earth natural sciences phd programme 2011 3 description document v7.pdf · relatively little is...

23
ENS PhD Strand 3 Project Descriptions v7 UCD Earth Sciences Institute Earth & Natural Sciences PhD Programme 2011 Strand 3: Energy and Environmental Engineering Project Descriptions (v7)

Upload: others

Post on 28-Sep-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

 

ENS PhD Strand 3 Project Descriptions v7   

 

UCD Earth Sciences Institute

  

Earth & Natural Sciences PhD Programme 2011 

  

Strand 3: Energy and Environmental Engineering 

 Project Descriptions (v7) 

   

Page 2: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 2 | 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Please Note: 

 While every effort has been made to ensure that the information contained within this document is accurate, it is possible for errors and omissions to have occurred. It is strongly recommended that potential students make contact with the Principal Investigators directly, should they have any questions about the projects.  

Page 3: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 3 

Introduction  4

Information on the Application Process  5

List of Projects 

1  The effects of two‐phase fault rock properties on CO2 sequestration risk  6

2  Enabling ICT and energy system technologies for Smart Grids  7

3 Evaluating the geothermal potential above buried high heat production granites, Co Meath, Ireland 

8

4 Improved dye‐sensitised photovoltaic solar cells for indoor diffuse lighting and BIPV applications 

9

5 Carbon emissions mitigation and storage: engineering gas and energy storage through membrane‐assisted gas capture 

10

6 Carbon emissions mitigation and storage: assessment of the potential of Irish on‐ and off‐shore carboniferous black shales and coal‐bearing sequences for CO2 sequestration 

11

7 Investigation of the geothermal energy potential of geological source rocks in the greater Dublin area 

12

8 The Combustion of Biofuels under Combustor Relevant Conditions (Bioenergy, biofuels, biomaterials, and Biochemicals) 

13

9  Use of functionalised mesoporous silicas for pyrolysis oil upgrading  14

10  Catalytic conversion of biomethane to methanol and higher alcohols  16

11  Tar mitigation in biosyngas production  18

12  The hydrogenation of  furfural to furfuryl alcohol  20

13 Mixed culture biotechnology for conversion of Food waste and Sewage sludge to organic acids and biomethane 

22

    

Page 4: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 4 | 

Introduction 

The ENS PhD Programme 

 

The global change  in climate and energy supplies will have a major  impact on the  island of Ireland, on how our economy evolves and the need for measures to protect our environment. 

UCD  is  harnessing  its  considerable  resources  to  address  the  challenges  by  developing  an  Earth Sciences Institute (ESI). The proposed ENS PhD programme building on the concept that energy and environment are co‐dependent, draws on the unique range of disciplines and technologies of UCD, ESI  and  its  partners  to  create  new  programmes  in  Earth  and  Natural  Sciences  education.  The proposed ESI PhD programme will create a cohort of graduates with a strong background in Energy and  Environmental  studies,  imbued with  the  innovation  and  entrepreneurial  skills  to  develop  an emerging green technology sector. In addition to a core of postgraduate students specialised in key elements of earth sciences, the programme will  impact across a wide range of undergraduate and graduate programmes.  It  is only by  influencing  the  collective  skills of  future graduates emanating from a range of disciplines that we will as a society adapt to the national and global challenges and opportunities  in agriculture, energy,  food,  forestry, green  technology,  land  resources, nanoscience and water. 

This  Strand  –  Energy  and  Environmental  Engineering  –  aims  to  equip  PhD  graduates  with  the training/skills for modeling, chemical/photochemical energy resources/usage and CO2 amelioration and,  in  association with  the  Engineering  PhD  Programme,  to  provide  training  towards  an  energy secure, low carbon emissions Ireland. 

A total of 13 Projects are offered with 17 positions for PhD candidates within this Strand. Students in this Strand will be housed at UCD, TCD, DIAS, UL or NUIG. 

Strand  Keywords:  Biosystems  Engineering,  Chemical  Engineering,  Civil  Engineering,  Electrical Engineering,  Mechanical  Engineering,    Geoscience,  Physics,  Chemistry,  Bioscience,  Architecture, Economics, Geology, Geochemistry 

   

Page 5: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 5 

Information  

The Application Process 

 

Please read the following section very carefully. It  is of the utmost  importance that all the relevant documents are submitted as part of a single email application.  Incomplete applications will not be reviewed. 

If you have any specific questions about the project or the application, please contact the Principal Investigator directly (details are available in this booklet). 

Applications should be emailed to both the Principal Investigator for the specific project and to [email protected]. The subject line should contain the word “Application” followed by the project number followed by the applicant’s name (e.g. Application EEE 4 Joe Bloggs).  

Mislabeled applications may not be processed.  

All applications must include the following documents: 

1. A completed Application Cover Form (download) 2. A complete Curriculum Vitae 3. A Letter of Motivation outlining your interest in the specific project 4. Certified copies of academic transcripts 

and, where appropriate, 

5. Evidence of proficiency in English 

All documents should be typeset or scanned, as appropriate. Please provide PDF format documents where possible. 

Please note that all elements of the application must be included in one email. It will not be possible to process incomplete applications and we will not be in a position to collate applications sent in separate emails.  

Failure to include all of the documentation listed above will result in your application being rejected.  

Applications received before 13 May 2011 will receive full consideration, and the positions will remain open until filled. 

   

Page 6: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 6 | 

Project EEE 1  

The effects of two‐phase fault rock properties on CO2 sequestration risk  Principal Investigator: Dr Tom Manzocchi (TCD) – [email protected]     Collaborators: Professor Chris bean (UCD); Dr Brian McConnell (GSI); Dr Gareth O Brien (UCD) 

 

Sherwood  sandstone  sites  comprise  about half  the  higher  certainty  “Effective”  sites  for  Irish CO2 storage  in  saline  aquifers  and  the  majority  of  lower  certainty  “Theoretical”  sites.  Faults  are ubiquitous  within  the  Sherwood  sandstone,  retard  seawater  incursion  into  this  important groundwater  aquifer  in  the  UK  and  are  recognised  as  significant  production  heterogeneities  in Sherwood  sandstone  hydrocarbon  reservoirs.  Faults  therefore  are  clearly  a  risk  to  Sherwood sandstone CCS projects. 

