Pinnoitteet vedyn siirrossa – materiaalitekniikan ratkaisuja energiahaasteisiin

Vety on keskeinen osa tulevaisuuden vihreää energiajärjestelmää. Vety tarjoaa puhtaan ja monikäyttöisen energianlähteen. Sen käyttö ei tuota hiilidioksidipäästöjä, ja se voidaan tuottaa uusiutuvilla energialähteillä, kuten aurinko- ja tuulivoimalla. Lisäksi vetyä voidaan hyödyntää energian varastointiin, raskaassa liikenteessä ja teollisuudessa, missä sähkö ei aina ole käytännöllinen vaihtoehto. Sen tuotanto, varastointi ja siirto vaativat kuitenkin uudenlaisia teknologisia ratkaisuja, erityisesti materiaalitekniikan näkökulmasta. Esimerkiksi tuulivoimalla tuotetun vihreän vedyn hyödyntäminen kemianteollisuudessa ja energiantuotannossa edellyttää laajaa siirtoinfrastruktuuria. Euroopan Hydrogen Backbone -aloitteen mukaan vuoteen 2040 mennessä Eurooppaan on suunnitteilla noin 50 000 km vetyputkistoa, investointitarpeen putkistoihin, varastointiin ja liikenneinfraan ollessa 54–69 miljardia euroa (Hydrogen Europe, 2024).

Vedyn ominaisuudet ja siirtohaasteet

Vedyn siirtoon liittyy merkittäviä haasteita. Vety on pienimolekyylinen ja harva kaasu, jonka siirto aiheuttaa suurempia häviöitä kuin esimerkiksi metaanin siirto – noin 15 % enemmän (Hora ym., 2024). Lisäksi vedyn valmistus ja muuntaminen takaisin energiaksi tapahtuu vain noin 46 % hyötysuhteella (Hora ym., 2024). Vetyhaurastuminen, vuotoriskit ja räjähdysherkkyys korostuvat erityisesti suljetuissa tiloissa (Giannini ym., 2024). Nämä turvallisuusnäkökohdat tulee ottaa huomioon vetyputkistoja suunnitellessa. Pienimolekyylisenä vedyn virtausnopeus on suurempi kuin metaanin, mikä lisää kitkahäviöitä. Putken sisäpinnan karheus, lämpötila ja paine vaikuttavat siirtohäviöihin merkittävästi (Hora ym., 2024), ja siirtohäviöiden pienentämiseksi vetyputken sisäpinnan tuleekin olla sileämpi kuin perinteisen maakaasuputken. Suurempien siirtopaineiden käyttö vähentää putkistohäviöitä. Toisaalta korkeampien paineiden käyttö lämmittää kaasua ja nostaa sen tiheyttä, mikä puolestaan lisää putkistohäviöitä. Optimaalisten käyttöolosuhteiden löytäminen on siis oleellista, jos ja kun halutaan minimoida putkistohäviöt. Luonnollisesti on selvästi helpompaa suunnitella ja valmistaa vetyputkistot erikseen kuin hyödyntää vanhoja maakaasuputkia.

Pienenä ja nopealiikkeisenä molekyylinä vety kulkeutuu helposti materiaalin sisälle. Vety on myös kemiallisesti hyvin reaktiivinen ja aiheuttaa materiaalien lujuusominaisuuksien menetystä ja haurastuttaa erityisesti lujia rakenneteräksiä. Vetyhaurastumisen mekanismeihin voi perehtyä tarkemmin esim. viitteenä olevasta Gianninin ja muiden (2024) kokooma-artikkelista. Materiaalivalinnoilla on siis oleellinen rooli vetyhaurastumisen estämisessä. Esimerkiksi maakaasuputkissa käytetty L485-teräs ja laboratorioiden vetyputkistoissa käytetty ruostumaton ja haponkestävä AISI 316L-teräs eroavat materiaaliominaisuuksiltaan merkittävästi. L485 on niukkaseosteinen, luja ja helposti työstettävä teräs, joka on altis vetyhaurastumiselle (Ez-Zaki ym., 2020). AISI 316L puolestaan sisältää enemmän kromia, nikkeliä ja molybdeenia, mikä parantaa sen korroosionkestävyyttä (Smits Metal Centres, 2023; Sandia National Laboratories, 2005). Sekä työstettävyys että korroosion kesto ovat erittäin tärkeitä vetyputkistoilta vaadittavia ominaisuuksia. Teräksen alttiutta vetyhaurastumiselle voidaan ehkäistä pinnoittamalla materiaali siten, että vety ei pääse kulkeutumaan sen sisään (Wetergrove ym., 2023).

