Analysis of the availability and applicability of fuel cell as a main power unit for a commercial ship
Bir ticari gemi için yakıt pilinin ana güç üreticisi olarak kullanılabilirliği ve uygulanabilirliğinin analizi
- Tez No: 535180
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Enerji, Gemi Mühendisliği, Marine, Energy, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Günümüzde insanlığın en önemli sorunlarından biri temiz enerji üretimi ve çevre kirliliğidir. Sanayi devriminden sonra makineleşmenin başlamasıyla dünya üzerinden var olan fosil kaynaklardan güç üretimi içten yanmalı motorlarla sürdürülmüştür. Fakat bu tip yakıtların yanmasıyla ortaya çıkan atmosfer delici gazlar yerkürenin insan yaşamına elverişli şartlarını sağlamasına engel olmaktadır. Bu sebepten, ülkeler daha yaşanılabilir bir dünya miras bırakmak ve bu gidişatı sonlandırmak için Birleşmiş Milletler olarak Kyoto Protokolünü imzalamıştır. Dünya üzerindeki sera gazı emisyonlarının önemli bir kısmı ticari gemilerden kaynaklanmaktadır ve denizcilik sektörüne yön veren kuruluş olan IMO da bu emisyonların azaltılması konusunda her geçen gün daha da kısıtlayıcı ve etkili kurallar getirmektedir. Gemilerden Kaynaklanan Kirliliğin Önlenmesi Uluslararası Sözleşmesi Ek VI kısmında hava kirliliği ile ilgili çalışmalar neticesinde gemi kaynaklı CO2, NOx ve SOx gazları için sınırlamalar oluşturulmuştur. Gemi kaynaklı SOx emisyonları için dünyanın çeşitli bölgelerinde emisyon kontrol alanları oluşturulmuş ve bu bölgelerde seyir yapan gemiler için düşük kükürtlü yakıt kullanmak zorunlu hale gelmiştir. Aynı şekilde NOx emisyonu için de bazı limitler belirlenmiş ve bu limitlerin altında kalabilen makinelerin üretimi ve kullanımı zorunlu hale getirilmiştir. CO2 emisyonları ise EEDI ile inşaa aşamasındaki gemiler için bile kontrol altına alınarak taşınan yük ve mil başına düşen karbondioksit emisyonunu belirlemek için oluşturulmuştur. Mevcut durumda dizel ana makine kullanmakta olan bu gemilerin sera gazı etkisi yaratan emisyonlarını azaltmak için çeşitli teknolojiler bulunmakta ve kullanılmaktadır. Fakat bu teknolojilerin kullanımındaki zorluk ve maliyetler dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca, dünya üzerindeki azalmakta olan fosil yakıt kaynakları da sektörü yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlendirmektedir. Günümüz teknolojisinde güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, hidrojen enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklar güç üretiminde kullanılmaktadır. Bu tip enerji kaynaklarının elektrik enerjisine döndürülmesinde yakıt pilleri de rol alabilmektedir. Kavramsal olarak yakıt pilleri hidrojenden kimyasal yolla elektron koparılması ve ardından da oksijen varlığında tekrar reaksiyona sokulması yoluyla elektrik üreten ve yalnızca su emisyonu yapan tamamen çevreci bir teknolojidir. Yakıt pillerinin bu reaksiyon çevrimlerine literatürde soğuk yanma ismi de verilmektedir. Yakıt pillerinin çalışma prensipleri genel anlamda birbirlerine benzemekle beraber taşıyıcı elektrolitin ismine göre adlandırılmaktadır. Ayrıca elektrolitin çalışma karakteristiği yakıt pilinin çalışma şartlarını da belirlemektedir. Buna göre pillerin çalışma sıcaklıklarından verimlerine kadar geniş bir perspektifte çalışma şartları değişmektedir. Genel olarak yakıt pilleri yüksek ve düşük sıcaklıkta çalışanlar olarak gruplandırılmaktadır. Yüksek sıcaklık yakıt pillerinin en büyük avantajları yakıt esnekliği sağlamaları, yüksek verimde çalışmaları ve yüksek egzoz sıcaklıkları sayesinde türbin sistemleriyle kombinlenerek daha yüksek termal verimlere ulaşabilmeleridir. Fakat bu tip yakıt pillerinin düşük güç yoğunluğuna sahip olmaları, devreye girme hızlarının yüksek sıcaklıktan ötürü daha yavaş olması dezavantajları arasında sayılabilmekte ve ulaşım araçları yerine sabit güç üretim tesislerinde kullanılmalarına neden olmaktadır. Düşük sıcaklıkta çalışan yakıt pillerinin ise yüksek saflıkta hidrojene ihtiyaç