Beläggningar för väteöverföring – materialtekniska lösningar på energiproblem

Väte är en viktig komponent i framtidens gröna energisystem. Väte är en ren och mångsidig energikälla. Användningen av väte ger inte upphov till koldioxidutsläpp och det kan produceras med hjälp av förnybara energikällor som sol- och vindkraft. Dessutom kan väte användas för energilagring, tunga transporter och industri, där el inte alltid är ett praktiskt alternativ. Produktion, lagring och transport av vätgas kräver dock nya tekniska lösningar, särskilt ur ett materialtekniskt perspektiv. Till exempel kräver användningen av grön vätgas som produceras med vindkraft inom den kemiska industrin och energiproduktionen en omfattande transportinfrastruktur. Enligt det europeiska initiativet Hydrogen Backbone planeras cirka 50 000 km vätgasledningar i Europa fram till 2040, med ett investeringsbehov på 54–69 miljarder euro i rörledningar, lagrings- och transportinfrastruktur (Hydrogen Europe, 2024).

Vätgasens egenskaper och transportutmaningar

Transporten av vätgas medför betydande utmaningar. Vätgas är en småmolekylär, sällsynt gas, vars transport orsakar större förluster än till exempel transporten av metan – cirka 15 % mer (Hora et al., 2024). Dessutom är produktionen och omvandlingen av vätgas tillbaka till energi endast cirka 46 % effektiv (Hora et al., 2024). Vätgasens sprödhet, läckagerisker och explosionskänslighet är särskilt uttalade i slutna utrymmen (Giannini et al., 2024). Dessa säkerhetsaspekter måste beaktas vid utformningen av vätgasledningar. Som en liten molekyl har vätgas en högre flödeshastighet än metan, vilket ökar friktionsförlusterna. Rörens inre ytors ojämnhet, temperatur och tryck har en betydande inverkan på överföringsförlusterna (Hora et al., 2024), och för att minska överföringsförlusterna måste den inre ytan på ett vätgasrör vara jämnare än på ett konventionellt naturgasrör. Användning av högre överföringstryck minskar förlusterna i rörledningen. Å andra sidan värmer användning av högre tryck upp gasen och ökar dess densitet, vilket i sin tur ökar förlusterna i rörledningen. Det är därför viktigt att hitta de optimala driftsförhållandena om och när förlusterna i rörledningen ska minimeras. Det är naturligtvis betydligt enklare att konstruera och tillverka separata vätgasledningar än att använda gamla naturgasledningar.

Vätgas är en liten och snabb molekyl som lätt tränger igenom material. Väte är också kemiskt mycket reaktivt och orsakar en förlust av hållfasthet i material, vilket gör höghållfasta konstruktionsstål särskilt spröda. Mekanismerna för väteförsprödning kan studeras mer ingående, till exempel i översiktsartikeln av Giannini et al. (2024). Valet av material spelar därför en viktig roll för att förhindra väteförsprödning. Till exempel skiljer sig L485-stål som används i naturgasledningar och AISI 316L rostfritt och syrafast stål som används i laboratorierörledningar avsevärt åt i sina materialegenskaper. L485 är ett låglegerat, starkt och lättbearbetat stål som är känsligt för väteförsprödning (Ez-Zaki et al., 2020). AISI 316L innehåller däremot mer krom, nickel och molybden, vilket förbättrar dess korrosionsbeständighet (Smits Metal Centres, 2023; Sandia National Laboratories, 2005). Både bearbetbarhet och korrosionsbeständighet är extremt viktiga egenskaper som krävs för vätgasledningar. Stålets känslighet för väteförsprödning kan förebyggas genom att belägga materialet på ett sådant sätt att väte inte kan tränga igenom det (Wetergrove et al., 2023).

Beläggningar för att förhindra vätemigration

Olika beläggningstekniker, såsom fysisk ångdeposition (PVD) (Physical Vapour Deposition, PVD), kemisk ångdeposition (CVD) och atomär skiktdeposition (ALD), samt vätskefasmetoder såsom Sol-Gel och elektrolytiska metoder, erbjuder lösningar för att förhindra väteförsprödning.

