Dynamic modelling, simulation based analysis and optimization of hybrid ship propulsion systems
Gemi hibrit tahrik sistemlerinin dinamik modellemesi, optimizasyonu ve simülasyon temelli analizi
- Tez No: 795298
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Denizcilik, Enerji, Gemi Mühendisliği, Marine, Energy, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 190
Özet
Günümüzde, hava kirliliği, zararlı emisyonlar, küresel ısınma ve iklim değişikliği konuları hem dünyamızın geleceği hem de insan sağlığı açısından çok büyük önem arz eden meselelerdir. Küresel ölçekte düzenlenen fakat bağlayıcılığı olmayan önce Kyoto Protokolü ardından Paris Anlaşması gibi ülkeler arası sözleşmelerle emisyon seviyelerinin kontrol altında tutulması ve azaltılması hedeflenmektedir. Ancak bu sözleşmelerde hedeflenen seviyelerin aşılması gerek dünyamızın gerek insan hayatının geleceği için endişe yaratmaktadır. Atmosfere yayılan sera gazları küresel ısınmaya ve iklim değişikliğine sebep olmaktadır. İklim değişikliğinin en önemli göstergeleri, mevsim döngülerinde kaymalar, aşırı yağış veya kuraklık, buzulların erimesi, kasırga, sel gibi şiddetli doğa olaylarının yaşanmasıdır. Sera etkisi yaratan gazların başında karbondioksit gelmektedir. Aynı zamanda, diğer zararlı emisyonlar olan azot oksitler, kükürt oksitler, karbon monoksit gibi emisyonlar da asit yağmurlarına neden olup insan sağlığına da son derece zararlıdır. Dolayısıyla, karbondioksit emisyonlarının hayatın her alanında kontrol altına alınması ve hatta mümkünse ortadan kaldırılması hayati bir durumdur. Dünya ticaretinin %90'ı deniz taşımacılığıyla yapılmaktadır. Taşınan yük bazında verimli bir ulaşım ağı olmasına karşın, artan ticaret hacmi ve gemi sayısıyla beraber gemi kaynaklı emisyonların da 2050 yılına kadar %90 ile %130 arasında artacağı öngörülmektedir. Tüm bu nedenlerden dolayı, deniz taşımacılığının emisyonları da kontrol altına alınmalı ve azaltılmalıdır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) gemi kaynaklı karbondioksit emisyonlarının azaltılması için çalışmalar yapmaktadır. Bu kapsamda, MARPOL Ek-VI sözleşmesi ile Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyonel Göstergesi (EEOI) ile dizayn, sefer ve operasyonel verimliliği ölçücü regülasyonlar getirmiştir. Sadece bunlarla sınırlı kalmayan IMO, NOx Kod ile belirli emisyon kontrol alanları için makine devir hızına bağlı limitler belirlemiş ve hem makine üreticileri hem de bu bölgede çalışan gemiler için belirlenen limitlere uygun makine üretimi ve kullanımını standart hale getirmiştir. Kükürt oksit ve partikül madde emisyonları için ise kullanılan yakıt içeriğine sınırlar getirilmiştir. Gemilerin sevki için çok büyük oranda dizel makineleri kullanılmaktadır. Gemi dizel makineleri, fosil yakıt türevleri olan ağır yakıtlar kullanmaktadırlar. Bu yakıtların kimyasal bileşeninde %85-87 oranlarında karbon bulunmaktadır. Bu nedenle dizel makinelerinde yakılan bu ağır yakıtlar sonucunda karbondioksit gazı ortaya çıkmaktadır. Çalışmalara göre denizcilik sektörü küresel karbondioksit emisyonun %2,2'sine neden olmaktadır. Fosil yakıtların kullanılmaya devam etmesi sonucunda emisyon miktarlarının dikkate değer biçimde azaltılması ve hedeflere ulaşılması mümkün değildir. Dolayısıyla, bu emisyonların azaltılması için alternatif yakıtlar, elektrikli veya hibrit tahrik sistemleri, emisyon azaltma teknolojileri, hız düşümü veya operasyonel iyileştirmelerle mümkün olabilmektedir. Gemilerde enerji verimliliği temelli, tüketilen yakıtın ve dolayısıyla emisyonların azaltılmasını amaçlayan tüm operasyonlar her gemi için özel olmalıdır. Geminin kullanım alanına, gemi büyüklüğüne, gemi tipine ve operasyon profiline göre birçok değişkenin ayrı ayrı irdelenmesi gerekmektedir. Okyanus aşırı çalışan büyük bir ham petrol gemisiyle şehir içi çalışan bir vapur için alınacak tedbirler aynı olmamaktadır. Aynı şekilde, benzer kullanım alanına sahip gemiler arasında da hacimsel, alansal ve operasyon profili açısından da farklılıklar söz konusu olabilmektedir. Dolayısıyla her çalışma esas alınan gemi özelinde kalmaktadır. Gemi ana güç üreteci olarak görev yapan ve geminin hareketini sağlayan dizel makinelerinin verimleri %50 dolaylarında bulunmakta olup, yakıtın kimyasal enerjisinin ancak yarısı pervaneden alınabilmektedir. Özellikle, kısa mesafelerde çalışan ve seyir sırasında birçok kalkma ve yanaşma manevrası yapan gemilerde dizel makine yükü çok kez değişmekte