There  are  two  principal  fault‐related  risks.  The  first  is  the  extent  to which  intra‐reservoir  faults impede  flow  of  CO2  across  them  and  therefore  to  the  practical management  of  a  sequestration programme  (number  of  wells  required,  sustainable  injection  rates).  Conventional  reservoir engineering  flow  simulation  is  used  to  model  CO2  sequestration  into  saline  aquifers  but  the treatment of faults with respect to two‐phase fluid flow in these simulators is over‐simplistic5. 

Recent  research has highlighted  that  these  simplifications  can  lead  to over‐optimistic  conclusions about  the  number  of  wells  required  to  sequester  CO2  in  faulted  aquifers6.  This  PhD  will  use twophase  fault  property  upscaling  methods  to  model  the  influence  of  faults  on  sequestration processes  in  idealised  Sherwood  sandstone  aquifers  covering  the  range of  conditions  likely  to be encountered in Irish sites (sandstone permeabilities, fault densities and properties, aquifer pressures and temperatures, reservoir dips and sizes). 

The  second  risk  relates  to  seal  integrity  and  therefore  to  CO2  leakage.  The majority  of  sites  are bounded  by  faults which must  be  robust  seals  throughout  and  after  a  successful  sequestration programme.  An  injection  induced  pressure  increase  adjacent  to  a  fault will  promote  flow  of  the wetting  fluid  (water)  across  it. This  can  lead  to  changes  in  capillary pressure which  can  result,  in theory,  in  seal breakdown  for  the non‐wetting  fluid  (supercritical CO2). This  leakage mechanism  is understood in principal, but cannot be replicated in conventional flow simulation models because of assumptions made during the discretisation of the flow equations into the finite difference scheme used8. Analytical solutions to the problem will be developed to examine the  likelihood of capillary seal failure in fluid‐rock‐pressure environments relevant to CO2 injection. 

The  two  topics  covered  by  this  PhD  are  important,  but  seldom  recognised,  fault‐related  risks associated with CO2  sequestration. Though  focused on  Irish  sites,  the numerical modelling  results will be of general relevance. The research is highly cross‐disciplinary between geology and reservoir engineering, and is a logical application of our long‐term research on improving the inclusion of fault properties in flow models. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UCD 

Page 7: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 7 

Project EEE 2 

Enabling ICT and energy system technologies for Smart Grids  Principal Investigator: Professor Chen‐Ching Liu (UCD) – [email protected]      Collaborators: Professor Stephen McArthur (University of Strathclyde); Professor John Murphy 

(UCD); Professor Liam Murphy (UCD) 

 

Smart  grid  is  a  global  priority  that  requires  new  technologies  to meet  our  energy  needs  while achieving environmental sustainability.  In transmission, a smart grid enhances system security and reliability through self‐healing capabilities and  large scale  integration of renewable energy devices. In  distribution,  the  smart  grid  incorporates  customers’  participation  through  smart  meters. Information  and  communications  technology  (ICT)  is  critical  for  development  of  the  smart  grid. Given the wide scope of smart grid, we focus our effort on the transmission level. 

Power grid control relies on real time data acquisition and computation to determine vulnerabilities and  remedial actions.  In a  smart grid environment, Phasor Measurement Units  (PMUs) provide  a massive amount of data, which,  together with data  from  supervisory control and data acquisition systems,  are  the  basis  for monitoring  and  control. Applications  for  this  high  volume  of  data  are emerging; an example is to develop fast and reliable methods to determine when the grid becomes vulnerable  with  respect  to  cascading  events  that  are  causes  for  catastrophic  outages.  High‐performance algorithms are needed to enable real time recognition of vulnerable patterns and self‐healing  capabilities.  The  communication  and  computational  challenges  become more  complex  as numerous  renewables,  primarily  wind  and  solar,  are  integrated.  These  interconnections  lead  to dynamic  behaviours  unknown  to  date  and  hence  require  extensive  computation  to  identify vulnerable patterns. Self‐healing is essential for a smart grid. The state‐of‐the‐art is to perform grid partitioning  or  controlled  islanding;  however,  islanding  is  an  extreme  response  with  likely unintended consequences. We propose a distributed, multi‐agent approach that uses autonomous, coordinated controls to achieve the same goal. 

This  interdisciplinary project has  two  threads  (1)  real‐time  computational  algorithms  to  recognise vulnerable patterns for a grid with  large scale  integration of renewables, (2) self‐healing of a smart grid and supporting ICTs. The first thread requires a computer science foundation; the second thread is built on energy system engineering. The proposed team has internationally leading researchers in energy  systems,  high  performance  real  time  computation,  and  smart  grid.  Co‐funding  has  been committed  for  one  PhD  student  at  Strathclyde  to  participate  in  the  research.  We  will  seek collaborations in biologically inspired computation and environmental sciences to identify important issues  (e.g.,  CO2  cap‐and‐trade)  to  be  incorporated.  This  research  will  produce  innovations  in computational and energy system technologies for Irish industry. We have strong relationships with EirGrid, Intel, and IBM Ireland and power grids  in Scotland, France, and Italy. Collaborations will be pursued through these relationships. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UCD 

 

Page 8: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 8 | 

Project EEE 3  

Evaluating the geothermal potential above buried high heat production granites, Co Meath, Ireland  Principal Investigator: Professor Stephen Daly (UCD) – [email protected]      Collaborators: Dr David Chew (TCD); Dr Brian McConnell (GSI); Dr Mark Muller (DIAS)   

 

Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly attractive as a renewable energy source because it can be used as predictable base‐load source in a way that wind and solar power cannot be2. This goal of this project is to characterize and model the thermal state and thermal evolution of the North Meath geothermal exploration target identified by the  IRETHERM  project.  Here  preliminary  geochemical  analyses  of  the  buried  Kentstown  and Drogheda granites  indicate high heat production values4 ~3.64 μWm‐3. These granites  lie at depths of 500 – 700 m beneath an  insulating cover of Carboniferous  sedimentary  rocks, which provide a potential seal to conductive heat transfer. Hence the region  is an attractive target for shallow heat extraction  through  stimulated hydrofracturing. The project  is  closely  linked with Dr David Chew’s (TCD) application  in Strand 1  (Earth and Computational Climate Modelling).  It contributes  to three interdisciplinary  research  themes:  monitoring/modelling  surface/sub‐surface  heat  &  fluid  flow; modelling  geothermal  power;  sub‐surface  energy  extraction.  There  will  be  close  collaboration between  this project, which  characterizes a key  target area  for geothermal exploration  (strand 3) and the TCD group working on regional‐scale thermal history modelling (strand 1). 

This project will  involve  a  geochemical  investigation of  rock  samples  from  surface exposures  and boreholes (with co‐applicant Dr Brian McConnell, Geological Survey of Ireland) to provide a detailed 3D model of heat production combined with thermal conductivity measurements. Selected samples will  be  evaluated  for  their  thermal  history  using  low‐temperature  thermochronology  methods including  fission  track and U‐He dating overseen by co‐applicant Dr David Chew  (TCD). These data will be integrated to provide a 3D temperature distribution model (co‐applicant Dr M. Muller, DIAS) for  the  upper  crust, who  is  concurrently  supervising  a magnetotelluric  investigation  of  the  same target region. 

The  results  will  be  used  to  assess  the  present‐day  thermal  equilibration  of  the  upper  crust  in particular to determine the nature and magnitude of the geothermal gradients (depth‐dependence of temperature), traditionally used  in thermal modelling. A 3D thermal model for the north Meath region will assess its geothermal energy potential and guide further exploration by reducing the risk associated with future exploration drilling. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UCD 

   

Page 9: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 9 

Project EEE 4  

Improved dye‐sensitised photovoltaic solar cells for indoor diffuse lighting and BIPV applications  Principal Investigator: Professor Ravi Thampi (UCD) – [email protected]    Collaborators: Dr Donal Finn (UCD); Mr Paul Kenny (UCD); Professor Don MacElroy (UCD); Dr 

Simeon Oxizidis (UCD) 

 

The  focus of  this project  is on  the development of diffuse  light active photovoltaic power delivery systems  for  indoor use and  for deployment as building  integrated photovoltaics  suitable  for  solar irradiation conditions prevalent  in countries  like  Ireland. The new PhD  student will be engaged  in developing  dye‐sensitised  solar  cells  (DSSC)  using  specifically  designed  novel  dyes.  The  selected sensitisers should absorb  light over the entire visible range  into the near‐infrared (NIR) and ensure other molecular requirements  identified for DSSC sensitisers,  inexpensive, environmentally friendly and  stable. New dyes will  include porphyrins and phthalocyanines. These dyes will be  tested  in a variety  of  DSSC  configurations  for  optimisation.  The  work  will  involve  the  development  and fabrication  of  flexible  solar  cells.  For  this,  novel  semiconductor  layer  processing  routes  will  be followed. Further,  formulation of suitable electrolytes, DSSC  fabrication,  testing, and evaluation of stability under various light conditions will follow. 

The  host  team  is multidisciplinary  and works  on  the  various  aspects  of  solar  energy  conversion, artificial  photosynthesis  and  carbon  capture.  The  topic  is  directly  relevant  to  the  ESI  research priorities and will be instrumental in developing further capacity in UCD and in Ireland to pursue this important and emerging area of research on an international scale. 

The  applicant  should have  a Masters  in Physical Chemistry, General Chemistry, Chemical Physics, Surface Science, Materials Science or equivalent. Some research/project experience in a similar field will  be  required.    Exposure  to  electrochemical methods  and  impedance  spectroscopy will  be  an added  advantage.  Knowledge  or  experience  in  photovoltaics  or mesoporous materials will  be  a bonus. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UCD 

   

Page 10: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 10 | 

Project EEE 5  

Carbon emissions mitigation and storage: engineering gas and energy storage through membrane‐assisted gas capture   Principal Investigator: Professor Don MacElroy (UCD) – [email protected]      Collaborators:  Dr David Chew (TCD); Professor Geoff Clayton (TCD); Dr Denis Dowling (UCD); Dr 

Robbie Goodhue (TCD); Dr Damian Mooney (UCD); Dr Gareth O Brien (UCD)  

 

The  project work will  focus  on  two  primary  pathways  towards  carbon  capture:  post‐combustion capture  from  flue  gases  and  pre‐combustion  capture  from  syngas. We  propose  to  utilise  recent theoretical  and  experimental  results  to  design  and  optimise  ultra‐thin  (nanometer) membranes, synthesised using APPLD and ALD techniques,  for the separation of two key, high temperature gas mixtures,  namely  CO2/N2  (exhaust  gases)  and  H2/CO  (syngas).  These  mixtures  are  of  particular interest  as  they  will  play  a  major  role  in  future  technologies  in  both  the  fossil  fuel  (CO2 sequestration)  and  hydrogen  (H2  production)  economy.  A  specially  constructed  membrane permeation apparatus will be employed in this work. 

