Theoretical application analysis of a wind assisted propulsion system (WAPS) 'rotor sails' on the bulk carrier
Rüzgar destekli tahrik sistemlerinden (WAPS) 'rotor sail''in dökme yük gemisinde teorik uygulama analizi
- Tez No: 886413
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TANZER SATIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Enerji, Gemi Mühendisliği, Marine, Energy, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 83
Özet
Küresel ticaretin ağırlık olarak yaklaşık 85%'i deniz ticaret filosu tarafından taşındığı için dünya ticareti neredeyse tamamen deniz taşımacılığına bağlıdır. Artan sera gazı emisyonları gibi hava kirliliği nedeniyle denizcilik sektörünün rolü düzenleyici çalışmalarda daha önemli hale gelmektedir. Ancak, deniz ticaretinden kaynaklanan karbondioksit emisyonları, insan kaynaklı karbondioksit emisyonlarının yalnızca yaklaşık 2,9%'unu oluşturmaktadır. IMO'nun gemi kaynaklı sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yönelik sıkılaşan kuralları, sektör paydaşlarını çeşitli operasyonel, teknik ve market-bazlı önlemler geliştirmeye yöneltmiştir. Bu önlemler arasında teknik önlemler belirli bir ürün ve teknolojiye yatırım yapılmasını gerektirmektedir. Alternatif yakıtların kullanımının yanı sıra, geliştirilmiş karine ve tekne tasarımları, iyileştirilmiş pervane tasarımları, sürtünmeyi azaltan tekne boya sistemleri, aerodinamik gemi üstyapı elemanlarının uygulanması ve Rüzgâr-Destekli Tahrik Sistemlerinin (WAPS) kurulması gibi enerji tasarrufu sağlayan teknolojiler bunlar arasında sayılabilir. Enerji tasarrufu sağlayan teknolojiler ön plana çıkarken, IMO'nun tanktan pervane suyuna emisyonları azaltma çabaları da sektör tarafından çeşitli şekillerde karşılanmaktadır. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olan rüzgâr, Rüzgâr-Destekli Tahrik Sistemi (WAPS) olarak geliştirilen Rotor Sail sistemleri tarafından kullanılmaktadır. Bu sistem bazı gemilerde kullanılmakta ve halen test edilmekte olup, literatür incelemeleri karışık tasarruf sonuçları göstermekte ve bu da armatörlerin bu tür sistemlere yatırım yapma konusunda şüpheci yaklaşmalarına neden olmaktadır. Rüzgârın bir enerji formu olarak gemilerde kullanılması aslında bir yenilik sayılamaz. Tarihçilere göre ilk yelkenli gemilerin kullanımı MÖ 3100 yıllarına dayanmaktadır. İnsanlar uzun yıllar ticareti yelkenli gemiler ile sürdürmüş fakat endüstri devrimi ve katı yakıtlı tahrik sistemlerinin verimliliği sayesinde rüzgâr enerjisinin kullanımı ticari olarak son bulmuştur. Günümüzde bazı proje gemileri haricinde yelkenli ticari gemiler artık kullanılmamaktadır. Ancak son yıllarda küresel ısınmanın bir sebebi olan sera gazı emisyonları ile mücadele için gemilerde de teknik önlemler kapsamında yeni ve inovatif teknolojilerin geliştirilmesine ihtiyaç doğmuştur. Bu inovasyonlardan bazıları da Rüzgâr-Destekli Tahrik Sistemleri başlığı altında toplanmıştır. Gemilerde Rüzgâr-Destekli Tahrik Sistemleri rüzgâr enerjisinin geminin ana makineleri üzerindeki yükü azaltarak yakıt ve dolayısı ile emisyon tasarrufu sağlamaktadır. Rotor Sail (Flettner Rotorları), Uçurtmalı sistemler, Emme kanatları, Sert Yelkenler, Yumuşak Yelkenler, Rüzgâr Türbinleri, Gövde Yelkenleri ve Havalandırmalı Folyo Sistemleri WAPS olarak adlandırılabilir. WAPS, denizcilik endüstrisi tarafından enerji tasarrufu sağlayan cihazlar olarak geniş çapta kabul görmekte ve regülatif çalışmalar halihazırda uygulanmaktadır. Det Norske Veritas (DNV) gibi klaslandırma kuruluşları bu sistemlerden birçoğuna notasyon vermektedir. Flettner rotoru adını, cihazı icat eden Alman mühendis Anton Flettner'den almaktadır. Dönen bir silindire çarpan rüzgârın, silindirin bir tarafının gaz akışını engelleyerek