Geri Dön

Decarbonization pathways in maritime transportation: A techno-economic analysis of alternative marine fuels

Denizcilik taşımacılığında karbon salımının azaltılması yolları: Alternatif deniz yakıtlarının tekno-ekonomik analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 901584
  2. Yazar: EMİR EJDER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Denizcilik, Gemi Mühendisliği, Marine, 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: 150

Özet

Bu doktora tezi, küresel ticaretin omurgasını oluşturan deniz taşımacılığı sektörünün, 21. yüzyılın en acil çevresel sorunlarından biri olan iklim değişikliği bağlamında karşı karşıya kaldığı dekarbonizasyon zorluğunu çok boyutlu bir perspektiften ele almaktadır. Çalışma, alternatif yakıtların ve emisyon azaltma teknolojilerinin potansiyelini teknik, ekonomik ve çevresel boyutlarıyla inceleyerek, sektörün sürdürülebilir bir geleceğe geçişi için kapsamlı bir analitik çerçeve sunmaktadır. Araştırmanın teorik temeli, sürdürülebilir geçiş teorisi, sosyo-teknik sistemler yaklaşımı ve teknolojik yenilik sistemleri literatürüne dayanmaktadır. Bu teorik çerçeve, deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonunu sadece teknolojik bir mesele olarak değil, aynı zamanda karmaşık sosyo-ekonomik ve politik dinamikleri içeren bir sistem dönüşümü olarak kavramsallaştırmamıza olanak sağlamaktadır. Metodolojik açıdan çalışma, nitel ve nicel yöntemlerin sofistike bir kombinasyonunu içeren karma bir araştırma tasarımı benimsemektedir. Bu yaklaşım, araştırma konusunun çok boyutlu doğasını kapsamlı bir şekilde ele almamızı mümkün kılmaktadır. Çalışma, birbiriyle ilişkili üç özgün makale aracılığıyla, deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyon sürecinin farklı yönlerini incelemektedir. İlk makale, amonyak yakıtlı motorların dökme yük gemilerinde kullanımını ele almaktadır. Bu çalışmada, Monte Carlo simülasyonu ile desteklenen tekno-ekonomik analiz yöntemi kullanılmıştır. Analizde, Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) yakın zamanda uygulamaya koyduğu Enerji Verimliliği Mevcut Gemi Endeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu Göstergesi (CII) gibi düzenleyici çerçeveler de dikkate alınmıştır. Bu yaklaşım, amonyağın potansiyelini ve sınırlamalarını, mevcut düzenleyici bağlam içinde değerlendirmemize olanak sağlamıştır. İkinci makale, konteyner gemileri özelinde çeşitli emisyon azaltma tekniklerinin karşılaştırmalı maliyet-fayda analizini sunmaktadır. Bu çalışmada, dokuz farklı senaryo üzerinden yapılan analizler, scrubber sistemleri, LNG, amonyak ve diğer alternatif yakıtların ekonomik ve çevresel etkilerini ortaya koymaktadır. Çalışma, özellikle mevcut filonun dönüşümü (retrofit) ile yeni inşa edilecek gemiler arasındaki teknolojik ve ekonomik trade-off'ları incelemesi açısından literatüre önemli bir katkı sunmaktadır. Üçüncü makale ise, LNG ve çift yakıtlı motorların performansını, üç yıllık bir süre boyunca 11 deniz yolculuğundan elde edilen gerçek dünya verilerine dayanan ampirik bir analiz ile değerlendirmektedir. Bu çalışmada kullanılan karar ağacı yöntemi, LNG'nin IMO'nun 2050 emisyon hedefleri bağlamındaki potansiyelini ortaya koyarken, aynı zamanda bu teknolojinin sınırlamalarını da gözler önüne sermektedir. Araştırmanın bulguları, alternatif yakıtların ve emisyon azaltma teknolojilerinin deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonunda önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, bu potansiyelin gerçekleştirilmesi, çeşitli teknik, ekonomik ve operasyonel zorlukların aşılmasını gerektirmektedir. Örneğin, amonyak kullanımı, VLSFO ve MGO'ya kıyasla toplam yakıt tüketiminde azalma sağlarken ve NOX emisyonlarını etkili bir şekilde azaltırken, düşük enerji yoğunluğu ve yüksek üretim maliyetleri gibi dezavantajlara da sahiptir. Benzer şekilde, LNG kullanımı CO2 emisyonlarında yaklaşık %30 oranında bir azalma sağlarken, metan sızıntısı sorunu ve IMO'nun 2050 hedeflerini tam olarak karşılayamaması gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Çalışmanın en önemli çıkarımlarından biri, sektörün dekarbonizasyonu için tek bir evrensel çözümün bulunmadığıdır. Emisyon azaltma teknolojilerinin etkinliği, gemi türüne, operasyon profiline, ekonomik faktörlere ve hatta coğrafi bölgeye bağlı olarak değişmektedir. Bu durum, sektörün dekarbonizasyonu için çok yönlü ve uyarlanabilir stratejilerin gerekliliğini ortaya koymaktadır. Araştırma ayrıca, teknolojik yeniliklerin, ekonomik fizibilitenin ve düzenleyici çerçevelerin kesişiminde yer alan karmaşık ilişkileri de gün ışığına çıkarmaktadır. Örneğin, IMO'nun uygulamaya koyduğu EEXI ve CII gibi düzenlemeler, gemi sahiplerinin ve operatörlerinin teknoloji seçimlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu durum, sektörün dekarbonizasyon sürecinin sadece teknolojik bir mesele olmadığını, aynı zamanda kurumsal, ekonomik ve politik boyutları olan karmaşık bir sosyo-teknik geçiş sürecini temsil