duymaları ve hidrojenin pahalı ve zor üretimi ayrıca kısıtlı depolama niteliği bu tip pillerin yaygınlaşmasını zorlaştırmaktadır. Bu tip engellere rağmen yakıt pilleri otomotiv endüstrisinde son yıllarda ciddi bir atılım yapmış ve hidrojenin birincil yakıt olarak kullanıldığı otomobiller yollara çıkmıştır. Bunun en büyük sebeplerinden biri dizel motor emisyon oranlarının düşürülmesinde yeterli yol kat edilmemesi ve fosil yakıt kaynaklarının tükenmekte olmasıdır. Teknoloji olarak otomotiv sektörünü takip eden denizcilikte de emisyon oranlarının gittikçe düşürülmesi fuel oil ve dizel yakıtını kullanan gemi dizel motorlarının bu sınırlar altında kalmasını zorlaştırmaktadır. Dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynaklarının veya oldukça düşük emisyona sahip güç kaynaklarının kullanılması zorunlu hale dönüşmektedir ve bu kaynaklardan biri olan yakıt pilleri de tezimin konusunu oluşturmaktadır. Denizcilik sektörü için yenilenebilir ve temiz bir güç kaynağı arayışlarında düşük emisyon oranları ile yakıt pilleri de güçlü bir alternatif olabilir. Bu tezde 4 stroklu bir dizel motor ile çalıştırılan bir kimyasal tanker gemisinin aynı gücü üreten bir yakıt piliyle çalıştırılması durumunda ortaya çıkan gerekli değişiklikler incelenmiş ve sonuçlar açıklanmıştır. Yakıt pillerinin gemilerde kullanımı için uluslararası kuruluşların kural ve yönetmelikleri incelenmiş ve tezde açıkça belirtilmiştir. Seçilen geminin 2018 yılı başından itibaren yaptığı tüm seferler toplanmış ve bu seferler sonucunda tükettiği yakıt ve ürettiği CO2 miktarı şirket verilerinden alınmış ardından NOx, SOx emisyonları makine üreticisi firmanın verilerine göre hesaplanmıştır. Gemi ve deniz şartlarıyla en uyumlu yakıt pili türü seçilerek aynı güç çıkışını veren büyüklükte hali hazırda ticari olarak kullanılan bir modeli ana güç ünitesi olarak belirlenmiştir. Yeni durumdaki yakıt tüketimi, emisyonları, operasyon ve bakım tutum değişiklikleri irdelenmiştir. Seçilen yakıt pilinin yeni devre tasarımı hazırlanmış, gemide HFO ve MDO tanklarına olan ihtiyacın kaybolmasından ötürü bu tankların LNG depolamaya uygun hale getirilmesi için gemilerde kullanılan tank türleri incelenip mevcut gemi için en uygun tank dönüşümü önerilmiştir. Önerilen tank tipinde ve hacimdeki ısı transferleri hesaplanmış ve yakıt tüketimin buharlaşan yakıt miktarından fazla olduğu görüldüğünden ayrı bir soğutma sistemine ihtiyaç olmadığı anlaşılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda NOx, SOx (>%99) ve CO2 (%17) emisyonlarında ciddi düşüşler olduğu bulunmuştur. Değişen yakıt sistemi sonucunda LNG kullanan pilden yıllık bazda maddi kazanç sağlandığı görülmüştür. Ayrıca, yeni sistemin dizel motora göre çok daha düşük bakım tutum operasyonu gerektirdiği ve buna bağlı olarak gemideki makine personeli sayısında düşüş sağlayabileceği görülmüştür. Düşen personel sayısı sonucunda insan hatasına bağlı kaza olasılığı, maaliyeti ve bakım operasyonundan elde edilen kazançla birlikte yıllık kazanç miktarının artacağı öngörülmektedir. Sistemin dizel motorlarda olduğu gibi separatör, pompa, enjektör vb. yardımcı ekipmanlara ihtiyacının az oluşu bu parçalardan ortaya çıkan bakım ihtiyacı ve arıza ihtimallerini de azaltmaktadır. Bunlara ek olarak yakıt pili sisteminin yapısal olarak modüler olması ve alınan güç miktarının değiştirilebilir olması makine dairesi yerleşiminde ve hacminde de esnek olunabilmesini sağlamaktadır. Yapılan çalışma sonucunda sistem değişikliğinin EEDI kavramına olan pozitif etkisi ve IMO tarafından yayınlanan emisyon limitlerine olan uygunluğu ile denizcilik sektöründe ticari olarak yer alabileceği anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Today, one of the most important problems of humanity is clean energy production and environmental pollution. After the industrial revolution, the production of power from fossil sources that existed in the world was continued with internal combustion engines. However, the atmosphere penetrating