ve verimli çalışma noktasından uzaklaşabilmektedir. Bu durumlarda sistem veriminin yarımın da altına düşmesi kaçınılmazdır. Bu tip gemiler için hibrit tahrik sistemi verimli sonuçlar verebilmektedir. Genel anlamda yük dalgalanmasının fazla olduğu sırada dizel motorunun yükü sabit tutularak yüksek güç talebinin elektrikle sağlanması hedeflenmektedir. Bu sayede dizel motor çalışma haritasında ideal dışı dalgalanmaların önüne geçilebilmektedir. Bu tez kapsamında, İstanbul içerisinde Şehir Hatlarına bağlı çalışan bir vapurdan operasyon ve gemi inşa verileri toplanmış olup, bir hibrit tahrik sistemi önerilmiş ve analiz edilmiştir. Hazırlanan tez beş bölümden oluşmaktadır. İkinci, üçüncü ve dördüncü bölümler makale olarak yayımlanmış olup, son bölüm ise bir kitap bölümü olarak basımı onaylanmıştır. İlk bölüm, giriş ve çalışmanın amaç ve kapsamını belirtmektedir. Yine aynı bölümde vaka gemisinin tanıtımı ve veri toplanma sürecinden bahsedilmektedir. Geminin verileri gemi üzerinde bizzat seferlere katılarak alınmış ve aynı sefer için toplanan verilerin ortalaması alınarak vaka çalışmasına konu edilmiştir. Gemide dört adet dizel motordan üretilen elektrik gücü iki adet elektrik motoru vasıtasıyla pervanelere aktarılmaktadır. Çalışma prensibi olarak dizel-elektrik olarak sınıflandırılan bu gemide kalkış ve yanaşma manevralarını kolaylaştırmak için baş pervanesi bulunmaktadır. Gemi seferi Kadıköy – Karaköy şehir hatları iskeleleri arasında yapılmıştır. Hibrit sistemlerde birçok farklı güç üreteci ve enerji depolama teknolojisi kullanılabilmektedir. Gemi üzerinde mevcut bulunan dizel motorların yanına alternatif bir güç üreteci konması fosil yakıt tüketimini azaltacağından, emisyonlara direkt olarak olumlu etki etmektedir. Bu noktada yakıt hücreleri sıfır emisyonlu güç üretme potansiyelleri ve kara taşıtlarında kullandığından dolayı öne çıkmaktadır. Fakat günümüzde ticari olarak satışı ve endüstriyel olarak kullanımı olan beş farklı yakıt pili bulunmaktadır. Bu tiplerden hangisinin ya da hangilerinin gemi üzerinde kullanılmak üzere uygun olduğu ve seçilmesi gerektiği ise bir araştırma konusudur. Tezin ikinci bölümü tam olarak bu araştırma sorusuna cevap aramak üzere hazırlanmış ve yayımlanmış bir makaledir. Bu çalışmada, alkalin, proton değişim membranlı, ergimiş karbonat, katı oksit ve fosforik asit yakıt hücreleri çok kriterli karar verme yöntemlerinden biri olan analitik hiyerarşi yöntemiyle kıyaslanmıştır. Belirlenen sekiz farklı kriter; emniyet, emisyon, verimlilik, maliyet, ömür, güç çıktısı, yakıt tipi ve ebat olmak üzere, denizcilik sektörünün farklı alanlarından on dört uzmanın anket yoluyla görüşleri alınarak önem sırasına konmuştur. Emniyet bu sıralamada en önemli değerlendirme kriteri olurken son sırada ise ebat gelmektedir. Bu bağlamda, dizel yakıtı kullanan ergimiş karbonat yakıt hücresi ve proton değişim membranlı yakıt hücresi ilk iki sırayı almıştır. Ardından gelen çalışmalarda proton değişim membranlı yakıt hücresi kullanılmıştır. Hibrit sistemde kullanılmak üzere yakıt pilinin belirlenmesinin ardından, denizciliğin karbonsuzlaşması temel hedefinde kullanılması gereken yakıt tipinin de belirlenmesi gerekmektedir. İçerisinde karbon ihtiva etmeyen iki çeşit alternatif yakıt bulunmaktadır; bunlar amonyak ve hidrojendir. Bu iki yakıtın da yakıt hücrelerinde kullanılması sonucunda herhangi bir karbon emisyonu oluşmamaktadır. Fakat yine uygun yakıtın tespiti için analitik hiyerarşi yöntemi kullanılarak bu iki yakıt birçok açıdan incelenmiştir. Kısa vadeli çözüm olarak depolama şartlarının elverişliliği sebebiyle amonyak öne çıkarken, orta ve uzun vadede depolama teknolojisinin gelişmesine paralel olarak amonyağa göre sağlığa zararsız yapısıyla hidrojen öne çıkmaktadır. Ardından gelen çalışmalarda hidrojen yakıtı üzerinden devam edilmiştir. Yakıt hücresi tipinin ve yakıtın belirlenmesinin ardından, tezin dördüncü bölümünde gemilerde hibrit tahrik sistemlerinin, elemanlarının, yönetim biçimlerinin ve mimari yapılarının üzerinde durulmuştur. Yayınlanan makalede, gemiler için hibrit elemanları sırasıyla güç üreteçleri, enerji depolama sistemleri, enerji yönetim sistemleri ve hibrit sistem mimarisi üzerinedir. Güç üreteçleri başlığı altında dizel makineleri, yakıt pilleri ve yenilenebilir enerji kaynakları (rüzgâr türbinleri ve güneş pilleri) açıklanmış ve literatürdeki çalışmalar anlatılmıştır. Enerji depolama sistemlerinde ise gemilerde kullanılabilen