Gepubliceerd op 16 november 2023

Nieuwe leidingen voor warmtenetten: geen staal maar composieten

Verreweg de meeste leidingen voor warmtenetten bestaan uit staal. Kan dat niet goedkoper, eenvoudiger en lichter met een composiet als GRE (glasfiber re-enforced expoxy)? Met die vraag is een consortium onder leiding van TNO het 3-jarige programma COM2HEAT gestart. ‘GRE wordt al jarenlang toegepast in de procesindustrie wegens corrosiebestendige eigenschappen die interessant zijn voor warmtenetten. Nu komt het erop aan om ook verbindingen te leggen voor de warmteketen’, zegt Gert-Jan Heerens van TNO.

Heerens heeft een lange staat van dienst als projectontwikkelaar voor nieuwe, innovatieve businessmodellen, eerst in de industrie, vanaf begin deze eeuw bij TNO als senior voor het COM2GEO onderzoeksprogramma (de voorganger van COM2HEAT). Hoewel Hadi Dashtaki Hesari sinds enige tijd projectleider van het COM2HEAT programma is (zie korte biografie), voert Heerens via Teams het woord en plaatst de laatste ontwikkelingen in perspectief.

Duizenden kilometers

‘Op dit moment zijn ongeveer 491.000 huishoudens op een van de 20 grote warmtenetten aangesloten’, zegt hij. ‘Daarvoor zijn duizenden kilometers aan leidingen de grond ingegaan. Als het aan de overheid ligt, moeten er in 2050 maar liefst vijf tot zes miljoen huishoudens worden aangesloten. Dat betekent tevens een vertienvoudiging aan ondergronds leidingwerk en toebehoren, tot indicatief vijftigduizend kilometer. Nu bestaat het netwerk van leidingen, warmtewisselaars en verbindingen hoofdzakelijk uit staal. Ga je dat door composietmaterialen vervangen, dan boek je op vele, uiteenlopende terreinen winst.’

Staal vs composiet

Hoewel staal decennialang meegaat, is de productie daarvan behoorlijk energie- en kapitaalintensief. Bij de productie van één ton staal komt circa 1,9 ton CO2 vrij. Door de lange looptijden qua investeringen verandert de sector maar langzaam (hoewel pioniers als het Finse Ruukki sinds kort al pilots met emissieloos gerecycled staal uitvoeren). ‘Staal is gevoelig voor corrosie’, zegt hij. ‘Om dat te voorkomen, moet je voor geothermische bronnen neerslag- en roestwerende chemische middelen gebruiken. Staal vergt bovendien behoorlijk veel onderhoud en inspectie. Die nadelen hebben composieten niet.’

Het consortium onder leiding van initiatiefnemer TNO (zie kader) gaat in programma COM2HEAT gedurende drie jaar onderzoeken of staal door composieten vervangen kan worden. Het consortium richt zich met name op de MT (middentemperatuur) en LT (lage temperatuur) warmtenetten die voor composiettoepassingen het meest geschikt zijn. Daarvoor gaat TNO in Rijswijk een volledig demonstratiesysteem neerzetten met als doel de TCO (‘total cost of ownership’) te verlagen, zowel voor geothermische bronnen als voor warmtenetten.

‘Composieten zijn vijf tot zeven keer lichter dan staal, corrosiebestendig en hebben veel lagere ecologische kosten’, vervolgt hij. ‘De voordelen werken ook door in de rest van de keten, minder logistiek, vervoer en handling. Van de twee soorten kunststof – gewone thermoplasten en vezelversterkte epoxy’s – biedt GRE de beste kansen. Thermoplastische leidingen – de welbekende zwarte pijpen – hebben een temperatuurlimiet van 70 °C en worden daarna zwakker terwijl GRE leidingen sterker zijn en hogere temperaturen aankunnen.’

Maakindustrie

Composieten zijn natuurlijk niet nieuw en worden al sinds jaar en dag in bijvoorbeeld de procesindustrie voor watertransport en riolering gebruikt. Voor toepassingen in warmtenetten zijn ze veel minder bekend. ‘Wij willen de maakindustrie, de academische wereld en opleidingsinstituten aan elkaar verbinden’, stelt Heerens. ‘De Nederlandse maakindustrie stapt niet vanzelf in composieten voor geothermische bronnen en warmtenetten, ook als het technisch-economisch haalbaar is. Dat slaagt alleen wanneer de CAPEX en OPEX van composiet materiaal substantieel gaan dalen. Daarnaast speelt er nog een ander element mee: staal zal je vaak moeten importeren en is niet altijd tijdig leverbaar. GRE composieten kan je lokaal in Nederland produceren en heeft kortere doorlooptijden, althans, dat is het einddoel.’