Små hål (t.ex. i sol-gel-metoden) och ojämnheter i beläggningen (ett problem i många PVD-metoder) kan dock försvaga den skyddande effekten av beläggningar som framställts med olika metoder. Dessutom orsakar de höga beläggningstemperaturerna på över 500 grader Celsius som används i många CVD-processer, till exempel, fasförändringar i stål som påverkar dess material- och hållfasthetsegenskaper. Lovande beläggningsmaterial inkluderar oxider och nitrider och deras olika skiktstrukturer (Wetergrove et al., 2023).

Av beläggningsmetoderna är ALD särskilt väl lämpad för kontrollerad produktion av oxidbeläggningar vid låga temperaturer (Bull, 2021). ALD-beläggningar är täta, jämntjocka och porfria även vid tjocklekar på några tiotals nanometer. Utmaningen med ALD är att processen är långsam. Metoden är dock mycket skalbar för stora föremål och är särskilt väl lämpad för beläggning av rörs innerytor. Beläggningen utförs vanligtvis i vakuumkammare och separata anläggningar. Beläggning av gamla naturgasledningar skulle därför kräva utveckling av en ny beläggningsteknik och installation av beläggningsutrustning inuti ledningarna. ALD som beläggningsmetod och dess fördelar och nackdelar jämfört med andra beläggningsmetoder beskrivs mer detaljerat i min blogg Tech to the Future från 2019 (Alakoski, 2019).

gH2ADDVA-projektets experiment

Forskningsprojektet gH2ADDVA, som finansieras gemensamt av EU och Keski-Suomen liitto (Central Finland Regional Council) och genomförs av Jyväskylä University of Applied Sciences och University of Jyväskylä, utvecklar lösningar för vätetransport och materialhållbarhet. Projektet har bland annat testat keramiska Al₂O₃- och TiO₂-beläggningar som odlats på stålprovstänger med hjälp av ALD-metoden. Al₂O₃- och TiO₂-oxidbeläggningarna odlades vid en temperatur under 200 °C med hjälp av en Beneq TFS 500-enhet. Dessa oxider valdes eftersom de är mycket effektiva i ALD-processer och, enligt litteraturen (Wetergrove et al, 2023), är lovande material för att förhindra väteförsprödning. Beläggningen utformades för att bekämpa väteförsprödning genom att förhindra att väte migrerar från syret till stålet.

I testerna exponerades belagda och obelagda stänger för utspädd svavelsyra (H2SO4) och deras hållfasthetsegenskaper, särskilt draghållfasthet, testades med Jamks Zwick 330 Red-utrustning för materialprovning. Draghållfasthet anger hur mycket ett material kan sträckas innan det går sönder. När väte tränger in i materialet gör det det sprött. En stång som har blivit spröd av väte bryts med betydligt mindre kraft än en stång som inte har exponerats för väte. När materialet utsätts för påfrestningar förvärras vanligtvis vätets sprödande effekt. För att undersöka detta förspändes några av de belagda stavarna till en viss del av materialets sträckgräns. Sträckgränsen avser den belastning vid vilken materialet börjar ge vika och inte längre återhämtar sig efter att belastningen har tagits bort. Baserat på mätningarna verkar beläggningen skydda stången från effekterna av syra och väte i obelastade stänger. Denna skyddande effekt observerades inte i belastade stänger. Den uppenbara orsaken till detta är skillnaden i hållfasthetsegenskaper mellan stål och beläggning. Oxidbeläggningar är keramiska, vilket innebär att de är hårda men spröda och endast tål en liten töjning utan att gå sönder. Stål tål större töjning. När stål töjs ger den keramiska beläggningen vika och går sönder.
Testning i utspädd syra är en enkel metod som används i många laboratorier för att testa de materialtekniska effekterna av väteexponering. En testmetod som bättre modellerar den verkliga situationen skulle vara väteexponering vid högt tryck. Sådan testutrustning har utformats under projektet och är för närvarande under konstruktion. Utrustningen förväntas vara klar för laboratorietestning i projektets slutfas.