Pinnoitteet vedyn kulkeutumisen estämisessä

Erilaiset pinnoitustekniikat, kuten tyhjiössä tapahtuvat fysikaaliset kaasufaasikasvatusmenetelmät (Physical Vapour Deposition, PVD), kemiallinen kaasufaasikasvatus (Chemical Vapour Deposition, CVD) ja atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition, ALD), sekä nestefaasissa tapahtuvat menetelmät kuten Sol-Gel ja elektrolyyttiset menetelmät, tarjoavat ratkaisuja vetyhaurastumisen estämiseen.

Pienet reiät (esim. Sol-Gel menetelmässä) ja pinnoitteiden epätasaisuudet (ongelmana monissa PVD-menetelmisssä) voivat kuitenkin heikentää eri menetelmillä valmistettujen pinnoitteiden suojaavaa vaikutusta. Myös esim. useissa CVD-prosesseissa käytetty korkea, yli 500 celsiusasteen pinnoituslämpötila saa esim. teräksessä aikaan materiaali- ja lujuusominaisuuksiin vaikuttavia faasimuutoksia. Lupaavia pinnoitemateriaaleja ovat oksidit ja nitridit ja näiden erilaiset kerrosrakenteet (Wetergrove ym., 2023).

Pinnoitusmenetelmistä ALD soveltuu erityisen hyvin oksidipinnoitteiden valmistamiseen kontrolloidusti alhaisissa lämpötiloissa (Bull, 2021). ALD-pinnoitteet ovat tiheitä, tasaisen paksuja ja jo muutaman kymmenen nanometrin paksuisina reiättömiä. ALD:n haasteena on prosessin hitaus. Menetelmä on kuitenkin hyvin skaalattavissa isoille kappaleille ja soveltuu erityisen hyvin putken sisäpinnan pinnoittamiseen. Pinnoittaminen tapahtuu yleensä tyhjiökammioissa ja erillisissä tiloissa. Vanhojen maakaasuputkistojen pinnoittaminen vaatisi siis uudenlaisen pinnoitustekniikan kehittämistä ja pinnoituslaitteiston viemistä putkistojen sisälle. ALD:tä pinnoitusmenetelmänä sekä sen hyviä ja huonoja puolia verrattuna muihin pinnoitusmenetelmiin on tarkemmin kuvattu Tech to the Future -blogissani vuodelta 2019 (Alakoski, 2019).

gH2ADDVA-hankkeen kokeet

EU:n ja Keski-Suomen liiton osarahoittamassa Jyväskylän ammattikorkeakoulun ja Jyväskylän yliopiston yhteisessä gH2ADDVA-tutkimushankkeessa kehitetään ratkaisuja vedyn siirtoon ja materiaalien kestävyyteen. Projektissa on testattu mm. ALD-menetelmällä teräksestä valmistetuille vetokoesauvoille kasvatettuja keraamisia Al₂O₃- ja TiO₂-pinnoitteita. Al₂O₃- ja TiO₂ -oksidipinnoitteet kasvatettiin alle 200°C lämpötilassa Beneq TFS 500 -laitteella. Nämä oksidit valittiin, koska ne ovat hyvin toimivia ALD-prosesseja ja kirjallisuudenkin perusteella (Wetergrove et al, 2023) lupaavia materiaaleja vetyhaurastumisten estämiseen. Pinnoituksella pyrittiin torjumaan vetyhaurastumista estämällä vedyn kulkeutuminen haposta sisälle teräkseen. Al₂O₃- ja TiO₂ kestävät myös hyvin laimeita happoja.

