Geri Dön

Alternatif yakıt olarak amonyak, biyodizel ve metanolün içten yanmalı denız motorları için yaşam döngüsü değerlendirmesi

Life cycle assessment of ammonia, biodiesel and methanol as alternative fuels for marine internal combustion engines

PDF İndir

  1. Tez No: 999834
  2. Yazar: EYLÜL NESLİ İDİLER TURHAN
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ŞEYDA SERDAR ASAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Denizcilik, Marine
  6. Anahtar Kelimeler: Alternatif yakıtlar, Alternative fuels
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mühendislik Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Deniz taşımacılığı, dünya ticaretinin bel kemiğini oluşturmakta olup, küresel yük taşımacılığının hacim olarak %80'inden fazlasını gerçekleştirmektedir. Diğer taşıma modlarıyla karşılaştırıldığında görece verimli olmasına rağmen, denizcilik sektörü küresel sera gazı (GHG) emisyonları ve hava kirleticileri açısından önemli bir paya sahiptir. Son yıllarda iklim değişikliğiyle mücadeleye yönelik artan aciliyet, uluslararası düzenleyici kuruluşların denizcilik faaliyetlerine giderek daha sıkı çevresel gereklilikler getirmesine yol açmıştır. Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) 2050 yılına kadar net sıfır sera gazı emisyonunu hedefleyen 2023 Sera Gazı Stratejisi ile 2025 yılında yürürlüğe girecek olan Avrupa Birliği FuelEU Maritime düzenlemesi, gemi sahipleri ve tasarımcılar için karar verme ortamını köklü biçimde değiştirmiştir. Bu düzenleyici baskılar altında denizcilik yakıtı seçimi artık basit bir ikame problemi olarak ele alınamaz. Aksine, çevresel performansın teknik uygulanabilirlik, operasyonel emniyet, yakıt bulunabilirliği ve ekonomik sürdürülebilirlik ile dengelenmesini gerektiren çok boyutlu bir mühendislik ve stratejik karar sürecine dönüşmüştür. Amonyak, biyodizel ve metanol gibi alternatif yakıtlar düşük karbonlu çözümler olarak sıklıkla gündeme getirilse de, denizcilik uygulamalarına uygunlukları çok sayıda birbiriyle ilişkili kritere bağlıdır. Bu nedenle, gerçekçi ve bilinçli yakıt seçimlerini destekleyecek kapsamlı bir değerlendirme çerçevesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, deniz içten yanmalı motorları için alternatif yakıt olarak amonyak, biyodizel ve metanolün bütünleşik bir değerlendirmesini sunarak bu ihtiyaca cevap vermektedir. Geleneksel işletme koşulları için bir referans oluşturmak amacıyla deniz motorini (MDO) karşılaştırma yakıtı olarak çalışmaya dâhil edilmiştir. Çalışmada, yakıtlar yalnızca çevresel etkileri açısından değil; aynı zamanda teknik, operasyonel ve emniyet kısıtları bakımından da değerlendirilmek üzere yaşam döngüsü analizi (LCA) ile hibrit çok kriterli karar verme (MCDM) yöntemleri birlikte kullanılmıştır. Çevresel değerlendirme, yakıt üretimi, işlenmesi, taşınması, dağıtımı ve gemi üzerindeki yanma aşamalarını kapsayan kuyu-dan-pervaneye (well-to-wake, WTW) yaşam döngüsü perspektifiyle gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşım, yalnızca tanktan-pervaneye analizlerde sıklıkla göz ardı edilen üst akış (upstream) emisyonlarını da dikkate alarak yakıtların tutarlı biçimde karşılaştırılmasını mümkün kılmaktadır. Çevresel veriler, yakıt yollarının kapsamlı biçimde ele alınması ve şeffaf metodolojik yapısı nedeniyle yaygın olarak kabul gören GREET modelinden elde edilmiştir. GREET tabanlı verilerin kullanılması, farklı yakıt seçenekleri ve üretim yolları arasında tutarlılık ve karşılaştırılabilirlik sağlamaktadır. Yaşam döngüsü sonuçları, geleneksel deniz motorininin tüm yaşam döngüsü boyunca yüksek sera gazı emisyonlarına sahip olduğunu göstermektedir. Buna karşılık, alternatif yakıtların çevresel performansları üretim yollarına bağlı olarak geniş bir aralıkta değişmektedir. Kullanım noktasında düşük veya sıfır karbon içeriğine sahip yakıtlar dahi, özellikle fosil kaynaklı enerji kullanıldığında, üretim aşamalarında önemli emisyonlar yaratabilmektedir. Bu bulgu, alternatif deniz yakıtlarının çevresel faydalarını değerlendirirken tam yaşam döngüsü perspektifinin benimsenmesinin önemini vurgulamaktadır. Çalışma, çevresel performansın ötesinde, gemi tasarımını ve işletmesini doğrudan etkileyen operasyonel ve teknik kriterlere de güçlü bir vurgu yapmaktadır. Gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunluğu ile ifade edilen enerji