Techno-economic investigation of alternative propulsion systems for tugboats
Römorkörler için alternatif sevk sistemlerinin tekno-ekonomik incelenmesi
- Tez No: 677216
- Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 167
Özet
Gemiler, tahrik ve sevk, manevra gibi temel görev ve yeteneklerini yerine getirmek için farklı tipte sevk sistemlerine sahiptir. Bu nedenle, sevk sisteminin belirlenmesi gemilerin tasarımı için çok önemlidir. Gemilerin sevk sistemlerinin ana bileşenleri ana makinalar, jeneratörler, dişli kutuları, pervane üniteleri ve diğer yardımcı ekipmanlardır. Gemilerin sevki, içten yanmalı motorlardan veya diğer güç kaynaklarından sağlanan mekanik veya elektrik enerjinin, şaft veya şaftsız transmisyon elemanları (kablo vb.) üzerinden pervane ünitelerine iletilmesi ile sağlanır. Günümüzde deniz taşımacılığı için birkaç yaygın sevk sistemi bulunmaktadır. Bu sistemlerden bir gemi için en iyi seçeneğin hangisi olduğuna karar verilirken ciddi bir mühendislik çalışması yapılması gerekir. Sevk sistemleri, gemi yaşam döngüsü işletme maliyetindeki en yüksek maliyetli kalemdir. Bu nedenle, bir yeni inşaa veya dönüştürme projesi için sevk sistemi belirlenmeden önce teknik ve ekonomik analizler yapılmalıdır. Yeni nesil gemi sevk sistemleri, özellikle enerji verimliliği, güvenilirlik, geçerlilik ve çevresel etkiler açısından yeni zorlukları karşılamalıdır. Denizcilik sektörünün en kritik hedeflerinden biri de, enerji verimliliğini artırıp akaryakıt tüketim maliyetleri gibi işletme maliyetlerini düşürürken, gemi emisyonlarının etkisini azaltarak Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) sera gazı ve kirletici emisyonları üzerindeki mevcut ve gelecekteki düzenlemelerine uyum sağlamaktır. Bu emisyon kısıtlamalarını uygulamak için, gemi operatörlerinin emisyonları azaltan alternatif yakıtları veya teknolojileri seçmeleri gerekir. Alternatif yakıtlar olarak amonyak, LNG, biyoyakıtlar vb., veya makine ilgili (birincil yöntemler) teknoloji olarak EGR, turboşarj, ıslak yöntemler vb., veya makine güçlendirme ikincil yöntemler) teknolojisi olarak egzoz gazı temizleyi sistemler (scrubbers), SCR, vb., veya alternatif sevk teknolojisi olarak bataryalar, yakıt pilleri, hibrit konfigürasyonlar vb. gibi yöntemler SOx ve NOx emisyon limitlerine uymak için tercih edilebilir. Romörkörler, büyük gemilerin manevraların yardımcı olmak için itme, çekme ve eskort (asiste) etme, kendinden sevk sistemi olmayan duba ve diğer deniz platformların sevkini sağlama, arama kurtarma ve yangın söndürme gibi farklı özel amaç ve görevler için kulanılan deniz araçlarıdır. Ayrıca, römorkörlerin ana boyutları ve dizaynları, sevk sistemlerinin tipi, ana makine gücü yada ana makine sayıları, pervane üniteleri (pervane, dümen, kort nozul vs.) gibi özellikleri servis sağladıkları bölgelere ve operasyon pofiline göre romörkörlerin çeki değerlerini ve manevra kabiliyetlerini belirler. Bu nedenle, bu görevleri yerine getirmek için römorkörlerin ana makinesi, römorkörlerin ana boyutlarının nispeten küçük olmasına rağmen, yüksek güçlü tahrik için tasarlanmıştır. Ancak römorkörler operasyon sürelerinin çoğunu düşük yüklerle geçekleştirmektedir. Fakat, dizel ana makineler, genellikle makine yükünün %80'nin üzerinde olduğunda maksimum verimlilikte ve düşük yüklerde minimum verimlilikte olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu durum düşük makine gücü gerektiren operasyonlarda ekonomik bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bununla birlikte, römorkörlerin operasyonlarının çoğu, özel SOx ve NOx sınırlamalarının geçerli olduğu ECA'larda gerçekleşmektedir. Bu yüzden, hibrit, gaz (LNG) veya DF (çift yakıtlı) sevk sistemleri, römorkörler için çevresel sınırlamalara uyma ve operasyonel sevk maliyetlerini düşürmek için enerji verimliliğini artırma gereksinimleri karşılamak için umut verici çözümlerdir. Bununla birlikte, tüm alternatif yakıt veya alternatif sevk sistemlerini avantajları ve zorlukları içinde barındırır. Bu tezin amacı, teknik parametrelere ve sınırlamalara odaklanırken,ekonomik değerlendirme ile önümüzdeki dönemde römorkör yatırımları için karar vericilere destek sağlamaktır. Bu nedenle, bu tez, bir liman römorkörünün zaman ağırlıklı çalışma profiline göre kararların değerlendirildiği, römorkör alternatif sevk sisteminin modellenmesine ve tekno-ekonomik olarak incelenmesine yönelik bir yaklaşımın ana hatlarını çizmektedir. Fakat, römorkör sevk sistemlerinde enerji verimliliğini artırarak yakıt maliyetini düşürmek için birden fazla alternatif literatürde yer alamaktadır. Herhangi bir alternatif enerji tasarrufu teknolojisinden maksimum fayda sağlamak ve kabul edilebilir finansal getiri elde etmek için, öncelikle römorkörlerin nasıl çalıştığını ve enerji tükettiğini yeterince ayrıntılı olarak anlamak gerekir. Bu nedenle, ilk olarak römorkörlerin nasıl çalıştığını ve enerji tükettimlerini anlamak için römorkörlerin türleri ve görevleri, çeki kuvveti, yıllık çalışma profilleri ve yaygın veya nadir kullanılan alternatif sevk sistemlerinin temel bilgileri Bölüm 3'te incelenmiştir. 