Testeissä pinnoitetut ja pinnoittamattomat sauvat altistettiin laimealle rikkihapolle (H2SO4) ja niiden lujuusominaisuuksia, erityisesti vetolujuutta testattiin Jamkin materiaalitestauslaboratorion Zwick 330 Red -laitteella. Vetolujuus kertoo, kuinka paljon materiaalia voi venyttää ennen kuin se menee rikki. Vedyn kulkeutuessa materiaalin sisälle se haurastuttaa materiaalia. Vedyn haurastuttama sauva rikkoutuu merkittävästi pienemmällä voimalla kuin sauva, joka ei ole joutunut vedyn vaikutuksen alaiseksi. Materiaalin joutuessa alttiiksi rasitukselle, vedyn haurastuttava vaikutus tyypillisesti pahenee. Tämän tutkimiseksi osa pinnoitetuista sauvoista esijännitettiin tiettyyn osaan materiaalin myötörajasta. Myötörajalla tarkoitetaan rasitusta, jolla materiaali alkaa antamaan periksi, eikä enää palaudu rasituksen poistamisen jälkeen. Mittausten perusteella pinnoite näyttäisi suojaavan sauvaa hapon ja vedyn vaikutuksilta jännittämättömissä sauvoissa. Jännitetyissä sauvoissa tätä suojavaikutusta ei nähty. Ilmeinen syy tähän on ero teräksen ja pinnoitteen lujuusominaisuuksissa. Oksidipinnoitteet ovat keraameja, jotka ovat kovia mutta hauraita ja kestävät vain pientä venymistä rikkoutumatta. Teräkset kestävät venymistä enemmän. Teräksen venyessä keraaminen pinnoite antaa periksi ja hajoaa.

Testaus laimeassa hapossa on yksinkertainen ja useissa laboratorioissa vetyaltistuksen materiaaliteknisten vaikutusten testauksessa käytetty menetelmä. Paremmin todellista tilannette mallintava testimenetelmä olisi korkeassa paineessa tapahtuva vetyaltistus. Tällainen testauslaitteisto on suunniteltu hankkeen aikana ja rakenteilla. Laitteisto valmistunee hankkeen loppuvaiheen laboratoriotesteihin.

Jyväskylän yliopisto keskittyy hankkeessa vedyn mittausmenetelmien kehittämiseen. Vety on kevyin ja pienin alkuaine, joten se voi helposti liikkua materiaalin sisällä ja jopa paeta sieltä. Vedyn pitoisuuden (määrän) mittaaminen materiaalista on siis haastavaa ja sen mittausmenetelmien kehityksellä on arvoa myös tieteellisen tutkimuksen kannalta. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella mittauksissa hyödynnetään hiukkaskiihdytintä ja erityisen hyvin vedyn mittaamiseen soveltuu ns. TOF-ERDA-menetelmä. Menetelmässä tutkittavan näytteen pintaa pommitetaan loivassa kulmassa suurimassaisilla ioneilla eli sähköisesti varautuneilla atomeilla. Ionit tehdään ionilähteessä jännitettä hyödyntäen ja kiihdytetään miljoonien volttien jännitteellä kohteeseen. Suurimassaiset ”ammukset” potkivat biljardipallojen kimpoiluun verrattavissa törmäyksissä näytteestä ulos pienempiä atomeja kuten vetyä. TOF-ERDA menetelmässä näytteestä ulos ilmaisimeen sinkoavista atomeista voidaan mitata sekä massa että energia ja voidaan erotella jopa vedyn eri isotooppien määrät (Kinnunen ym. 2021). Vedyn isotooppeja ovat normaali vety, jonka ytimessä on yksi protoni, deuterium, jonka ytimessä on protonin lisäksi yksi neutroni sekä radioaktiivinen tritium, jonka ytimessä on protonin lisäksi kaksi neutronia. Hankkeen TOF-ERDA-mittauksissa on osoitettu vedyn kulkeutuminen ns. raskaaseen veteen tehdystä haposta L485-teräksen sisälle. Tavallista vetyä voi kulkeutua näytteeseen myös muualta ympäristöstä. Raskaassa vedessä vety on korvattu deuteriumilla. Kun näytteestä saadaan mitattua deuteriumsignaali (pitoisuus) voidaan olla varmoja, että vety on peräisin haposta. Seuraavaksi tutkitaan, voidaanko vedyn kulkeutumista rajoittaa ja vetyhaurastumista estää ALD-pinnoitteilla.

