Assessing the limits for Ocean Alkalinity Enhancement and CO2 removal: from laboratory to modelling approaches

Research on carbon dioxide removal (CDR) technology has risen in interest within the scientific community. One promising approach for removing CO2 from the atmosphere and store it is Ocean Alkalinity Enhancement (OAE), a set of processes designed to sequester atmospheric CO2 while increasing ocean alkalinity to counteract ocean acidification. OAE has the potential to remove between 1 and 100 GtCO2 per year and store it on the order of 10,000 years, providing long-term stability. This thesis investigates the limitations and feasibility of OAE applications, focusing on two primary processes: Ocean Liming (OL) and Buffered Accelerated Weathering of Limestone (BAWL). The research explores general constraints applicable to all OAE techniques, as well as specific challenges associated with each process. OL involves the direct addition of slaked lime [Ca(OH)2, SL] into seawater, increasing pH and facilitating the absorption of atmospheric CO2, ultimately converting it into stable bicarbonate ions, the stable form of inorganic carbon at seawater pH. BAWL, in contrast, is a CO2 storage technology that utilizes an external CO2 source combined with alkaline materials [CaCO3 or Ca(OH)2] to produce a solution with high alkalinity, which is then discharged in sea. This work presents findings from four research studies—two of which are published—examining both experimental and modeling aspects of OL and BAWL. The primary objectives include identifying the optimal Ca(OH)2 dosage in OL to investigate the short-term chemical processes following pH and alkalinity increases, as well as assessing the long-term stability of CO2 storage in BAWL. Experimental OL studies demonstrated its effectiveness in enhancing seawater alkalinity and sequestering atmospheric CO2. The rapid dissolution of slaked lime, followed by CO2 absorption, confirmed the efficiency of the process. However, the associated pH increase could be potentially harmful to marine ecosystems and may also trigger the precipitation of CaCO3 minerals, such as aragonite, which could reduce the process efficiency. Our research identified a safe dosage range of 120 to 135 µmol/L of TA for Mediterranean seawater, effectively minimizing harmful pH spikes and preventing significant mineral precipitation. Additionally, a kinetic model for aragonite precipitation was developed, providing an initial framework for a predictive tool to manage total alkalinity levels and control mineral formation. The research on BAWL confirmed its capability to permanently store CO2, with experiments on a pilot plant validating the chemical stability of alkaline solutions in seawater. The results demonstrated minimal risk of precipitation or CO2 degassing under optimal conditions with an alkalinity addition of 1000 µmol/L. Beyond this core work, additional studies are presented that contribute to the broader development of OAE. This includes a techno-economic evaluation of BAWL, as well as a conference contribution discussing the integration of ocean acidification impacts into Life Cycle Assessment (LCA) methodologies. Both BAWL and OL emerged as adaptable and scalable solutions for carbon removal in marine environments. Their reliance on abundant raw materials and modular infrastructure makes them viable alternatives to geological storage, when this impractical or too expensive. These findings reinforce the potential for OAE technologies within the portfolio of climate change mitigation strategies.

La ricerca sui processi di carbon dioxide removal (CDR) ha suscitato un crescente interesse nella comunità scientifica. Un promettente approccio per rimuovere la CO2 dall’atmosfera e stoccarla, è l’Ocean Alkalinity Enhancement (OAE), un insieme di processi ideati per sequestrare la CO2 atmosferica aumentando contemporaneamente l’alcalinità marina, contrastando l’acidificazione degli oceani. L’OAE ha il potenziale per rimuovere tra 1 e 100 GtCO2 all’anno e immagazzinarlo per un periodo di circa 10.000 anni, garantendo uno stoccaggio con stabilità a lungo termine. Questa tesi indaga i limitazioni e fattibilità dell’OAE, concentrandosi su due processi principali: Ocean Liming (OL) e Buffered Accelerated Weathering of Limestone (BAWL). La ricerca esplora sia limiti applicabili a tutte le tecniche OAE, che aspetti specifici associati ai singoli processi. OL prevede l’aggiunta diretta di calce idrata [Ca(OH)2, slaked lime, SL] nell’acqua di mare, aumentando il pH e facilitando l’assorbimento di CO2 atmosferica, che viene quindi convertita in ioni bicarbonato, la forma ionica di carbonio stabile al pH marino. Al contrario, il BAWL è una tecnologia di stoccaggio della CO2 che utilizza una fonte esterna di CO2 combinata con minerali alcalini [CaCO3 o Ca(OH)2] per produrre una soluzione ad alta alcalinità, poi rilasciata in mare. Questo lavoro presenta i risultati di quattro studi di ricerca, due dei quali pubblicati, che esaminano sia gli aspetti sperimentali che quelli modellistici dell’OL e BAWL. Gli obiettivi principali includono la determinazione del dosaggio ottimale di Ca(OH)2 nell’OL per studiare i processi innescati nel breve termine a seguito dell’aumento di pH e alcalinità, e la valutare la stabilità dello stoccaggio di CO2 nel lungo termine, per il BAWL. Gli studi sperimentali sull’OL hanno dimostrato l’efficacia del processo nell’aumentare l’alcalinità dell’acqua di mare e sequestrare CO2 atmosferica. La rapida dissoluzione della calce idrata, seguita dall’assorbimento della CO2, ha confermato l’efficienza del processo. Tuttavia, l’aumento del pH associato potrebbe essere potenzialmente dannoso per gli ecosistemi marini e favorire la precipitazione di minerali di CaCO3, come l’aragonite, riducendo l’efficienza del processo. La nostra ricerca ha identificato un intervallo di dosaggio sicuro compreso tra 120 e 135 µmol/L di TA per l’acqua di mare del Mediterraneo, minimizzando efficacemente i picchi di pH e prevenendo precipitazioni minerali significative. Inoltre, è stato sviluppato un modello cinetico per la precipitazione dell’aragonite, fornendo un primo approccio per lo sviluppo di uno strumento utile nella gestione dei livelli di alcalinità e nel controllo della precipitazione minerale. La ricerca sul BAWL ha confermato la sua capacità di immagazzinare permanentemente la CO2, con esperimenti condotti su un impianto pilota che hanno validato la stabilità chimica delle soluzioni alcaline nell’acqua di mare. I risultati hanno dimostrato un rischio minimo di precipitazione o degassamento della CO2 in condizioni ottimali con un’aggiunta di alcalinità pari a 1000 µmol/L. Oltre a questi lavori principali, vengono presentati studi che contribuiscono ad uno sviluppo più ampio delle tecnologie OAE. La tesi contiene una valutazione tecno-economica del BAWL, insieme ad un contributo a una conferenza dedicato all’integrazione degli impatti dell’acidificazione oceanica nelle metodologie di Life Cycle Assessment (LCA). Sia BAWL che OL si sono dimostrate soluzioni adattabili e scalabili per la rimozione della CO2 in ambienti marini. La loro dipendenza da materie prime abbondanti e infrastrutture modulari le rende alternative praticabili in contesti in cui lo stoccaggio geologico è impraticabile o troppo costoso. Questi risultati rafforzano il potenziale delle tecnologie OAE all’interno dei portfoli di strategie globali per la mitigazione del cambiamento climatico.