4. Bölümde, römorkörler için dört farklı sevk sistemi; dizel-mekanik, dizel-elektrik hibrit, gaz (LNG) ana makineli ve DF (Çift Yakıt) ana makineli tahrik ve sevk sistemleri modellenmiştir. Bu modelleme sırasında, tüm enerji akış diyagraları, mümkün olan en verimli enerji akışı ve güç dengesi, en düşük işletme maliyetleri, en düşük emisyon değerleri, tipik yıllık işletme profillerine göre tüm görevlerini yerine getirebilecekcek şekilde değerlendirilmiş ve belirlenimiştir. Bölüm 5'te, tekno-ekonomik incelemenin ekonomik kısmını hesaplamak için gerekli finansal analiz tanımları yer almaktadır. Bu araştırmada, incelenen tüm sevk sistemleri için yıllık sevk maliyetlerinin hesaplanmasına dayanan bir finansal analiz yapılmıştır. Yıllık sevk maliyetleri, sermaye (CAPEX) ve operasyonel (OPEX) olmak üzere iki ana maliyet için hesaplanamıştır. Ayrıca, finansal karşılaştırmalar için net bugünkü değer (NPV) ve yaşam döngüsü maliyet (LCC) tanımları verilmiştir. Bölüm 6'da yer alan vaka çalışmalarında, dizel, dizel-elektrik hibrit, gaz (LNG) ana makineli ve DF (Çift Yakıt) ana makineli tahrik ve sevk sistemleri için 3 farklı yıllık operasyon profiline göre tekno-ekonomik inceleme yapılmıştır. Bu seçilen römorkörlerin tekno-ekonomik incelemesi yapılırken, Bölüm 4'de verilen sevk sistemi modelleme formülasyonları ve Bölüm 5'de verilen finansal maliyet formülasyonları kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Bu incelemede seçilen römorkörlerin ana boyutları, çeki kapasiteleri ve sevk sistemleri konfigurasyonları, hali hazırda işletilmeye devam edilen, rüştünü kanıtlamış ve çok sayıda üretilmiş olan Sanmar Boğaçay serisi (dizel mekanik ve dizel elektrik hibrit sistemler) ve Sanmar LNG serisi (gaz ve DF sistemler için) römokörleri referans alınarak seçilmiştir. Sermaye maliyeti (CAPEX), 20 yıllık işletme süresi (n) ve %10'luk bir indirim oranı (R) ile hesaplanmıştır. Yatırım maliyeti (IC) ise sevk sistemin oluşturan ekipmanların refenrans çalışmalardan elde edilen birim ilk yatırım maliyetleri baz alınarak hesaplanmıştır. Yakıt tüketimi hesaplamalarında, makine üreticilerin yayınladığı proje verileri ve performans dökümanlarından elde edilen spesifik yakıt tüketim ve yağlama yağı tüketim değerleri kullanılmıştır. Bakım-onarım maliyeleri ise referans kaynakdan alınan makine bakım onarım birim maliyetleri üzerinden hesaplanmıştır. Tüm tüketim maliyeti kalemleri için %3'lük bir enflasyon hesaplara dahil edilmiştir. Operasyonel maliyetler (OPEX), net bugünkü değer formülasyonu ile yıllık ve 20 yıllık yatırım süresi ile %3 ve %5 indirim oranları için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Bu tezde, römorkör sevk sistemlerinin genel özellikleri belirlenerek, sermaye ve işletme maliyetleri hesaplanarak tekno-ekonomik incelemesi yapılmıştır. Spesifik olarak, dizel-elektrik hibrit, gaz (LNG) makineli ve DF (çift yakıtlı) makineli sevk sistemleri, bir dizel-mekanik makineli sevk sistemi ile karşılaştırılmıştır. Vaka çalışmalarında, liman römorkörlerinde uygulanan her alternatif sevk sistemi için Yaşam Döngüsü Maliyeti (LCC) hesaplanmış ve dizel-mekanik sevk sistemi tasarımına karşı alternatif sevk sisteminin ekonomik bir değerlendirmesini yapılmıştır. Dizel-mekanik, dizel-elektrik hibrit, gaz ve DF sevk sistemlerinin Yaşam Döngüsü Maliyeti (LCC) ve net bugünkü değer (NPV) yöntemlerinin değerlendirilmesiyle LNG yakıtı ile çalışan DF sevk sistemi en uygun çözüm olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The maritime transport vehicles have several kinds of propulsion systems to fulfil their basic duties and capabilities, like sailing, manoeuvring. Therefore, the determination of the propulsion system is critical to design ships. The main components of ship propulsion systems are main engines, generators, gearboxes, propeller units, and other auxiliary equipment's. The mechanical or electrical energy provided from