gases from the burning of such fuels prevents the earth from providing favourable conditions for human life. For this reason, the countries have signed the Kyoto Protocol as the United Nations to end this process and to inherit a more liveable world. A significant portion of the greenhouse gas emissions on the world are caused by commercial vessels, and the maritime industry-leading organization IMO is bringing more and more restrictive and effective rules on reducing these emissions. As part of Annex VI of the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, restrictions have been legislated for ship-based CO2, NOx and SOx gases as a result of studies on air pollution. Emission control areas have been created in various regions of the world for ship-based SOx emissions and it has become mandatory to use low sulphur fuel for the vessels operating in these regions. In the same way, limits for NOx emission have been determined and the production and use of the machines which are below these limits has become mandatory. CO2 emissions have been limited with the EEDI to determine the carbon dioxide emissions per load and mile, even under control, for ships under construction. Currently, there are various technologies used to reduce the greenhouse gas emissions from ships that are using diesel engines. However, the difficulties and costs in the use of these technologies are disadvantageous. Moreover, fossil fuel sources that are decreasing in the world also direct the sector to renewable energy sources. In today's technology, renewable resources such as solar energy, wind energy and hydrogen energy are used in power generation. As an alternative energy sources, fuel cells can also play a role in converting such energy sources into electrical energy. Conceptually, fuel cells are a completely environmental-friendly technology that produces electricity only through chemical withdrawal of electrons from the hydrogen and then re-reacting them in the presence of oxygen. These reaction cycles of fuel cells are also called cold combustion in the literature. The operating principles of fuel cells are generally similar to each other, but are named according to the name of the carrier electrolyte. In addition, the operating characteristics of the electrolyte determine the operating conditions of the fuel cell. Accordingly, the operating conditions of the batteries in a wide perspective, ranging from operating temperatures to efficiency vary. In general, fuel cells are grouped as high and low temperature working types. The main advantages of high temperature fuel cells are their fuel flexibility, high efficiency and high exhaust temperatures combined with turbine systems to achieve higher thermal efficiency. However, the low power density of this type of fuel cells can be considered as a disadvantage of their slower speed due to high temperatures and cause them to be used in stationary power generation facilities instead of transportation vehicles. Low-temperature fuel cells need high purity hydrogen, expensive and difficult production of hydrogen, as well as limited storage quality make this type of cells difficult to spread. Despite such obstacles, fuel cells have made a serious leap forward in the automotive industry in recent years and the cars that use hydrogen as the primary fuel have taken the road. One of the main reason for this, that is the diesel engine emission rates are not enough to be reduced and fossil fuel sources are being shortened. As the technology, maritime follows the automotive sector, the reduction in emissions rates makes the diesel engines that use fuel oil and diesel oil more difficult to keep under these limits. Therefore, the use of renewable energy sources or relatively low-emission power supplies becomes a necessity and fuel cells, one of these sources, are the subject of my thesis. Fuel cells can be a powerful alternative with low emissions in the search for a renewable and clean