Lagedruk waterstofleiding in straat

Algemene beschrijving

Een 63 mm distributieleiding met waterstof lekt geruime tijd waterstof zonder dat dit wordt opgemerkt. De leiding staat onder een druk van 100 mbar, ligt op een diepte van één meter en op een afstand van twee meter tot aan de voorgevels van rijtjeswoningen.

Het vrijkomende waterstof verspreidt zich in en door de grond en bereikt na verloop van tijd de voorgevel van de dichtstbij gelegen woning. Door gaten en niet afgedichte gevelvoeringen dringt waterstof door in de kruipruimte van de woning. Weliswaar is de kruipruimte licht geventileerd, maar dit voorkomt de ophoping van waterstof niet. Door onbekende oorzaak ontsteekt de waterstofwolk en vindt een explosie plaats waardoor het huis onbewoonbaar wordt.

Toelichting bij algemene beschrijving

• Alleen als de druk in een gasleiding kleiner is dan 200 mbar, wordt er geen krater gevormd en verspreidt het gas zich in de bodem. Wanneer de druk in een gasleiding groter is dan 200 mbar, leidt een guillotinebreuk van de leiding tot een gasuitstroom die de grond boven de leiding wegblaast, waardoor een krater ontstaat. Ten opzichte van aardgas zal waterstof – bij gelijke druk – eerder tot kratervorming leiden (zie ook: Gedrag van waterstof bij lekkages in het gasdistributienet);
• Aangenomen wordt dat verharde bedekkingen als klinkerstraten of geasfalteerde wegen wegzakken in de krater en daardoor de uitstroom van gas niet belemmeren. In dergelijke situaties komen de verspreiding van het gas en de effecten die op kunnen treden overeen met die van incidenten waarbij er geen verharde bedekkingen zijn;
• Gas verspreidt zich relatief eenvoudig door klinkerbestratingen en asfalt heen, tenzij de straten en wegen die hiervan gemaakt zijn, bevroren zijn. Zwaarbelaste wegdekken zijn minder gas doorlatend dan weggedeelten die minder belast worden (zie ook: Gasdoorlatendheid van bodem en bestrating, Gasnet, jaargang 34, nummer 2/3)*.

NB.
*In hoeverre gas door betonnen afdekkingen heen kan gaan, is niet duidelijk. Er is een incident bekend waarbij waterstof lekte uit een leiding in de grond. Het oppervlak boven de leiding was bedekt met een betonlaag van 30 cm dik. Vrijgekomen waterstof verspreidde zich niet door de betonlaag heen, maar erlangs (zie ook: Gaseous hydrogen leak and explosion).

Kans van optreden

Voor waterstof zijn geen gegevens beschikbaar over de kans dat het een woning binnenstroomt als gevolg van lekkage van buitenaf. Waterstof wordt immers nog niet gebruikt voor het verwarmen van woningen, met uitzondering van enkele pilots. Daarom is gekeken naar gegevens over aardgas (zie ook: Gedrag van waterstof bij lekkages in het gasdistributienet, bijlage A)*.

Jaarlijks komt het regelmatig voor dat gas wordt geroken in een woning als gevolg van een lekkage buiten de woning. Dit leidt meestal niet tot ontsteking, omdat de aanwezigheid van gas tijdig wordt waargenomen, waardoor escalatie wordt voorkomen**.

Voor distributie- en aansluitleidingen houden Nederlandse netbeheerders bij wanneer lekkages optreden (het betreft dan lekkages tot en met de gasmeter). De cijfers laten zien dat metalen leidingen het grootste aantal meldingen geven, 20 tot 40 per 100 km en plastic leidingen het kleinste, 2-3 meldingen per 100 km (zie ook: Lekkage van verbindingen. Gasnet, jaargang 32, nummer 1). Bij slechts een zeer klein deel van deze meldingen zal sprake zijn van een groot lek. In 2021 werden 31 meldingen van categorie 1 gedaan en 229 van categorie 2. In 40 % van de gevallen werden deze gaslekken veroorzaakt door graafschade (zie ook: Gasdistributie-incidenten)***.

Een gasexplosie waardoor een woning ernstig beschadigd raakt, komt enkele keren per jaar voor****. Meestal bevindt het gaslek zich in de woning, al dan niet (bewust) veroorzaakt door de bewoner. Een gasexplosie in een woning waarbij het gaslek zich buiten de woning bevindt, zal minder vaak voorkomen. Het lek moet zich dicht genoeg bij de woning bevinden, er moeten gevelopeningen zijn waardoor het gas de kelder of de kruipruimte binnen kan komen, het gas moet niet worden waargenomen en de gasconcentratie moet voldoende hoog zijn om te kunnen ontsteken. Daarnaast hebben de bodemsamenstelling en het grondwaterpeil invloed op de verspreiding door de bodem.