verimliliği, yakıt depolama gereksinimlerini, gemi yerleşimini, yük kapasitesini ve operasyon menzilini etkileyen kritik bir parametre olarak belirlenmiştir. Düşük hacimsel enerji yoğunluğuna sahip yakıtlar, aynı enerji miktarını sağlayabilmek için çok daha büyük depolama hacimleri gerektirmekte; bu durum yük kaybına veya önemli tasarım değişikliklerine yol açabilmektedir. Emniyet hususları analizde bir diğer temel boyutu oluşturmaktadır. Yakıtlar toksisite, yanıcılık ve elleçleme riskleri açısından değerlendirilmiş; emniyetle ilgili kısıtların yakıt seçimini belirleyici faktörler hâline gelebileceği kabul edilmiştir. Biyodizel nispeten güvenli bir profile sahipken, metanol uygun önlemler alındığında yönetilebilir riskler içermektedir. Buna karşılık amonyak, yüksek toksisitesi ve korozif yapısı nedeniyle ileri mühendislik çözümleri ve sıkı operasyonel kontroller gerektiren ciddi zorluklar sunmaktadır. Çevresel, teknik ve operasyonel hususları sistematik biçimde bütünleştirmek amacıyla bu tezde Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) ve CRITIC (Kriterlerin Öneminin Kriterler Arası Korelasyon Yoluyla Belirlenmesi) yöntemlerine dayalı hibrit bir çok kriterli karar verme çerçevesi kullanılmıştır. Bu yaklaşım hem uzman yargılarını hem de nesnel, veriye dayalı bilgileri modele dâhil ederek değerlendirme sürecinin sağlamlığını artırmaktadır. AHP yöntemi, Türkiye denizcilik sektöründeki karar vericilerin bakış açılarını yansıtmak amacıyla uygulanmıştır. Sektör profesyonelleriyle gerçekleştirilen yapılandırılmış anketler sayesinde, düzenleyici baskılar, operasyonel deneyim ve altyapı kısıtları tarafından şekillenen sektöre özgü öncelikler modele aktarılmıştır. Böylece kriter ağırlıkları yalnızca teorik varsayımlara değil, gerçek karar verme pratiklerine dayandırılmıştır. CRITIC yöntemi ise verilerin değişkenliği ve kriterler arası korelasyon gibi istatistiksel özelliklerine dayanarak nesnel ağırlıkların belirlenmesini sağlamaktadır. AHP ve CRITIC sonuçlarının birleştirilmesiyle elde edilen hibrit ağırlıklandırma yapısı, öznel tercihleri veri temelli özelliklerle dengeleyerek önyargıyı azaltmakta ve karar sürecinin şeffaflığını artırmaktadır. Çok kriterli karar verme sonuçları, yakıt sıralamalarının kriterlere verilen göreli öneme son derece duyarlı olduğunu göstermektedir. Tüm değerlendirme boyutlarında evrensel olarak en iyi olan tek bir yakıt bulunmamaktadır. Mevcut düzenleyici ve operasyonel koşullar altında, çevresel performansının olumsuz olmasına rağmen deniz motorini; yerleşik altyapısı, yüksek enerji yoğunluğu ve operasyonel alışkanlıklar nedeniyle rekabetçi konumunu korumaktadır. Biyodizel ise mevcut motor teknolojileri ve depolama sistemleriyle uyumunu sürdürürken anlamlı emisyon azaltımları sağlaması sayesinde güçlü bir geçiş yakıtı olarak öne çıkmaktadır. Amonyak ve metanol, özellikle yenilenebilir kaynaklardan üretildiklerinde uzun vadeli karbonsuzlaşma açısından önemli bir potansiyel sunmaktadır. Ancak düşük enerji yoğunluğu, emniyet kaygıları ve küresel altyapının sınırlı olması, günümüzde bu yakıtların uygulanabilirliğini kısıtlamaktadır. Sonuçlar, bu yakıtların yaygın biçimde benimsenmesinin teknolojik gelişmelere, düzenleyici teşviklere ve özel bunkerleme ile emniyet standartlarının oluşturulmasına bağlı olduğunu göstermektedir. Genel olarak bulgular, denizcilik yakıtı seçiminin“geleneksel”ve“alternatif”yakıtlar arasında basit bir ikili tercih olmadığını; aksine birbiriyle rekabet eden hedefler arasında denge kurulmasını gerektiren karmaşık bir optimizasyon problemi olduğunu doğrulamaktadır. Çevresel faydalar, teknik uygulanabilirlik, emniyet gereklilikleri ve sektöre özgü gerçekliklerle birlikte değerlendirilmelidir. Bu tezde önerilen bütünleşik LCA–MCDM çerçevesi, bu karmaşıklığı ele alabilecek yapılandırılmış ve esnek bir karar destek aracı sunmaktadır. Yaşam döngüsü temelli çevresel analiz ile sektör girdilerine dayalı hibrit karar verme metodolojisinin birleştirilmesi sayesinde bu çalışma, mevcut literatüre katkı sağlamakta ve gemi sahipleri, tasarımcılar ve politika yapıcılar için pratik yol gösterici nitelik taşımaktadır. Bulgular, kısa ve orta vadede geçiş yakıtlarının kritik rol oynadığı, sıfır karbonlu yakıtların ise teknolojik ve düzenleyici koşullar olgunlaştıkça önem kazandığı kademeli bir dönüşüm stratejisini desteklemektedir.