internal combustion engines or other power sources is transmitted to propeller units via shafts or non-shafts (wires etc.) for propulsion of the ship. Nowadays, there are a few common propulsion systems for maritime transportation. Serious engineering work needs to be done during the selection and determination of what is the best option for a ship. The propulsion systems are the highest cost item in the ship lifecycle operation cost. Therefore, technical and economic analyses must be done before the determination of the propulsion system for a new building or conversion maritime project. New generations of marine propulsion systems must meet new challenges, especially regarding energy efficiency, reliability, durability, validity, and environmental effects. The most critical aims of the maritime sector are for reducing the impact of marine emissions to comply with existing and future regulations of the IMO on marine emissions while increasing energy efficiency and reducing operational costs like fuel oil consumption costs. To implement these emission restrictions, ship operators have to choose alternative fuels or technologies that reduce emissions. The ammonia, LNG, biofuels, etc. as alternative fuels; or the EGR, turbocharging, wet methods, etc. as engine related technology (primary methods); or the EGCs (scrubbers), SCR, etc. as engine retrofitting technology (secondary methods); or the batteries, fuel cells, hybrid configurations, etc. as alternative propulsion technology can be preferred to comply SOx and NOx emission limits. Tugboats are used for special purposes and duties like pushing and towing operations to manoeuvre the other marine vehicles or facilitate their manoeuvring, as well as to attract large floating structures such as non-motorized naval vessels and oil platforms, escorting (assisting) of other ships, search-salvage, and firefighting. Furthermore, the main dimension and design of tugs; the type propulsion systems, number of main engines or engine powers, propeller units (rudder, propeller) are affecting the efficiency of the tugboats bollard pull and manoeuvre capabilities according to their operations and service areas. Therefore, to perform these duties, the main engines of the tugs are high-powered compared to their hull dimensions. However, most tugboat operations are with low engine loads. Moreover, the diesel main engines are designed for maximum efficiency of over 80% of engine load and generally minimum efficiency on low loads. This situation causes an economic disadvantage during low loads operations. In addition, most of the operations of tugboats are in ECAs where the special SOx and NOx limitations are valid. To comply with the environmental limitations and increase the energy efficiency to reduce operational propulsion costs; hybrid, pure gas (LNG), or DF (dual-fuel) propulsion systems can be solutions for complying with these requirements for tugboats. However, all alternative fuel or alternative propulsion system options are bringing together several benefits and challenges. The purpose of this thesis is to impact support to decision-makers for tugboat investments in the upcoming period with economic evaluation while focusing on technical parameters and limitations. Therefore, this thesis outlines an approach to modelling and techno-economical investigating of the tugboat alternative propulsion system where decisions are evaluated based on the time-weighted operating profile of a harbour tugboat. Reducing fuel consumption and improving energy efficiency on tugboat propulsion systems is not a one-size-fits-all proposition. To maximise benefits and produce acceptable financial returns from any alternative energy savings technology, it is first necessary to understand in sufficient detail how the tugboats operate and consumes energy. Therefore, firstly the basics of tugboats types and duties, bollard pull force, annual operation profiles and common or alternative propulsion systems for tugboats are studied to understand how the tugboats operate and consume energy in Chapter 3. In Chapter 4, four different propulsion system for tugboats; diesel-mechanic, diesel-electric hybrid, a pure gas (LNG) engine and a DF (Dual-Fuel) engine propulsion systems are modelled. During this modelling, the energy flows are considered to perform their duties according to tugboat typical annual operational profiles with the most efficient energy consumption and lowest operating costs as well