Geri Dön

Environmental assessment of alternative marine fuels and installations

Alternatif deniz yakıtlarının ve sistemlerinin çevresel açıdan değerlendirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 887269
  2. Yazar: BUĞRA ARDA ZİNCİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 164

Özet

Fosil yakıt tüketiminin artışı, küresel ısınmayı kaçınılmaz bir sonuç haline getirmektedir. Fosil yakıtlar, siyah karbon (BC), karbon monoksit (CO), karbondioksit (CO2), metan (CH4), azot oksit (N2O), azot oksitler (NOX), organik karbon (OC), partikül madde (PM) sülfür oksitler (SOX) ve uçucu organik bileşikler (VOC'ler) gibi zararlı hava kirleticilerini yaymaktadır. İklim değişikliğine en büyük etkide bulunanlar ise sera gazları (GHG'ler) olup, bunlar arasında CO2, CH4 ve N2O bulunmaktadır. Ayrıca, BC, OC ve VOC emisyonlarının da küresel ısınma üzerinde olumsuz etkisi vardır. İklim değişikliğinin yanı sıra, asit yağmuru, ekosistemdeki değişiklikler, sağlık sorunları ve ozon tabakasındaki değişiklikler, emisyonların diğer etkileri arasındadır. Emisyonların etkilerini sınırlamak amacıyla kara, havacılık ve deniz taşımacılığında daha sıkı düzenlemeler getirilmiştir. Bu tez özellikle gemi bazlı emisyonlar üzerine odaklanmaktadır. Denizcilik sektöründe, yıllardır Gemilerden Kaynaklanan Kirliliğin Önlenmesine İlişkin Uluslararası Sözleşme (MARPOL) kapsamında düzenlemeler yapılmış olup, ancak son yıllarda daha sıkı kurallar getirilmiştir. Bu kurallardan biri, gemi makinelerinin ürettiği NOX emisyonlarını sınırlamak amacıyla 10 Ekim 2008'de kabul edilen NOX Teknik Kodu'dur. Ayrıca, 1 Ocak 2013'te CO2 emisyonlarını azaltmayı hedefleyen Enerji Verimliliği Tasarım İndeksi (EEDI) ve Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) gibi yeni kurallar duyurulmuştur. Buna ek olarak, CO2 kirleticilerini azaltmak amacıyla 1 Temmuz 2015'te İzleme, Raporlama ve Doğrulama (MRV) ve 1 Mart 2018'de Veri Toplama Sistemi (DCS) kuralları yürürlüğe girmiştir. Ayrıca, 1 Ocak 2020'de Emisyon Kontrol Alanı (ECA) ve ECA dışı bölgelerde seyreden gemiler için yeni kükürt limitleri belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, 1 Ocak 2023'te Enerji Verimliliği Mevcut Gemi İndeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu Göstergesi (CII) yürürlüğe girmiş olup, CO2 emisyonuna azaltma üzerine odaklanmaktadır. Ayrıca, Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) sera gazı stratejisine ilişkin 7 Temmuz 2023'te yapılan son güncellemesinde, 2030 yılına kadar GHG emisyonlarında %20'lik bir azaltma hedefi ve %30'a ulaşmayı amaçlayan bir hedef ortaya konulmuştur. Ayrıca, 2040 yılı için %70'lik bir azalma ve %80'e ulaşmayı amaçlayan bir hedef belirlenmiştir. Ek olarak, 2050 yılına kadar denizcilik sektöründe karbonsuzlaşma hedefler arasındadır. Aynı tarihte, deniz yakıtlarının kuyudan kullanıma (WTW) kadarki emisyonlarını değerlendirmek için bir Yaşam Döngüsü Değerlendirme (LCA) Kılavuzu duyurulmuştur. Ayrıca, 1 Ocak 2024'te Avrupa Emisyon Ticaret Sistemi (EU ETS) adlı yeni bir düzenleme yürürlüğe girmiştir. EU ETS şu anda yalnızca CO2 emisyonuna odaklanmaktadır, ancak önümüzdeki yıllarda diğer GHG'leri de kapsayacağı belirtilmiştir. Bu kuralların yanı sıra, 1 Ocak 2025'te GHG emisyonlarını azaltmayı amaçlayan FuelEU kuralı yürürlüğe girecek olup, her beş yıllık dönemde GHG yoğunluğu limitleri daha da azaltılacağı ifade edilmiştir. Düzenlemelere uymak amacıyla, çeşitli emisyon azaltma yöntemleri