A three-dimensional non-reactive fluid dynamics model of the dispersion of calcium hydroxide in the wake of a marine propeller

It is now recognized by the scientific community that human activities, in particular the use of fossil fuels and deforestation, have led to an increase in the levels of CO2 in the atmosphere of unparalleled extent and speed. Among the side effects of carbon emissions is also evident the acidification of the oceans, a natural reservoir of CO2, which is putting the integrity and biodiversity of marine ecosystems at great risk. Despite global efforts to mitigate emissions and decarbonise the economy, extreme effects on the ecosystem are unlikely to be completely avoided without carbon dioxide removal (CDR) mechanisms. In this context, various technologies have been studied to generate negative emissions. Among these, the dispersion of calcium hydroxide ( Ca(OH)2 ) in the ocean is gaining more and more interest from the scientific community. In fact, the discharge of calcium hydroxide into water, commonly called slacked lime, has the advantage of also increasing alkalinity of the oceans, controverting the problem of acidification. Although chemical reactions of the dispersion of alkaline substances in seawater have been known for many years, the choice of the optimal method of discharge into the ocean is still an open problem. One of the proposals is the use of the fleet of ships used in maritime transport, considering part of the cargo capacity and equipment already present or designed ad hoc, for the transport, preparation and unloading of an alkaline mixture of Ca(OH)2 and water along the route. On the practical aspects of this technique, only preliminary assessments are available and technological obstacles and potential side effects must be addressed, such as alterations in the ecological and biochemical balance in areas with a high concentration of alkaline substances, where a localized increase in pH occurs. This project aims to study the technique of dispersing calcium hydroxide in the wake of a ship, in particular in the mixing wake downstream of the propeller. It was decided to apply Computational Fluid Dynamics, through the open source software OpenFOAM, to develop a three-dimensional, non-reactive model of dispersion of the Ca(OH)2 mixture around the complex geometry of the propeller. By varying the position and number of exhaust nozzles, the concentration field of Ca(OH)2 in the fluid will be analyzed and compared.

È ormai riconosciuto dalla comunità scientifica come le attività umane, in particolare l’uso di combustibili fossili e la deforestazione, hanno comportato un aumento dei livelli di CO2 in atmosfera di entità e velocità senza paragoni. Tra gli effetti collaterali delle emissioni di carbonio è anche evidente l’acidificazione degli oceani, serbatoio naturale di CO2, che sta mettendo a duro rischio l’integrità e la biodiversità degli ecosistemi marini. Nonostante gli sforzi globali per mitigare le emissioni e decarbonizzare l'economia, è improbabile che effetti estremi sull'ecosistema possano essere completamente evitati senza meccanismi di rimozione dell'anidride carbonica (CDR). In questo ambito diverse tecnologie sono state studiate per generare emissioni negative. Tra queste la dispersione di idrossido di calcio (Ca(OH)2) nell’oceano sta guadagnando sempre piu` interesse da parte della comunita` scientifica. Infatti, lo scarico in acqua di idrossido di calcio, comunemente chiamato slacked lime, presenta il vantaggio di provocare anche un aumento di alcalinità degli oceani, combattendone il problema dell’acidificazione. Nonostante le reazioni chimiche della dispersione di sostanze alcaline nell’acqua del mare siano note da numerosi anni, la scelta del metodo ottimale di scarico negli ocean è ancora un problema aperto. Una delle proposte è l’utilizzo della flotta di navi impiegata nel trasporto marittimo, considerando parte della capacità di cargo e delle attrezzature già presenti o progettate ad hoc, per il trasporto, la preparazione e lo scarico di una miscela alcalina di Ca(OH)2 e acqua lungo la rotta. Sugli aspetti pratici di questa tecnica sono disponibili solo valutazioni preliminari e devono essere affrontati ostacoli tecnologici e potenziali effetti collaterali, come alterazioni dell’equilibrio ecologico e biochimico nelle aree ad alta concentrazione di sostanze alcaline, dove avviene un aumento localizzato del pH. Questo progetto si pone l’obiettivo di approfondire la tecnica di dispersione dell’ idrossido di calcio nella scia di una nave, in particolare nella zona di miscelamento a valle dell’elica. Si è deciso di applicare la Fluidodinamica Computazionale, tramite il software open source OpenFOAM, per elaborare un modello tridimensionale, non-reattivo, di dispersione della miscela di Ca(OH)2 attorno alla geometra complessa dell’elica. Variando posizione e numero di ugelli di scarico, verrà analizzato e confrontato il campo di concentrazione di Ca(OH)2 nel fluido.