Geri Dön

Environmental and economic analysis of a cruise ship using LNG–MGO as alternative fuels

Alternatif yakıt olarak LNG–MGO kullanan bir kruvaziyer gemisininçevresel ve ekonomik açıdan incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 1002371
  2. Yazar: RAMAZAN ALTUN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BURAK ZİNCİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Denizcilik, Marine Engineering, Marine
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yüzyılın ilk çeyreğinde, küresel nüfus artışı, sanayileşme ve değişen tüketim alışkanlıkları, enerji talebinde benzeri görülmemiş bir artışa neden olmuştur. Bu durum, fosil yakıtların yoğun kullanımını beraberinde getirerek atmosferdeki sera gazı konsantrasyonlarını kritik seviyelere taşımış ve küresel ısınma ile iklim değişikliğini dünyanın en önemli gündem maddesi haline getirmiştir. Küresel ticaretin omurgasını oluşturan ve dünya ticaret hacminin yaklaşık %90'ını taşıyan denizcilik sektörü, bu ekolojik krizde önemli bir paya sahiptir. Mevcut veriler ışığında, küresel insan kaynaklı sera gazı emisyonlarının yaklaşık %3'ü uluslararası denizcilik faaliyetlerinden kaynaklanmaktadır. Geleneksel gemi yakıtları olan HFO ve MGO kullanımı, sadece (CO)2 değil, aynı zamanda asit yağmurlarına neden olan (SO)x, solunum yolu hastalıklarını tetikleyen (NO)x ve kanserojen etkiye sahip PM gibi zararlı kirleticilerin de atmosfere salınmasına yol açmaktadır. Bu çevresel tehditler karşısında, IMO ve Avrupa Birliği gibi düzenleyici otoriteler, denizcilik sektörünün karbonsuzlaşması için hedefler ve bağlayıcı regülasyonlar ortaya koymuştur. IMO'nun 2023 yılında revize ettiği Sera Gazı Stratejisi, 2008 yılı referans değerlerine kıyasla, gemi taşımacılığındaki karbon yoğunluğunun 2030 yılına kadar en az %40 oranında azaltılmasını ve 2050 yılı civarında net sıfır emisyona ulaşılmasını hedeflemektedir. Bu hedeflere ulaşmak amacıyla, EEDI, EEXI ve CII gibi mekanizmalar zorunlu hale getirilmiştir. Ayrıca Avrupa Birliği'nin FuelEU Maritime düzenlemesi ve Emisyon Ticaret Sistemi gibi bölgesel girişimler, fosil yakıt kullanımını finansal yaptırımlarla baskılayarak alternatif enerji kaynaklarına geçişi hızlandırmayı amaçlamaktadır. Denizcilik endüstrisi, geleneksel fosil yakıtların yerini alabilecek temiz enerji kaynaklarına yönelmiştir. LNG, metanol, amonyak, hidrojen ve biyoyakıtlar gibi alternatif yakıtlar, sektörün geleceği için potansiyel adaylar olarak değerlendirilmektedir. Bu seçenekler arasında LNG, teknolojik olgunluğu, küresel tedarik zincirinin varlığı ve düşük emisyon profili ile geçiş yakıtı olarak öne çıkmaktadır. Ancak LNG'nin fosil kökenli bir yakıt olması ve yanma sürecinde gerçekleşebilen metan kaçağı problemi, onun uzun vadeli sürdürülebilirliği konusunda soru işaretleri yaratmaktadır. Bu tez çalışması, teorik tartışmaların ötesine geçerek, çift yakıtlı motorlara sahip modern bir kruvaziyer gemisinin gerçek operasyonel verilerini analiz etmekte; LNG ve MGO kullanımının çevresel, operasyonel ve ekonomik performansını karşılaştırmalı olarak inceleyerek literatüre kazandırmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada, vaka analizi yöntemi benimsenmiş ve Doğu ile Batı Karayipler rotasında düzenli seferler gerçekleştiren, 183.000 Gross Ton büyüklüğünde, 300 metre uzunluğunda ve 8 metre drafta sahip bir kruvaziyer gemisi incelenmiştir. Toplam 8.000 kişilik yolcu ve mürettebat taşıma kapasitesine sahip olan bu gemi, enerji ihtiyacını karşılamak üzere dört adet 4 zamanlı, çift yakıtlı jeneratör ile donatılmıştır. Bu motorlar hem LNG hem de MGO ile çalışabilme esnekliğine sahiptir. Araştırma verileri, geminin gerçek operasyonel koşulları altında toplanmıştır. 