Hibrit bir feribotun enerji verimliliği kapsamında incelenmesi
Evaluation of a hybrid ferry from an energy efficiency perspective
- Tez No: 952713
- Danışmanlar: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞLAR KARATUĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Marine
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 111
Özet
Küresel endüstrinin pek çok alanında çevresel ve ekonomik hassasiyetlerin son derece önem kazandığı görülmektedir. Tüm dünyada özellikle takipte olan denizcilik sektöründe bu hassasiyet, mevcut alışkanlıkların değişmesi yönünde kendini göstermiştir. Bir döneme kadar konfor ve zamanlamanın ilk sırada olduğu başarı değerlendirmeleri, içerisinde bulunduğumuz periyot içerisinde ekonomi ve çevre odaklı olarak evrildiğini gözlemlenmektedir. Denizcilik sektörünün alanlarından birisi olan ticari yük taşımacılığında zaman ve konfor ne kadar tolere edilebilse dahi, yolcu ve özel taşımacılık alanında farklı çözümler üretilmesini gerektirecek talepler oluşmuştur. Bu nedenle gemi inşa sanayisinde çevreye olumsuz etkilerde bulunacak ürünlerin yerini alabilecek teknolojik çalışmaların başlaması ve bunun ilk örneklerinin ortaya çıkması ile, çevresel ve ekonomik hassasiyetlerin yerini dolduracak teknolojiye geçişin başladığı görülmektedir. Daha da sevindirici olanı ise bu teknolojik gelişmelerin konfor ve zamanlamadan fedakârlık edilmesini gerektirmeyecek olması. Çalışmaların sera gazı salınımını minimuma indiren tahrik sistemlerinin incelenmesi ile başladığı ve alternatif tahrik sistemleri ile çok farklı sonuçlar elde edildiği bugüne kadar yapılan çalışmalardan anlaşılmaktadır. Alternatif enerji kaynaklarının incelenmesinde fosil enerji kaynaklarının etkisinin mevcut sistemlerdeki sonuçları ile kıyaslanması neticesinde elde edilen bulgularının ne kadar olumlu olduğu görülse bile, hedeflenen çalışmada sera gazı salınımının sıfır olması, araştırmacıları ve gemi inşaatı mühendislerini daha farklı enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Farklı tahrik sistemleri denemelerinden sonra, odak noktasının insan taşımacılığı olan ve yine bu alanda konforun ilk sırada geldiği feribot, ro-ro deniz taşımacılığında dizel elektrikli hibrit tahrik sisteminin çoğu beklentiyi ekonomik sınırlar çerçevesinde karşıladığı görülmüştür. Sefer bölgesi olarak uygun coğrafi şartlara haiz olan Norveç adalar bölgesi, kısa süreli seyirlerde son derece kararlı sonuçlar verdiğinden dolayı bu bölgedeki yolcu taşımacılığı yapan denizcilik şirketlerinin bu yeni teknolojinin öncüsü olduğunu görmekteyiz. Çalışmada, seferlerin ortalama 15-30dk aralığında olduğu bu coğrafya için tasarlanan feribotların donanımları hakkında genel bir bilgilendirme yapılmaktadır. Özellikle çevreye olan zararın minimuma indirilmesine olanak veren yeni gemi inşa teknolojisinin aynı zamanda ekonomik olarak değerlendirilmesinin yapılması aşamasında, feribotun işletilebileceği 4 farklı senaryo ele alınmıştır. İlk olarak incelemesi yapılan sadece dizel motor tahriki ile yapılacak sefer senaryosunda, konvansiyonel bir feribotun kullanılması neticesinde baca gazından salınan emisyon miktarları ve bu sefer için harcamış olduğu yakıt, referans olması amacı ile hesaplanmıştır. Bundan sonraki diğer 3 senaryo, tamamen işletmecinin farklı kondüsyonlarda gemiyi kullanması ile elde edilecek maddi ve çevresel kazanımları incelemektedir. Tüm senaryo sonuçlarının elde edilmesinden sonra yapılan değerlendirme ile, dizel elektrik tahrik sistemli olarak inşa edilen feribotun belirlenen bir süre sonunda elde ettiği kazanımlarının maddi karşılığı hesaplanmıştır. Çalışmada ele alınan işletme süreleri bir kesinlik içermemekle birlikte, bölgede halen aktif olarak işletilen feribotların bakım süreleri, operasyonel zamanları göz önünde bulundurularak gerçeğine en uygun şekilde belirlenmeye çalışılmıştır. Kısacası bu tez ile özellikle MARPOL emisyon kısıtlamaları konusunda gemi operatörlerinin kendi gemilerinde gerek çevre duyarlılıkları, gerek ekonomik geri dönüşümlerin kısa sürede tamamlanmasından dolayı özellikle hibrit tahrikli gemileri seçtikleri görülmüştür. Özellikle dekarbonizasyon konusunda hükümetlerin teşvikleri nedeni ile dizel-elektrik hibrit sistemlerin analizi tercih edilmiştir. Bu çalışma ile belirlenen bir rota üzerinde seyir yapan konvansiyonel tahrikli deniz taşıtı ile hibrit tahrikli taşıtın hem emisyon yönünden kazanımları ve yakıtlar bakımından da sarfiyatları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Böylece benzer şekilde işletmecilik yapmak isteyecek olan işletmelere fikir aşamasında farklı yaklaşımlar sunmakta, gerekli olması durumunda yeni fikirlerle kazançların maksimum düzeyde olması amaçlanmıştır. Denizcilik sektörü büyük bir endüstriyi içerisinde barındırmaktadır. Bu nedenle güncel regülasyonlara paralel olarak gelişmeler de yakından takip edilerek çalışmanın aynı şekilde güncelliği sağlanabilir. Özellikle batarya teknolojisindeki gelişmeler yakından takip edilerek daha kısa sürede şarj edilip daha fazla gücü üretebilen, üretimi aşamasında çevreye zararı en düşük oranda olan batarya teknolojisinin buradaki çalışmaya da eklenmesi, maliyet hesaplama konusunda da güncel yakıt fiyatlarının hesaplanması gerekebilir.