The topic of this project is central to the PhD strand “Energy and Environmental Engineering,” linked to  the  prioritized  interdisciplinary  research  topics  “CO2  subsurface/ocean  sequestration/carbon capture ”, “ Sub‐surface energy storage/extraction”, “Enhanced/clean sub‐surface oil/gas recovery”, “Smart Grid” and “Photo‐electrochemical (solar) energy storage” 

This  project  is  aligned  directly with  the  core  principles  of  the  ENS Doctoral  Studies  Programme, through the development of a close interaction between those working in carbon capture (UCD) and those  in  sequestration  (TCD/UCD) and  the exposure  to, and appreciation of,  the difficulties which need to be overcome to meet the full requirements for CCS. The PhD student involved will develop this appreciation as  they approach  the  issues  from both  the upstream  (capture) and downstream (sequestration)  perspectives  and  undertake  a  programme  of  study  entailing  this  broader  picture seeking  to  develop  a  low  cost  technology  for  CO2  sequestration  –  critical  for  Ireland’s  long  term commitments to CO2 reduction. It will also, for the first time, investigate the opportunities for large scale H2 capture and storage. 

Providing  a  low  cost  route  to CO2 and H2  capture will make  the  challenge of  sequestration more realisable  in the short‐term – both of which have global demand.  Indeed, such technology satisfies two  strategic  goals  for  Ireland  ‐  the  development  of  high  impact  IP  for  industry  growth  and  the reduction  of  CO2  emissions  coupled  with  the  development  of  H2  storage  as  an  energy  storage option. The ability to separate CO2 from other gases  in high temperature gas systems (combustion exhausts, syngas, for example) is one of the great technological challenges of the 21st Century. The challenge  centers  around  the,  typically,  low  concentration  of  CO2  in  such  systems,  the  high temperature  and  corrosive  environments  present,  and  the  similar molecular  size  of  CO2  and  the other constituent gas species. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UCD 

Page 11: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 11 

Project EEE 6  

Carbon emissions mitigation and storage: assessment of the potential of Irish on‐ and offshore Carboniferous black shales and coal‐bearing sequences for CO2 sequestration  Principal Investigator: Professor Geoff Clayton (TCD) – [email protected]       Collaborators:  Dr David Chew (TCD); Professor Don MacElroy (UCD); Dr Denis Dowling (UCD); Dr 

Robbie Goodhue (TCD); Dr Damian Mooney (UCD); Dr Gareth O Brien (UCD) 

 

Coals have the potential to store vast quantities of CO2. Published estimates of potential CO2 sequestration capacity in unminable coal reserves in the USA alone are 324 Gt of CO2. It has also been established that CO2 can not only be adsorbed by coals but is preferentially adsorbed in organic‐rich shales, displacing CH4 and facilitating enhanced natural gas recovery2. Ireland has considerable unminable coal reserves and extensive black shale deposits of Carboniferous age. However, these rocks have not yet been assessed in terms of either their relevant properties such as coal rank, thermal maturity, total organic carbon content (TOC) or their subsurface geological setting.   The objectives of this project are: 

• To establish the geological setting of selected Carboniferous rock units on‐ and offshore Ireland that appear to have potential for CO2 sequestration and enhanced coal bed methane production. These include the Pennsylvanian 'coal measures' in the Kish Bank Basin, offshore Dublin, and also the Mississippian Clare Shale onshore in County Clare together with its westward extension into the offshore Clare Basin. 

• To characterise the basic physical and chemical properties of relevant lithologies, including coal rank, thermal maturity of organic‐rich shales, TOC, porosity and permeability. 

• Using the above results, on‐ and offshore prospects that merit detailed exploration and commercialisation will be identified. 

 This PhD topic fits perfectly within the prioritized interdisciplinary research topic, “CO2 subsurface/ocean sequestration/carbon capture” and is also highly relevant to, "Enhanced/clean sub‐surface oil/gas recovery", both within the PhD strand, “Energy and Environmental Engineering.” This project will involve close collaboration between the TCD/UCD group working in carbon sequestration and the UCD team working in capture. The two PhD students will gain an understanding of both upstream (capture) and downstream (sequestration) perspectives. They will undertake a comprehensive programme of general study in these fields whilst undertaking their individual research projects.  Development of a successful Irish CO2 sequestration programme will have a major impact in terms of the  essential  reduction  of  CO2  emissions  whereas  enhanced  natural  gas  production  will  reduce Ireland's current dependence on imported energy. 

 

There is one studentship available in this Project and will be based at TCD 

   

Page 12: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 12 | 

Project EEE 7   

Investigation of the geothermal energy potential of geological source rocks in the greater Dublin area 

Principal Investigator: Professor Alan Jones (DIAS) – [email protected]         Collaborators: Dr Donal Finn (UCD); Dr Mark Muller (DIAS) 

 

Of the available sustainable energy options, little is known of the potential of Ireland s geological formations to provide geothermal energy for district‐scale space‐heating and electricity generation. Both energy applications require identification and assessment of deep, permeable aquifers or large, hot, radiogenic granitic intrusions. Recent advances in utilizing medium‐temperature (<150°C) groundwaters provide real potential for electricity generation within the upper range of geothermal gradients observed in Ireland (~25°C/km), provided deep (2 5km) source rocks can be identified. 

We aim to initiate such geological investigations and build geothermal skills and capacity in Ireland. Firstly by developing new, state‐of‐the‐art joint magnetotelluric‐gravity modelling software to provide a high‐resolution geophysical imaging capability applicable to geothermal targets. Secondly, by acquiring new magnetotelluric (MT) data, together with currently available gravity, temperature and granite radiogenic‐element composition data, assess the geothermal energy potential of two different, representative geological target types located close to Dublin where geothermal energy utilisation would contribute significantly in reducing fossil fuel consumption. MT and gravity data together are strongly sensitive to the geological properties that define geothermal energy potential. 

• Dublin Basin Sediments. While a geothermal exploration borehole in Dublin s Newcastle area is encouraging (46.2°C at 1.4km depth), knowledge of the geological context and source of the warm waters is insufficient to predict whether higher‐temperature waters might be present at greater depth and whether similar geological potential may exist elsewhere in Ireland. Geothermal potential will be assessed based on sediment porosity, subsurface continuity and depth extent. 

• Drogheda/Kentstown Granite. The depth and lateral extent of Ireland s many radiogenic granites favourable targets for EGS energy provision is poorly known, particularly buried granites benefiting from the thermal blanketing effect of sedimentary cover rocks. We plan to investigate the buried Drogheda Granite (600m burial depth and high heat‐production (~3.64μWm‐3) proven by drilling), to determine its depth extent, volume and heat generation potential. 