7 Günlük 20 seferin verileri analiz edilmiştir. Bu veri seti; yakıt tüketim miktarlarını, motor yük profillerini, egzoz gazı emisyon ölçümlerini, motorların çalışma saatlerini, operasyonel arıza ve yakıt değişimine sebep olan güvenlik sebepli yakıt değişimi kayıtlarını kapsamaktadır. Çalışmanın metodolojisi üç ana eksen üzerine kurulmuştur. Operasyonel analiz kısmında motorların gaz modu ve dizel modu çalışma sürelerinin dağılımı incelenmiş, LNG sistemindeki teknik aksaklıkların, sensör arızalarının ve güvenlik prosedürlerinin yakıt tercihine olan zorunlu etkileri nicel verilerle ortaya konmuştur. Çevresel etki analizi kısmında geminin emisyon performansı hem tanktan pervaneye hem de yakıtın üretim ve lojistiğini kapsayan kuyudan pervaneye yaklaşımları ile hesaplanmıştır. (NO)x, (SO)x, PM ve (CO)2 emisyonlarındaki değişimler analiz edilmiş; geminin CII ve GFI indeks değerleri hesaplanarak uluslararası standartlara uyumu değerlendirilmiştir. Yakıt maliyetleri, sistemin bakım ve onarım giderleri, ilk yatırım maliyetleri ve işletme giderleri karşılaştırılmış; LNG yatırımının geri dönüş süresi üzerinde operasyonel faktörlerin etkisi hesaplanmıştır. Ayrıca, LNG kullanımının stratejik boyutunu değerlendirmek amacıyla güçlü ve zayıf yönleri ile fırsat ve tehditlerini içeren kapsamlı bir SWOT analizi yapılmıştır. Analiz edilen geminin tipik bir 7 günlük seferinde, otel tüketimi ve itki sistemi dahil olmak üzere enerji ihtiyacını karşılamak için ortalama 150 ton MGO ve 570 ton LNG tüketildiği tespit edilmiştir. Teorik olarak geminin tamamen LNG ile çalışması hedeflense de gerçek operasyonel veriler motorların kesintisiz olarak gaz modunda çalışamadığını göstermektedir. Toplam 46.995 saatlik motor çalışma süresi incelendiğinde, motorların %12,1 oranında 5.717 saat MGO modunda çalıştığı belirlenmiştir. Bu zorunlu dizel kullanımının temel nedenleri arasında; entegre silindir basınç izleme sensörlerinin aşırı hassasiyeti, ani yük değişimlerinde veya sensör hatalarında motorun güvenlik protokolü gereği otomatik olarak dizel moduna geçmesi diğer bir ifade ile trip olmasıdır. LNG ikmalindeki lojistik kısıtlamalar ve bakım süreçleri yer almaktadır. Özellikle sefer başına jeneratörlerin ortalama 10 ila 16 kez“istemsiz yakıt geçişi”yaşadığı ve her bir geçiş sonrası gaz moduna güvenli dönüşün yaklaşık 45 dakika sürdüğü saptanmıştır. Bu operasyonel kesintiler, LNG'nin potansiyel çevresel ve ekonomik faydalarının pratikte tam olarak elde edilememesine neden olan en önemli faktördür. Çevresel analiz sonuçları, teorik beklentiler ile operasyonel gerçeklik arasındaki farkı çarpıcı bir şekilde ortaya koymaktadır. Motor üreticisinin test verilerine göre, LNG modunda çalışıldığında MGO ya kıyasla (NO)x emisyonlarında %79, karbondioksit emisyonlarında ise %27'e varan azalmalar mümkündür. Ayrıca, LNG'nin kükürt içermemesi nedeniyle (SO)x ve partikül madde emisyonları %90 oranında elimine edilmektedir. Ancak, geminin %12,1 oranındaki dizel kullanımı ve yakıtın tüm yaşam döngüsü hesaba katıldığında bu kazanımlar azalmaktadır. 〖NO〗_x Emisyonları: Teorik olarak %79 olan (NO)x azaltım oranı, motorların dizel modunda çalıştığı süreler denkleme eklendiğinde gerçek hayatta %69 seviyesine gerilemektedir. (CO)2 Emisyonları incelemesinde sadece gemi üzerinden tanktan pervaneye referans değerleri dikkate alındığında, haftalık yakıt tüketim profiline göre %23,0 oranında bir (CO)2 azaltımı hesaplanmıştır. Ancak, yakıtın çıkarılması, işlenmesi, sıvılaştırılması ve nakliyesini kapsayan kuyudan pervaneye analizi de yapıldığında, LNG tedarik zincirindeki enerji yoğun süreçler ve taşıma nedeniyle bu oran %19,1'e düşmektedir. LNG alternatif yakıt kullanımıyla teorik olarak 〖CO〗_2e emisyonlarında %1,2 azalma