ettiğini göstermektedir. Tezin bulguları, sektörün dekarbonizasyonunun aşamalı bir süreç olması gerektiğini vurgulamaktadır. Kısa vadede, mevcut filonun enerji verimliliğini artırmaya yönelik önlemler (örneğin, operasyonel optimizasyon, hull ve propeller iyileştirmeleri) önem taşırken, orta vadede LNG gibi geçiş yakıtlarının rolü artacaktır. Uzun vadede ise, amonyak ve hidrojen gibi sıfır emisyonlu yakıtlara geçiş kaçınılmaz görünmektedir. Bu geçiş sürecinin başarısı, sektörün tüm paydaşlarının işbirliği içinde çalışmasına ve bütüncül politikaların geliştirilmesine bağlıdır. Çalışma, deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonunun, küresel iklim değişikliği mücadelesindeki kritik rolünü de vurgulamaktadır. IMO'nun 2018 yılında kabul ettiği Başlangıç GHG Stratejisi'nin, sektörün toplam yıllık GHG emisyonlarını 2050 yılına kadar sıfırlama hedefi, oldukça iddialı bir hedeftir. Bu hedefin gerçekleştirilmesi, sadece teknolojik yenilikleri değil, aynı zamanda sektörün iş modellerinde, operasyonel uygulamalarında ve düzenleyici çerçevesinde köklü değişiklikleri gerektirmektedir. Araştırmanın bir diğer önemli bulgusu, alternatif yakıtların ve emisyon azaltma teknolojilerinin benimsenmesinde karşılaşılan engellerin çok boyutlu doğasıdır. Teknik zorluklar (örneğin, yakıt altyapısı eksikliği, gemi tasarımlarında gerekli değişiklikler), ekonomik bariyerler (yüksek başlangıç maliyetleri, belirsiz yatırım getirisi), ve kurumsal engeller (düzenleyici belirsizlikler, endüstri standartlarının eksikliği) bu geçiş sürecini karmaşıklaştırmaktadır. Bu engellerin aşılması için, kamu-özel sektör işbirliklerinin güçlendirilmesi, Ar-Ge yatırımlarının artırılması ve uzun vadeli, istikrarlı politika çerçevelerinin oluşturulması gerekmektedir. Çalışma ayrıca, deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonunun küresel tedarik zincirleri üzerindeki potansiyel etkilerini de ele almaktadır. Alternatif yakıtlara geçiş, yakıt tedarik zincirlerinin yeniden yapılandırılmasını gerektirecek ve bu durum, küresel ticaret akışlarını etkileyebilecektir. Örneğin, LNG veya amonyak gibi yakıtların kullanımının yaygınlaşması, bu yakıtların üretimi, depolanması ve dağıtımı için yeni altyapı yatırımlarını gerektirecektir. Bu durum, bazı limanların ve bölgelerin stratejik önemini artırırken, diğerlerinin rekabet gücünü azaltabilir. Tezin bir diğer önemli katkısı, deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonunun finansmanı konusundaki analizidir. Çalışma, geleneksel finansman modellerinin, sektörün karşı karşıya olduğu uzun vadeli ve yüksek maliyetli dönüşümü desteklemekte yetersiz kalabileceğini ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, yeşil tahviller, karbon kredileri ve sürdürülebilirlik bağlantılı krediler gibi yenilikçi finansman mekanizmalarının potansiyeli vurgulanmaktadır. Sonuç olarak, bu doktora tezi, deniz taşımacılığı sektörünün sürdürülebilir bir geleceğe geçişi için kapsamlı bir analitik çerçeve sunmaktadır. Çalışma, sektörün karbon ayak izini azaltmak için çok yönlü bir yaklaşımın gerekliliğini vurgularken, bu süreçte karşılaşılabilecek zorlukları ve fırsatları da ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, teknolojik yeniliklerin, ekonomik teşviklerin, düzenleyici çerçevelerin ve sektörel işbirliğinin entegre bir şekilde ele alınması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu araştırma, politika yapıcılar, sektör liderleri ve akademisyenler için değerli içgörüler sunmakta ve gelecekteki araştırmalar için sağlam bir teorik ve ampirik temel oluşturmaktadır. Bununla birlikte, çalışmanın bazı sınırlamaları da bulunmaktadır. Özellikle, incelenen gemi türlerinin ve operasyon profillerinin sınırlı olması, bulguların genelleştirilebilirliğini etkileyebilir. Ayrıca, hızla gelişen teknolojik ve düzenleyici ortam, çalışmanın bulgularının zaman içinde güncellenme ihtiyacını doğurabilir. Gelecekteki araştırmalar için, bu çalışmanın kapsamını genişletmek ve derinleştirmek önem taşımaktadır. Özellikle, daha geniş bir yelpazede gemi türlerini ve operasyon profillerini incelemek, bulguların genelleştirilebilirliğini artıracaktır. Bununla birlikte, alternatif yakıtların ve emisyon azaltma teknolojilerinin uzun vadeli etkilerini anlamak için küresel tedarik zincirlerinin ve jeopolitik faktörlerin alternatif yakıt adoptasyonu üzerindeki etkilerinin daha derinlemesine incelenmesi, bu alandaki bilgi birikimini zenginleştirebilir. Deniz taşımacılığı sektörünün dekarbonizasyonu, sadece sektörün kendisi için değil, küresel iklim değişikliği mücadelesi için de kritik öneme sahiptir. Bu tez çalışması, bu karmaşık ve çok boyutlu zorluğun üstesinden gelmek için gerekli stratejik yaklaşımları sunarak, sektörün sürdürülebilir bir geleceğe geçişine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır. Sektörün başarılı bir şekilde dönüşümü, tüm paydaşların koordineli çabası, sürekli inovasyon ve uzun vadeli, istikrarlı politika çerçeveleri ile mümkün olacaktır.