There is one studentship available in this Project and will be based at DIAS 

   

Page 13: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 13 

Project EEE 8   

The Combustion of Biofuels under Combustor Relevant Conditions (Bioenergy, biofuels, biomaterials, and Biochemicals) 

Principal Investigator: Dr Henry Curran (NUIG) – [email protected]           Collaborators: Professor Vincent O Flaherty (NUIG); Dr Kevin O Connor (UCD); Dr Eoin Casey (UCD);  

Dr Cormac Murphy (UCD); Dr JJ Leahy (UL)  

 

The production of energy  as  a  gas  (methane) or  liquid  fuel  (methanol/ethanol)  from waste helps address  the  issue of  sustainable energy.  The manipulation of biological  (NUIG)  and  chemical  (UL) reactor design and the mathematical modelling of bioprocesses  (UCD) matches the environmental engineering  aspect  of  the  strand. Mathematical modelling  is  an  interdisciplinary  tool  that  allows mechanistic understanding for process optimisation and predicting scale‐up effects. The integration of multiple disciplines across energy, materials, and biochemicals from waste is  in keeping with the energy and environmental engineering theme and the subtheme of biorefining and bioenergy. 

In order  to  improve  energy  efficiency  and  develop  renewable  energy  sources we  need  to better understand  the  fundamental  chemical processes  controlling  fuel  combustion. Herein we  focus on chemical kinetics studies, particularly on the following key areas: 

• Fundamental chemical kinetic studies of fossil and bio‐fuels • Applications to gas turbines and internal combustion engines • Applications to a wide range of combustion systems 

One  experimental  programme  will  be  carried  out  on  the  oxidation  of  oxygenated  compounds including  specifically  the  alcohols methanol  and ethanol  and  their mixtures with  surrogate petrol and  diesel  fuels  under  combustor‐relevant  conditions  of  temperature,  pressure  and  fuel/air composition.  

A  second  study  will  focus  on  the  study  of  synthesis  gas  (syngas)    and  natural  gas  with  high concentrations  of  water  will  be  studied  under  at  high  pressures  (up  to  50  atm)  and  at  low, intermediate  and  high  temperatures  in  order  to  increase  efficiency  and  fuel  flexibility  of  fuel combustion in gas turbines. 

Food waste  is a major waste and a major underutilised  resource.   Compost  is one of the  targeted products  from  food waste but new  technologies  that will diversity products  from  food waste are unexplored and needed.   The  integration of biological and chemical  technologies  to maximise  the outputs  from  a  single waste  resource  is of  strong  relevance  to  the waste, energy, environmental industry sectors.  It also reduces dependence on terrestrial crops for energy, materials and chemical production. 

The integration of activities across a broad set of disciplines (Microbiology, Chemistry, Biochemistry, and  Chemical  Engineering,  across  three  universities will  allow  PhD  students  to  be  educated  and exposed  to  thinking  and  approaches  outside  of  their  area  of  expertise,  enhance  their  learning experience, generate an interinstituional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation of this network of graduates will impact positively on the emerging green technologies sector. 

There are two studentship available in this Project and will be based at NUIG 

Page 14: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 14 | 

Project EEE 9   

Use of functionalised mesoporous silicas for pyrolysis oil upgrading 

Principal Investigator: Dr Witold Kwapinski (UL) – [email protected]             Collaborators: Dr JJ Leahy (UL); Dr Henry Curran (NUIG); Dr Kevin McDonnell (UCD) 

 

Thermal processing of  lignocellulosic non‐food biomass under  fast pyrolysis conditions  to produce liquid bio‐oils offer significant promise  for second generation biofuels since the resulting bio‐oils can more easily fit into the existing transportation fuel infrastructure than can many other biofuels . The bio‐oil  is  a  low  viscosity  liquid with  a  large number  (over 400) of organic  compounds  and  a high moisture content (10–30 wt%  ). However, bio‐oil  itself  is very unstable due to the reactive species present, which gives rise to high viscosity during storage and poor combustion when used as a fuel.  Reducing the concentration of organic acids present  in the as‐prepared bio‐oil (UL) will slow down the acid catalyzed reactions thereby enhancing the bio‐oil storage and  will also simplify subsequent upgrading of the bio‐oil to fuels  giving rise to improved combustion behaviour  (NUIG).    

Esterification is a potential route to remove the organic acids in bio‐oil by reacting them with alcohol present in bio‐oil or with added alcohol. The application of a heterogeneous solid acid catalyst would be advantageous in the esterification. In the proposed work program we will investigate mesoporous silicas functionalized with organic acid groups as active heterogeneous acidic catalysts.   Due to the presence  of  abundant  silanol  groups  on  the  surface  of mesoporous  silica, modifications  of  the material can be achieved  through condensation  reactions with  the surface  silanol groups so as  to tune  the  surface properties.   Another potential advantage of  the application of  these materials  is that the support matrix has been reported to lower the solvation of the acidic protons by water and improve  the  reactivity.  The  work  proposed  will  examine  the  use  of  solid  acid  catalysts  for  the esterification of model biomass pyrolysis acids. Acetic acid  is a common chemical species  in bio‐oil (up  to  10%)  and will  be  used  as  the model  compound.  The  catalysts will  be  propylsulfonic  acid functionalized MCM 41 materials as these catalysts allow for a systematic investigation of the impact of surface properties on the reaction kinetics. The effect of waster on the esterification will also be investigated as water is a significant component in bio‐oil and it is known that the presence of water will lower the esterification activity over acid catalysts.  