Özet (Çeviri)

Maritime transportation constitutes the backbone of global trade, accounting for more than 80% of world merchandise transport by volume. Despite its efficiency compared to other transport modes, the sector remains a significant contributor to global greenhouse gas (GHG) emissions and air pollutants. In recent years, the urgency of mitigating climate change has driven international regulatory bodies to impose increasingly stringent environmental requirements on maritime operations. The International Maritime Organization's (IMO) 2023 Greenhouse Gas Strategy, which targets net-zero GHG emissions by 2050, together with the European Union's FuelEU Maritime regulation entering into force in 2025, has fundamentally altered the decision-making landscape for shipowners and designers. Under these regulatory pressures, marine fuel selection can no longer be treated as a simple substitution problem. Instead, it has evolved into a multi-dimensional engineering and strategic decision that requires balancing environmental performance with technical feasibility, operational safety, fuel availability, and economic viability. While alternative fuels such as ammonia, biodiesel, and methanol are frequently promoted as low-carbon solutions, their suitability for marine applications depends on a broad set of interrelated criteria. Consequently, a comprehensive evaluation framework is required to support informed and realistic fuel selection decisions. This thesis addresses this need by presenting an integrated assessment of ammonia, biodiesel, and methanol as alternative fuels for marine internal combustion engines. Marine diesel oil (MDO) is included as a benchmark fuel to provide a reference for conventional operational conditions. The study combines life cycle assessment (LCA) with a hybrid multi-criteria decision-making (MCDM) methodology to evaluate fuels not only from an environmental perspective, but also in terms of technical, operational, and safety-related constraints. The environmental assessment is conducted using a well-to-wake (WTW) life cycle perspective, encompassing fuel production, processing, transportation, distribution, and onboard combustion stages. This approach enables a consistent comparison of fuels by accounting for upstream emissions that are often overlooked in tank-to-wake analyses. Environmental data are obtained from the GREET model, which is widely recognized for its comprehensive coverage of fuel pathways and transparent methodological structure. By relying on GREET-based data, the study ensures consistency and comparability across different fuel options and production routes. The life cycle results indicate that conventional marine diesel exhibits high GHG emissions across all stages of its life cycle. In contrast, alternative fuels demonstrate a wide range of environmental performances depending on their production pathways. Fuels with low or zero carbon content at the point of use may still generate substantial emissions during upstream production processes, particularly when fossil-based energy sources are involved. This finding underscores the importance of adopting a full life cycle perspective when assessing the environmental benefits of alternative marine fuels. Beyond environmental performance, the study places strong emphasis on operational and technical criteria that directly affect vessel design and operation. Energy efficiency, expressed through both gravimetric and volumetric energy density, is identified as a critical parameter influencing fuel storage requirements, vessel arrangement, cargo capacity, and operational range. Fuels with low volumetric energy density require significantly larger storage volumes to deliver the same amount of energy, potentially leading to cargo loss or major design modifications. Safety considerations constitute another key dimension of the analysis. The study evaluates fuels based on toxicity, flammability, and handling risks, recognizing that safety-related constraints can become decisive factors in fuel adoption. While biodiesel exhibits a relatively benign safety profile, methanol introduces manageable risks that require appropriate mitigation measures. Ammonia, on the other hand, presents significant challenges due to its high toxicity and corrosive nature, necessitating advanced engineering solutions and strict operational controls. To systematically integrate environmental, technical, and operational considerations, this thesis employs a hybrid multi-criteria decision-making framework based on the Analytic Hierarchy Process (AHP) and the CRITIC (Criteria Importance Through Intercriteria Correlation) method. This hybrid approach allows