Geri Dön

Gemi manevraları esnasında emisyon değerlerinin hesaplanması ve simülasyon ile doğrulanması: Uygunluk ve fark analizi

Calculation and assessment of emission values during ship maneuvers with validation through simulation: A suitability and variance analysis

PDF İndir

  1. Tez No: 915338
  2. Yazar: LEVENT KABA
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ YUNUS EMRE ŞENOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Denizcilik, Gemi Mühendisliği, Ulaşım, Marine, Marine Engineering, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  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: 155

Özet

Dünya ticaretinin sürdürülebilirliği açısından kritik bir rol üstlenen deniz taşımacılığı, büyük hacimli yüklerin tek seferde kıtalar arası taşınmasını mümkün kılan yegâne taşıma yöntemidir. Son verilere göre, küresel lojistik sektörünün %80'inden fazlası deniz taşımacılığı aracılığıyla gerçekleşmektedir. Artan nüfus ve genişleyen küresel ticaret ağı paralelinde, denizcilik sektörüne düşen sorumluluk giderek artmaktadır. Son yıllarda gemi sayısında belirgin bir artış gözlenmese de artan talep doğrultusunda gemi tonajlarında hızlı bir büyüme yaşanmaktadır. Bu gelişme, denizcilik sektörünün küresel ticaretin artan taleplerini karşılamadaki stratejik önemini daha da vurgulamaktadır. Gemi tonajlarındaki artış, aynı zamanda hava kirliliğinde de bir yükselişe yol açmakta ve bu durum çevre üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Halihazırda dünya genelinde hizmet veren çoğu gemi ve deniz yardımcıları, güç üretimi için fosil yakıtlarla çalışan dizel makineler kullanmaktadır. Fosil yakıtların yanması, doğrudan insan sağlığını tehdit eden kükürt dioksit (SO2), azot oksitleri (NOX), karbon monoksit (CO), uçucu organik bileşikler (VOCs) ve partikül madde (PM) gibi kirleticilerin çevreye salınımına neden olurken; diğer taraftan, sera etkisi yaratarak küresel ısınmaya yol açan metan (CH4), diazot oksit (N2O), karbon dioksit (CO2), kloroflorokarbonlar (CFC'ler), hidrokloroflorokarbonlar (HCFC'ler), hidroflorokarbonlar (HFC'ler) ve perflorokarbonlar (PFC'ler) gibi gazların salınımına da sebep olmaktadır. Deniz taşımacılığı, diğer taşıma modlarıyla kıyaslandığında ton başına salınan emisyon miktarının çok daha düşük olması nedeniyle verimli ve sürdürülebilir bir ulaşım yöntemi olarak öne çıkmaktadır. Ancak, denizcilik sektörü, diğer taşıma modlarına kıyasla sektördeki yüksek payı nedeniyle küresel sera gazı emisyonlarına önemli ölçüde sebep olmaktadır. Uluslararası denizcilik kaynaklı CO2 salınımı yaklaşık %3 iken, azot oksit (NOX) ve kükürt oksit (SOX) emisyonları sırasıyla küresel emisyonların yaklaşık %13 ve %12'sini oluşturmaktadır. Ayrıca, gerekli önlemler alınmazsa, CO₂ emisyonlarının 2050 yılına kadar %50 ile %250 oranında artması beklenmektedir. Bu durum, deniz taşımacılığının küresel sera gazı emisyonlarını azaltmak için önlemler almasının zorunlu hale geldiğini göstermektedir. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından belirlenen 2050 sıfır emisyon hedefi doğrultusunda, denizcilik sektörünün emisyonlarını kademeli olarak azaltması gerekliliği zorunlu hale gelmektedir. Bu hedefe ulaşabilmek için denizcilik endüstrisinin, yalnızca mevcut teknolojik ilerlemelerden yararlanmakla kalmayıp, aynı zamanda yenilikçi çözümler, operasyonel iyileştirmeler ve enerji verimliliğini artırıcı stratejiler geliştirmesi gerekmektedir. Gemi tasarımı, alternatif yakıt kullanımı ve emisyon kontrol sistemlerine yapılacak yatırımlar, sektörü karbonsuz bir geleceğe taşımak için büyük önem taşımaktadır. Deniz taşımacılığının neden olduğu hava kirliliği, sera etksinin yanında, insan sağlığı üzerinde solunum, kardiyovasküler ve nörolojik hastalıklar gibi çeşitli olumsuz etkiler de yaratmaktadır. Uzun süreli hava kirliliğine maruz kalma, akciğer kanseri, böbrek hastalıkları ve sindirim sistemi bozuklukları gibi daha ciddi sağlık sorunlarına yol açabilmektedir. Bu sağlık etkileri, özellikle risk altındaki bireylerde daha belirgin olmaktadır. Bu durumun daha da derinleşmesine yol açan bir faktör, deniz taşımacılığının yaklaşık %70'inin, gemilerin kıyı bölgelerinde daha fazla vakit geçirmeleri nedeniyle sahil şeridinden 400 km mesafe içinde yoğunlaşmasıdır. Liman bölgelerinin yoğun yerleşim alanlarına yakın olması, bu bölgelerdeki nüfusun gemilerden kaynaklanan zararlı emisyonlara daha fazla maruz kalmasına yol açmaktadır. Bu bağlamda, deniz taşımacılığının emisyonları yalnızca çevresel değil, aynı zamanda sağlık açısından da büyük bir risk teşkil etmektedir. Şüphesiz, deniz taşımacılığı sektöründe en büyük emisyon kaynakları limanlar ve gemilerdir. Liman sahasında oluşan gemi kaynaklı emisyonlar da liman emisyonlarının bir parçası olarak değerlendirilmektedir. Gemilerin liman süreçleri; limana yaklaşma sırasında yapılan manevralar, limanda konaklama süresi (hotelling), limandan ayrılma manevraları ve liman müsaitliği olmadığında demirde bekleme periyotlarından oluşmakta ve bu süreçler boyunca emisyon salınımı gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, gemilerin limanlara yanaşma manevraları sırasında üretilen emisyon miktarları ile bu manevralar esnasında