The  focus of this project will be the energy aspect of the strand.   The use of perennial biomass to produce  a  carbon  neutral  fuel  suitable  for  combustion matches  the  environmental  engineering aspect  of  the  strand.    Additionally  the  biosystems  engineering  capability  of UCD will  be  used  to develop  suitable models  for  small  scale  bio‐oil  scenarios  for  an  Irish  context.  The  integration  of multiple  disciplines  across  energy, materials  and  biosystems  engineering  is  in  keeping  with  the energy and environmental engineering themes.   

Ireland has a commitment to 10% biofuels  from 2010.   This cannot be achieved  from starch or oil based  feedstocks.    There  is  also  a  government  backed  energy  crops  scheme  to  encourage  the planting of perennial non‐food energy crops.  This work will address the production and upgrading of pyrolysis  oils  to  fuel  grade  materials.  The  integration  of  chemical  technologies  and  biosystems engineering is relevant to relevance to agriculture and energy sectors.  

Page 15: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 15 

The  integration  of  activities  across  a  set  of  disciplines  (Chemistry,  thermochemical  processing Chemical Engineering, biosystems engineering,) across three universities will allow PhD students to be educated and exposed  to  thinking and approaches outside of  their area of expertise, enhance their learning experience, generate an inter‐instituional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation  of  this  network  of  graduates will  impact  positively  on  the  emerging  green  technologies sector. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UL 

   

Page 16: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 16 | 

Project EEE 10   

Catalytic conversion of biomethane to methanol and higher alcohols 

Principal Investigator: Dr Teresa Curtin (UL) – [email protected]             Collaborators: Dr Dmitri Bulushev (UL); Professor Vincent O Flaherty (NUIG); Gavin Collins (NUIG); 

Dr JJ Leahy (UL); Dr Kevin O Connor (UCD); Dr Henry Curran (NUIG); Dr Eoin Casey (UCD); Dr Cormac Murphy (UCD) 

 

Selective synthesis of alcohols from syngas  is a well known commercial process, however there are no current commercial routes to alcohol synthesis  from biomethane. This project will address two problems,  the  quantitative  conversion  of  biomethane  to  syngas  and  the  upgrading  of  syngas  to alcohols.  This  project  integrates  the  biological  and  chemical  production  of  value  added  products from food waste (biorefining).  

Food waste and Sewage sludge will be converted to fatty acids and then methane using anaerobic digestion.  This  PhD  project  will  compliment  the  process‐based  activities  of  the  cluster  and  will investigate  the  catalytic  synthesis of higher  alcohols  from  the biomethane  arising  from  anaerobic digestion.  The  research  proposed  here  will  support  the  efforts  of  collaborators  in  bioplastic production, combustion and anaerobic digestion.   

This research will target two  key problems and knowledge gaps, (1) selective conversion of biogas to syngas  with  a  ratio  a  ratio  of  2.1  (H2/CO),  (2)  catalytic  upgrading  to  methanol  and  higher alcohols(HAS).  

Methane can undergo partial oxidation with molecular oxygen to produce syngas, as the  following equation shows:  2CH4 + O2 → 2CO + 4H2.  This reaction is exothermic and the heat given off can be used in‐situ to drive the steam‐methane reforming reaction. When the two processes are combined, it is referred to as autothermal reforming. The ratio of CO and H2 can be adjusted to some extent by the water‐gas  shift  reaction, CO + H2O → CO2 + H2,  to provide  the  appropriate  stoichiometry  for methanol synthesis.The carbon monoxide and hydrogen then react on a second catalyst to produce methanol. Today, the most widely used catalyst is a mixture of copper, zinc oxide, and alumina but we will develop novel catalysts for both partial oxidation and alcohol synthesis.  CO + 2H2 → CH3OH. The conversion of CH4 into value‐added products is a challenging task and the main reason for this is the high CH3–H(g) bond dissociation energy (439.3 kJ/mol). Heterogeneous catalysts have therefore been a key to the successful conversion of CH4 because once the molecule  is adsorbed on a metal surface  the bond dissociation energies CHx–H depends on  the hosting surface metal.   This project will  focus on optimization of catalysts by providing nano‐sized embedded metal particles  that are stabilized  by  the  support, with metal  particle  sizes  that  are  smaller  than  the  ensembles  typically required for carbon formation and growth.  

The common route to HAS is directly using Fischer Tropsch–type processes to mixed higher alcohols using ZnO/Cr2O3  and MoS3  based catalysts. We propose an isosynthesis route via CO hydrogenation over modified zirconia (ZrO2) catalysts.  The mechanism proceeds through oxygenated  intermediates 

Page 17: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 17 

followed by chain growth and dehydration. The reaction conditions are known to influence product distribution  with  alcohols  favoured  at  low  temperatures.  Our  approach  will  be  to  modify  the selectivity  of  ZrO2  using  promoters  and  additives  to  enhance  selectivity  to  ethanol  and  higher alcohols 

The production of energy as a gas (methane) or liquid fuel from waste addresses the energy aspect of the strand.   The recyling of waste material  to produce a useful carbon neutral product through engineered biological (NUIG) and Chemical processing (UL) matches the environmental engineering aspect  of  the  strand.    Additionally  we  will  use  mathematical  modelling  (UCD)  for  process optimisation and predicting scale‐up effects.   The  integration of multiple disciplines across energy, materials,  and  biochemicals  from  waste  is  in  keeping  with  the  energy  and  environmental engineering theme and the subtheme of biorefining and bioenergy. 

Food waste and sewage sludge are major underutilised resources. The  integration of biological and chemical technologies to maximise the outputs from a single waste resource  is of strong relevance to the waste, energy, environmental & industry sectors.  

The integration of activities across a broad set of disciplines (Microbiology, Chemistry, Biochemistry, and  Chemical  Engineering,  across  three  universities will  allow  PhD  students  to  be  educated  and exposed  to  thinking  and  approaches  outside  of  their  area  of  expertise,  enhance  their  learning experience, generate an interinstituional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation of this network of graduates will impact positively on the emerging green technologies sector. 