NB.
*Bijlage A beschrijft de lekfrequenties van distributieleidingen. De lekfrequenties zijn afhankelijk van het leidingmateriaal en van het aantal kilometerjaren aan leidingen.
**De gegevens zijn afkomstig van meldingen waarbij criteria van het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) worden gevolgd, meer dan 10 afnemers zonder gas of meer dan 10 personen geëvacueerd. In werkelijkheid zal het aantal instromingen hoger zijn, omdat er ook lekkages zijn die niet aan de criteria van het SodM voldoen.
***Het Staatstoezicht op de Mijnen heeft criteria opgesteld aan de hand waarvan incidenten al dan niet gemeld moeten worden.
****Voorbeelden zijn de gasexplosies in Diemen (2014), Drachten (2015), Urk (2016), Veendam (2017), Den Haag (2019), Nijmegen (2020), Oldenzaal en Bilthoven (2022).

Effecten

Verspreiding

Bij een gaslek in een leiding in de grond is het uitstroomdebiet in het begin groot, maar door ophoping van gelekt gas in de bodem en door de weerstand van de bodem zelf, neemt het uitstroomdebiet snel af tot een ‘steady state situatie’ bereikt wordt*. Diverse modelberekeningen laten zien dat het verspreidingsgebied beperkt is tot enkele meters.

KIWA heeft berekend en experimenteel bepaald dat bij een gelijke gatgrootte het uitstroomdebiet van waterstof ongeveer 2,5 x groter is dan dat van aardgas. Dit geldt voor leidingen van 30 mbar en 100 mbar. Bij een lekdebiet van 50 l/uur voor methaan en 120 l/uur voor waterstof is het verspreidingsgebied van waterstof en methaan even groot. Er kunnen bovengronds verhoogde concentraties (500 ppm º 0,05 vol.%) tot op 2 m aangetroffen worden (zie ook: De verspreiding van aardgas en waterstof in de bodem – Praktijktesten en numerieke simulatie). 

Experimenten die in het Verenigd Koninkrijk zijn gedaan, laten zien dat waterstof gemiddeld een factor 1,25 verder komt dan aardgas. In absolute zin lagen de afstanden tussen 2-4 m. Bij de experimenten lagen de leidingen op een diepte van 60 cm en hadden een druk van 75 mbar. Er werd gevarieerd in gatgrootte, grondsoort en aanwezigheid van een ondoordringbare bovenlaag (zie ook: Hydrogen Characterisation Final Report, Report Number 0431389-02 en A quantitative risk assessment of a domestic property connected to a hydrogen distribution network). Afstanden kunnen groter zijn als de grond inhomogeen is door scheurtjes of door lekpaden (via kabels of recent graafwerk).

Als zich boven de leiding een afdekking bevindt die ondoordringbaar is voor gas (impermeabel), zal gas zich daaronder niet ophopen, maar naar de rand van de afdekking stromen en daar uit de bodem vrijkomen. In dat geval kan het verspreidingsgebied groter worden (zie ook: Flow of hydrogen from buried leaks).

NB.
*Het uitstroomdebiet kan ook afnemen doordat de druk in de leiding daalt, maar dit is afhankelijk van de gatgrootte en van de leidingdruk.

Overdruk

Bij een explosie van een brandbaar gas verplaatst het vlamfront zich snel en veroorzaakt drukopbouw voor het vlamfront uit. Bij waterstofconcentraties lager dan 10 vol.% zal ontsteking van de gaswolk niet of nauwelijks leiden tot overdruk. Pas bij hogere concentraties zal een explosie tot schade kunnen leiden (zie ook: Safety issues surrounding hydrogen as an energy vector, § 3.1.1 en Gedrag van waterstof bij lekkages in het gasdistributienet, paragraaf 5.2). De explosie die dan ontstaat, wordt deflagratie genoemd. In het Hy4Heat-programma denkt men niet dat een detonatie zal optreden vanwege de afwezigheid van veel obstakels op plafondhoogte (zie ook: WP 7 Safety Assessment: Consequence Modelling Assessment en Flow of hydrogen from buried leaks, tabel B.1 in appendix B. Experts van DNV-GL denken dat een detonatie wel mogelijk is, maar gaan daarbij uit van een stoichiometrische waterstofconcentratie (zo’n 30 vol.%).