Jyväskylän yliopistossa tutkitaan myös mahdollisuutta hyödyntää röntgentomografiaa vetyhaurastumisen aiheuttamien materiaalivaurioiden kuvantamiseen. Menetelmässä otetaan kappaleista kaksiulotteista röntgenkuvaleikkeitä ja kuvat yhdistetään tietokoneavusteisesti 3D-kuvaksi ja -malliksi. Tomografiakuvausta hyödynnetään tyypillisesti erityisesti lääketieteessä eloperäisen aineen sekä kudosten kuvantamisessa. Tavallisten tomografianäytteiden tiheys on alhainen verrattuna teräksen tiheyteen. Vetyhaurastumisen vaikutusten kuvantamisen kannalta teräksen suuri tiheys on haaste. Mikäli halutaan kuvantaa tarkkoja yksityiskohtia teräsnäytteen sisältä, tarvitaan suuritehoinen röntgenlähde. Yliopiston laitteistolla tehovaatimus rajoittaa näytekoon murto-osaan hiuksen paksuudesta. Kuvantamistarkoitusta varten on hankittu teräslankaa, jonka halkaisija on muutaman kymmenen mikrometrin luokkaa. Tällainen lanka on juuri ja juuri nähtävissä paljaalla silmällä ja sen käsittely on erittäin haasteellista. Ensimmäiset tomografiakuvat langasta on kaikesta huolimatta saatu otettua. Projektin loppuvaiheessa pyritään menetelmää kehittämään edelleen ja kuvaamaan vedylle altistettua teräslankaa.

Yhteenveto ja johtopäätökset

Vety tulee olemaan merkittävässä roolissa energian kantajana tulevaisuuden fossiilittomassa energiajärjestelmässä. Vetyä on kuitenkin pystyttävä siirtämään pitkiäkin matkoja. Vedyn siirtoon tarvittavien putkistojen ja muun infrastruktuurin kehittämisessä haasteena ovat vedystä aiheutuvat materiaalitekniset ongelmat kuten vetyhaurastuminen. Jyväskylän yliopiston ja Jyväskylän ammattikorkeakoulun yhteisessä gH2ADDVA -hankkeessa kehitetään vedyn mittaustekniikoita vedyn ja sen materiaaliteknisten vaikutusten tutkimukseen sekä pinnoiteratkaisuja vedyn siirron haasteisiin. Eri pinnoitusmenetelmillä voidaan estää vetyhaurastumista estämällä vedyn kulkeutumista putkiteräksen sisään. Erityisen lupaavia pinnoitteita ovat ALD-menetelmällä valmistetut oksidipinnoitteet. ALD-pinnoitteet ovat tiheitä, tasaisen paksuja ja jo muutaman kymmenen nanometrin paksuisina reiättömiä. Menetelmällä on mahdollista pinnoittaa isokin putki sisältä tasaisen paksulla tiiviillä pinnoitteella. Pinnoittaminen on erityisen lupaava ratkaisu uusille siirtoputkistoille, jotka voidaan pinnoittaa ennen putkiston asentamista. Olemassa olevien maakaasuputkistojen pinnoittaminen vaatii pinnoituslaitteiston viemistä putkiston sisään ja uudenlaista pinnoitustekniikkaa.

Artikkeli on alun perin julkaistu 4.12.2025 Jamk Arena Pro -verkkolehdessä CC BY -lisenssillä ja on saatavilla osoitteessa https://urn.fi/urn:nbn:fi:jamk-issn-2984-0783-267