önerilmiştir. Bu yöntemlerin bazıları gemi üzerinde değişiklikler yapmayı içerirken, bazıları operasyonel çözümlerden oluşmaktadır. Örneğin, yavaş seyir, hava raporlarına göre rota belirlenmesi, balast suyu operasyonu, trim-draft optimizasyonu, otomatik pilot kullanımı, akıllı tahrik kontrol sistemi, planlı bakım-tutum, gövde-pervane temizliği ve yapay zekâ ile öngörücü bakım, gemi bazlı emisyonları azaltmanın operasyonel yolları olarak benimsenebilmektedir. Öte yandan, pre-swirl stator pervane, pervane kapağı, pervane nozulu, pervane ve dümen optimizasyonu, gövde optimizasyonu, egzoz gazı geri dönüş sistemi, silindir içerisine su ve buhar enjeksiyonu, alternatif yakıt kullanımı, motor ve makine modifikasyonu, hava kabarcığı sistemi, hibrit güç sistemleri, yakıt hücreleri, elektrikli tahrik sistemleri, yenilenebilir enerji, atık ısı geri kazanım sistemi, şaft jeneratörü, karbon yakalama sistemi, seçici katalitik indirgeme sistemi ve kükürt yıkama sistemi gibi yöntemler gemilerde ek değişiklikler gerektirmektedir. Mevcut birçok emisyon azaltma yöntemi bulunmasına rağmen, alternatif yakıtlar, otoriteler tarafından belirlenen emisyon kurallarını karşılamak için en ilgi çekici yöntemlerden biri haline gelmiştir. Literatürde, alternatif deniz yakıtları üzerine birçok çalışma yapılmış, ancak yakıtların yaşam döngüsü emisyonları üzerine sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu nedenle, bu tez çalışmasında amonyak, biyodizel, dimetil eter (DME), Elektro Fischer-Tropsch Dizel (E-FT-Dizel), Elektro-Metanol (E-Metanol), Fischer-Tropsch Dizel (FT-Dizel), hidrojen, sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), deniz biyoyakıtı, metanol, piroliz yağı, yenilenebilir dizel ve bitkisel yağ (SVO) yakıtlarının WTW emisyonları değerlendirilmiştir. Ayrıca, halihazırda kullanılan yakıt seçenekleriyle karşılaştırma olanağı sağlamak amacıyla marine diesel oil (MDO), marine gas oil (MGO) ve ultra düşük kükürtlü ağır yakıt (ULSFO) da çalışmaya dahil edilmiştir. Bu çalışmada yakıtların WTW emisyonlarını araştırmak için LCA yöntemi kullanılmıştır. LCA analizi 2500 kW ana motor ve her biri 220 kW güce sahip üç yardımcı dizel motorla donatılmış genel bir yük gemisinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, WTW emisyonları iki aşamada belirlenmiştir. İlk olarak, yapılan varsayımlara göre GREET Model 2023 yazılımı kullanılarak kuyudan pompaya (WTP) sonuçları elde edilmiştir. İkinci aşamada, genel yük gemisi için gemi işletmeciliği şirketinden alınan seyir verileri dikkate alınarak pompadan kullanım (PTW) aşamasındaki emisyonları hesaplanmıştır. Ayrıca, yakıtların çevresel etkilerini değerlendirmek için OpenLCA programı kullanılarak bir Çevresel Etki Değerlendirmesi (EIA) analizi yapılmıştır. EIA, asidifikasyon potansiyeli, iklim değişikliği, tatlı su eko-toksisitesi, deniz ötrofikasyonu, karasal ötrofikasyon, kanser dışı insan toksisitesi, partikül madde, fotokimyasal oksidan oluşumu ve fotokimyasal ozon oluşumu olmak üzere dokuz farklı etki kategorisinde gerçekleştirilmiştir. LCA'ya ek olarak, yakıtların maliyet açısından değerlendirilmesi için bir Yaşam Döngüsü Maliyet Analizi (LCCA) yapılmıştır. Bu analiz kapsamında sermaye harcamaları (CapEx), yaşam döngüsü yakıt maliyeti ve yaşam döngüsü bakım maliyetleri incelenmiştir. LCA analizi sonuçlarına göre; asidifikasyon potansiyeli kriterinde LNG'nin, ardından DME'nin öne çıktığı görülmektedir. İklim değişikliği çevresel etki