There are two studentship available in this Project and will be based at UL 

   

Page 18: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 18 | 

Project EEE 11   

Tar mitigation in biosyngas production  

Principal Investigator: Dr JJ Leahy (UL) – [email protected]              Collaborators: Dr Witold Kwapinski (UL); Dr Henry Curran (NUIG); Kevin McDonald (UCD) 

 

Biomass  has  the  potential  to  play  a  significant  role  in  the  future  energy mix  in  Ireland  and will contribute  to  the  reduction  of  CO2  emissions,  increase  energy  security  and  support  sustainable development and regeneration of rural areas. The technical limitations are associated with biomass fuel properties compared to coal or oil,     are    lower energy density,  it is a bulkier fuel (with poorer handling  and  transportation  characteristics),  more  tenacious  (difficult  to  reduce  to  small homogeneous particles) and ‐  in most cases ‐ a higher moisture content, resulting  in storage  issues such  as  degradation  and  self  heating.  These  properties  can have negative  impacts during  energy conversion  such  as  lower  combustion  efficiencies  and  can  impose  limits  on  gasifier  design.  The thermal pre‐treatment of biomass known as torrefaction, improves the solid fuel properties through a mild  temperature process  that  removes moisture  and  a  proportion of  the  volatile  content  and leaves a dry, partially carbonised solid.   The benefits  include homogenisation of different biomass feedstocks, higher energy density and reduced transportation costs,  increased carbon content and improved  grindability  of  the  fuel  and  storage  stability.  Gasification  technology  offers  a  versatile method  of  converting  carbonaceous  feedstock  into  valuable  products  such  as  hydrogen, transportation  fuels  and  chemicals  as well  as  heat/electricity. Biomass  gasification  is  less mature than coal gasification.  The main technological hurdles for biomass gasification are tar reduction and gas cleaning. Downstream processing of producer gas is necessary to eliminate this tar and increase the  concentration of hydrogen.   Prevention of  tar  formation by upgrading  the  feedstock prior  to gasification offers an alternative approach.  This project will look at the effect of torrifaction as well as a range of process variables on the quality (gas composition) and yield of biogas, particularly with respect to tar reduction.   There will be two components to the project, torrifaction and  in‐situ tar cracking. 

Torrifaction:  the objective of  this  component of  the  research  is  the  conversion of biomass  into  a torrified  material  to  improve  throughput  and  conversion  efficiencies  in  gasifying  facilities.  This component  of  the  work  will  investigate  the  effects  of  torrification  process  variables  on  the proximate  and  ultimate  fuel  properties  of  feedstock.    The  variable  to  be  investigated  include temperature,  residence  time  gas  atmosphere  and  feedstock  particle  size.    The  main  feedstock materials will be miscanthus, willow and agricultural residue.  The ease of size reduction will also be determined. Tar‐cracking: the aim is to use existing laboratory and pilot scale processing facilities to test  and  optimise  the  yield  of  hydrogen  fuel  from  native  biomass  feedstock  by  the  sequential process  of  thermal  pre‐treatment,  gasification,  stream  reforming  of  tars  and  reacting  carbon monoxide  in the producer gas with steam to increase the concentration of hydrogen. We  intend to optimise  the  route  for  increasing  the  concentration  of  hydrogen  obtained  by  investigating  the effects of bed material, bed  temperature, equivalence  ratio,  steam  to biomass  ratio and biomass particle size. 

Page 19: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 19 

The  focus of this project will be the energy aspect of the strand.   The use of perennial biomass to produce a  carbon neutral  fuel  suitable  for  combustion  in  IGCC plants matches  the environmental engineering aspect of the strand.  Additionally the biosystems engineering capability of UCD will be used to develop suitable models  for  integration of biogas  into existing gas‐fired power plants. The integration of multiple disciplines across energy, chemical engineering and biosystems engineering is in keeping with the energy and environmental engineering themes.   

Ireland has a commitment to 40% electricity  from renewables  from 2020.   The majority will come from wind but because wind power  is not dispatchable    in the absence of storage, alternative  fuel technologies  for  thermal plants  such  as gasification   are  required.   This  cannot be achieved  from starch  or  oil  based  feedstocks.  There  is  also  a  government  backed  energy  crops  scheme  to encourage the planting of perennial non‐food energy crops.   This work will address the production and upgrading of pyrolysis oils to fuel grade materials. The integration of chemical technologies and biosystems engineering is relevant to relevance to agriculture and energy sectors.  

The  integration  of  activities  across  a  set  of  disciplines  (Chemistry,  thermochemical  processing Chemical Engineering, biosystems engineering,) across three universities will allow PhD students to be educated and exposed  to  thinking and approaches outside of  their area of expertise, enhance their learning experience, generate an inter‐institutional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation  of  this  network  of  graduates will  impact  positively  on  the  emerging  green  technologies sector. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UL 

   

Page 20: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 20 | 

Project EEE 12   

The hydrogenation of furfural to furfuryl alcohol  

Principal Investigator: Dr JJ Leahy (UL) – [email protected]           Collaborators: Dr Teresa Curtin (UL) Dr Witold Kwapinski (UL); Dr Maria Tuohy (NUIG); Gavin 

Collins (NUIG) 

 

The UL Dibanet process (FP7) aims to produce  levulinic acid, formic acid and furfural from low‐value biomass  in high yields.  It will use a two‐reactor system  that  targets  furfural production  in  the  first reactor  while  conditioning  the  second  reactor  for  the  conversion  of  the  degraded  cellulose  to levulinic acid and  formic acid. The process will  involve  in  the  first  reactor,  the  rapid hydrolysis of polysaccharides via dilute (2‐4%) H2SO4 in a linear plug‐flow reactor and a residence time of less than 2  seconds.  Dehydration  of  the  monosaccharides  liberated  from  the  hydrolysis  of  the  biomass polysaccharides  (i.e.  from  cellulose,  hemicelluloses)  can  lead  to  the  formation  of hydroxymethylfurfual  (a  crucial  intermediate  for  the  synthesis of  levulinic  acid)  from  the hexoses (which  mainly  come  from  cellulose),  and  furfural  from  the  pentoses  (which  result  from  the hemicelluloses). The pentoses typically yield approximately 50% by mass furfural. The furfural will be removed  at  this  stage  while  the  intermediate  liquor  will  be  introduced  to  the  second  reactor producing levulinic acid and formic acid with the Solid Residues (SR) containing any residual lignin as well as products from condensation reactions. Furfural is also a byproduct of enzymatic hydrolysis. 

