Analysis of slaked lime spreading methodologies for ocean alkalinity enhancement

To limit global warming within the limit defined in the Paris Agreement, there is the need to remove huge quantity of CO2 from the atmosphere by the implementation of the Negative Emission Technologies to remain below 1.5 °C from the Preindustrial Level. Among the various strategies, there is a solution that prevents both global warming and ocean acidification: the so-called Ocean Alkalinity Enhancement. This technology is based on atmospheric CO2 sequestration by the addition of alkaline materials into seawater (slaked lime, SL). The first part of the thesis is focused on the assessment of the discharging’s configurations with the implementation of different discharging scenarios in ships’ wake, through "rainbowing" and by aircraft. However, their viability depends on many variables, such as fleet size and characteristics needed (i.e.: load capacity, discharge rate). These assessments address the mitigation potential, costs, logistics, as well as the concentrations of SL in seawater or the temporary increase in pH that could have harmful effects on the marine ecosystem. The various analyses examining each OAE discharging option show a higher CO2 removal efficiency in the scenarios with SL discharge from ships and rainbowing. They have a penalty (CO2 emitted during spreading / CO2 removed) varying between 1-4 % and costs between € 6-9 per ton of CO2 removed; aircraft, depending on the scenario, have a penalty varying between 28-77 % and costs between € 30-1846 per ton of CO2 removed. It is clear that aircraft have huge limitations due to significant fuel consumption, which implies large economic drawbacks. In the second part of the thesis, a chemical-fluid dynamic modelling analysis is carried out to evaluate the dissolution rate of SL in seawater, a key parameter for its diffusion in ship’s wake. The evaluation shows how the coupling of the unloading in the ships’ wake and the use of rainbowing systems can allow widening the sea area affected by the unloading, reducing the SL load per surface unit and therefore the potential impacts.

Per limitare il riscaldamento globale entro i limiti definiti dall’Accordo di Parigi è necessario rimuovere ingenti quantità di CO2 dall'atmosfera grazie all’adozione di tecnologie per le emissioni negative; fra queste l’alcalinizzazione artificiale degli oceani permette contemporaneamente il sequestro chimico della CO2 e il contrasto dell’acidificazione degli oceani, mediante lo spargimento di materiali alcalini, come l’idrossido di calcio (slaked lime, SL). La prima parte della tesi è incentrata sulla valutazione di diverse configurazioni di spargimento di SL, considerando diversi scenari di scarico nelle scie delle navi, tramite “rainbowing” e per mezzo di aerei. La fattibilità di queste diverse configurazioni dipende da molte variabili, come il numero di aerei o di navi e le loro caratteristiche (i.e.: capacità di carico, rateo di scarico). Sono stati valutati il potenziale di mitigazione, i costi, la logistica dello spargimento, nonché le concentrazioni di SL nell’acqua di mare o l'aumento temporaneo del pH che potrebbe avere effetti nocivi sull’ecosistema marino. Le analisi effettuate hanno mostrato una maggiore efficienza sia in termini di rimozione di CO2 sia economici negli scenari di scarico nella scia delle navi e con il rainbowing. Queste metodologie hanno una penalità (CO2 emessa nello spargimento/CO2 rimossa) variabile tra l’1-4 % e costi variabili tra 6-9 € per ton di CO2 rimossa; gli aerei, in funzione degli scenari, hanno una penalità variabile tra il 28-77% e costi tra € 30-€ 1846 per ton di CO2 rimossa. Lo scarico tramite aerei mostra quindi molte limitazioni, soprattutto a causa dell’ingente consumo di carburante che ha notevoli riflessi anche sui costi. Nella seconda parte è stata effettuata un’analisi modellistica chimico-fluidodinamica finalizzata a valutare la velocità di dissoluzione di SL in acqua di mare, parametro chiave per la diffusione di SL nella scia di una nave. Dalle valutazioni condotte emerge come l’accoppiamento dello scarico nella scia di una nave e dell’uso di sistemi di rainbowing può permettere di ampliare l’area di mare interessata dallo scarico, riducendo il carico per unità di superficie e quindi i potenziali impatti.