Carbon sources for Power-to-Gas applications in the Finnish energy system

This thesis is done as a part of the NEOCARBON project. The aim of NEOCARBON project is to study a fully renewable energy system utilizing Power-to-Gas or Power-to-Liquid technology for energy storage. Power-to-Gas consists of two main operations: Hydrogen production via electrolysis and methane production via methanation. Methanation requires carbon dioxide and hydrogen as a raw material. This thesis studies the potential carbon dioxide sources within Finland. The different sources are ranked using the cost and energy penalty of the carbon capture, carbon biogenity and compatibility with Power-to-Gas. It can be concluded that in Finland there exists enough CO2 point sources to provide national PtG system with sufficient amounts of carbon. Pulp and paper industry is single largest producer of biogenic CO2 in Finland. It is possible to obtain single unit capable of grid balancing operations and energy transformations via Power-to-Gas and Gas-to-Power by coupling biogas plants with biomethanation and CHP units.

GaN- ja AlGaN-puolijohteiden pintaominaisuuksista ja niiden muokkauksesta

Yhdistepuolijohde galliumnitridi (GaN) on energiatehokkaiden valkoisten ledien päämateriaali. GaN on kestävä materiaali; sillä on muun muassa alhainen säteilyreagointi ja suuri jännitekestävyys, minkä vuoksi GaN soveltuu hyvin myös maanpuolustus- ja avaruussovelluksiin. Sen iso energia-aukko mahdollistaa materiaalin käytön suurteho- ja suurtaajuussovelluksissa, ja sen suuri lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuuskyky avaavat edelleen uusia mahdollisuuksia materiaalin käytölle muun muassa tehovahvistimissa mikroaaltotaajuudella. GaN:ä käytetään myös sinisten ja violettien ledien valmistuksessa. Kun yhdisteeseen lisätään alumiinia, saadaan alumiinigalliumnitridin (AlGaN) energia-aukkoa ja muita ominaisuuksia säädeltyä alumiinin määrää muuttamalla. AlGaN-pintojen ominaisuuksia on tutkittu suhteellisen vähän, vaikka niiden merkitys kasvaa jatkuvasti kehitettäessä nanoteknologian sovelluksia. AlGaN-pintojen tutkiminen on tärkeää, koska monissa sovelluksissa juuri pinnat ja rajapinnat ovat huomattavassa asemassa laitteiden toiminnan kannalta. Pinnoilla sijaitseva atomien epäjärjestys, kidevirheet ja epäpuhtausatomit sekä atomien kemiallinen sidosympäristö kiinnostavat tutkijoita. Myös erilaisten pintakäsittelyjen vaikutusten tunteminen edellä mainittuihin ominaisuuksiin on tärkeää hyvien pintojen valmistuksen saavuttamiseksi. Tämän pro gradu -tutkielman on tarkoitus tutustua III–V-puolijohteiden GaN:n ja AlGaN:n pintaominaisuuksiin ja niiden muokkaukseen materiaalifysiikan pintatieteen menetelmillä. Mg-piristeisille Al0,5Ga0,5N-näytteille tehdyt LEED- ja STM-mittaukset osoittavat, että AlGaN-pinnat tarjoavat hyvän lähtökohdan bulkille tyypillisten ominaisuuksien tutkimiseen. XPS- ja SR-PES-mittaukset osoittavat, että Mg-piristys vaikuttaa aktivoituvan noin 700 °C:n lämmityksessä, ja näytteet sisältävät aiemmissa tutkimuksissa havaitun vedyn lisäksi happea ja hiiltä, jotka vaikuttavat magnesiumin aktivoitumiseen ja siitä syntyvään aukkokonsentraatioon. LEED-, STM- ja resistiivisyysmittaukset tukevat tehtyjä XPS- ja SR-PES-mittauksia. Al0,5Ga0,5N-näytteen energia-aukossa sijaitsevien aktiivisten vastaanottajatilojen määritettiin sijaitsevan 200–600 meV valenssivyön maksimin yläpuolella riippuen jälkilämmityksen kestosta.

Savikerrostumien syntyhistoria, niiden paksuus- ja ominaisuusvaihtelut sekä vaikutukset yhdyskuntatekniikkaan Turun alueella

Turku sijaitsee Lounais-Suomessa ja sen maaperän kerrostuminen on tapahtunut pää-asiassa viimeisen Veiksel-jäätiköitymisen loppuvaiheessa ja sen jälkeen. Jäätikön pe-rääntymisen jälkeen Yoldiameren, Ancylusjärven ja Litorinameren aikana kerrostui pak-suja savikoita, jotka ovat tasoittaneet maisemaa. Kerrostumiseen vaikuttivat jäätikön sulamisvedet, maankohoaminen, veden pinnan korkeusvaihtelut ja suolapitoisuuden vaihtelut. Savinen maaperä tuo haasteita niin rakennusten, väylien kuin yhdyskuntatekniikankin rakentamiseen. Tähän mennessä Turun maaperää on tutkittu tapauskohtaisesti mm. tiettyjen suunnittelu- tai kaavoitushankkeiden yhteydessä. Laajamittaisempi maaperä-kerrosten ja niiden ominaisuuksien tutkimus tältä alueelta on puuttunut. Pohjatutkimus-tietoa löytyy valtavasti. Tutkimuksen keskeisimpinä tuloksina havaittiin, että saven paksuudet vaihtelevat erit-täin pienipiirteisesti, mikä saattaa johtua alla olevasta kallioperästä. Paksuimmat kohdat ovat nauhamaisia tai pistemäisiä. Savet ovat pääosin pehmeitä, vesipitoisia, humuspi-toisia ja sensitiivisiä. Suurin osa savesta on kerrostunut Yoldiameren ja Ancylusjärven aikana ja on rakeisuudeltaan lihavaa savea. Edellä mainittujen savien päällä esiintyy ohuempi humuspitoisemman saven kerros, joka on kerrostunut Litorinameren aikana. Sulfidisavien esiintyminen on myös todennäköistä. Yoldia/Ancylussavien sekä Litorina-savien välissä esiintyvä epäjatkuvuuspinta näyttää ulottuvan ainakin Myllysillalta Koroi-siiin saakka varsin samalla korkeudella ja on merkittävä tekijä savikerrostumien synty-historian määrittelyssä. Epäjatkuvuuspinnasta merkkinä ovat mm. samanlaiset ohuet hiekkakerrokset samoilla korkeuksilla. Maaperä on koostumukseltaan varsin kerroksel-lista, hienorakeiset ja karkeammat kerrokset vaihtelevat. Nämä edellä mainitut seikat ovat tärkeitä ottaa huomioon niin kaavoituksessa, suunnitteluvaiheessa kuin rakennet-taessa.

