Abstract

This thesis work aims to develop sustainability assessment tools for chemical processes, unit operations, catalysts, and products and to test the tools on products containing critical rare earth elements (REEs).

This thesis is a part of the study where a Green Chemistry-based Sustainability Assessment Tool (SAT) was developed for the early design phase of chemical production processes. The SAT tool is comprised of indicators selected using the twelve principles of Green Chemistry as guidelines. It was tested on conventional and carbon dioxide-based formic acid production routes.

Similarly, a sustainability assessment tool was developed based on the integration of Green Engineering principles and the multi-criteria decision analysis (MCDA) analytical hierarchy method (AHP). The developed tool is suitable for the assessment of catalysts in chemical processes. It was tested in ethanol steam reforming using four nickel (Ni)-catalysts (REEs and non-REEs). The Ni-catalysts were assessed and compared against each other to determine the substitution potential of REEs in catalysts.

Thirdly, a Product Sustainability Assessment Tool (PSAT) was developed for assessing the sustainability of products. Here the principles of Green Chemistry, Industrial Ecology, and Green Engineering were used as guidelines in developing the assessment criteria. The developed PSAT tool also incoorporates life cycle impact categories and Circular Economy approach. It takes into account five life cycle stages of a product: design, materials selection, manufacturing, use, and end-of-life. The developed PSAT tool was tested on two 3 MW wind turbine generators; a) a doubly fed inductor generator (DFIG) without an REEs containing permanent magnet and b) a direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) containing REEs.

The results obtained from the assessment of ethanol steam reforming catalysts demonstrated that cerium and lanthanum oxide supported catalysts can be successfully substituted with an aluminium oxide supported catalyst while retaining the sustainability performance of the reaction. The results from the sustainability assessment of wind turbine generators revealed that the DFIG turbine had an overall better sustainability impact than the direct-drive PMSG generator.

Tiivistelmä

Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on kehittää kestävyyden arviointimenetelmiä kemiallisten prosessien, yksikköoperaatioiden, katalyyttien ja erilaisten tuotteiden arviointiin sekä testata menetelmiä kriittisiä harvinaisia maametalleja (REEs) sisältävien tuotteiden arviointiin.

Väitöskirjatyö on osa tutkimusta, jossa kehitettiin Vihreän kemian periaatteisiin perustuva (Green Chemistry -based) kestävyyden arviointityökalu (SAT), joka soveltuu kemiallisten tuotantoprosessien varhaisen suunnittelun aikaiseen arviointiin. SAT-työkalu koostuu indikaattoreista, jotka valitaan Vihreän kemian kahdentoista periaatteen avulla. SAT-työkalua hyödyntämällä arvioidaan muurahaishapon kahden tuotantoreitin, teollisessa käytössä olevan ja hiilidioksidipohjaisen valmistusreitin, kestävyyttä.

Tässä työssä kehitettiin myös Vihreän tekniikan periaatteisiin perustuva (Green Enggineering principles -based) ja katalyyttien kestävyyden arviointiin soveltuva arviointityökalu, joka pohjautuu Aspen Plus -prosessisimulaation, analyyttisen hierarkiamenetelmän (Analytical Hierarchy Method - AHP), min-max-normalisointitekniikan ja Likert-asteikon samanaikaiseen käyttöön. Kehitettyä työkalua testattiin vertailemalla etanolin höyryreformointia neljällä nikkelikatalyytillä, joista kaksi sisälsi ja kaksi ei sisältänyt REE-metalleja. Nikkelikatalyyttien vertailu tehtiin REE-katalyyttien korvausmahdollisuuden määrittämiseksi.

Väitöskirjatyössä kehitettiin myös tuotteen kestävyyden arviointimenetelmä (PSAT). Tässä menetelmässä hyödynnetään indikaattoreiden valinnassa vihreän kemian, teollisen ekologian ja vihreän tekniikan periaatteita. PSAT-menetelmään integroitiin myös elinkaariarvioinnin (LCA) avulla saatavat vaikutukset. PSAT-menetelmässä arvioidaan viisi tuotteen elinkaaren vaihetta, jotka ovat tuotteen suunnittelu, materiaalien valinta, valmistus, käyttö ja käytöstä poistuminen. PSAT soveltuu tuotteiden kestävyysarviointiin ja toimii ohjeena vertailtaessa tuotevaihtoehtoja. PSAT-menetelmää käytettiin kahden 3 MW:n tuuliturbiinigeneraattorin eli a) kaksoissyöttöisen kelageneraattorin (DFIG) ilman REE-magneettia ja b) suorakäyttöisen kestomagneettisynkronisen generaattorin (PMSG), jossa on REE-kestomagneetti, kestävyyden arviointiin.

Etanolin höyryreformointikatalyyttien arvioinnista saadut tulokset osoittivat, että cerium- ja lantaanioksidikatalyytit voidaan menestyksekkäästi korvata alumiinioksidituetulla katalyytillä säilyttäen samalla reaktioreitin kestävyysominaisuudet. Tuuliturbiinigeneraattoreiden kestävyysarviointien tulokset osoittavat puolestaan, että DFIG-turbiinin kestävyysvaikutus oli kokonaisuutena parempi kuin suoravetoisen PMSG-generaattorin vaikutus.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Saavalainen, P., Turpeinen, E., Omodara, L., Kabra, S., Oravisjärvi, K., Yadav, G. D., Keiski, R. L., & Pongrácz, E. (2017). Developing and testing a tool for sustainability assessment in an early process design phase – Case study of formic acid production by conventional and carbon dioxide-based routes. Journal of Cleaner Production, 168, 1636–1651. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.11.145

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Omodara, L., Pitkäaho, S., Turpeinen, E.-M., Saavalainen, P., Oravisjärvi, K., & Keiski, R. L. (2019). Recycling and substitution of light rare earth elements, cerium, lanthanum, neodymium, and praseodymium from end-of-life applications—A review. Journal of Cleaner Production, 236, 117573. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.07.048

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Omodara, L., Turpeinen, E. M., Pitkäaho, S., & Keiski, R. L. (2020). Substitution potential of rare earth catalysts in ethanol steam reforming. Sustainable Materials and Technologies, 26, e00237. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00237

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Omodara, L., Saavalainen, P., Pitkäaho, S., Pongrácz, E., & Keiski, R. L. (2023). Sustainability assessment of products—Case study of wind turbine generator types. Environmental Impact Assessment Review, 98, 106943. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2022.106943

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version