Özet (Çeviri)
In recent decades, the global industrial landscape has undergone a marked transformation, largely influenced by the escalating importance of environmental and economic considerations. Among the many sectors experiencing this paradigm shift, maritime transport stands out due to its energy-intensive operations and the international focus on reducing its environmental impact. While traditional maritime success metrics have centered on factors such as comfort, timing, and cargo volume, recent developments have prompted a realignment of these priorities. Today, environmental performance and economic efficiency are increasingly at the forefront of industry evaluations, pushing operators, regulators, and engineers to reconsider long-held operational norms. This evolution is particularly pronounced in the field of passenger and special-purpose maritime transport, where expectations surrounding service quality and punctuality remain high, even as environmental regulations grow more stringent. Amid this shifting context, the maritime sector has started to explore and adopt propulsion systems that meet modern sustainability standards without sacrificing the user experience. In this regard, the shipbuilding industry has begun to integrate technological innovations capable of replacing polluting systems with more eco-conscious alternatives. These innovations are not only aimed at minimizing the emission of greenhouse gases but also at ensuring economic viability over the long term. Among the most promising developments in this domain are hybrid diesel–electric propulsion systems, which are especially suited to short-distance passenger and Ro-Ro ferry services. Unlike in commercial freight transport, where modest compromises in speed or comfort may be acceptable, ferry operations serving passengers require solutions that deliver consistent service quality. This demand has accelerated the exploration of propulsion technologies that align with both ecological objectives and operational expectations. The primary focus of this thesis is to evaluate and compare conventional diesel-powered propulsion systems with diesel–electric hybrid alternatives from both environmental and economic perspectives. Through a case study conducted in Norway's archipelago region—a location distinguished by short ferry routes and a strong commitment to environmental sustainability—the research provides insights into how hybrid technologies perform in real-world maritime operations. These routes, with average journey durations ranging from fifteen to thirty minutes, present an ideal testbed for alternative propulsion systems due to their predictability, frequent port stops, and manageable voyage lengths. The thesis analyzes the technical configurations of ferries operating in this region and examines how hybrid systems can be implemented without disrupting the rhythm of scheduled operations. To understand the viability of hybrid propulsion systems, the study simulates four different operational scenarios. The first scenario serves as a reference and involves a ferry powered exclusively by a conventional diesel engine. This configuration reflects the current industry standard and provides benchmark data for emissions, fuel consumption, and maintenance requirements. The subsequent three scenarios introduce hybrid diesel–electric systems operated under varying conditions, such as differing balances of diesel and electric usage, levels of shore-based charging, and battery capacity. These scenarios are designed to reflect real-world operating conditions, taking into account factors such as port infrastructure, regional energy prices, battery charging intervals, and typical engine loads. Additionally, the simulations consider regulatory frameworks, including MARPOL Annex VI restrictions on emissions and national or regional incentives for low-emission shipping technologies. The findings from the first scenario reveal the environmental cost of conventional operations. Emissions of CO₂, NOₓ, and SOₓ from diesel combustion are substantial and surpass several contemporary regulatory thresholds. Fuel consumption is high, and maintenance requirements remain significant due to the mechanical stress placed on the engines during frequent stop-start operations. Despite its familiarity and operational simplicity, the conventional model demonstrates poor alignment with modern environmental targets, especially in environmentally sensitive regions like the Norwegian coast. In contrast, the three hybrid scenarios produce markedly different results. Each employs a different strategic combination of diesel and electric power, allowing for an in-depth analysis of their performance under various constraints. In one scenario, the diesel engine operates predominantly at optimal load levels while the electric motor handles low-speed maneuvering and short-distance cruising. In another, the ferry operates almost entirely on electric power for short legs, with diesel used only for longer trips or battery recharging in motion. The third hybrid scenario employs an advanced energy management system capable of regenerating energy during braking and maneuvering, further reducing reliance on diesel power. Across all hybrid configurations, fuel consumption is dramatically reduced, with some scenarios achieving up to 85% savings compared to the conventional model. Emissions follow a similar trend, with carbon dioxide output dropping by as much as 90% in the most efficient scenario. Nitrogen oxides and particulate emissions are also significantly lowered, contributing to improved air quality and compliance with MARPOL and national environmental standards. Furthermore, shore-based electricity used in charging the ferry batteries is largely derived from renewable sources in Norway, including hydroelectric power, resulting in minimal lifecycle emissions from electricity use. From