In Engeland wordt veel onderzoek gedaan naar de gevolgen van explosies in woningen. Aan de hand van de rapporten van twee onderzoeksprogramma’s worden de gevolgen hieronder toegelicht.

Hy100

Men heeft een QRA-model opgesteld met gebruikmaking van gegevens uit het HyHouse-programma. In het model worden de gevolgen van een explosie van waterstof vergeleken met die van aardgas in een ruimte van 64 m³ met een raam van 2,7 m². Onderzocht is of een overdruk van 0,14 bar of meer gehaald kon worden, grenswaarde voor ‘severe structural damage’ (zie ook: A quantitative risk assessment of a domestic property connected to a hydrogen distribution network).

Men concludeert dat er onder gelijke omstandigheden meer waterstof vrijkomt dan methaan, en dat de waterstofconcentratie een factor 1,6 hoger kan zijn dan de concentratie van methaan. Een hogere waterstofconcentratie hoeft echter niet te leiden tot hogere overdrukken. Om een overdruk van 0,14 bar te krijgen, is een methaanconcentratie nodig van 8 vol.% en een waterstofconcentratie van 15 vol.%. De overdruk die bij deze concentraties optreedt, is vergelijkbaar.

Als de ontstekingskansen beschouwd worden, kan ook een uitspraak worden gedaan over hoe risicovol de overgang van methaan naar waterstof is. Men gaat er in het Hy100-progrmma van uit dat alleen de grote lekken tot een overdruk van meer dan 0,14 bar kunnen leiden. Dergelijke grote lekken hebben bij waterstof twee keer zoveel kans om ontstoken te worden dan bij methaan. Voor het gegeven voorbeeld concludeert het Hy100-programma dan ook dat het risico van een explosie met een overdruk van meer dan 0,14 bar voor waterstof een factor 2 groter is dan voor methaan. Met maatregelen kan men er echter voor zorgen dat waterstof in een woning net zo veilig is als methaan.

Hy4Heat

In de open lucht en bij afwezigheid van obstakels kunnen overdrukken tot 0,1 bar ontstaan. In besloten ruimtes kunnen overdrukken veel groter zijn. In het Hy4Heat-programma is uitgebreid onderzoek gedaan naar de gevolgen van een explosie van waterstof of van aardgas in de keuken (28,8 m³) en de woonkamer (76,8 m³) van een typisch Brits rijtjeshuis (zie ook: Deliverable 1.2 Report on hydrogen hazards and risks in tunnels and similar confined spaces, blz. 63). De resultaten staan samengevat in Figuur 1. Bij het voorbeeld dat is uitgewerkt in het Hy4Heatprogramma is berekend dat bij waterstofconcentraties groter dan 14 à 15 vol.% drie huizen instorten, terwijl dat bij methaan alleen gebeurt als de concentratie in de keuken tussen 8,5 en 10,5 vol.% is of als de concentratie in de woonkamer tussen 7 en 12 vol.% is. De gevolgen bij waterstof kunnen nog groter zijn. Bij waterstofconcentraties vanaf 21 vol.% zal niet alleen de naastgelegen huizen instorten, maar ook de woningen die daar weer naast staan (zie ook: Gedrag van waterstof bij lekkages in het gasdistributienet, § 5.2)*.

NB.
*In § 5.2 van het rapport Gedrag van waterstof bij lekkages in het gasdistributienet, worden experimenten beschreven in een explosiekamer van 70 m² waarbij de overdruk als functie van de waterstofconcentratie is bepaald. Bij concentraties tussen 30 en 40 vol.% werden overdrukken tot 1,6 bar gemeten.

Slachtoffers

De meeste slachtoffers zullen vallen als huizen instorten door de explosie*. Als drie huizen instorten, zullen gemiddeld genomen 6 tot 7 mensen (dodelijk) gewond raken. Bij vijf huizen zijn dat 10 mensen. Mensen die zich buiten bevinden, kunnen getroffen worden door rondvliegend puin of glasscherven.

Bij waterstofconcentraties lager dan 14 à 15 vol% is de explosie niet krachtig genoeg. Mensen lopen dan brandwonden op als zij in de ruimte zijn waar de explosie plaatsvindt.