yavaşlamasına, diğer tarafının ise hava akışını hızlandırarak hızlanmasına neden olan hidrodinamik bir olgu olan Magnus etkisi, rüzgâr enerjisi kullanımının temelini oluşturmaktadır. Flettner rotorlu birkaç gemi 1920'lerde test edilmiş olsa da teknoloji o dönemdeki buharlı ve dizel gemilerin popülerliği ile baş edemeyerek yeteri kadar ilgi göremedi. Rotor Sail sistemleri son yıllarda tekrar geliştirilmeye başlanmış ve birçok gemide kullanılmaktadır. Bu yatırım kararını alınma aşamasında gemi tipi, geminin olağan sefer bölgesi, güvertesinde kurulum için yeterli alan, köprüüstü görüşünü kısıtlaması gibi detayların analiz edilerek en uygun ürünün seçilmesi önerilmektedir. Rotor Sail sistemleri doğal olarak açık güverteli gemilerde uygulanabilmekte olup örnek olarak konteyner gemilerinde uygulaması zor görülmektedir. Uygulandığı takdirde güvertedeki yük kapasitesinin kaybı söz konusu olmaktadır. Tankerler için ex-proof versiyonlar, dökme yük gemilerinin liman operasyonları için yatırılabilen (tilting) ve kaydırılabilen versiyonlar üreticilerde mevcuttur. Literatür araştırmalarında ise en yüksek verimli uygulamalarda ro-pax ve yolcu gemileri öne çıkmaktadır. Sistem hem mevcut gemilere hem yeni inşa gemilere uygulanabilmekte olup gelişmiş otomasyon sistemleri ve bağlı sensörleri sayesinde köprüüstünden kolaylıkla kumanda edilmektedir. Dayanıklı yapıları sayesinde yüksek rüzgâr süratlerine karşı koyabilmektedir. Bu araştırmada, belirli bir geminin gerçek verileri kullanılarak Rotor Sail sisteminin armatörün ekonomik bakış açısından karşılaştırmalı yatırım değerlendirmesi ölçülmeye çalışılmıştır. Saygın bir rotor sail üreticisi olan“Norsepower”tarafından önerilen ünitenin simülasyon parametreleri belirlenip teorik olarak uygulandıktan sonra elde edilen sonuçlar, yatırım fizibilitesinin değerlendirilmesi amacıyla kuru yük piyasasına özgü finansal değişkenlerle birlikte dikkate alınmış ve armatörün basit bir biçimde anlayabileceği cevaplar ortaya çıkarılmıştır. Çalışmayı benzer araştırmalardan ayıran en önemli özelliklerden biri gerçek bir geminin statik ve dinamik verilerinin kullanılması ve bu veriler üzerinde üretici tarafından simülasyon yapılmasıdır. Ayrıca teorik uygulama sonuçlarının geminin günlük kazancına potansiyel etkisi de niteliksel olarak değerlendirilmiştir. Gerekli veriler geminin armatöründen, işletmecisinden ve Rotor Sail sisteminin üretici firmasından alınmış olup finansal veriler halka açık resmi veriler ile uluslararası tanınmış araştırma kuruluşlarının raporlarından edinilmiştir. Bu çalışmada, 82641 dwt kapasiteli bir geleneksel bir dökme yük gemisi olan M/V Bettys Dream analiz edilmiş; Rotor Sail sistemlerinin önemli bir üreticisi olan“Norsepower”firmasının desteğiyle 2022 yılının tüm dönemi için gerçek konum, meteorolojik ve tüketim verileri üzerinden Rotor Sail'in teorik uygulaması simüle edilmiştir. Bu anlamda çalışma bir vaka analizi olarak da değerlendirilebilir. Sonuçların değerlendirilmesinde nitel ve nicel yöntemler bir arada kullanılmış olup simülasyon parametreleri gemi verileri, Rotor Sail verileri ve meteorolojik verilere uygulandıktan sonra finansal veriler ile yorumlanmıştır. Bu finansal veriler arasında kuruyük piyasasının dinamik ortamında geminin günlük kazancı, yakıt fiyatları, yatırım maliyeti, operasyonel maliyetler ve potansiyel karbon vergilendirilmesini içermektedir. Bu çalışmanın amacı, karbon vergisi uygulaması, yakıt fiyat endeksi ve kuru yük piyasası koşullarının birlikte değerlendirilmesini içeren belirli bir dönem için gerçek sefer verileri ve“Norsepower Rotor Sails™”in teorik kurulumunu kullanarak geleneksel bir geminin tanktan pervaneye emisyon ve yakıt tasarrufu performansını karşılaştırmaktır. Bu çalışmanın finansal