bataryalar, volan ve süper kapasitörler incelenmiştir. Enerji yönetim sisteminde ise, kural bazlı ve optimize yönetim sistemleri en çok kullanılan yaklaşım ve algoritmaları tanıtılmıştır. Hibrit sistem mimarisi ise seri, paralel ve seri-paralel konfigürasyonları üzerinden gösterilmiştir. Makalenin son bölümünde ise gemi tiplerine bağlı olarak hibrit sistem uyumluluğunun oluşturulduğu bir jenerik tablo hazırlanmıştır. Bu tabloya göre, belirlenen sekiz farklı gemi tipi için enerji depolama, sistem mimarisi ve güç üretimi için ekipman uyumlulukları gösterilmiştir. Tezin sonuçtan önceki son bölümünde ise kitap bölümü olarak hazırlanan yayına yer verilmiştir. Bu yayında hibrit sistemler gözden geçirildikten sonra vaka çalışması yapılmıştır. Vaka çalışmasında seri mimaride dört adet 100 kW gücünde proton değişim membranlı yakıt hücresi ve vapurdaki mevcut 450 kW gücündeki dört makineden sadece ikisi güç üreteçleri olarak, iki adet 100 kWh enerji kapasiteli lityum iyon batarya ise enerji depolama cihazı olarak kullanılmıştır. Gemideki güç kapasitesi mevcut gemideki halinden değiştirilmemiş ve emisyonun minimize edilebileceği şekilde optimize edilmiştir. Sistemdeki tüm ekipmanların matematik modelleri gösterilmiştir, bunlar şaft, elektrik motorları, konvertörler ve devir düşürücü gibi mekanik ve elektrik ekipmanlardır. Gemi gövdesi direnci hıza bağlı parametrik olarak Holtrop-Mennen yöntemiyle hesaplanmıştır. Enerji yönetim sistemi ise kural bazlı olarak bataryanın tam şarjlı durumuna göre hazırlanmıştır. Güç talebine bağlı olarak bataryanın devreye girip çıkacağı durum şartları belirlenmiştir. Analiz sonuçlarına göre, yakıt tüketimi %35 düşmüş olup, geminin toplam emisyonu kalkışta %45, yanaşmada %79, limanda ise %100 azalmıştır. Sabit seyirde yapılan emisyonlarda ise %31 azalma gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Today, air pollution, harmful emissions, global warming, and climate change issues are of great importance both for the future of our world and for human health. It is aimed to keep the emission levels under control and to reduce the emission levels with international agreements such as the Kyoto Protocol and the Paris Agreement, which are regulated on a global scale but are not binding. However, exceeding the levels targeted in these agreements raises concerns for the future of both our world and human life. Greenhouse gases emitted into the atmosphere cause global warming and climate change. The most important indicators of climate change are shifts in seasonal cycles, excessive precipitation or drought, melting of glaciers, and severe natural events such as hurricanes and floods. Carbon dioxide is one of the greenhouse gases. At the same time, emissions such as nitrogen oxides, sulfur oxides, and carbon monoxide, which are other harmful emissions, cause acid rain and are extremely harmful to human health. Therefore, it is vital to control and, if possible, eliminate carbon dioxide emissions in all areas of life. 90% of world trade is carried out by sea transportation. Although it is an efficient transportation network on the basis of freight transported, it is predicted that, together with the increasing trade volume and the number of ships, ship-related emissions will increase between 90% and 130% until 2050. For all these reasons, emissions from maritime transport must also be brought under control and reduced. The International Maritime Organization (IMO) is working to reduce carbon dioxide emissions from ships. In this context, with the MARPOL Annex-VI contract, Energy Efficiency Design Index (EEDI), Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) and Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) and regulations that measure design, voyage and operational efficiency have been introduced. Not just limited to these, IMO has set limits based on engine speed for certain emission control areas with the NOx Code and standardized the production and use of machinery in accordance with the limits set for both machinery manufacturers and ships operating in this region. For sulfur oxide and particulate matter emissions, limits are set on the fuel content used. Diesel engines are used to a great extent for the propulsion of ships. Ship diesel engines use heavy fuels, which are fossil fuel derivatives. The chemical component of these fuels contains 85-87% carbon. For this reason, carbon dioxide gas comes out as a result