FBE- Deniz Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/156

Gözat

Yazar "Deniz, Cengiz" ile FBE- Deniz Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    An alternative fuel assessment model for ships and experiments on the effect of methanol on diesel engines
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Zincir, Burak ; Deniz, Cengiz ; 10304496 ; Deniz Ulaştırma Mühendisliği ; Maritime Transportation and Mangement Engineering
    Günümüzde, hava kirliliği, küresel ısınma ve iklim değişikliği konuları öncelikli tartışma ve araştırma konularıdır. Paris'teki Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konferansı'nda imzalanan, bağlayıcılığı olmayan, ülkeler arası anlaşmada belirtilen emisyon seviyeleri ile günümüzdeki emisyon miktarları karşılaştırıldığında, belirtilen seviyenin aşılmış olduğu görülmektedir. Küresel ısınma, atmosfere yayılan sera gazları ile beraber artmaktadır. Karbondioksit, yayılan bu sera gazlarının en önemli ve en fazla yayılan parçasıdır. Küresel ısınma, aşırı yağışlar, fırtınalar, buzulların erimesi, sel veya aşırı kuraklık gibi aşırı doğa olayları ile beraber iklim değişikliğine neden olmaktadır. Küresel ısınmayı yavaşlatmaya yönelik çalışmalar olmasına rağmen, dünyadaki enerji tüketimindeki artış bu çabayı etkisiz hale getirmektedir. İklim değişikliğinin yanında hava kirliliği ve hava kalitesinin bozulması da insan sağlığını ve ekim alanlarını etkileyen faktörlerdir. Azot oksit ve sülfür oksit emisyonları asit yağmurlarına sebep olmakta ve ekim alanlarını etkilemektedir. Karbon monoksit ve partikül madde emisyonları ise hava kalitesini bozmakta ve insan sağlığına zarar vermektedir. Siyah karbon emisyonları ise ekim alanlarını bozmakta ve verimsizleştirmektedir. Emisyon miktarlarının artışı dünyadaki enerji tüketimine doğrudan bağlıdır. Dünyadaki enerji tüketimi 2015 yılında 575 katrilyon Btu iken modellere göre 2030 yılında 663 katrilyon Btu ve 2040 yılında 736 katrilyon Btu olması tahmin edilmektedir. Enerjiyi tüketen çeşitli alanlar bulunmaktadır. Bunlar yapılar, ulaşım ve endüstri alanlarıdır. Yapılar, konutlar ve ticari binalardan oluşmaktadır. Endüstri alanı, üretim tesisleri, fabrikalar ve ağır sanayi bölgelerinden oluşmaktadır. Ulaşım alanı ise kara, demiryolu, hava ve deniz taşımacılığını içermektedir. Ulaşım sektörü, enerji tüketiminin önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. 2015 yılında yaklaşık 110 katrilyon Btu enerji tüketimi sadece ulaşım sektöründe gerçekleşmiştir ve 2040 yılında 140 katrilyon Btu enerji tüketimi olması beklenmektedir. Ayrıca ulaşım sektörü dünya emisyon miktarlarında da önemli bir paya sahiptir. Avrupa Enerji Ajansı'nın verilerine göre karbon monoksit emisyonlarının %18.84'ü kara taşımacılığından, %0.11'i demiryolu taşımacılığından, %0.99'u hava taşımacılığından ve %1.94'ü deniz taşımacılığından; azot oksit emisyonlarının %28.65'i kara taşımacılığından, %0.94'ü demiryolu taşımacılığından, %6.59'u hava taşımacılığından ve %20.98'i deniz taşımacılığından; sülfür oksit emisyonlarının %7.71'i kara taşımacılığından, %0.02'si demiryolu taşımacılığından, %0.9'u hava taşımacılığından ve %11.8'i deniz taşımacılığından; partikül madde tip (PM10) emisyonlarının %0.48'i kara taşımacılığından, %0.54'ü demiryolu taşımacılığından, %0.48'i hava taşımacılığından ve %4.63'ü deniz taşımacılığından; ve partikül madde tip (PM2.5) emisyonlarının %9.98'i kara taşımacılığından, %0.6'sı demiryolu taşımacılığından, %0.87'si hava taşımacılıktan ve %8.57'si deniz taşımacılığından oluşmaktadır. Deniz taşımacılığı, ulaşım alanının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Dünya ticaretinin %90'ı, Avrupa Birliği'nin dış ticaretinin %90'ı ve iç ticaretinin %40'ı bu yolla yapılmaktadır. Deniz taşımacılığında 2012 yıllında 300 milyon ton yakıt harcanmış, 938 milyon ton karbondioksit, 19 milyon ton azot oksit, 10.2 milyon ton sülfür oksit, 1.4 milyon ton partikül ve 936 bin ton karbon monoksit emisyonu atmosfere verilmiştir. Deniz taşımacılığındaki