Jyväskylä universitet fokuserar på utvecklingen av metoder för mätning av väte i projektet. Väte är det lättaste och minsta grundämnet, vilket gör att det lätt kan röra sig inom ett material och till och med fly från det. Att mäta koncentrationen (mängden) av väte i ett material är därför en utmaning, och utvecklingen av mätmetoder är också värdefull ur ett vetenskapligt forskningsperspektiv. Fysikavdelningen vid Jyväskylä universitet använder en partikelaccelerator för sina mätningar, och TOF-ERDA-metoden är särskilt väl lämpad för att mäta väte. I denna metod bombarderas ytan på det prov som studeras i en flack vinkel med högmassiva joner, dvs. elektriskt laddade atomer. Joner produceras i en jonkälla med hjälp av spänning och accelereras mot målet med en spänning på flera miljoner volt. De största ”projektilerna” slår ut mindre atomer, såsom väte, ur provet i kollisioner som kan jämföras med biljardbollars ricochet. De högmassiva ”projektilerna” slår ut mindre atomer, såsom väte, ur provet i kollisioner som kan jämföras med ricochet av biljardbollar. Med TOF-ERDA-metoden kan både massan och energin hos de atomer som slungas ut från provet in i detektorn mätas, och till och med mängden av olika väteisotoper kan särskiljas (Kinnunen et al. 2021). Väteisotoper inkluderar normalt väte, som har en proton i sin kärna, deuterium, som har en neutron utöver en proton i sin kärna, och radioaktivt tritium, som har två neutroner utöver en proton i sin kärna. TOF-ERDA-mätningarna i projektet har visat att väte från syra tillverkad av tungt vatten transporteras till L485-stål. Normalt väte kan också transporteras till provet från andra delar av miljön. I tungt vatten ersätts väte av deuterium. När en deuteriumsignal (koncentration) mäts i provet kan man bekräfta att vätet kommer från syran. Nästa steg är att undersöka om vätemigrationen kan begränsas och väteskörhet förhindras med ALD-beläggningar.

Jyväskylä universitet undersöker också möjligheten att använda röntgentomografi för att avbilda materialskador orsakade av väteförsprödning. I denna metod tas tvådimensionella röntgenbilder av objekt och bilderna kombineras med hjälp av dator till en 3D-bild och modell. Tomografi används vanligtvis inom medicinen för att avbilda organiskt material och vävnader. Densiteten hos vanliga tomografiprover är låg jämfört med stålets densitet. Stålets höga densitet är en utmaning när det gäller att avbilda effekterna av väteförsprödning. Om man vill avbilda exakta detaljer inuti ett stålprov behöver man en kraftfull röntgenkälla. Med universitetets utrustning begränsar effektbehovet provstorleken till en bråkdel av ett hårstrås tjocklek. För avbildningsändamål har ståltråd med en diameter på några tiotals mikrometer köpts in. Sådan tråd är knappt synlig för blotta ögat och extremt svår att hantera. Trots detta har de första tomografibilderna av tråden erhållits. I projektets slutfas är målet att vidareutveckla metoden och avbilda ståltråd som utsätts för väte.

Sammanfattning och slutsatser

Väte kommer att spela en viktig roll som energibärare i framtidens fossilfria energisystem. Vätgas måste dock kunna transporteras över långa avstånd. Utvecklingen av rörledningar och annan infrastruktur som behövs för att transportera vätgas utmanas av materialtekniska problem som orsakas av vätgas, såsom vätgasförsprödning. Det gemensamma projektet gH2ADDVA mellan Jyväskylä universitet och Jyväskylä yrkeshögskola utvecklar tekniker för mätning av väte för forskning om väte och dess materialrelaterade effekter, samt beläggningslösningar för utmaningarna med vätetransport. Olika beläggningsmetoder kan användas för att förhindra väteförsprödning genom att blockera väteöverföringen till rörstålet. Oxidbeläggningar som framställs med ALD-metoden är särskilt lovande. ALD-beläggningar är täta, jämntjocka och ogenomträngliga även vid en tjocklek på bara några tiotals nanometer. Denna metod gör det möjligt att belägga även stora rör med en jämntjock, ogenomtränglig beläggning. Beläggning är en särskilt lovande lösning för nya överföringsrörledningar, som kan beläggas före installation. Beläggning av befintliga naturgasrörledningar kräver att beläggningsutrustning förs in i rörledningen och en ny typ av beläggningsteknik.

Artikeln publicerades ursprungligen den 4 december 2025 i online-tidningen Jamk Arena Pro under en CC BY-licens och finns tillgänglig på https://urn.fi/urn:nbn:fi:jamk-issn-2984-0783-267.