emisyonların azaltılmasına yönelik konular incelenmiştir. Gemi manevraları, öncelikle kılavuz kaptan, gemi kaptanı, mürettebat ve römorkörlerin koordinasyonuyla gerçekleştirilir. Bu süreçte römorkörler, kılavuz kaptanın komutları doğrultusunda yönlendirilir. Manevra sırasında emisyon değişiminde en büyük etkiye sahip olan unsurlardan biri kılavuz kaptanların manevra alışkanlıklarıdır. Bu nedenle, kılavuz kaptanların alışkanlıklarının izlenmesi ve emisyon azaltımı için dikkatlerinin bu konuya çekilmesi önemli bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır. Yapılan literatür taramasında, gemi ve römorkörlerin, gerçek ve simülasyon manevralarındaki emisyon miktarlarını birlikte ele alan bir araştırmanın bulunmadığını ortaya koymaktadır. Gerçek ve simülasyon manevralarında oluşan emisyon miktarlarının uyumlu olması, simülasyon tabanlı emisyon tahminlerinin güvenilirliği açısından önem taşımaktadır; bu tür bir uyum, gelecekte simülasyon tabanlı tahminlerin kullanımıyla emisyon analizlerini kolaylaştırabilir. Aynı zamanda, simülasyon çalışmaları kılavuz kaptanların emisyon azaltımına yönelik farkındalık ve deneyim kazanmalarına olanak tanıyarak, eğitim süreçlerinde de fayda sağlamaktadır. Gerçek manevralarda veri toplamanın zorlukları nedeniyle emisyon hesaplamaları sınırlı kalmaktadır; buna karşın, simülasyonlar daha kolay veri erişimi sunarak kapsamlı emisyon analizlerinin gerçekleştirilmesine olanak tanır. Bu çalışma, özellikle gerçek ve simülasyon tabanlı manevralardan kaynaklanan CO2 emisyonlarının uyumunu ve kılavuz kaptanların demografik özelliklerinin emisyon miktarlarına olan etkisini incelemektedir. Bu çalışma kapsamında, üç farklı gemi tipi (dökme yük gemisi, Ro-Ro gemisi ve konteyner gemisi) için toplam 18 gerçek manevra verisi, altı kılavuz kaptan tarafından toplanmıştır. Kılavuz kaptanların demografik özellikleri de analiz edilerek, deneyim seviyelerinin daha iyi anlaşılması sağlanmıştır. Her bir kılavuz kaptan, bir gemi tipiyle toplam altı manevra gerçekleştirmiştir ve her tipteki gemiler, kendi içlerinde benzer özelliklere sahip uyumlu gemilerden seçilmiştir. Gerçek manevraların ardından, benzer hava ve akıntı koşullarında, aynı kılavuz kaptanlar ve benzer gemi ile römorkör özellikleri kullanılarak bu manevralar, limanın simülasyon ortamında aslına uygun şekilde yeniden gerçekleştirilmiştir. Gerçek verilere en yakın simülasyon sonuçlarını elde etmek amacıyla, tam donanımlı Transas NTPRO 5000 köprüüstü simülatörü kullanılmıştır. Gerçek ve simülasyon manevraları tamamlandıktan sonra, gemi ve römorkör kaynaklı emisyon miktarları,“top-down”ve“bottom-up”metodolojilerinden ENTEC ve EPA yaklaşımları kullanılarak hesaplanmıştır. Her bir manevraya ait gemi ve römorkör emisyonları toplanarak, o manevra için üretilen toplam emisyon miktarı belirlenmiştir; bu hesaplamalar hem gerçek hem de simülasyon manevraları için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, gerçek ve simülasyon manevralarında elde edilen emisyon değerleri arasında yüksek bir uyum gözlemlenmiş olup, bu bulgu simülasyon tabanlı analizlerin limanlardaki emisyon tahminleri için güvenilir bir alternatif sunduğunu göstermektedir. Bu durum, kılavuz kaptanların emisyon yönetimi konusunda kendilerini geliştirebilmeleri için gerçek manevralara ihtiyaç duymadan simülasyon ortamında eğitim yapmalarına olanak tanımaktadır. Simülasyon ortamı, kılavuz kaptanların operasyonel becerilerini geliştirmelerine yardımcı olarak emisyon seviyelerinin daha etkin bir şekilde kontrol edilmesine katkı sağlayabilir. Manevra bazında dakika başına düşen emisyon değerleri incelendiğinde, aynı tip gemilerde 4,52 kata kadar değişen önemli farklar tespit edilmiştir. Bu, kılavuz kaptanların operasyonel alışkanlıkları ve deneyimlerinin emisyon seviyeleri üzerinde belirgin bir etki yarattığını göstermektedir. Simülasyon ortamında daha fazla manevra yaparak deneyim kazanan kılavuz kaptanların, özellikle benzer gemi tiplerinde gerçekleştirdikleri manevralarda operasyonel verimliliklerini artırarak emisyon seviyelerini düşürmeleri mümkündür. Böylece, kılavuz kaptanların simülasyon ortamında kendilerini geliştirmeleri, emisyonların optimize edilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Gemi tiplerine göre emisyon değerlerine bakıldığında, konteyner gemilerinin makine gücünün diğer gemi tiplerinden yüksek olmasının etkisiyle en yüksek emisyon değerlerine sahip olduğu, buna karşın dökme yük gemileriyle benzer makine özelliklerine sahip Ro-Ro gemilerinin daha düşük emisyonlar ürettiği gözlemlenmiştir. Dökme yük gemilerindeki yüksek emisyon seviyelerinin, kılavuz kaptanların deneyim eksiklikleri ve operasyonel alışkanlıklarıyla ilişkili olduğu düşünülmektedir. Bu çalışma hem denizcilik sektöründe emisyon azaltımı hem de akademik araştırmalar açısından önemli bir katkı sunmaktadır. Kılavuz kaptanların performansını artırmak, liman süreçlerinin çevresel etkilerini minimize etmek ve simülasyon temelli emisyon tahminleriyle sektörde sürdürülebilirliği sağlamak için güçlü bir temel oluşturmuştur. Gelecek çalışmalar, bu bulguları daha geniş örneklemlerle ve farklı metodolojilerle zenginleştirerek sektörel iyileştirmelere katkı sağlayabilir.