Özet (Çeviri)

The doctoral thesis addresses the decarbonization challenge that the maritime transport sector, a key player in global trade, is confronting in the context of climate change, one of the most pressing environmental challenges of the 21st century. By thoroughly examining the potential of alternative fuels and emission reduction technologies in their technical, economic and environmental dimensions, the study provides a comprehensive and robust analytical framework for the sector's transition to a sustainable future. The research's theoretical foundation is based on sustainable transition theory, a socio-technical systems approach, and technological innovation systems literature. This theoretical framework allows us to conceptualize the decarbonization of the maritime transport sector not only as a technological issue but also as a system transformation involving complex socio-economic and political dynamics. From a methodological perspective, the study adopts a mixed research design involving a sophisticated combination of qualitative and quantitative methods. The approach allows us to address the research topic's multidimensional nature comprehensively. The study examines different aspects of the decarbonization process of the maritime transport sector through three interrelated original papers. The first paper deals with the use of ammonia-fueled engines on bulk carriers. In this study, a techno-economic analysis method supported by Monte Carlo simulation is used. The analysis also takes into account regulatory frameworks such as the recently introduced Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) and Carbon Intensity Indicator (CII) of the International Maritime Organization (IMO). This approach allowed us to assess the potential and limitations of ammonia within the current regulatory context. The second paper presents a comparative cost-benefit analysis of various emission reduction techniques for container ships. Nine different scenarios are analyzed, revealing the economic and environmental impacts of scrubber systems, LNG, ammonia, and other alternative fuels. The study contributes to the literature, especially examining the technological and economic trade-offs between retrofitting the existing fleet and new building ships. The third paper's empirical analysis of LNG and dual-fuel engines, based on real-world data from 11 sea voyages over a three-year period, provides valuable insights. The use of the decision tree method in this study not only reveals the potential of LNG in the context of IMO's 2050 emission targets but also highlights the practical limitations of this technology, thereby offering actionable guidance for industry professionals. The study's findings show that alternative fuels and emission reduction technologies have significant potential for decarbonizing the maritime transport sector. However, realizing this potential requires overcoming various technical, economic and operational challenges. For example, while using ammonia reduces total fuel consumption and effectively reduces NOX emissions compared to VLSFO and MGO, it also has disadvantages such as low energy density and high production costs. Similarly, while using LNG reduces about 30 per cent of CO2 emissions, it faces problems such as the problem of methane leakage and the inability to meet the IMO's 2050 targets fully. One of the study's most important conclusions is that there is no single universal solution for the sector's decarbonization. The effectiveness of emission reduction technologies varies depending on ship type, operational profile, economic factors, and even geographical region. This underscores the need for multifaceted and adaptive strategies, providing a sense of reassurance about the sector's flexibility and resilience in the face of decarbonization challenges. The research also illuminates the complex relationships at the intersection of technological innovation, economic feasibility, and regulatory frameworks. For example, IMO regulations such as EEXI and CII significantly influence the technology choices of ship owners and operators. It shows that the sector's decarbonization process is a technological issue and a complex socio-technical transition process with institutional, economic, and political dimensions. The thesis findings highlight that the sector's decarbonization should be gradual. In the short term, measures to improve the energy efficiency of the existing fleet (e.g. operational optimization, hull and propeller upgrades) will be important. In contrast, in the medium term, the role of transition fuels such as LNG will increase. In the long term, a transition to zero-emission fuels such as ammonia and hydrogen seems inevitable. The success of this transition process depends on the cooperation of all sector stakeholders and the development of holistic policies. The study also highlights the critical role of decarbonization of the maritime transport sector in the fight against