NB.
*In rapport Deliverable 1.2 Report on hydrogen hazards and risks in tunnels and similar confined spaces wordt gesproken over ‘injuries’, maar uit de beschrijvingen wordt niet duidelijk of het hier om gewonden en/of slachtoffers gaat.

Zelfredzaamheid en handelingsperspectief

Het verloop van het ongevalscenario

• De snelheid waarmee het scenario zich voltrekt, is afhankelijk van het ontstekingsmoment. Na ontsteking zijn direct de effecten (hitte en overdruk) merkbaar. Binnen de brandbare wolk zullen personen brandwonden oplopen en mogelijk overlijden. Ook kunnen secundaire branden ontstaan.
• Doordat de gaswolk zich binnen heeft opgehoopt, zal ontsteking bij hoge waterstofconcentraties leiden tot een explosie met overdruk. Dit veroorzaakt schade aan de woning en mogelijk vallen er slachtoffers door de drukgolf, door rondvliegende elementen (glas, meubilair), of door instortende delen van de woning. Omdat de constructie van de woning instabiel geworden kan zijn, is het nodig om aanwezigen te evacueren uit de beschadigde woning en zo nodig ook uit aangrenzende woningen.
• Bij kleine lekkages kan het lang duren voordat het lek wordt waargenomen, omdat de geurstof in gas (odorant) geabsorbeerd wordt door de bodem.

Herkenbaarheid van het scenario

Waterstof is een geurloos gas. Voor gebruik in woningen wordt odorant toegevoegd zodat een lek tijdig wordt geroken. Als de lekkage groot genoeg is, is deze ook te horen door een sissend geluid.

Optreden multidisciplinaire hulpverlening

Brandweer, geneeskundige zorg, politie en gemeente starten hun reguliere taken als omschreven in de algemene informatie behorende bij dit Scenarioboek. Voor dit scenario kan in het bijzonder worden gekeken naar het scenario ‘Cilinderpakket Waterstof – Explosie’.

Maatregelen

Kansbeperkend

• Uitfaseren van gietijzeren leidingen;
• Graafschade voorkomen door het doen van een KLIC-melding bij graafwerkzaamheden of door het uitvoeren van een radarscan;
• Vergroten van de diepteligging van de leiding;
• Odorisatie van waterstof;
• Aanhouden van voldoende afstand (1 tot 3,5 m) tussen leidingen en gebouwen cf. NEN 7244. Als hier niet aan voldaan kan worden, zijn constructieve maatregelen nodig (zie ook: Gasvoorzieningsystemen – Leidingen voor maximale bedrijfsdruk tot en met 16 bar – Deel 1: Algemene functionele eisen);
• Ontstekingsbronnen vermijden in kruipruimte en kelder.

Effect en gevolgbeperkend

• Gasdoorlatend oppervlak boven de leiding;
• Bovengronds gaslek zoeken;
• Ventilatie in kelder of kruipruimte;
• Zekerstellen dat alle ruimtes zijn gecontroleerd;
• Gasdetectie, eventueel gevolgd door het afsluiten van de gastoevoer of stroom. Veel koolmonoxidemeters meten ook waterstof.

Bevordering van de zelfredzaamheid

• Bij explosie- en instortingsgevaar het gebouw zo snel mogelijk verlaten;
• Als dat niet mogelijk is, in een deuropening staan.

Voorbeelden

Omdat er geen voorbeelden van explosies zijn met waterstof, worden twee voorbeelden aangehaald waarbij aardgas in het spel was.

Explosie Papendrecht 2018

Op 17 juli 2018 raakte een medewerker van Stedin gewond door een gasexplosie in een schuur van een woning. Het gaslek ontstond buiten de woning door graafwerkzaamheden van de bewoner. Doordat de bewoner zand op het lek had gegooid, is het gas via het zand en de doorvoeringen in de fundering in de kruipruimte van het aangrenzende schuurtje terechtgekomen (zie ook: Medewerker Stedin gewond bij gasexplosie aan de Berkenhof en Gasexplosie door een keten van factoren, Gasnet, jaargang 33, nummer 2).

Explosie Den Haag 2019

Op 27 januari 2019 vond een gasexplosie plaats in de Jan van der Heijdenstraat in Den Haag. Er raakten tien mensen gewond door de explosie die veroorzaakt werd door een scheur in een gietijzeren gasleiding. De 5”-leiding had een druk van 100 mbar en het uitstroomdebiet werd geschat op minimaal 10 m³/uur (zie ook: Rapport Gasexplosie Den Haag).