the model to capture both subjective expert judgment and objective data-driven insights, thereby enhancing the robustness of the evaluation. The AHP method is applied to incorporate the perspectives of decision-makers within the Turkish maritime sector. By conducting structured surveys with industry professionals, the study reflects sector-specific priorities shaped by regulatory exposure, operational experience, and infrastructure constraints. This ensures that the weighting of criteria is grounded in real-world decision-making contexts rather than purely theoretical assumptions. In parallel, the CRITIC method is used to derive objective weights based on the statistical properties of the data, including variability and inter-criteria correlation. By integrating AHP and CRITIC results, the hybrid weighting scheme balances subjective preferences with intrinsic data characteristics, reducing bias and improving the transparency of the decision process. The MCDM results demonstrate that fuel rankings are highly sensitive to the relative importance assigned to different criteria. No single fuel option emerges as universally optimal across all evaluation dimensions. Under current regulatory and operational conditions, marine diesel oil remains competitive due to its established infrastructure, high energy density, and operational familiarity, despite its unfavourable environmental performance. Biodiesel appears as a strong transitional fuel, offering meaningful emission reductions while maintaining compatibility with existing engine technologies and storage systems. Ammonia and methanol show significant potential from a long-term decarbonization perspective, particularly when produced from renewable sources. However, their current applicability is constrained by low energy density, safety concerns, and limited global infrastructure. The results indicate that widespread adoption of these fuels will depend on technological advancements, regulatory incentives, and the development of dedicated bunkering and safety standards. Overall, the findings confirm that marine fuel selection is not a binary choice between“conventional”and“alternative”fuels, but rather a complex optimization problem involving trade-offs among competing objectives. Environmental benefits must be weighed against technical feasibility, safety requirements, and sector-specific realities. The integrated LCA–MCDM framework proposed in this thesis provides a structured and adaptable decision-support tool capable of addressing this complexity. By combining life cycle environmental analysis with a hybrid decision-making methodology grounded in industry input, this study contributes to the existing literature and offers practical guidance for shipowners, designers, and policymakers. The results support a phased transition strategy in which transitional fuels play a critical role in the short to medium term, while zero-carbon fuels gain relevance as technological and regulatory conditions mature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    596143

    An alternative fuel assessment model for ships and experiments on the effect of methanol on diesel engines

    Gemiler için bir alternatif yakıt değerlendirme modeli ve metanolün dizel motorlarda etkileri üzerine deneysel çalışma

    BURAK ZİNCİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ DENİZ

  2. Tez No

    887269

    Environmental assessment of alternative marine fuels and installations

    Alternatif deniz yakıtlarının ve sistemlerinin çevresel açıdan değerlendirilmesi

    BUĞRA ARDA ZİNCİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU

  3. Tez No

    641447

    Gazlaştırma yoluyla elde edilen sentez gazından kimyasal üretimine yönelik proses simülasyonu

    A process simulation for the production of chemicals from synthesis gas obtained by gasification

    OĞUZ ALP KURUCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN

  4. Tez No

    439662

    Energy and biomass production using yarrowia lipolytica from sanitary landfill leachate

    Yarrowia lipolytica ile sızıntı suyundan enerji ve biyokütle üretimi

    AYÇA BAŞAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ

  5. Tez No

    879457

    Dizel motorlarda amonyak ve biyodizelin üçlü yakıt olarak kullanılmasının performans ve emisyonlar üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal analizi

    Experimental and numerical analysis of the effects of using ammonia and biodiesel as triple fuel on performance and emissions in diesel engines

    FATİH OKUMUŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    DenizcilikYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖRKEM KÖKKÜLÜNK

Geri Dön