beklenmektedir. Ancak motorların güvenlik sebebiyle MGO moduna geçmesinden dolayı tüketilen MGO da hesaba dahil edildiğinde, (CO)2e emisyonlarındaki düşüşün %1,0 olduğu bulunmuştur. LNG kullanımı sayesinde geminin CII skoru 5,57 olarak hesaplanmış ve IMO derecelendirme sisteminde A derecesi elde edilmiştir. Eğer gemi sadece MGO kullansaydı bu değer 7,26 olacak, ancak yine de A derecesinde kalacaktı. GFI değeri ise LNG kullanımıyla %11,8 oranında iyileştirilmiştir. Bu veriler, LNG'nin (CO)2 emisyonlarını azaltmada etkili olduğunu, ancak metan kaçağı ve operasyonel kesintilerin (CO)2e emisyonlarındaki etkiyi sınırladığını gözlemlenmiştir. Gemide bulunan 4 jeneratörün metan slip oranı motor üreticisi tarafından %2 olarak belirtilmiştir. Ekonomik analiz kısmında, LNG'nin yakıt maliyetleri açısından sağladığı avantajı ve buna karşılık artan işletme giderlerini ortaya koymaktadır. LNG'nin birim enerji başına maliyeti, MGO'ya kıyasla %20,1 daha düşüktür. İncelenen geminin haftalık yakıt maliyeti, çift yakıtlı sistemle 541.761 dolar iken, sadece MGO kullanılması durumunda bu rakamın 647.952 dolar'a çıkacağı hesaplanmıştır. Bu fiyat farkı, gemi işletmesine yıllık bazda 5,51 milyon dolarlık bir teorik yakıt tasarrufu sağlayabilirken gerçek yakıt tüketimlerine göre %16,4 yakıt tasarrufu sağladığı görülmüştür. Ancak bu tasarruf, yüksek ilk yatırım maliyetleri ve artan bakım giderleri ile azaldığı gözlemlenmiştir. Yakıt avantajından fazlalık bakım giderleri çıkarıldığında, LNG kullanımı haftalık 14.6% maliyet düşürdüğü bulunmuştur. Çift yakıtlı motorların ve LNG sistemlerinin kurulum maliyeti, konvansiyonel sistemlere göre daha yüksektir. Daha da önemlisi, çift yakıtlı motorların bakım maliyetleri, tek yakıtlı dizel motorlara göre %38,5 daha fazladır. Bunun nedenleri arasında; gaz modunda çalışan motorlarda silindir gömleklerinde görülen aşınmalar, hassas sensörlerin sık arızalanması örneğin tek yakıtlı motorda 400 sensör varken çift yakıtlıda yaklaşık 800 sensör bulunması ve bu sensörlerin hassas olmasıdır. Yapılan maliyet-fayda analizi sonucunda, yakıt tasarrufu ile sağlanan gelirin bir kısmının artan bakım maliyetlerine harcandığı görülmüştür. Ayrıca, motorların sürekli gaz modunda çalışamaması nedeniyle beklenen yakıt tasarrufunun tam olarak gerçekleşmemesi, LNG sistemine yapılan yatırımın geri dönüş süresinin öngörülenden %12,1 daha uzun sürmesine neden olmaktadır. Yine de LNG kullanan gemilerin uzun vadede finansal olarak daha avantajlı konumda olacağı öngörülmektedir. Ayrıca, LNG'nin bir geçiş yakıtı olarak güçlü ve zayıf yönlerini değerlendirmek amacıyla SWOT analizi uygulanmıştır. Bu çalışma, LNG'nin denizcilik sektörünün karbonsuzlaşma sürecinde önemli bir geçiş yakıtı olduğunu doğrulamaktadır. LNG, (SO)x ve PM emisyonlarını neredeyse tamamen ortadan kaldırması ve mevcut altyapı uygunluğu ile kısa ve orta vadede 2030 hedefleri için en uygun çözümdür. Ancak, IMO'nun 2050 yılındaki net sıfır hedefine ulaşmak için LNG tek başına yeterli değildir. Metan kaçağı sorunu ve fosil kökenli olması, uzun vadeli sürdürülebilirliğini sınırlamaktadır. Geleceğe yönelik projeksiyonlarda, mevcut LNG altyapısının bio-LNG veya sentetik LNG gibi karbon nötr yakıtlarla kullanılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu yakıtlar, gemide herhangi bir teknik değişiklik gerektirmeden mevcut tank ve motor sistemlerinde kullanılabilir. Ayrıca, LNG tanklarının ve yakıt sistemlerinin, ileride amonyak veya metanol gibi sıfır karbonlu yakıtlarla uyumlu hale getirilmesi gemi sahipleri için stratejik bir yatırım olacaktır. Sonuç olarak, LNG operasyonel zorluklara ve maliyetlere rağmen, çevresel regülasyonlara uyum sağlamada şu an için vazgeçilmez bir köprü vazifesi görmektedir.