dikkate alınması gereken bu emisyon miktarlarını azaltmak için, Uluslararası Denizcilik Örgütü çalışmalar yapmaktadır. Karbondioksit emisyonlarını azaltmaya yönelik, MARPOL Ek-VI altında Gemilerde Enerji Verimliliği Sözleşmesi yürürlüğe girmiş ve en son IMO Veri Toplama Sistemi 1 Mart 2018'de yürürlüğe girmiştir. Diğer yandan Avrupa Birliği ülkeleri tarafından MRV Regülasyon'u 1 Temmuz 2015 yılında yürürlüğe sokularak gemilerden kaynaklı karbondioksit emisyonlarının kayıt altına alınması ve azaltılmasına yönelik çalışmalar desteklenmektedir. Azot oksit emisyonlarını azaltmaya yönelik IMO NOX Kod ile beraber Emisyon Kontrol Alanları içi ve dışı olarak makine hızını bağlı olarak sınırlar belirlenmiş ve hem makine üreticilerinin bu sınırlara uygun makine üretmesi hem de gemilerde bu sınırlara uygun makinelerin kullanılması standart haline sokulmuştur. Sülfür oksit ve partikül madde emisyonları için gemilerde kullanılacak yakıtların içeriğine sülfür sınırı getirilmiş ve hem Emisyon Kontrol Alanları içi hem de dışı olmak üzere bu sınırlar belirlenmiş ve gemilerde standarda uygun yakıtların kullanımı amaçlanmıştır. Gün geçtikçe emisyon kuralları katılaşmaktadır. Bu kurallara uygunluk sağlanabilmesi için gemilerde, çeşitli emisyon azaltma teknolojileri ve metotları uygulanmaktadır. Bunlar, azot oksit emisyonlarını azaltmak için egzoz gazı resirkülasyon sistemi, seçici katalitik azaltma, silindir içine su verilmesi ve makine modifikasyonları iken sülfür oksit emisyonları için ise sülfür oksit filtreleme sistemi kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemler hedefledikleri emisyon miktarlarını azaltsalar da diğer emisyonlara etkileri olmamakta diğer yandan makine verimini düşürdüklerinden karbondioksit emisyonlarında da artışı sebep olmaktadırlar. Bu yöntemlere ek olarak gemilerde alternatif yakıtların kullanılması, azot oksit, sülfür oksit, karbondioksit ve partikül madde emisyonlarını aynı anda düşürme potansiyeline sahiptir. Gemilerde kullanılabilecek alternatif yakıtlar, sıvılaştırılmış doğalgaz, sıvılaştırılmış petrol gazı, metanol, etanol, dimetil eter, biyodizel, biyogaz, sentetik yakıtlar, hidrojen, elektrik ve nükleer yakıt olarak sayılabilir. Bunlara ek olarak amonyak da son yıllarda alternatif yakıt olarak düşünülmektedir. Dünya üzerinde 116 adet sıvılaştırılmış doğalgaz kullanan gemi seyir yapmakta olup, 112 adet yeni sipariş verilmiş ve 93 adet de sıvılaştırılmış doğalgaz kullanmaya hazır gemi bulunmaktadır. 2 adet metanol kullanan gemi seyir yaparken, 6 adet kimyasal tanker siparişi verilmiştir. 12 adet sıvılaştırılmış petrol gazı kullanan gaz tankeri seyir yapmaktadır. 2 adet etan kullanan gemi seyir yaparken, 2 adet de sipariş verilmiştir. Ayrıca 2 adet hidrojen kullanan gemi de seyir yapmaktadır. Belirtilen gemi sayıları, deniz taşımacılığının alternatif yakıtlara yöneldiğini göstermektedir. Ancak bilindiği gibi gemilerdeki geleneksel yakıtlar, gemi güvenliği açısından, 60°C'nin üstünde parlama noktasına sahiptir. Diğer yandan gemilerde kullanılmaya başlanan alternatif yakıtlar genelde daha düşük parlama noktasına sahip yakıtlardır. Bu da gemilerde alternatif yakıtları kullanmadan önce gemi üzerinde modifikasyonlar yapılıp güvenlik tedbirlerinin arttırılmasını gerektirmektedir. Bunun için IGF Kodu referans alınmaktadır. Bu kod gaz ve diğer parlama noktası düşük yakıtların gemilerde kullanılması için gerekli olan minimum standartları belirlemektedir. Bir gemide kullanılacak alternatif yakıtı belirlemeden önce çeşitli faktörler ele alınmalı, yakıt özellikleri incelenmeli, yakıtın uzun dönem kullanılıp kullanılamayacağı, olgunlaşmış bir teknolojiye sahip olup olmadığı, çevre dostu olup olmadığı, emisyonlara etkisi, uluslararası kurallara uygunluğu, ilk yatırım, işletme ve yakıt maliyetleri detaylıca araştırılmalıdır. Hazırlanan bu tez iki ana kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda gemilerde kullanılacak alternatif yakıtları değerlendirmek ve seçimini kolaylaştırmak adına farklı kriterler