of these heavy fuels burned in diesel machines. According to studies, the maritime sector causes 2.2% of global carbon dioxide emissions. As a result of the continued use of fossil fuels, it is not possible to significantly reduce the amount of emissions and reach the targets. Therefore, it is possible to reduce these emissions with alternative fuels, electric or hybrid propulsion systems, emission reduction technologies, speed reduction or operational improvements. All operations based on energy efficiency on ships, aiming to reduce fuel consumed and therefore emissions, should be specific for each ship. Many variables need to be examined separately according to the ship's usage area, ship size, ship type, and operation profile. The measures to be taken for a large crude oil ship operating in the ocean and for a ferry operating in the city are not the same. Likewise, there may be differences between ships with similar usage areas in terms of volume, area, and operation profile. Therefore, each study remains specific to the ship on which it is based. The efficiency of diesel engines, which act as the ship's main power generator and ensure the movement of the ship, is around 50%, and only half of the chemical energy of the fuel can be obtained from the propeller. Especially in ships operating short distances and making many take-offs and berthing maneuvers during the cruise, the diesel engine load changes many times and may move away from the efficient operating point. In these cases, it is inevitable that the system efficiency will drop below half. For this type of ship, the hybrid propulsion system can give efficient results. In general, when the load fluctuation is high, it is aimed to provide the high-power demand with electricity by keeping the load of the diesel engine constant. In this way, non-ideal fluctuations in the diesel engine operation map can be prevented. Within the scope of this thesis, operational and shipbuilding data were collected from a ferry connected to the City Lines in Istanbul, and a hybrid propulsion system was proposed and analyzed. The prepared thesis consists of five chapters. The second, third and fourth chapters have been published as articles, and the last chapter has been approved for publication as a book chapter. The first part states the introduction and the aim and scope of the study. In the same section, the introduction of the case ship and the data collection process are mentioned. The data of the ship was taken by personally participating in the voyages on the ship and the average of the data collected for the same voyage was taken as the subject of a case study. The electrical power generated from four diesel engines on the ship is transferred to the propellers by means of two electric motors. Classified as diesel-electric as its operating principle, this ship has a bow thruster to facilitate take-off and berthing maneuvers. The ship voyage was made between Kadıköy - Karaköy city lines piers. Many different power generators and energy storage technologies can be used in hybrid systems. Putting an alternative power generator next to the existing diesel engines on the ship will reduce fossil fuel consumption, thus positively affecting emissions. At this point, fuel cells come to the fore due to their zero-emission power generation potential and their use in land vehicles. However, today, there are five different fuel cells that are commercially available and industrially used. Which of these types is suitable for use on the ship and which should be selected are the research subjects. The second part of the thesis is an article prepared and published to seek an answer to this research question. In this study, alkaline, proton exchange membrane, molten carbonate, solid oxide and phosphoric acid fuel cells were compared with the analytical hierarchy method, which is one of the multi-criteria decision-making methods. Eight different criteria determined; safety, emissions, efficiency, cost, life, power output, fuel type and size. Fourteen experts from different fields of the maritime industry, received their opinions through questionnaires and the criteria are ranked in order of importance. While safety is the most important evaluation criterion in this ranking, size comes last. In this context, the diesel oil using molten carbonate fuel cell and the hydrogen using proton exchange membrane fuel cell took the first