kategorisinde, hidrojen, E-Metanol ve E-FT-Dizel en üstün seçenekler arasında bulunmaktadır. Tatlı su eko-toksisite potansiyeli kategorisinde, hidrojen oldukça belirgin bir farkla en üstün tercih olmaktadır. Deniz ötrofikasyonu ve karasal ötrofikasyonda, LNG, ardından DME, umut verici sonuçlar vermektedir. Kanser dışı insan toksisitesi kriterinde, hidrojen bir kez daha en iyi yakıt olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca, partikül madde etki kategorisinde, LNG, LPG ve hidrojen en düşük çevresel etkiye sahip yakıtlar arasında bulunmaktadır. Son olarak, fotokimyasal oksidan ve ozon oluşumu kriterlerinde ise, LNG öne çıkmaktadır. LCA sonuçları, yakıtların tüm etki kategorilerindeki çevresel etkilerini azaltmak için tek bir yakıt seçeneği olmadığını, ancak bazı yakıtların çevresel zararı azaltma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. LCA analizine göre LNG, DME, LPG, hidrojen, metanol, E-FT-Dizel ve E-Metanol en çekici seçenekler arasındadır. Öte yandan, GHG emisyonları üzerindeki mevcut düzenlemeler göz önüne alındığında, E-FT-Dizel, E-Metanol, hidrojen ve LPG, MDO'ya kıyasla iklim değişikliği üzerinde daha az olumsuz etkiye sahip oldukları görülmektedir. Fakat, LPG 2030 sınırlarını karşılayamamaktadır; bu nedenle yalnızca kısa vadede fayda sağlayacağı ön görülmektedir. Bunun yanında, hidrojen iklim değişikliği üzerindeki etkisi en düşük olan yakıt olsa da NOX Teknik Kodu'nun belirlediği limitleri karşılayamama nedeniyle yüksek NOX emisyonu bir sorun olarak görülmektedir. Aksine, E-FT-Dizel ve E-Metanol, MDO'ya kıyasla her bir etki kategorisinde daha iyi performans gösterdiklerinden ve mevcuttaki tüm kurallara uyum sağlayabildiklerinden ilgi çekici yakıtlar arasındadırlar. LCCA analizi, yakıt seçimi yapılırken dikkate alınması gereken bir başka önemli hususu ortaya koymaktadır. Yaşam döngüsü maliyetine en büyük etki yakıt ücretlerinden gelirken, bakım-tutum ve CapEx ücretleri benzer etkilere sahiptir. Bulgulara göre, MDO, ULSFO ve FT-Dizel sırasıyla $8.91M, $8.93M ve $9.43M ile en düşük yaşam döngüsü maliyetlerine sahip yakıtlardır. LCA'ya göre öne çıkan yakıtlardan biri olan E-FT-Dizel, $18.11M ile on ikinci en yüksek yaşam döngüsü maliyetine sahipken, LCA analizinde yüksek performans sergileyen E-Metanol ise $32.81M ile on beşinci sırada bulunmaktadır. E-FT-Dizel ve E-Metanol arasındaki fark $14.70M olup, E-Metanol'un çevresel etkisi biraz daha düşüktür. E-Metanol'un çevreye zararının daha az olmasına rağmen yüksek maliyetinden dolayı E-FT-Dizel fiyat-fayda açısından en cezbedici sonucu vermektedir. Son kararı verirken, gemi tipi, yaşı ve seyir bölgesi gibi diğer önemli hususlar da göz önünde bulundurulmalıdır. Örneğin, kruvaziyer ve roll-on-roll-off (Ro-Ro) gemileri için güvenlik önem kazanırken, yük gemileri için taşınan yük miktarı önemli rol oynamaktadır. Ayrıca, daha genç yaştaki gemiler gelecekteki kurallara uymak zorunda kalacaktır ve bu nedenle daha temiz yakıtlar kullanmaları gerekecektir. Oysa daha yaşlı gemilere yapılan yatırım maliyetlerinin daha düşük olması armatör açısından daha ihtiyatlı bir karar olacaktır. Ayrıca, daha az gelişmiş bölgelerde seyreden gemiler, altyapı ve yakıt kıtlığı ile ilgili sorunlar yaşayabilmektedir bu nedenle gemiye makine seçimi yapılacakken bu hususun da dikkate alınması gerekmektedir. Tüm çıktıları göz önünde bulundurarak, E-FT-Dizel, E-Metanol, LNG, LPG ve metanol, gemiler için istenen koşulları sağlayabileceği ön görülmektedir.