kullanılarak bir değerlendirme modeli oluşturulmuş ve çeşitli alternatif yakıtlar değerlendirilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise bir dizel motorda metanol yakıtı, kısmi ön karışımlı yanma konsepti kullanılarak deneysel çalışma yapılmıştır. Tezin ilk kısmının amacı, gemilerde alternatif yakıtların kullanımını etkileyecek kriterler kullanılarak bir değerlendirme modeli oluşturulması, bu metot vasıtası ile hem hangi kriterlerin alternatif yakıt seçiminde daha belirleyici olduğunun görülmesi hem de hangi alternatif yakıtların gemilerde kullanılmasının daha uygun olacağının bulunmasıdır. Tezin ikinci kısmının amacı ise ilk kısımda değerlendirilen alternatif yakıtlardan en uygun olanlarından biri ile bir dizel motor üzerinde deneysel çalışma yapılması, hem farklı yüklerde yanma olayının, makine performansının ve açığa çıkan emisyonların gözlemlenmesi hem de yakıtın yanmasına etki edecek bazı parametreleri değiştirerek, bu değişimlerin makine performansı ve emisyonlara etkilerinin gözlemlenmesidir. Sonucunda da deneysel çalışmada kullanılan alternatif yakıtın gemilerde kullanıma uygun olup olmadığı ve uluslararası denizcilik emisyon kurallarına uygunluğu incelenmiştir. Oluşturulan değerlendirme modeli tarafından değerlendirilecek alternatif yakıtlar, amonyak, etanol, hidrojen, jet yakıtı, metanol, sıvılaştırılmış doğalgaz ve sıvılaştırılmış petrol gazıdır. Değerlendirme modeli oluşturulurken, çok kriterli karar verme yöntemlerinden biri olan analitik hiyerarşi prosesi kullanılmıştır. Değerlendirme modelinde alternatif yakıtların değerlendirileceği ana kriterler, emniyet, mevzuat, güvenilirlik, teknik, ekonomi ve ekolojidir. Ana kriterlerin yanında emniyet kriterinin altında parlama noktası, kendiliğinden tutuşma noktası, yanma limitleri, alev hızı ve maruz kalma derecesi; güvenilirlik kriterinin altında olgunluk ve yakıt ikmal imkanları; teknik kriterin altında, sistemin karmaşıklığı, gemilere uygulanabilirlik ve makine parçalarına etki; ekonomi kriterinin altında ticari etki, yatırım maliyeti, bakım maliyeti ve yakıt maliyeti bulunmaktadır. Hem ana kriterlerin hem de ana kriterlerin altındaki alt kriterlerin ağırlıkları on dört eksperin anket görüşlerine göre puanlandıktan sonra analitik hiyerarşi prosesi kullanılarak bulunmuştur. Buna göre emniyet ve ekoloji kriterleri 0.346 ağırlık puanıyla ilk sıradadır. Mevzuat kriteri 0.146 ağırlık puanı ile ikinci derecede etki etmektedir. Alternatif yakıtların her bir kriterde değerlendirilmesi ise alternatif yakıtların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin birbirleri ile kıyaslanması, mevzuata uygunlukları, sistem gereklilikleri, yakıt ikmal noktaları, olgunluk dereceleri gibi sayısal olmayan verilerin sayısal veriye dönüştürülmesinden sonra birbirleri ile kıyaslanması şeklinde, analitik hiyerarşi prosesi kullanılarak yapılmıştır. Değerlendirme modelinin sonuçlarına göre sıvılaştırılmış doğalgaz 0.234 ağırlık puanı ile en uygun yakıt olarak çıkmıştır. İkinci sırada 0.151 ağırlık puanı ile metanol, üçüncü sırada ise 0.148 ağırlık puanı ile amonyak en uygun yakıtlardan olmuştur. Tezin ikinci kısmında metanol ile deneysel çalışma yapılması planlanmıştır. Metanolün seçilmesinde hem bu yakıtın denizcilik sektörü açısından güncelliğinin olması hem de deneysel çalışma esnasında laboratuar emniyetinin daha kolay sağlanabilecek olması, geleneksel yakıtlara benzerliği, normal koşullarda sıvı halde depo edilebilmesi ve sülfürsüz bir yakıt olması etkili olmuştur. Metanolün dizel motorlarda yakılabilmesi için birçok yanma konsepti uygulansa da kısmi ön karışımlı yanma konsepti ile çalışma yapılmıştır. Bunun sebebi makine üzerinde daha az modifikasyon ihtiyacının olması, makinede yüksek verim elde edilmesi, düşük azot oksit ve partikül madde emisyonları, metanolün kısmi ön karışımlı yanma ile yakılmasına ilişkin literatürdeki boşluklar ve kısmi ön karışımlı yanmanın gemi ana makineleri için uygulanabilir olmasıdır. Deneysel çalışmalar, Lund Üniversitesi'nin test laboratuarındaki Scania D13 dizel motoru üzerinde gerçekleştirilmiştir. Normalde altı silindirli olan bu motor, deneysel çalışmalar için tek silindirinde yanma gerçekleşecek şekilde modifiye edilmiştir. Testler, 2 bar, 3 bar, 5 bar, 8 bar ve 10 bar indike ortalama efektif basınç yüklerinde gerçekleştirilmiştir. 