an economic standpoint, the analysis reveals that while hybrid systems involve higher capital investment—due to the costs of battery banks, electric motors, and control systems—the operational savings are substantial. Reduced fuel consumption, lower maintenance needs, and government incentives or carbon credits all contribute to favorable long-term economics. When projected over a ten-year service life and evaluated using net present value analysis, the hybrid systems deliver positive financial returns, especially in scenarios where shore charging is used effectively. The payback period for the additional investment ranges between three and seven years, depending on the configuration and local energy costs. These findings carry significant implications for ship operators and policymakers alike. For operators, the transition to hybrid systems presents an opportunity to modernize fleets in a manner that aligns with evolving regulatory frameworks and customer expectations. Hybrid ferries offer quieter operation, smoother ride quality, and reduced vibration—benefits that are particularly valued in passenger services. For governments and port authorities, supporting the deployment of hybrid vessels can help achieve broader national or regional decarbonization goals. Investments in charging infrastructure, coupled with regulatory support and financial incentives, can create a virtuous cycle that accelerates the adoption of sustainable marine technologies. The success of hybrid diesel–electric systems also depends on continued innovation in battery technology. As battery chemistry improves, future systems are expected to deliver higher energy density, faster charging, and longer service life, all while minimizing environmental impact during production and disposal. These advancements will further improve the operational efficiency and cost-effectiveness of hybrid vessels. Moreover, integration with smart grid systems and real-time energy management technologies may enable ferries to optimize energy use dynamically based on passenger load, weather conditions, and voyage schedules. The study also emphasizes the importance of customizing hybrid solutions to specific route profiles. Not all ferry services are equally suited to hybridization, and the most effective solutions will depend on variables such as route length, port call frequency, and availability of shore power. Operators must conduct detailed feasibility studies to determine the optimal configuration for their particular needs. Such studies should consider not only technical performance and emissions outcomes but also broader economic implications, including fuel price volatility, maintenance scheduling, and regulatory compliance. In essence, this thesis illustrates how hybrid diesel–electric propulsion represents a practical and effective response to the environmental and economic challenges facing the maritime transport sector. It confirms that such systems can deliver significant emissions reductions without compromising service quality, while also offering a sound financial case for investment. The case study based on Norway's ferry operations provides a template for similar evaluations in other coastal or archipelagic regions. By adopting a scenario-based analytical approach, the thesis equips maritime stakeholders with the tools to make informed decisions about fleet modernization, infrastructure planning, and policy development. Looking forward, there remains substantial scope for further research. Future studies could explore the integration of hydrogen fuel cells, the role of full-electric ferries in ultra-short routes, and the environmental impacts of battery manufacturing and disposal. Additionally, comparative assessments across different geographic regions, regulatory regimes, and fuel markets would enrich the global understanding of hybrid system viability. Ultimately, the findings of this thesis contribute to a growing body of evidence supporting the transition to cleaner, smarter maritime transport systems—an imperative that is as environmental as it is economic. By demonstrating the feasibility and advantages of hybrid diesel–electric ferries, this work supports a broader vision of sustainable maritime mobility, where technological progress enables both operational excellence and ecological responsibility.
Benzer Tezler
- Bir feribot için yakıt hücresi batarya hibrit sisteminin modellenmesi ve simulasyonu
Modeling and simulation of fuel cell battery hybrid system for a ferry
RUKİYE GÜLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Deniz ulaşımında kullanılan elektrikli/hibrit bir feribotun enerji sistem analizi ve modellenmesi ile çevresel ve teknik açıdan incelenmesi
Energy system analysis and modelling of an electrical/hybrid ferry used for maritime transportation: technical & environmental investigation
FATİH YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiMilli Savunma ÜniversitesiGemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EGEMEN SULUKAN
- Hibrit bir donanımla yapay sinir ağı gerçeklenme AY tümdevresi
Artificial neural network realization with a mixed hardware AY integrated circuit
MUTLU AVCI
Doktora
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. TÜLAY YILDIRIM
- Hibrit bir insansız hava aracının modellenmesi ve kontrolü
Hybrid unmanned aerial vehicle modeling and control
ABDULLAH CAN AL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Uçak Mühendisliğiİstanbul Gelişim ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ERGÜVEN VATANDAŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH ERSAN OĞUZ
- Hibrit bir derin öğrenme modeli kullanılarak görüntülerden hava durumu sınıflandırması
Weather classification from images using a hybrid deep learning model
CELAL EROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiYapay Zeka ve Robotik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE BİÇEK