Özet (Çeviri)

As global rules to reduce greenhouse gas (GHG) emissions become stricter, the shipping industry, responsible for approximately 3% of global emissions, faces increasing regulatory pressure. The International Maritime Organization (IMO) aims to reduce CO₂ emissions by 40% by 2030 and achieve net-zero emissions by 2050, encouraging shipowners to consider alternative fuels such as LNG, hydrogen, ammonia, methanol, and biodiesel. Among these, LNG is currently the most widely used due to its technological maturity and lower (SO)x, (NO)x, and particulate emissions. This study examines the operational, environmental, and economic performance of a cruise vessel with dual-fuel engines operating on LNG and MGO over a typical 7-day itinerary. The average weekly consumption amounts to 150 tons of MGO and 570 tons of LNG. While LNG usage on the engine can reduce CO₂ emissions by up to 27% and (NO)x by 79% according to engine exhaust emission data, frequent shifts back to MGO significantly reduce overall benefits. A well-to-wake analysis shows that, including upstream emissions, LNG achieves only a 23.0% reduction in CO₂ emissions relative to MGO. When engine operating durations in MGO and LNG modes are included in the calculation, the CO₂ emission reduction decreases to 19,1%. The use of LNG reduces the CII index by 13,1%. Based on actual consumption data, (CO)2e emission reduction of 1,0% observed with the usage of LNG as an alternative fuel. Methane slip issue in LNG use increases the GFI value, narrowing the gap between LNG and MGO. To further improve LNG's decarbonization potential, additional mitigation pathways were explored. IMO emission measuring methods, including CII, GHG intensity, and GFI were calculated for this example vessel. Cost-benefit and SWOT analyses were conducted to assess LNG's effects on the vessel. Although LNG is an alternative fuel with a 20,1% advantage when consumption data and maintenance costs are included, it provides a 14,6% cost advantage. Operating the engines in LNG mode offers advantages in both fuel costs and carbon-emission reductions. Engines do not operate continuously in LNG mode. It was observed that the engines operate in MGO mode for 12,1% of the total operation time. Operational constraints and unexpected malfunctions lead to increased engine running hours in MGO mode. Operation in MGO mode diminishes the effectiveness of emission reductions, increases fuel expenditures due to higher fuel prices, and results in elevated vessel emission indices and associated carbon tax liabilities. Consequently, the payback period of the LNG system investment has been extended by more than 12.1%. In conclusion, LNG represents a practical short-term transition fuel for meeting IMO decarbonization goals, but long-term compliance will likely require engines capable of using zero-carbon fuels or integration of onboard carbon capture systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    933248

    LNG powered cruıse shıp's co2 emıssıons and cıı calculatıon comparatıve analysıs

    Doğalgaz ile çalışan yolcu gemilerinin karbondioksit salınımı ve karbon yoğunluk göstergesi hesaplamasının karşılaştırmalı analizi

    ELİF TÜRKMEN UĞUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TAYFUN UYANIK

  2. Tez No

    450970

    Bir petrol tankeri için organik rankıne çevrimi atık ısı geri kazanım sisteminin termodinamik analizi

    Thermodynamic analysis of organic rankine cycle waste heat recovery system for an oil tanker

    MEHMET AKMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMA ERGİN

  3. Tez No

    411508

    Kuru yük gemileri için yaşam döngüsü analizinde (LCA), yıllık emisyon ayakizi hesabı ve ana parametrelere bağlı emisyon tahmin yaklaşımı

    Annual emission footprint calculation and emission estimation approach related to main parameters for bulk carriers in life cycle assessment (LCA)

    LEVENT BİLGİLİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Gemi MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. UĞUR BUĞRA ÇELEBİ

  4. Tez No

    859996

    Determining maritime cyber security dynamics on the perspective of marine insurance and development of maritime cyber security risk management tool

    Denizcilik sigortaları açısından deniz siber güvenlik dinamiklerinin belirlenmesi ve deniz siber güvenlik risk yönetim aracının geliştirilmesi

    GİZEM KAYİŞOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. PELİN BOLAT

  5. Tez No

    287100

    Piston-prop uçak motorlarında ekserjoekonomik çevresel optimizasyon

    Exergoeconomic environmental optimization of piston-prop aircraft engines

    ÖNDER ALTUNTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    EnerjiAnadolu Üniversitesi

    Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. T. HİKMET KARAKOÇ

    PROF. DR. ARİF HEPBAŞLI

Geri Dön