Ocean liming: a LES analisys of feasibility and effects of discharging slaked lime in the wake of a ship

Climate change is one of the biggest challenges for humans in the modern world. Specifically, global warming due to greenhouse gases emissions constitutes a big part of it. Objective of The Paris Agreement, signed in 2016, is to maintain the global average temperature rise well below 2°C above pre-industrial levels. However, global warming is strictly linked to another problem related to climate change, ocean acidification. Although various strategies that aim at counteracting global warming have been recently proposed and discussed, few are the technological solutions that prevent simultaneously global warming and ocean acidification. Among these, Ocean Liming technique is based on the idea of sequestering atmospheric carbon dioxide adding alkalinity to seawater, obtained by dissolution of slaked lime. The aim of this thesis work is to investigate the feasibility of Ocean Liming with the assessment of the calcium hydroxide concentration and seawater pH in the wake of a ship, conducted with a three dimensional reactive CFD modelling, in order to incorporate dynamic chemical parameters. The simulations have been conducted with a parallel Finite Differences – Large Eddy Simulation solver, wrote in Fortran 90. The work is divided in two main parts. The first one is focused on the code validation process, with the analysis of a laminar Poiseuille channel flow and a turbulent round jet. The second one consists in the simulation of slaked lime discharge in the near wake of a ship. In particular, the proposed configurations differ in slaked lime mass flow rate, type of injection (single or double) and the operational regime of the ship propeller (modeled with R-BET physical model). To complete the study, a preliminary analysis of the hull ship effect on slaked lime dissolution is presented. The results are proposed with a study of space and time evolution of slaked lime concentration levels and pH variation across the computational domain. The solver could be used for future developments on this field of research, with the study of different slaked lime discharge configurations.

Il cambiamento climatico è una delle più grandi sfide della società contemporanea per l’uomo. Uno dei maggiori fattori che vi contribuiscono è il surriscaldamento globale, dovuto ai gas responsabili dell’effetto serra. L’Accordo di Parigi, del 2016, si pone come obiettivo quello di mantenere l’aumento della temperatura media globale di 2°C sotto i livelli preindustriali. Strettamente legato al riscaldamento globale vi è un altro problema: l’acidificazione degli oceani. Nonostante siano state proposte varie strategie volte a contrastare il surriscaldamento globale, ne esistono ancora poche che riescano a prevenire sia il riscaldamento che l’acidificazione oceanica. Tra queste, l’Ocean Liming si basa sull’idea di aumentare l’assorbimento di CO2 dall’atmosfera tramite l’aumento di alcalinità dell’acqua, ottenuta disciogliendo calcina (Idrossido di calcio). Lo scopo di questa tesi è quello di approfondire questa soluzione, valutando l’andamento della concentrazione di idrossido di calcio rilasciato nella scia di una nave. Lo studio viene condotto tramite un modello CFD tridimensionale e reattivo, così da tenere in considerazione i parametri chimici. Le simulazioni sono state effettuate con un solutore parallelo di Large Eddy Simulation a Differenze Finite, scritto in Fortran90. Il lavoro è suddiviso principalmente in due parti. La prima è focalizzata sul processo di validazione del codice, replicando un flusso laminare di Poiseuille e un getto turbolento. La seconda consiste nel simulare il rilascio di calcina nella scia di una nave. Le simulazioni svolte differiscono principalmente per la portata massica di calcina, il tipo di iniezione (orifizio singolo o doppio) e il regime di funzionamento dell’elica della nave. Lo studio è completato con l’analisi preliminare dell’influenza dello scafo della nave sul processo di dissoluzione di calcina in acqua. I risultati ottenuti sono presentati tramite uno studio dell’evoluzione spazio-temporale dei livelli di concentrazione di calcina e variazione del pH dell’acqua marina. Il codice sviluppato potrà essere utilizzato per sviluppi futuri della materia, studiando diverse configurazioni di iniezione di calcina in oceano.