2 bar indike ortalama efektif basınç yükünde, emme havası sıcaklığının yanmaya, makine performansına ve emisyonlara etkisi incelenirken, 3 bar indike ortalama efektif basınç yükünde, yakıt püskürtme zamanının yanmaya, makine performansına ve emisyonlara etkisi incelenmiştir. 5 bar ve 8 bar indike ortalama efektif basınç yüklerinde genel yanma trendleri, makine performansı ve emisyonlar incelenmiştir. 10 bar indike ortalama efektif basınçta ise tek yakıt püskürtmesi ve ayrık yakıt püskürtmesi denenmiştir. Ayrık püskürtme esnasında yakıt püskürtme parametrelerinden, ilk püskürtme zamanının etkileri, ikinci püskürtme zamanının etkileri, ilk püskürtme süresinin oranının etkileri ve yakıt püskürtme basıncının etkileri incelenmiştir. Genel sonuçlara göre, makinede yanma stabilitesi COV IMEPn %2 ile iyi durumdadır. Makine verimi minimum 0.44 maksimum 0.49 olurken, yanma verimi minimum 0.89 iken 5 bar indike ortalama efektif basınç yükten sonra 0.99'un üzerindedir. Karbon monoksit ve yanmamış hidrokarbon emisyonları 5 bar indike ortalama efektif basınç yükten sonra 0.2 g/kWh olarak düşük seyretmiştir. Azot oksit emisyonları, 5 bar ortalama efektif basınç yüke kadar azot oksit tier III emisyon limitlerinin altındayken, 8 ve 10 bar ortalama efektif basınç yüklerinde 5 g/kWh ve 5.5 g/kWh ile tier II emisyon limitlerinde seyretmiştir. Deneysel çalışmalar, makinenin ısınma sorunları nedeniyle 10 bar ortalama efektif basınca kadar yapılabilmiş, makinenin tam yükü olan 20 bar ortalama efektif basınç yüküne çıkılamamıştır. Bu nedenle 10 bar ile 20 bar arasındaki spesifik yakıt tüketimi, yanma verimi, makine verimi ve emisyon değerleri alınan verilere göre eğri uydurularak trendi tahmin edilmeye çalışılmıştır. Buna göre en düşük spesifik yakıt tüketimi, 381 g/kWh ile 16 bar indike ortalama efektif basınç yükünde elde edilmiştir. Yanma verimi 0.99'un üzerinde seyrederken, makine verimi 0.485 ile 16 bar indike ortalama efektif basınçta elde edilmiştir. Karbondioksit miktarı 16 bar indike ortalama efektif basınçta 524 g/kWh ile en düşük seviyesindedir. Karbon monoksit ve yanmamış hidrokarbon emisyonları 0.2 g/kWh ile 20 bar indike ortalama efektif basınç yüküne kadar devam etmiştir. Azot oksit emisyonları ise 13.5 bar indike ortalama efektif basınç yüke kadar azot oksit tier II limitleri altında seyrederken, daha yüksek yüklerde bu limiti aşmıştır. Ancak daha önce aynı test motoru üzerinde metanol ile yapılan deneylerde egzoz gaz resirkülasyon sistemi kullanıldığında azot oksit emisyonlarının rahatlıkla 0.4 g/kWh'in altına indirildiği belirtilmişti. Bu da gösteriyor ki egzoz gaz resirkülasyonu kullanıldığında, azot oksit emisyonları azot oksit tier III limitlerinin altında kalacaktır. Bu tez çalışması göstermiştir ki oluşturulan değerlendirme modeli deniz taşımacılığının gerçekleri ile örtüşmekte ve gemilerine alternatif yakıt seçiminde bulunacak olan karar vericilere yön gösterebilmektedir. Deneysel çalışma kısmı ise metanol yakıtının kısmi ön karışımlı yanma konsepti kullanılarak bir dizel motorda iyi bir makine stabilitesi, yüksek makine verimi ve testlerin genelinde düşük emisyon miktarları ile yakılabileceğini göstermiştir. Metanol yakıtının sülfürsüz oluşu sülfür oksit emisyonlarının açığa çıkmamasını sağlarken, yine metanolün kimyasal özelliği ve kısmi ön karışımlı yanma konsepti sayesinde partikül emisyonlarının sıfıra yakın olmasını sağlamaktadır. Belli bir yüke kadar azot oksit tier III emisyon limitleri altında seyreden azot oksit emisyonları da bu seviyeyi aştığında egzoz gaz resirkülasyonu kullanılarak yine tier III limitleri altına indirilebilmekte ve regülasyonla uyum göstermektedir. Karbondioksit emisyonları için ise metanolün düşük karbon içermesi, bu emisyonların daha az atmosfere verilmesini sağlamaktadır. Eğer ileride karbon nötr olan biyo-metanol kullanımı yaygınlaşırsa karbondioksit emisyonlarının kayıtlara geçirilmesine de gerek kalmayacaktır. Metanol kısmi ön karışımlı yanma konsepti güncel karbondioksit, azot oksit ve sülfür oksit emisyon kuralları ile uyumlu olduğunu göstermiştir.