Furfural is an almond‐scented, oily, colorless liquid that is used in the production of furfuryl alcohol (2‐furan methanol) an  important chemical  in polymer  industry, used mainly  for  the production of thermostatic  resins,  liquid  resins  used  for  strengthening  ceramics.  Furfuryl  alcohol  is  also  an important chemical intermediate for the manufacture of lysine and Vitamin C.  

The hydrogenation of  furfural  (FAL)  to  furfuryl  alcohol  (FOL)  can be  carried out  either  in  the  gas phase or in the liquid phase.   

 This project will  investigate the catalytic hydrogenation of furfural  in phase using mesoporus silica supported precious metal catalysts.  

The production of ethyl levulinate as a diesel miscible liquid fuel from biomass addresses the energy aspect  of  the  strand.    The  production  of  furfural  from  enzymatic  hydrolysis  (NUIG) matches  the biochemical  engineering  while  the  two  stage  process  developed  in  UL  will match  the  chemical engineering and chemistry strands. The  integration of multiple disciplines across energy, functional catalytic materials, and biochemistry  is  in keeping with  the energy and environmental engineering theme and particularly biorefining and bioenergy. 

Furfural is a byproduct of chemical or enzymatic hydrolysis of hemicellulose  which are frequently an underutilised resource. The  integration of biological and chemical technologies to add value to this product is very relevant to the concept of biorefining..  

The integration of activities across a broad set of disciplines (Microbiology, Chemistry, Biochemistry, and  Chemical  Engineering,  across  three  universities will  allow  PhD  students  to  be  educated  and 

Page 21: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 21 

exposed  to  thinking  and  approaches  outside  of  their  area  of  expertise,  enhance  their  learning experience, generate an interinstituional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation of this network of graduates will impact positively on the emerging green technologies sector. 

There is one studentship available in this Project and will be based at UL 

   

Page 22: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Earth and Natural Science PhD Programme 2011    Strand 3  

Page 22 | 

Project EEE 13 

Mixed culture biotechnology for conversion of Food waste and Sewage sludge to organic acids and biomethane  

Principal Investigator: Professor Vincent O Flaherty (NUIG) – [email protected]  

 

Food waste  and  Sewage  sludge will,  respectively,  be  converted  to  building  block  chemicals  and methane using anaerobic digestion (AD) during two PhD studies. A major technological disadvantage is apparent with AD approach as currently constituted  ‐  the need  to operate  reactors at >25˚C  to ensure good performance, which can  result  in 20‐30% of produced biogas being  recycled  into  the process  for  energy  recovery.  Significant  progress  on  low‐temperature  AD  has  been made  by  the O’Flaherty  group  at  NUIG.  When  high‐rate  methanogenesis  and  bio‐film  formation  at  low‐temperatures  is combined, excellent organic conversion efficiency and biogas yields are achieved. Implementation requires further research, however, focused on phase seperation, biofilm formation and bioprocess  control, which will be addressed during  these projects. The  research  is  integrated into a larger Irish biorefining initiative:  the building block chemicals produced from the AD process will be used as a starting material for the production of the biodegradable plastic by collaborators in UCD, while other collaborators  in UL will examine  the chemical conversion of methane and other building blocks to liquid transport fuels. 

A third PhD project will target key problems and knowledge gaps, which must be overcome before the process can be applied at a  technical scale– namely  the  lack of basic  information on the rates and  limitation of  anaerobic mixed‐culture microbial hydrolysis  and  fermentation. This project will compliment the process‐based activities of the cluster and will  investigate the microbial commuity structure  and  ecology  of  the  anaerobic  processes  to  optimise  the  in‐reactor  processes.  A  novel feature of  the project will be  the use  of psychrophilic or psychrotrophic methanogenic  consortia which can reduce the impact of temperature on hydrolysis and conversion of intermediate products to organic acids and methane, and increase the range of acceptable operating temperatures. 

The production of energy as a gas (methane) or liquid fuel (methanol/ethanol) from waste addresses the energy aspect of  the  strand. The manipulation of biological  (NUIG) and  chemical  (UL)  reactor design  and  the  mathematical  modelling  of  bioprocesses  (UCD)  matches  the  environmental engineering  aspect  of  the  strand. Mathematical modelling  is  an  interdisciplinary  tool  that  allows mechanistic understanding for process optimisation and predicting scale‐up effects. The integration of multiple disciplines across energy, materials, and biochemicals from waste is  in keeping with the energy and environmental engineering theme and the subtheme of biorefining and bioenergy. 

Food waste and sewage sludge are major underutilised resources. The  integration of biological and chemical technologies to maximise the outputs  from waste resources  is of strong relevance to the waste, energy, environmental & industry sectors.  

The integration of activities across a broad set of disciplines (Microbiology, Chemistry, Biochemistry, and  Chemical  Engineering,  across  three  universities will  allow  PhD  students  to  be  educated  and exposed  to  thinking  and  approaches  outside  of  their  area  of  expertise,  enhance  their  learning 

Page 23: Earth Natural Sciences PhD Programme 2011 3 Description Document v7.pdf · Relatively little is known of Ireland’s geothermal resources1 and yet geothermal power is particularly

Energy and Environmental Engineering     UCD Earth Sciences Institute  

    | Page 23 

experience, generate an interinstituional network, produce a higher quality graduate with a broader knowledge of the areas of energy, environmental engineering, and biorefining.  The creation of this network of graduates will impact positively on the emerging green technologies sector. 

There are three studentship available in this Project and will be based at NUIG