Direct air capture by large scale reforestation of Sahara desert

The scope of this project is the study of how reforestation can contribute to limiting the climate change by capturing CO2. In this case, a reforestation has been simulated in the Sahara Desert, since it is a good representative of large-scale but challenging and complicated reforestation scenario, because of its mainly arid desert climate and its water scarcity. The following topics have been developed along the project in the same order:  In the first three chapters, a descriptive framework of the ecological aspects of the study area is established. Therefore, an analysis of the soil types, climate and water resources is carried out. The study area is also classified according to its ecoregions.  In the fourth chapter, a simulation of the reforestation is made by selecting the most suitable trees for the areas in question, their allometric equations for estimating biomass and their carbon content, calculating the CO2 that could capture, as well as the irrigation needs and hence, the water needs of the project. Moreover, three specific regions of 10.000 km2 surface are selected as a representative of three very different and contrasted scenarios of the study area, such as: desert coastal, desert interior and cropland currently suffering deforestation due to climate change.  In the fifth chapter, since it is an area with scarcity of water resources, two of the most commonly used desalination technologies have been studied: one using membranes, such as desalination plants based on Reverse Osmosis technology; and another through thermal system processes, such as desalination plants based on Multi Stage Flash (MSF). Reference is made to the description of both components and processes, including thermodynamic analyzes of said processes, operational and efficiency parameters. In addition, the energy needs of both desalination technologies, their CO2 emission, their possible energy sources and the future trends for reducing energy consumption have been analyzed.  In the sixth chapter, a technical approach of the project is developed to design and calculate the most suitable desalination plants and infrastructure, such as power plants and water distribution networks.  In the seventh chapter, an environmental approach has been considered to calculate the CO2 balances, between sequestration and emissions.  In the eighth and last chapter, the cost analysis of the project has been developed. The overall cost of the project includes desalination costs, water distribution network costs as well as the forestry running costs. With all, a price per kilogram of CO2 sequestered has been achieved.

La tesi verte sullo studio dell’effetto della riforestazione come contributo per limitare i cambiamenti climatici tramite assorbimento di CO2. In particolare, la suddetta è stata simulata nel deserto del Sahara che, a causa del suo clima prevalentemente arido e della scarsità di acqua, rappresenta un buon candidato come scenario di riforestazione su larga scala. La tesi si compone nel seguente modo:  Nei primi tre capitoli è stato stabilito un quadro descrittivo degli aspetti ecologici dell'area di studio. In questo senso, è stata effettuata un'analisi dei tipi di suolo, del clima e delle risorse idriche. Infine, l'area di studio è stata classificata in base alle sue ecoregioni.  Nel quarto capitolo è stata eseguita una simulazione della riforestazione selezionando gli alberi più adatti per le varie aree. A questo fine, per le tipologie di albero individuate, sono state stimate, attraverso le equazioni allometriche, la biomassa media e il contenuto di carbonio, ovvero la CO2 che potrebbe essere assorbita, nonché le esigenze di irrigazione e il fabbisogno idrico del progetto. Inoltre, sono state selezionate tre regioni specifiche con una superficie di 10.000 km2 al fine di analizzare situazioni diverse e contrastanti; in particolare, sono state prese in esame: la costa del deserto, l'interno del deserto e le terre coltivate, quest’ultime sofferenti di deforestazione a causa dei recenti cambiamenti climatici.  Nel quinto capitolo sono state studiate due delle tecnologie di dissalazione più comunemente utilizzate, al fine di ovviare al problema della scarsità di risorse idriche: la prima, basata su membrane, come negli impianti di desalinizzazione ad osmosi inversa; la seconda, basata su processi termici, come negli impianti di desalinizzazione Multi-stage Flash (MSF). Si è approfondita la descrizione di entrambe le tecnologie e i processi, comprese le analisi termodinamiche dei suddetti, i parametri operativi e la loro efficienza. Inoltre, sono stati analizzati fabbisogni energetici di entrambe le tecnologie di dissalazione, le emissioni di CO2, le loro possibili fonti di alimentazione e le tendenze future per ridurre il consumo di energia.  Nel sesto capitolo è stata fatta una valutazione finale del progetto, legando insieme ciò che è stato discusso nei capitoli precedenti in maniera organica. È stato adottato un approccio tecnologico alla progettazione degli impianti di desalinizzazione, delle centrali elettriche e delle reti di distribuzione idrica più idonee.  Nel setimo capitolo, i bilanci di CO2, tra sequestro ed emissioni, sono stati analizzati con un approccio ambientale.  Nell'ottavo e ultimo capitolo è stata sviluppata l'analisi dei costi del progetto. Il costo complessivo del progetto è stato computato includendo i costi di dissalazione, i costi della rete di distribuzione idrica e i costi di gestione forestale. In ultima analisi, è stato calcolato un costo conclusivo per chilogrammo di CO2 sequestrato.