Özet (Çeviri)

The rise in fossil fuel consumption has made global warming an inevitable outcome. Fossil fuels emit harmful air pollutants such as black carbon (BC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), nitrogen oxide (NOX), organic carbon (OC), particulate matter (PM), sulfur oxide (SOX) and volatile organic compounds (VOCs). The primary contributors to climate change are greenhouse gases (GHGs), including CO2, CH4, and N2O. Besides, BC, OC, and VOC emissions have an impact on global warming. Moreover, acid rain, changes in the ecosystem, health issues, and alterations in ozone are the other effects of emissions. Stricter regulations have been introduced in land, aviation, and maritime transportation to limit the impacts of emissions. This thesis particularly focuses on the ship-based emissions side. Regulations have been adopted in the maritime sector for years under The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships (MARPOL), but in the last decades, constrictor rules have been introduced. One of which is the NOX Technical Code adopted on 10 October 2008 to limit the NOX emissions produced by ship engines. Additionally, on 1 January 2013, new sets of rules were announced, namely the Energy Efficiency Design Index (EEDI) and Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), which are aimed at decreasing CO2 emissions. Moreover, on 1 July 2015, Monitoring, Reporting, and Verification (MRV) and on 1 March 2018, the Data Collection System (DCS) entered into force to mitigate CO2 pollutants. Besides, on 1 January 2020, a new sulfur limit was set for the ships sailing in the Emission Control Area (ECA) and outside ECA zones. Also, on 1 January 2023, the Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) and Carbon Intensity Indicator (CII) became effective, focusing on CO2 emission. In addition, a recent update on the GHG strategy of the International Maritime Organization (IMO) was made on 7 July 2023. The revision now targets a 20% reduction in GHG emissions by 2030, intending to reach 30%, and aims for a 70% decrease by 2040, striving for 80% compared to 2008 levels. Also, by 2050, total decarbonization is targeted. Moreover, on the same date, a Life Cycle Assessment (LCA) Guideline was announced to evaluate the emissions of marine fuels from a well-to-wake (WTW) perspective. Additionally, on 1 January 2024, a new regulation entered into force named the European Emission Trading Scheme (EU ETS). EU ETS is currently focusing solely on CO2 emission, but in the upcoming years, it will also involve other GHGs. Furthermore, on 1 January 2025, the FuelEU rule will be enforced to mitigate GHG emissions, and each five-year interval GHG intensity will be reduced. In order to comply with the regulations, various means of emission abatement measures have been proposed. While some of those measures involve modifications on a ship, some are operational solutions. For instance, slow-steaming, weather routing, ballast water operation, trim-draft optimization, autopilot improvement, smart propulsion control system, planned maintenance, hull-propeller cleaning, and artificial intelligence predictive maintenance are operational ways of mitigating ship-based emissions. On the other hand, pre-swirl stator propeller, propeller cap, propeller nozzle, propeller and rudder optimization, hull optimization, exhaust gas recirculation, water and steam injection, use of alternative fuel, engine and machinery modification, air lubrication system, hybrid power systems, fuel cells, electric ship, renewable energy, waste heat recovery system, shaft generator, carbon capture system, selective catalytic reduction system and sulfur scrubber are the measures require modifications on a vessel. Despite many emission abatement means being available, alternative fuels became a promising way to meet the limits enforced by the regulations. In the literature, many studies were conducted on alternative marine fuels, yet there are limited papers regarding the whole life cycle emissions of the fuels. Hence, this thesis study considered the WTW emissions of ammonia, biodiesel, dimethyl ether (DME), Electro Fischer-Tropsch Diesel (E-FT-Diesel), Electro-Methanol (E-Methanol), Fischer-Tropsch Diesel (FT-Diesel), hydrogen, liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), marine bio-oil, methanol, pyrolysis oil, renewable diesel and straight vegetable oil (SVO). Furthermore, marine diesel oil (MDO), marine gas oil (MGO), and ultra-low sulfur fuel oil (ULSFO) are included in the study to enable a comparison chance with the currently utilized fuel choices. To investigate the WTW emissions of the fuels, the LCA method was employed. This analysis was conducted on a general cargo vessel equipped with a 2500 kW main engine and three auxiliary diesel engines, each with a power output of 220 kW. The WTW emissions were determined in two stages. At first, well-to-pump (WTP) results were obtained from the GREET Model 2023 software according to the assumptions made. In the second stage, pump-to-wake (PTW) emissions were calculated considering the voyage data received from the ship management company for the general cargo ship. Additionally, an Environmental Impact Assessment (EIA) was conducted using the OpenLCA program to evaluate the environmental impacts of the fuels. The EIA was carried out in nine different categories, which are acidification potential, climate change, freshwater ecotoxicity, marine eutrophication, terrestrial eutrophication, non-cancer human toxicity, particulate matter, photochemical oxidant formation, and photochemical ozone formation. Besides the LCA, a Life Cycle Cost Analysis (LCCA) was done to evaluate the fuels cost-wise. The LCCA involves Capital Expenditure (CapEx), life cycle fuel cost, and life cycle maintenance cost of each fuel and power installation. The LCA analysis reveals that in the acidification potential criterion, LNG is the prominent choice followed by DME. In the climate change environmental impact category, hydrogen, E-Methanol, and E-FT-Diesel are the superior options. In the freshwater ecotoxicity potential category, hydrogen is the dominant choice with a quiet margin. In marine eutrophication and terrestrial eutrophication, LNG is having a promising result, followed by DME. In the non-cancer human toxicity criterion, hydrogen once again emerges as the best fuel. Moreover, in the particulate matter impact category, LNG, LPG, and hydrogen have the lowest impact. In photochemical oxidant and ozone formation criteria, LNG prevails. The LCA results indicate that there is not a single fuel choice to mitigate the environmental impact of the fuels, but some of them have the potential to reduce overall environmental harm. LNG, DME, LPG, hydrogen, methanol, E-FT-Diesel, and E-Methanol are the most attractive options considering the LCA analysis. On the other hand, regarding the current trends of the regulations on GHG emissions, E-FT-Diesel, E-Methanol, hydrogen, and LPG have a lesser effect on climate change compared to MDO, considering the WTW results. In addition, LPG cannot meet the 2030 limits; thus, it can only benefit in the short term. Besides, hydrogen possesses the lowest impact on climate change, yet the NOX emission is an issue because of the NOX Technical Code. On the contrary, E-FT-Diesel and E-Methanol have better performance in each impact category with respect to MDO. The LCCA analysis shows the other essential point of the fuels. The primary contributor to the life cycle cost is the fuel cost, while maintenance and CapEx have similar impacts. According to the findings, MDO, ULSFO, and FT-Diesel have the lowest life cycle costs with $8.91M, $8.93M, and $9.43M, respectively. E-FT-Diesel, which is one of the prevailing fuels according to LCA, has the twelfth highest life cycle cost with $18.11M, while E-Methanol is the fifteenth with $32.81M. The difference between the E-FT-Diesel and E-Methanol is $14.70M, with a slightly lower environmental impact of E-Methanol. Therefore, E-FT-Diesel becomes the most cost-efficient fuel choice. When making a final decision, other important aspects include the ship type, age, and sailing region. For instance, for cruise and roll-on-roll-off (Ro-Ro) ships, safety gains importance, while for cargo ships, the amount of carried cargo is essential. In addition, younger vessels will have to comply with upcoming regulations and thus are required to utilize cleaner fuels, while investments in older ships need to be lower. Furthermore, vessels sailing in less developed areas may have issues related to infrastructure and scarcity of fuel. Considering those, E-FT-Diesel, E-Methanol, LNG, LPG, and methanol can provide the desired conditions for the vessels.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    860491