Liquid-phase alcohol promoted methanol synthesis from CO2 and H2

Methanol is an important and versatile compound with various uses as a fuel and a feedstock chemical. Methanol is also a potential chemical energy carrier. Due to the fluctuating nature of renewable energy sources such as wind or solar, storage of energy is required to balance the varying supply and demand. Excess electrical energy generated at peak periods can be stored by using the energy in the production of chemical compounds. The conventional industrial production of methanol is based on the gas-phase synthesis from synthesis gas generated from fossil sources, primarily natural gas. Methanol can also be produced by hydrogenation of CO2. The production of methanol from CO2 captured from emission sources or even directly from the atmosphere would allow sustainable production based on a nearly limitless carbon source, while helping to reduce the increasing CO2 concentration in the atmosphere. Hydrogen for synthesis can be produced by electrolysis of water utilizing renewable electricity. A new liquid-phase methanol synthesis process has been proposed. In this process, a conventional methanol synthesis catalyst is mixed in suspension with a liquid alcohol solvent. The alcohol acts as a catalytic solvent by enabling a new reaction route, potentially allowing the synthesis of methanol at lower temperatures and pressures compared to conventional processes. For this thesis, the alcohol promoted liquid phase methanol synthesis process was tested at laboratory scale. Batch and semibatch reaction experiments were performed in an autoclave reactor, using a conventional Cu/ZnO catalyst and ethanol and 2-butanol as the alcoholic solvents. Experiments were performed at the pressure range of 30-60 bar and at temperatures of 160-200 °C. The productivity of methanol was found to increase with increasing pressure and temperature. In the studied process conditions a maximum volumetric productivity of 1.9 g of methanol per liter of solvent per hour was obtained, while the maximum catalyst specific productivity was found to be 40.2 g of methanol per kg of catalyst per hour. The productivity values are low compared to both industrial synthesis and to gas-phase synthesis from CO2. However, the reaction temperatures and pressures employed were lower compared to gas-phase processes. While the productivity is not high enough for large-scale industrial operation, the milder reaction conditions and simple operation could prove useful for small-scale operations. Finally, a preliminary design for an alcohol promoted, liquid-phase methanol synthesis process was created using the data obtained from the experiments. The demonstration scale process was scaled to an electrolyzer unit producing 1 Nm3 of hydrogen per hour. This Master’s thesis is closely connected to LUT REFLEX-platform.

Höyrytasetarkastelu kemianteollisuuden tehdasalueella

Tässä kandidaatintyössä perehdyttiin Kemira Chemicals Oy:n Sastamalan Äetsässä sijaitsevan tehdasalueen höyryverkkoon. Työn tavoitteena oli luoda selkeä kokonaiskuva höyryn tuotannosta ja kulutuksesta tehdasalueella. Työssä tutkittiin höyryverkon nykyisten mittauspisteiden kattavuutta ja suoritettiin höyrytasetarkastelu höyryverkostolle. Höyrytaseen tarkemmalla ymmärtämisellä helpotetaan mahdollisten energiatehokkuushankkeiden kohdentamista järkevästi. Työssä tarkasteltiin tehdasalueen höyryjärjestelmää siinä tarkkuudessa kuin se nykyisten mittausten dataa hyödyntäen on mahdollista. Laskennassa keskityttiin tarkastelemaan kokonaisuutta, ja erityisesti tuomaan esille merkittävimpiä höyrynkuluttajia. Päähöyrykattilan omakäyttöteho on huomattavan suuri syöttöveden merkittävän lämmitystarpeen johdosta. Tehtaista merkittävimmät höyryn kuluttajat ovat natriumkloraattitehdas (T III) ja hienokemikaalitehdas (T IV). Höyryverkkoa tarkasteltaessa luotiin myös uusi raportointipohja höyryn tuotannon ja kulutuksen tunnuslukujen seurantaan. Luotu raporttipohja hyödyntää saatavissa olevaa mittausdataa aiempaa tarkemmin ja laskenta on toteutettu mahdollisimman läpinäkyvästi. Mahdolliset höyrynkäytön tarkemmat selvitykset ja investoinnit esimerkiksi höyrymittauksiin kannattaa kohdentaa tehtaisiin T III ja T IV. Mikäli tulevaisuudessa halutaan muodostaa vetytase, helpottaa poltetun vedyn määrän seuranta luodussa raportointipohjassa taseen muodostamista.