global climate change. The target of the Initial GHG Strategy adopted by IMO in 2018 to eliminate the total annual GHG emissions of the sector by 2050 is very ambitious. The realization of this target requires not only technological innovations but also fundamental changes in the sector's business models, operational practices and regulatory framework. Another important finding of the research is the multidimensional nature of the barriers to the adoption of alternative fuels and emission-reduction technologies. Technical challenges (e.g. lack of fuel infrastructure, required changes in ship designs), economic barriers (high initial costs, uncertain return on investment), and institutional barriers (regulatory uncertainties, lack of industry standards) complicate this transition process. To overcome these barriers, it's crucial for public-private partnerships to be strengthened, making the audience feel involved in the sector's transition. The study also addresses the potential impacts of decarbonization of the maritime transport sector on global supply chains. The transition to alternative fuels will require restructuring fuel supply chains, which may affect global trade flows. For example, the widespread use of fuels such as LNG or ammonia will require new infrastructure investments for production, storage and distribution. It may increase the strategic importance of some ports and regions while reducing the competitiveness of others. Another significant contribution of the thesis is its analysis of the financing of the decarbonization of the maritime transport sector. The study reveals that more than traditional financing models may be needed to support the sector's long-term and costly transformation. In this context, the potential of innovative financing mechanisms such as green bonds, carbon credits and sustainability-linked loans is highlighted. In conclusion, this PhD thesis provides a comprehensive analytical framework for the transition of the maritime transport sector towards a sustainable future. The study emphasizes the need for a multifaceted approach to reducing the sector's carbon footprint while also highlighting the challenges and opportunities that may be encountered in this process. In this context, it is concluded that technological innovations, economic incentives, regulatory frameworks, and sectoral cooperation need to be addressed in an integrated manner. This research provides valuable insights for policymakers, industry leaders, and academics and a solid theoretical and empirical foundation for future research. However, the study also has some limitations. In particular, the limited number of vessel types and operation profiles examined may affect the generalizability of the findings. Moreover, the rapidly evolving technological and regulatory environment may necessitate updating the study's findings. For future research, it is important to extend and deepen the scope of this study. Examining a wider range of ship types and operational profiles will increase the generalizability of the findings. However, a more in-depth examination of the effects of global supply chains and geopolitical factors on alternative fuel adoption to understand the long-term impacts of alternative fuels and emission reduction technologies could enrich the body of knowledge in this field. Decarbonization of the maritime transport sector is critical not only for the sector itself but also for the global climate change response. This thesis aims to contribute to the sector's transition to a sustainable future by presenting the strategic approaches necessary to tackle this complex and multidimensional challenge. The successful transformation of the sector will be possible through coordinated efforts by all stakeholders, continuous innovation, and long-term, stable policy frameworks.

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

    698937

    Decarbonization pathways for Turkish power system using the leap model

    Leap modeli kullanılarak Türkiye elektrik sistemi için dekarbonizasyon yolları

    FATMA ECE ÖZER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiKadir Has Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN KİRKİL

    PROF. DR. AHMET DENİZ YÜCEKAYA

  3. Tez No

    863815

    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

    Türkçe

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN

  4. Tez No

    724063

    Assessing the decarbonisation of the power sector for south Africapursuant to the paris agreement

    Başlık çevirisi yok

    AHMET FATİH IRKLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiThe University of Manchester

  5. Tez No

    895904

    Ada modunda çalışan yeşil hidrojen mikroşebekesi sisteminin matlab/simulink ile analizi

    İslanded operation of green hydrogen microgrid system with matlab/ simulink

    GÜLŞAH ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYaşar Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HACER ÖZTURA

Geri Dön