Özet (Çeviri)

Maritime transportation, which plays a critical role in the sustainability of global trade, is the only transportation method capable of moving large volumes of cargo across continents in a single voyage. According to recent data, over 80% of global logistics is carried out through maritime transportation. Alongside the growing global population and expanding trade network, the responsibilities of the maritime sector are increasing. While there has not been a significant increase in the number of vessels in recent years, there has been rapid growth in the tonnage of ships due to rising demand. This development further underscores the strategic importance of the maritime industry in meeting the growing demands of global trade. The increase in ship tonnage has also led to a rise in air pollution, which in turn creates negative environmental impacts. Most vessels and marine auxiliaries currently in operation around the world use diesel engines powered by fossil fuels. The combustion of fossil fuels leads to the emission of pollutants such as sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOX), carbon monoxide (CO), volatile organic compounds (VOCs), and particulate matter (PM), which directly threaten human health, while also emitting greenhouse gases like methane (CH4), nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2), chlorofluorocarbons (CFCs), hydrochlorofluorocarbons (HCFCs), hydrofluorocarbons (HFCs), and perfluorocarbons (PFCs), contributing to global warming. Maritime transportation stands out as an efficient and sustainable mode of transport compared to other modes, given that the emissions per ton are significantly lower. However, due to its dominant share in global transportation, the maritime industry is responsible for a substantial portion of global greenhouse gas emissions. International shipping accounts for approximately 3% of global CO2 emissions, while nitrogen oxides (NOX) and sulfur oxides (SOX) contribute around 13% and 12%, respectively. Moreover, without appropriate measures, CO2 emissions are expected to increase by 50% to 250% by 2050. This highlights the urgent need for the maritime sector to take action to reduce global greenhouse gas emissions. In line with the 2050 zero-emission target set by the International Maritime Organization (IMO), it has become imperative for the maritime industry to gradually reduce its emissions. Achieving this goal will require the maritime sector not only to take advantage of existing technological advancements but also to develop innovative solutions, operational improvements, and strategies that increase energy efficiency. Investments in ship design, alternative fuel use, and emission control systems will be crucial in steering the industry toward a carbon-free future. Marine transportation-induced air pollution not only contributes to the greenhouse effect but also has various detrimental impacts on human health, including respiratory, cardiovascular, and neurological diseases. Prolonged exposure to air pollution can lead to more severe health issues, such as lung cancer, kidney diseases, and digestive system disorders. These health effects are particularly pronounced in vulnerable individuals. One contributing factor to the worsening of this situation is that approximately 70% of maritime transportation occurs in coastal regions, where ships spend more time, intensifying pollution within 400 km of the coastline. The proximity of port areas to densely populated urban zones results in greater exposure to harmful emissions from ships. In this context, the emissions from maritime transportation pose not only an environmental threat but also a significant public health risk. Undoubtedly, the major sources of emissions in the maritime sector are ports and ships. Emissions generated by vessels at ports are considered part of port emissions. Ship operations in ports include maneuvers when approaching, staying (hotelling), departing, and waiting when the port is unavailable, during which emissions occur. This study examines the amount of emissions produced during ship maneuvers when approaching ports and explores ways to reduce emissions during these maneuvers. Ship maneuvers are primarily coordinated by the maritime pilot, ship captain, crew, and tugboats. Tugboats are directed by the pilot's commands during the maneuver. One of the most significant factors affecting emission changes during maneuvers is the operational habits of the pilot. Therefore, monitoring the pilots' habits and raising awareness about emissions reduction is an important necessity. A literature review reveals the absence of research that simultaneously considers the emissions produced during real and simulated maneuvers involving ships and tugboats. The alignment of emission amounts in real and simulated maneuvers is crucial for the reliability of simulation-based emission predictions. Such consistency could simplify emission analysis through simulation-based predictions in the future. Additionally, simulation studies offer pilots the opportunity to increase awareness and experience in emissions reduction, which is beneficial for training processes. Due to the difficulties in data collection during real maneuvers, emission calculations are limited; however, simulations provide easier access to data, allowing for comprehensive