açıdan armatörlere bir vizyon oluşturması amaçlanmıştır; gerekli sermaye yatırımı (CAPEX) ve operasyonel giderler (OPEX), Rotor Sail'in uygulanması için yatırımın geri dönüşünü (ROI) hesaplamak ve belirli bir süre içinde uygulanmamış seferlere kıyasla uygulamanın karlılığını ve verimliliğini netleştirmek. Simülasyonda baz alınan parametreler Rotor Sail sistemi üreticisi olan“Norsepower”ile kararlaştırılmıştır. Geminin gerçekleştirdiği seferlerdeki rota bacakları belirli aralıklara bölünerek bu aralıklarda ölçülen meteorolojik şartlar, geminin statik ve dinamik bilgilerini kullanarak Rotor Sail sisteminin onaylanmış verileri sayesinde oluşacak yakıt ve emisyon tasarrufları hesaplanmıştır. Bulunan bu rota bacağı bazında bilgiler bir araya getirilerek tüm güzergâh için yıllık tasarruf tahmini elde edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan veriler ışığında bir yılda yaklaşık 234 bin $ net tasarruf yapılabileceğini ortaya koymaktadır. Bu miktar ile yatırımın geri dönüşünün (ROI) yaklaşık 5 yıl olması beklenmektedir. Ancak, küresel enflasyon oranı veya farklı limanlardaki değişken yakıt fiyatları gibi dalgalanan parametreler dikkate alınmamıştır. Yatırım fizibilitesini sadece bu çalışmadaki parametrelerle değerlendirildiğinde, retrofit seçeneği için bile bir geminin ticari ömrü göz önüne alındığında sonuç umut verici görünmektedir. Ayrıca, Rotor Sail ile donatılmış bir geminin doğal olarak piyasada daha değerli hale gelmesi ve yakıt tüketimini olumlu yönde etkileyen bu tür enerji tasarrufu teknolojilerine sahip olması nedeniyle günlük kazancının artması beklenmektedir. Yakıt ve emisyon kazanımları nedeniyle armatörün varlıklarının kuruyük piyasasında daha değerli hale gelmesi ve mevcut ve sıkılaşan emisyon kuralları doğrultusunda büyük küresel şirketler tarafından talebin artması muhtemeldir. Bu talep sonucunda gemi, sefer uzunluğu, yakıt fiyatları, navlun gibi birçok değişkene bağlı olarak Rotor Sail yatırımının daha yüksek günlük kazanç olarak geri dönmesi beklenebilir. Simülasyon sonuçları yatırımın fizibilitesini kanıtlamış ve özel görüşmeler piyasada enerji tasarruf teknolojileri ile donatılmış gemilere olan ilginin arttığını göstermiştir. Yüksek bir ilk yatırım gerektirmesine rağmen, çalışma Rotor Sail Sisteminin kabul edilebilir bir yatırım geri dönüş süresi ile umut verici yakıt ve emisyon sonuçları sunduğunu ve piyasada Rotor Sail takılı gemiye olan ilgiyi artırdığını kanıtlamıştır. Denizcilik sektörünün küresel CO2 emisyonlarına katkısı oldukça düşük olsa da sıkılaşan kurallar kapsamında armatörlerin adım atması kaçınılmazdır. Bu nedenle, IMO'nun MEPC 80 toplantısında denizcilik endüstrisi için emisyon hedeflerini güçlendirmesi (2050 yılına kadar 'net sıfır' dahil) nedeniyle eko olmayan (non-eco) gemiler için bir veya daha fazla enerji tasarrufu teknolojisi uygulaması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu sonuçlar ışığında Rotor Sail sistemlerinin ilave enerji tasarruf teknolojileri ile kombinasyonu ve yapay zekâ destekli sefer optimizasyonu kullanılarak sefer planlaması emisyon tasarrufunu daha da artıracaktır. Tüm paydaşlar için etkili bir yöntem olarak görüldüğünden, mevcut finansal ve operasyonel zorlukların üstesinden gelinmesiyle önümüzdeki yıllarda kurulu gemi sayısında bir artış beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