    Alternatif yakıtlarla deniz taşımacılığı dekarbonizasyonu

    Decarbonization of shipping through alternative fuels

    KÜBRA GÖKÇAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    KimyaMarmara Üniversitesi

    Fizikokimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKÇEN ALEV ÇİFTÇİOĞLU

  2. Tez No

    887192

    İstanbul Boğazı'nda gemi kaynaklı egzoz emisyonlarının hesaplanması ve hava kalitesine etkisinin Aermod Dispersiyon Modeli ile belirlenmesi

    Estimation of exhaust emissions from ships in the strait of Istanbul and determination of the effect on air quality by Aermod Dispersion Model

    ARAKS EKMEKÇİOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gemi MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. UĞUR BUĞRA ÇELEBİ

    DR. KAAN ÜNLÜGENÇOĞLU

  3. Tez No

    677216

    Techno-economic investigation of alternative propulsion systems for tugboats

    Römorkörler için alternatif sevk sistemlerinin tekno-ekonomik incelenmesi

    ÖMER EMRE KARAÇAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

  4. Tez No

    541837

    Limanlar için bütünleşik yenilenebilir enerji güç sistemlerinin tekno-ekonomik analizi

    Techno-economic assessment of hybrid power systems for ports

    MEHMET MİRDALI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ PELİN BOLAT

  5. Tez No

    858628

    Et Entegre Tesislerinde Çevresel Etkilerin Yaşam Döngüsü Analizi ile Değerlendirilmesi ve Sürdürülebilirliğinin İyileştirilmesi

    Environmental Impact Assessment With Life Cycle Analysis in Meat Integrated Plant and Improving Sustainability

    NUR SEDA ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASEMİN KAYA

    PROF. DR. İLDA VERGİLİ

Geri Dön