emission analyses. This study specifically examines the alignment of CO2 emissions from real and simulation-based maneuvers and explores the effect of pilots' demographic characteristics on emission levels. In this study, 18 real maneuver data from three different ship types (bulk carrier, Ro-Ro, and container ship) were collected by six pilots. The demographic characteristics of the pilots were also analyzed to better understand their experience levels. Each pilot performed six maneuvers with one type of ship, and the ships selected for each type were similar in characteristics. Following the real maneuvers, these maneuvers were recreated in the port's simulation environment under similar weather and current conditions, using the same pilots and vessels with similar tugboat characteristics. The fully equipped Transas NTPRO 5000 bridge simulator was used to achieve the closest simulation results to the real data. After completing the real and simulated maneuvers, the emissions from the ships and tugboats were calculated using the ENTEC and EPA approaches based on the“bottom-up”and“top-down”methodologies. The total emission amount for each maneuver was determined by summing the emissions from the ships and tugboats, and this calculation was performed for both real and simulated maneuvers. Emission calculations for ships and tugboats, based on top-down, ENTEC, and EPA methodologies, revealed a correlation coefficient of 0.9888, indicating 99% consistency in maneuver-based averages. Simulation maneuvers showed emission results closely aligned with real maneuvers. However, individual differences may stem from variations in calculation methods or pilot performance. These findings suggest that simulator maneuvers can effectively replace real maneuver data for emission predictions, enabling ports to estimate emissions without needing hard-to-obtain real data. By involving pilots in simulation-based maneuvering, emissions from docking ships can be predicted more efficiently. Simulations also provide a platform for pilot training focused on emission reduction, potentially enhancing operational efficiency and lowering emissions through increased experience in handling similar ships and maneuvers. While this study assessed emissions, it did not evaluate maneuver safety. When comparing the total emission values of real and simulated maneuvers, a general similarity is observed; however, emissions from real maneuvers are typically higher than those from simulations. This discrepancy is attributed to factors such as stress, uncertainty, pressure, and fatigue experienced by pilots during real maneuvers. Furthermore, higher emissions observed in certain simulated maneuvers may result from the pilots' lack of familiarity with the simulation system, potentially leading to additional trial attempts. Given the limited number of maneuvers analyzed, a more thorough investigation is needed to compare the emission outputs of real and simulated maneuvers and to identify the underlying causes of these differences, with particular attention to the impact of such factors. In the study, when comparing the emission amounts produced during maneuvers based on ship types, the highest emission levels were observed in container ships, while the lowest were recorded in Ro-Ro ships, as expected. A review of the technical data indicates that the higher emission levels in container ships are attributable to their larger engine capacities compared to other ship types. However, when Ro-Ro and bulk carriers with approximately similar engine power were compared, it was found that bulk carriers produced significantly higher emissions than Ro-Ro ships. A similar trend was observed for tugboats in terms of emissions per maneuver. Tugboats serving container ships recorded the highest average emission levels, while those assisting Ro-Ro ships had the lowest. In contrast, tugboats serving bulk carriers exhibited higher emission amounts compared to those serving Ro-Ro ships. This disparity is believed to stem from a lack of practical experience among pilots with bulk carriers due to their less frequent maneuvers (KB2). Therefore, it is suggested that improving pilots' maneuvering skills through simulator-based training could contribute to reducing pilot-induced emissions in this ship type. When emissions per maneuver were examined, significant differences were found, with up to 4.52 times variation among the same type of ships. This highlights the considerable impact of pilots' operational habits and experience on emission levels. By gaining more experience through simulations, pilots can increase operational efficiency, particularly in maneuvers with similar ship types, which may lead to a reduction in emissions. Thus, pilots' development in simulation environments plays a key role in optimizing emissions. This study makes a significant contribution both to emission reduction in the maritime sector and to academic research. It provides a robust foundation for enhancing pilot performance, minimizing the environmental impacts of port operations, and ensuring sustainability in the sector through simulation-based emission estimations. Future studies can enrich these findings with larger sample sizes and diverse methodologies, thereby contributing to sectoral improvements.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    558723