De kracht van COM2HEAT ligt volgens hem dat je partijen en sectoren bij elkaar brengt die momenteel niet actief zijn in warmtenetten. Hij geeft enkele voorbeelden. ‘Neem ACP Technology uit Lelystad. Die onderneming produceert composietbuizen voor de olie- en gasindustrie. Een voordeel van zulke buizen is dat je ze, in tegenstelling tot stalen buizen, op maat kan maken waardoor je minder verbindingen hoeft aan te leggen en dus op tijd en materiaal bespaart. Of neem Huisman Geo uit Schiedam. Hun ontgasser, noodzakelijk om gassen uit het water uit de diepe ondergrond te scheiden, is nu nog van staal maar ze zijn bezig met een composiettank voor vrachtwagens. Ook warmtewisselaars – die momenteel uit titanium en RVS bestaan – kunnen in composiet worden uitgevoerd waarvoor Cato Composites en Danfoss in dit consortium samenwerken. Die vallen dan wel groter uit maar zijn goed genoeg voor geothermische bronnen.’

Kennis verwaarden

Door verbindingen tussen mensen, bedrijven en organisaties – zowel binnen als buiten de warmteketen – te leggen, wil TNO de wensen en specifieke eisen voor composieten inzichtelijk maken en de opgedane kennis en expertise gaan verwaarden. ‘Daarvoor hebben we mensen beschikbaar gesteld en ontwikkelen we werkpakketten in de vorm van modules voor ROC’s en hogescholen. Ook stellen de aangesloten partijen de deuren open om belangstellenden met toepassingen voor composieten vertrouwd te maken’, licht hij toe.

Heerens is verheugd over de locatie voor het GRE demonstratieproject: het Kesslerpark te Rijswijk, op het voormalige terrein van Shell R&D. Heerens: ‘eerst was dit het testcentrum van Shell waar men onderzoek naar boortechnologie voor olie en gas deed. Sinds 2019 zit er het RCSG (Rijswijk Center for Sustainable Geo-Energy). We zijn blij dat we deze locatie voor TNO R&D hebben kunnen behouden. Daar kunnen we de sub-modules kwalificeren en met elkaar integreren.’

Een tweede locatie, rond vliegveld Zestienhoven en Schiebroek, richt zich nadrukkelijk op opleiding en kennisoverdracht. EnerTrans ontwikkelt daar een platform waarin vraag en aanbod van energie lokaal bij elkaar komen en digitaal aan elkaar worden geknoopt. TNO en EnerTrans zijn van plan om die locatie de komende jaren verder uit te bouwen.

Systeembenadering

Hoewel het consortium zich focust op composieten, overstijgt COM2HEAT het materiaalniveau en de huidige stakeholders in de warmteketen. ‘We denken dat composieten een indicatieve factor twee aan CO2-besparing opleveren, van productie en installatie tot het gebruik’, zegt Heerens. ‘Stel dat een geothermie doublet per put zo’n tien miljoen kost. Als je dat met composieten kan halveren, dan levert dat ook nog eens energiereductie en veel minder downtime op. Waar we naar toe moeten groeien, zijn kortere ketens, op regionaal en lokaal niveau. De cascade aan minder kosten werkt door in de hele keten. Bijvoorbeeld in de vorm van minder projectcontrole en meer ontwerpvrijheid.’

Waarin de grote uitdagingen voor het onderzoek schuilen? Over GRE is inmiddels al veel bekend. Maar op sommige specifieke onderdelen niet voor geothermische bronnen en warmtenetten. ‘We hebben veel geleerd van COM2GEO, ons eerdere programma. Technisch was dat ingewikkelder dan COM2HEAT omdat de eisen voor sterkte en veiligheid van de leidingen aanzienlijk strenger waren. De kennislacunes voor composieten in de warmteketen liggen vooral op het gebied van de verbindingen, de buizen, de opslagtanks en de warmtewisselaars. Ook heeft epoxy een lagere uitzettingscoëfficiënt. Expansiekosten dienen we te voorkomen. Al die zaken zijn voor MT en LT warmtenetten nog niet in kaart gebracht.’

‘Overigens’, zo voegt Heerens er op de valreep aan toe, ‘zullen we tijdens de looptijd van het traject ook moeten ontdekken wat het meest optimale integrale systeem is. Het kan best zo zijn dat een onderdeel duurder is, maar dat dit door vermeden kosten in de rest van de keten juist gunstiger uitvalt. Een keten is net zo sterk als de zwakste schakel. Tenslotte, maar dat valt strikt genomen buiten het programma, houden we nu al rekening met circulariteit in de LCA’s op alle onderdelen.’

Biografie Hadi Dashtaki Hesari

Hadi Dashtaki Hesari is een ervaren projectmanager met gespecialiseerde expertise op het gebied van duurzame energiesystemen. Sinds augustus 2022 leidt hij binnen TNO verschillende initiatieven die zich richten op geothermische bronnen en duurzame energieoplossingen. Hadi, afkomstig uit Tehran (Iran), deed zijn expertise op bij grootschalige bouwprojecten voor een zonenergiebedrijf. De ervaring in internationale en commerciële projecten zal helpen om van het COM2HEAT project een succes te maken. Het is een groot consortium met diverse technische aspecten waarbij het van belang is om zowel de systeemoplossing als ook de belangen van de partners in het consortium in balans te brengen.