power supply for the maritime industry. In this thesis, if a chemical tanker ship operated by a 4-stroke diesel engine is operated with a fuel cell that produces the same power, the necessary changes are examined and the results are explained. The rules and regulations of international organizations for the use of fuel cells in ships are examined and clearly stated in the thesis. All of the voyages of the selected vessel since the beginning of 2018 were collected and the fuel produced and the amount of CO2 it produced were taken from the company data and then NOx and SOx emissions were calculated according to the data of the engine manufacturer. The type of fuel cell that is most compatible with ship and sea conditions is selected as the main power unit which is a commercially used model of the same power output. The new fuel consumption, emissions, operation and maintenance behaviour changes of the new system are discussed. The new circuit design of the selected fuel cell has been prepared and the tank types used on the ships have been examined and the most suitable tank conversion for the existing vessel has been proposed for the purpose of making these tanks suitable for LNG storage due to the loss of the need for HFO and MDO tanks on board. Heat transfer in the proposed tank type and volume is calculated and it is seen that fuel consumption is more than the amount of vaporized fuel and it is understood that there is no need for a separate cooling system. As a result of the changing fuel system, it has been seen that the fuel cell which uses LNG is provided financial gain on an annual basis. The decrease of auxiliary equipment such as separators, pumps, injector etc. reduces the need for maintenance and failure of these components. In addition, it is seen that the new system requires a much lower maintenance operation than the diesel engine and consequently may decrease the number of machinery personnel in the ship. As a result of the number of personnel is falling, it is predicted that the annual gain will increase with the decreasing in the accident, cost and maintenance operation. Furthermore, the fuel cell system is structurally modular and the amount of power received can be altered, thus allowing the engine room layout and volume to be flexible. As a result of the study, it has been understood that the change in the system can take place commercially in the maritime sector with its positive effect on the EEDI concept and its compliance with the emission limits issued by IMO.
Benzer Tezler
- Bakır alaşımları esaslı anti-bakteriyel yüzey kaplamalarının üretimi ve karakterizasyonu
Anti-bacterial efficacy of wire arc sprayed copper alloy coatings against various pathogens
SAMİ ARDA KOCAMAN
Doktora
Türkçe
2022
Klinik Bakteriyoloji ve Enfeksiyon Hastalıklarıİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Ülkemiz yerli enerji kaynaklarının yeni teknolojilerle değerlendirilmesi sonucunda oluşacak sera gazı azaltım potansiyelinin belirlenmesi ve maliyet analizleri
Determination of greenhouse gas mitigation potential resulting from the utilization of our country's domestic energy resources with new technologies and cost analysis
ECE GİZEM ÇAKMAK
Doktora
Türkçe
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
- Türkiye'de bor madeninin alternatif bir enerji kaynağı olarak incelenmesi
Examining of boron mine as an alternative energy source in Turkey
SAMET TOKCAN
- Kömür ve biyokütle karışımlarının gazlaştırılması ve aspen HYSYS programı ile simulasyonu
Coal and biomass gasification and simulation of gasification systems using aspen HYSYS program
TANJU NAYIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN BÖKE
- Yol aplikasyonu çalışmalarında CORS'un uygulanabilirliğinin test edilmesi
Testing of applicability of CORS in road application studies
ÇETİN DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik ÜniversitesiHarita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATINÇ PIRTI