    Trabzon Limanı emisyon haritalarının oluşturulması ve çevreye etkisi

    Creating emission maps of Trabzon Port and its effect on the environment

    SÜLEYMAN KÖSE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Deniz BilimleriKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ÖZKÖK

  2. Tez No

    476649

    Performance and emission analysis of marine diesel engines during ship maneuvering

    Gemi dizel motorlarının gemi manevraları sırasındaki emisyon ve performansının analizi

    MURAT YAPICI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    DenizcilikPiri Reis Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZKAYNAK

  3. Tez No

    849578

    Durumsal farkındalığa nörobilim yaklaşımı: Deniz seyri üzerine bir araştırma

    Neuroscience approach to situational awareness: A research on marine navigation

    SERKAN KAHRAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    DenizcilikDokuz Eylül Üniversitesi

    Gemi Makineleri İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DURMUŞ ALİ DEVECİ

    PROF. DR. İBRAHİM ÖZTURA

  4. Tez No

    485189

    İze uyumlu denizaltı pervanesi tasarımının hesaplamalı ve deneysel olarak incelenmesi

    Examination of wake adapted submarine propeller design using computational and experimental methods

    SİNAN BURUNSUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL HAKKI HELVACIOĞLU

  5. Tez No

    675786

    Development of experimental captive and free-running manoeuvring systems and their cross-validation

    Çekme ve takip modlu manevra deney sistemlerinin geliştirilmesi ve bunların kıyaslamalı doğrulaması

    MÜNİR CANSIN ÖZDEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER GÖREN

    PROF. DR. KADİR SARIÖZ

Geri Dön