two places. Following the determination of the fuel cell to be used in the hybrid system, it is also necessary to determine the type of fuel that should be used in the main target of marine decarbonisation. There are two types of alternative fuels that do not contain carbon; these are ammonia and hydrogen. As a result of the use of these two fuels in fuel cells, no carbon emissions occur. However, these two fuels have been examined from many aspects by using the analytical hierarchy method to determine the appropriate fuel. While ammonia stands out as a short-term solution due to the convenience of storage conditions, in parallel with the development of storage technology in the medium and long term, hydrogen stands out with its harmless structure compared to ammonia. Following studies continued by considering the hydrogen as fuel. After determining the fuel cell type and fuel, in the fourth part of the thesis, hybrid propulsion systems, their components, management styles, and architectural structures on ships are emphasized. In the published article, hybrid elements for ships are on power generators, energy storage systems, energy management systems, and hybrid system architecture, respectively. The title of power generators, diesel machines, fuel cells, and renewable energy sources (wind turbines and solar cells) are explained and studies in the literature are explained. In energy storage systems, batteries, flywheels, and supercapacitors that can be used on ships are examined. In the energy management system, the most used approaches and algorithms of rule-based and optimized management systems are introduced. The hybrid system architecture is shown in serial, parallel, and serial-parallel configurations. In the last part of the article, a generic table has been prepared in which hybrid system compatibility is established depending on the ship types. According to this table, equipment compatibility for energy storage, system architecture, and power generation for eight different ship types is shown. In the last part of the thesis before the conclusion, the publication prepared as a book chapter is included. After reviewing hybrid systems in this publication, a case study is made. In the case study, four 100 kW proton exchange membrane fuel cells in serial architecture and only two of the four 450 kW marine diesel engine were used as power generators, and two 100 kWh lithium-ion batteries were used as energy storage devices. Mathematical models of all equipment in the system are shown, these are mechanical and electrical equipment such as shaft, electric motors, converters and speed reducers. Ship hull resistance was calculated parametrically with the Holtrop-Mennen method depending on the speed. The energy management system, on the other hand, is prepared according to the fully charged state of the battery on a rule-based basis. Depending on the power demand, the conditions for the battery to switch on and off are determined. According to the results of the analysis, fuel consumption decreased by 35% and the ship's total emissions decreased by 45% at take-off, 79% at berthing and 100% at port. On the other hand, a 31% reduction was observed in the emissions made in the steady-state sailing.
Benzer Tezler
- Dynamic characterization and optimization of additively manufactured tpms lattice structures
Katmanlı üretilen tpms kafes yapılarının dinamik karakterizasyonu ve optimizasyonu
UĞUR ŞİMŞEK
Doktora
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. POLAT ŞENDUR
- Performance of laminated glass subjected to blast and impact loading
Patlama ve darbe yüklemesine maruz kalan lamine camın yapısal performansı
MOHELDEEN HEJAZI
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SARI
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Urban building energy modeling: Integrating dynamic and data-driven models for time-series analysis
Kentsel bina enerji modellemesi: Zaman serisi analizi için dinamik ve veriye dayalı modellerin entegre edilmesi
MUHAMMED SAİD BOLLUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM SEYİS KAZAZOĞLU
- Şebeke bağlantısız güneş ve rüzgar enerji sistemlerinin yönetimi, kontrolü ve izlenmesi için yeni yaklaşımlar
Novel approaches for the management, control and monitoring of the off-grid solar and wind energy systems
SERHAT DUMAN
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURAN YÖRÜKEREN
PROF. DR. İSMAİL HAKKI ALTAŞ