IMO's tightening rules for the reduction of shipping-related GHG emissions have led the industry stakeholders to develop several operational, technical and market-based measures. Among these measures, technical measures require investment in a specific product and technology. In addition to the use of alternative fuels, energy saving technologies such as improved hull and hull designs, improved propeller designs, friction-reducing hull paint systems, the application of aerodynamic ship superstructure elements and the application of wind-assisted propulsion systems can be listed among these. Energy saving technologies are coming to the forefront while IMO's efforts to reduce tank-to-wake emissions are in various ways being met by the industry. Wind, a renewable energy source, is used by Rotor Sails systems developed as a Wind Assisted Propulsion System. The system is used and still being tested on some ships and literature reviews showed mixed saving outcomes which causes the shipowner to be skeptical about the investment on such systems. In this research, it is sought to measure the comparative investment evaluation of the Rotor Sail system from the economic point of view of the shipowner by using the actual data of a certain ship. After the simulation parameters of the unit proposed by a reputable rotor sail manufacturer were determined and theoretically applied, the results obtained were taken into account with the financial variables specific to the dry cargo market in order to evaluate the investment feasibility and the answers that the shipowner can understand in a simple way were revealed. One of the most distinctive features of the study from similar studies is that the static and dynamic data of a real ship are used and simulated by the manufacturer on these data. In addition, the potential effect of the results of the theoretical application on the daily earnings of the ship has also been qualitatively evaluated. This research was considered as a case study that a theoretical Rotor Sail system was simulated using real data of the voyages of the M/V Bettys Dream within the calendar year of 2022 and a comparison of a conventional vessel with the Rotor Sail-fitted vessel in the market. Simulation results proved investment feasibility and private interviews showed increasing interest for the vessels installed with energy saving technologies in the market. Since it is found an effective method for all stakeholders, an increase in the number of installed vessels is anticipated in the coming years as the current financial and operational difficulties are overcome.
Benzer Tezler
- Physical layer security performance of satellite networks
Uydu ağlarının fiziksel katman güvenlık başarımı
OLFA BEN YAHIA
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
Assoc. Prof. Dr. EYLEM ERDOĞAN
- Steady- state and transient performance analyses of a double output induction generator operating atsubsynchronous and supersynchronous speeds
Senkron altı ve senkron üstü hızlarda çalışabilen çift çıkışlı bir endüksiyon generatörünün kararlı ve geçici durum başarım analizleri
IŞIK ÇADIRCI
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER ERMİŞ
- Kapasitör uyarmalı asenkron generatörün optimal kapasitesinin hibrit genetik algoritma ile belirlenmesi
Determination of the optimal capacitance for the capacitor excited induction generator using the hybrid genetic algorithm
FEVZİ ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDüzce ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEDİM TUTKUN
- Türkiye rüzgâr verilerinin bayesyen maksimum entropi yaklaşımıyla uzay-zaman modeli
Spatiotemporal model of Turkey wind speed data with Bayesian maximum entropy approach
ÖZLEM BAYDAROĞLU
Doktora
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KASIM KOÇAK
- Ayırımsız nötron aktivasyon analizi sonuçlarını kullanarak geliştirilen hava kirliliği analiz yönteminin İzmir iline uygulanması
Application of an air pollution analysis method develoged based on the results of the non-destructive neutron activation analysis to the province of İzmir
ORHAN ŞEN