  • Öge
    Energy efficiency oriented model based investigation of marine diesel engine and auxiliary systems
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Dere, Çağlar ; Deniz, Cengiz ; 671339 ; Deniz Ulaştırma Mühendisliği
    The fact that transportation of goods by seaways is the most efficient method in international transportation and the increasing trend in world trade leads to an increment in the volume of sea trade and raises the number of merchant ships. There is a directly proportional relationship between industrial production and transportation of goods. As a result of growth in production, the transportation of goods has been increasing with the share of carbon emission volume of shipping in total global anthropogenic emissions. Since the merchant fleet propulsion is heavily depended diesel engines, carbon-contained fuels are in use, particularly Heavy Fuel Oil (HFO) with 79% dominancy. Carbon emissions, the combustion product, as a greenhouse gas, has severe effects on environment, like climate change. Marine Environment Protection Committee (MEPC) as a sub-committee of International Maritime Organisation (IMO) has agreed on putting forward efficiency measures to decrease carbon emissions from shipping. Efficiency Design Index (EEDI) and Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) are two main mandatory regulations. Additionally, Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) was proposed to standardize the calculation method for ships' energy efficiency during operation; however, the type of calculation method will be superseded by Carbon Intensity Indicator (CII) as a new standard. With the new standard, not only the annual fuel consumption data "Annual Efficiency Ratio" (AER) will be asked but also the efficiency plans for the next three years for the ships will be required. Furthermore, the ships which cannot meet the minimum efficiency requirements, must re-new the SEEMP plans, with a procedure how will they achieve, their measuring, self-evaluation and improvement methods. IMO GHG Strategy aims to mitigate carbon intensity of international shipping by 40% until 2030 and at least 50% up to 70% abatement by the year 2050. The reference line was determined according to the year 2008, emission levels. In the short term it can be achieved by less fuel consumption, which results in mitigation of carbon emissions. For the upcoming mid-term solutions that reducing the fuel consumption of ships by reducing energy consumption and increasing main engine efficiency. These all studies are called energy efficiency studies in maritime sector and the efficiency issue has been becoming a decisive challenge for the future shipping industry. Although, alternative fuels without carbon are just initiated to integrate to the shipping sector, transformation of the primary power fuels to the not carbon-contained fuel will take a long time for shipping sector. A significant amount of emission reduction was achieved after 2008 to 2015 because of slow steaming operations, the average engine loads of the ships decreased significantly because of global volume trade, efficiency regulations. However, the significant reduction comes from intrinsic relation between ship hull and speed. There is a cubic relationship between the ship speed and required power for propulsion. Ships are designed for optimized range of operational speed. Their propeller and main engine are chosen according to planned rpm and propulsion power in the range of operational load. However, while in the slow steaming operation ships are not operated in their designated