as lowest visual emissions. In Chapter 5, the necessary financial analysis definitions are included to calculate the economic part of the techno-economic investigation. In this investigation, the financial analysis is based on the calculation of annual propulsion (machinery) costs for all investigated propulsion systems. The annual propulsion costs can be calculated for two main expenditures; capital and operational expenditures. It also includes the net present value and life cycle cost definitions for financial comparisons. Chapter 6 includes case studies' techno-economic investigation of diesel, diesel-electric hybrid, pure gas (LNG) and DF tugboats for 3 different tugboat annual operation profile. This investigation was done with selected tugboats by applying Chapter 4 propulsion system modelling, their operation modes and formulas with Chapter 5 economical cost formulas. In these case studies, the dimensions, bollard pull and propulsion system configurations of investigated tugboats are selected according to the existing tugboats which have approved itself with many numbers of built; the Sanmar Boğaçay tugboat series for diesel and diesel hybrid propulsion configurations and the Sanmar LNG tugboat series selected as reference for gas and dual-fuel propulsion configurations. The CAPEX was calculated for a 20 years investment lifetime (n) under a 10% determined discount rate (R). The investment cost (IC) is calculated regarding the first investment costs for propulsion system components which are taken from various reference studies. During fuel consumption calculations, the brake specific fuel/energy consumption and lubrication oil consumption data of internal combustion engines are taken from project guides and performance data sheets which are provided by engine manufacturers. The engine maintenance and repair (M&R) unit costs are calculated according to the reference study. An annual inflation rate was accepted as 3% for all consumables. The OPEX are calculated with the net present value formula for annual and 20 years by 3% and 5% discount rate. In this thesis, a techno-economic investigation is done by determining the general properties with capital and operational costs of tugboat propulsion systems. Specifically, a diesel-electric hybrid, a pure gas (LNG) engine and a DF engine propulsion systems are compared with a diesel-mechanic engine propulsion system. In the case studies, the Life Cycle Costs for these alternative propulsion systems were calculated for concluding an economic assessment of the alternative propulsion system against the diesel-mechanic propulsion systems of the harbour tugboats. By evaluating diesel-mechanic, diesel-electric hybrid, pure gas and DF propulsion systems with net present value and Life Cycle Cost methods, DF propulsion system operated with LNG fuel was found to be the most suitable solution.
Benzer Tezler
- Techno-economic investigation of alternative propulsion systems for fishing vessels
Balıkçı tekneleri için alternatif sevk sistemlerinin tekno-ekonomik incelenmesi
MUHAMMET ELDAYIH
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- İstanbul şehir hatları vapurları ana tahrik sisteminin hidrojen yakıt hücresine dönüşümünün tekno-ekonomik incelenmesi
Techno-economic investigation of hydrogen fuel cell propulsion system transformation of Istanbul city lines ferry
MURAT ÖZGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Techno-economic study of the calcium looping process for CO2 capture from cement and biomass power plants
Başlık çevirisi yok
DURSUN CAN ÖZCAN
Doktora
İngilizce
2014
Kimya MühendisliğiThe University of EdinburghPROF. STEFANO BRANDANI
DR. HYUNGWOONG AHN
- Techno-economic analysis of hydrogen supply chains and hydrogen aircrafts for Gauteng Metropolitan Region of South Africa
Güney Afrika'nın Gauteng Metropolitan Bölgesi için hidrojen tedarik zincirlerinin ve hidrojen yakıtlı uçakların tekno-ekonomik analizi
ÖMER FARUK KONAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Ekonomiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KARATEPE YAVUZ
- Bakladan ultrases destekli alkali ekstraksiyon ile protein eldesi: Teknofonksiyonel, ın vıtro biyoerişebilirlik ve ade inhibisyon özelliklerinin incelenmesi
Protein extraction by ultrasound assisted alkaline extraction from faba beans: Investigation of technofunctional, in vitro bioavailability and ace inhibition properties
ZEHRA MERTDİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK