in het kader van de energietransitie heeft over geothermie dan doelt men meestal op installaties waarmee warm grondwater uit diepere aardlagen naar boven wordt gepompt. Dit warme water wordt vervolgens via verwarmingssystemen overgedragen op de omgeving die daardoor wordt verwarmt. Het water wordt bij deze warmteafgifte afgekoeld. Het afgekoelde water wordt vervolgens weer in de aardbodem gepompt via een andere buis. Daar wordt het water weer door de diepere aardlagen verwarmd en mengt het zich met het overige grondwater. Dit wordt vervolgens opgepompt. Op die manier ontstaat in feite een circulair systeem waardoor bodemdaling wordt voorkomen en er ook geen tekort ontstaat aan water.

Wat betekent geothermie?
Het woord geothermie is een samenvoeging van de Griekse woorden geo (dat vertaald wordt met ‘aarde’) en thermos (dat vertaald kan worden met ‘warmte’). Deze vertaling zorgt er voor dat geothermie letterlijk vertaald kan worden met het woord ‘aardwarmte’. Aardwarmte is een energiebron die tot de duurzame energiebronnen wordt gerekend omdat aardwarmte altijd aanwezig is en dus niet opraakt. Aardwarmte is daardoor duurzamer dan fossiele brandstoffen die overigens uit de aardbodem worden gehaald. Echter worden de fossiele brandstoffen verbrand om warmte te realiseren. Bij het verbranden komt echter CO2 vrij en andere schadelijke stoffen zoals fijnstof. Door direct warmte te transporteren zonder brandstoffen te verbranden bespaard men energie en zorgt men er tevens voor dat er geen schadelijke stoffen in het milieu terecht komen. Toch kunnen er wel gassen vanuit de aardbodem naar boven komen tijdens het winnen van warm grondwater. Daar dient men bij de installatie van een geothermische warmtepomp wel rekening mee te houden.

Wat is een veiligheidsventiel of veiligheidsklep?

Een veiligheidsventiel of veiligheidsklep is een beveiligingssysteem dat wordt aangebracht in een toevoerleiding van een apparaat en automatisch opent of sluit wanneer er in het systeem een bepaalde maximumwaarde van temperatuur of druk wordt overschreden. Het veiligheidsventiel zorgt er voor dat het (leiding)systeem niet beschadigd wordt door de opgebouwde druk door de druk (voor een deel) te laten ontsnappen. Het veiligheidsventiel zal bij een te grote druk een deel van het gas of de vloeistof laten ontsnappen uit het systeem. Men heeft het dan over het laten ontsnappen van het ‘drukopbouwende medium’. Ook kan het veiligheidsventiel er voor zorgen dat de toevoer van het medium wordt beperkt waardoor de druk afneemt.
Er worden in systemen verschillende soorten veiligheidskleppen. Deze worden in twee hoofdgroepen ingedeeld namelijk de automatische en gestuurde veiligheidskleppen. Het verschil tussen deze veiligheidskleppen wordt kort toegelicht:

  • Gestuurde veiligheidsventielen worden doormiddel van een alarm in een elektronische besturing geschakeld.
  • Automatische ventielen kunnen zelf de grootheid van een medium meten. Wanneer er sprake is van een overschrijding van de ingestelde grenswaarde zal de klep zich automatisch gaan sluiten. Een voorbeeld van een automatisch ventiel is het overdrukventiel.

Overdrukventiel
Een overdrukventiel is een automatisch ventiel dat zich opent wanneer er een drukverschil tussen een ingang en uitgang wordt gemeten die boven de ingestelde waarde komt. Er is dan sprake van een ‘over’ druk oftewel een teveel aan druk. Een overdrukventiel wordt vaak aangebracht om een systeem te beschermen. Wanneer er teveel druk ontstaat in bijvoorbeeld leidingsystemen bestaat de kans dat gedeelten van het systeem openbarsten of losbreken wanneer de druk niet weg kan komen. Dit is ook het geval bij drukvaten die aangebracht zijn in leidingsystemen. Uiteraard is het belangrijk dat er duidelijke regels worden gehanteerd voor het plaatsen en fabriceren van drukapparatuur. Hiervoor zijn Europese regels opgesteld in de PED-richtlijn (Richtlijn 97/23/EG) en de richtlijn m.b.t. drukvaten van eenvoudige vorm in Richtlijn 87/404/EEG.

Overstortventiel
In centrale verwarmingsinstallaties wordt ook gebruik gemaakt van een veiligheidsventiel. In die installaties heeft men het echter over een overstortventiel. In het overstortventiel is een veer geplaats die de klep gesloten houdt. Deze veer is afgesteld op een druk van drie bar. Wanneer de druk in de cv-leiding boven de drie bar uitkomt zal het overstortventiel er voor zorgen dat er een bepaalde hoeveelheid water uit de cv-leiding zal worden geloosd.
Als water wordt verwarmd zal het uitzetten. Zo zet water van 10 wanneer het verwarmt wordt tot 85 °C uit met ongeveer 3%. In eerste instantie zal de toegenomen druk in de cv-installatie worden opgevangen door een expansievat dat is aangebracht in de installatie. Wanneer het expansievat echter defect raakt dan zal de druk alsnog oplopen. Daarom is een overstortventiel als extra veiligheidsmaatregel aangebracht. Een overstortventiel kan op het riool wordt aangesloten zal men gebruik moeten maken van een trechter.

Wat is een expansievat van een centrale verwarming?

Een expansievat wordt gebruikt in een met vloeistof gevulde installatie om de drukveranderingen te beperken. Zo wordt een expansievat aangebracht in een centrale verwarmingsinstallatie. In een expansievat zijn twee compartimenten aanwezig. Deze compartimenten worden van elkaar gescheiden door een membraan. Van deze twee compartimenten staat één compartiment in contact met het systeem. Dit houdt in dat dit compartiment is gevuld met dezelfde vloeistof als in het systeem wordt gebruikt. In het geval van een centrale verwarming is één compartiment van het expansievat gevuld met cv-leidingwater. Het andere compartiment van het expansievat bevat een samengeperst gas.

Hoe werkt een expansievat?
Een expansievat is een drukvat. Het woord expansie maakt duidelijk dat er ook sprake is van het uitzetten van een stof. In dit geval kan een vloeistof uitzetten en zal dit uitzetten opgevangen moeten worden met een ander soort stof namelijk een gas. Een gas kan men namelijk comprimeren en een vloeistof niet. Het ene compartiment van het expansievat bevat daarom de vloeistof van het systeem en het andere compartiment een gecomprimeerd gas.
Als de druk in het systeem oploopt zal het membraam dat de twee compartimenten van elkaar scheid richting het gas verschuiven. Hierdoor neemt het volume in het systeem toe en wordt het gas samengeperst. Omdat het volume in het systeem toeneemt zal de druk in het systeem afnemen. De zogenaamde voordruk in het expansievat bedraagt 0,5 bar of 1 bar. Er zijn expansievaten met verschillende inhoud op de markt. De inhoud van een expansievat houdt verband met de waterinhoud of vloeistofinhoud van de installatie.

Waar worden expansievaten toegepast?
De meest bekende toepassing van expansievaten is de toepassing in cv-installaties. Een expansievat is een belangrijk onderdeel van een cv-installatie omdat het water in de centrale verwarmingsinstallatie regelmatig wordt verwarmd en vervolgens afkoelt door het in- en uitschakelen van de verwarming. De cv-ketel verwarmt het water van de cv-leidingen en is meestal gekoppeld aan een thermostaat of aan domotica.

Expansievat kapot
De wisselende temperaturen van het cv-leidingwater zorgt voor volumeverschillen en drukverschillen in de cv-installatie. Warm water zet namelijk uit. Het verschil in druk en volume wordt opgevangen door het expansievat. Als het drukverschil echter te sterk varieert door de veranderingen van de watertemperatuur dan kan het expansievat het drukverschil niet meer goed opvangen. Het is mogelijk dat het expansievat dan een kapot membraam krijgt. Dit kan men zelf controleren door met een hard voorwerp te tikken tegen de zijkanten van het vat. Als het goed is hoort men een verschil tussen het tikken tegen de bovenkant van het vat en de onderkant. Als dat niet het geval is zal er geen sprake zijn van twee gescheiden compartimenten. Overigens wordt er naast een expansievat meestal een tweede beveiliging aangebracht tegen overdruk. Dit is de ontlastklep oftewel het overstortventiel. Het overstortventiel is een veiligheidsventiel.

Vormgeving van het expansievat
Wanneer men denkt aan een expansievat dan denkt men meestal aan een rood cilindervormig vat dat naast een cv-ketel hangt. Dit vat is bevestigd aan een opvangsysteem dat aan de muur is vastgemaakt. Dit rode expansievat werd vlak na de Tweede Wereldoorlog ontwikkeld door Johan Wormmeester. Na de oorlog was er weinig geld beschikbaar en moesten technici goed nadenken over een goedkope en effectieve oplossing voor technische vraagstukken. Wormmeester dacht dat het ontwikkelen van een nieuwe mal behoorlijk veel geld zou kosten. Daarom had hij een goedkopere oplossing bedacht namelijk twee pannen op elkaar. Deze twee pannen werden tegen elkaar gehouden door een ring. In het midden van deze twee helften zit een rubberen membraan vastgeklemd. De bovenste helft van het expansievat is gevuld met het cv-leidingwater en de onderste helft met stikstofgas. Het water bovenste helft van het expansievat kan uitzetten wanneer de cv-ketel in werking treed. Het stikstofgas wordt dan in elkaar gedrukt. Wanneer de cv-ketel afslaat zal het membraan langzaam weer naar boven bewegen en zal het stikstof gas gaan uitzetten.