operational range. Although, operating out of the optimized operational range leads to loss of efficiency, reduced drag force with reduced speed enables lesser fuel oil consumption for per nautical mile. Nevertheless, the solution to be questioned is how long speed reduction will be a solution considering lowering speed is limited. After 2015 the efficiency increment trend has slowed down, because the ships had not reduced their speeds anymore, slightly increase and decrease can be observed at the trends. In the light of operational trends in recent years, a brief summary was prepared for the state of the art developing technologies to reduce both fuel consumption and emission, search on the new approaches to increase the efficiency of the engines, combined with engine room equipment. It can be seen that the most type of measures were developed for reduced loads, particularly. There are some methods applied on the shipping operations such as using limited engine power via slow steaming, fitting the ship with energy recovering installations, exchanging some equipment with more energy-efficient ones, using alternative fuels and optimisation of trim, ballast or voyage course etc. The study of the thesis aims to decrease energy consumption used by auxiliary systems or reduce the consumption of the fuel by main engine of the ship through the implementation of efficiency enhancement methods proved by model-based approach. The approach was applied on container ship. The container ships tankers and bulk carriers represent the 65% of world fleet. Due to the relatively higher speed of container ships, slow steaming is much more popular among in container ships. With high power demand of the ships, and the increment in the sizes of the ships results in increment in installed main engine power. Increment in both capacity and main engine power, the auxiliary power demand of the ships increases. Therefore, not only the fuel consumption of the main engine but also energy demand of the auxiliary systems must be analysed. The study is carried out by three main studies, which are published articles, stated in chapters 2-3-4. In the thesis, the energy management methods, which are applied to main engine and auxiliary systems, will be introduced with their quantitative results section by section. Chapter one issues the main engine operational efficiency under different operational loads. The model-based approach was carried out with together with the combination of mean value engine model approach and zero dimensional model. Mechanical and thermodynamic principles are utilized to represent engine load-rpm relation and determination of in-cylinder and after processes, including, combustion, cooling, turbocharging. With the help of the developed engine model, cooling phenomenon is studied in order to calculate the potential of energy efficiency improvement in a container vessel. The effect of cooling on in-cylinder processes is discussed under variable engine loads, reduced loads, particularly. The outputs of the model is in-cylinder pressure and temperature diagram in a crank angle domain, Scavenge pressure, Exhaust pressure and temperature, turbocharging power, cooling losses, injection timing. All engine conditions are evaluated at steady state conditions. The simulation results showed that with elevated liner temperatures, as in the range of maximum continuous rating temperatures, at reduced loads, has favourable effects on generated power. If the power generated by the engine fixed with constant rpm for the ship brake specific fuel oil consumption reduces with lesser heat loss to the cylinder walls. As a consequence of keeping some part of the heat in the cylinder, increased pressure in the cylinder can be converted to mechanical energy through piston head and piston rod and that energy can be transferred to the motion of the propeller shaft via crank shaft rotation. However, not all the power can be transferred to a mechanical power, around 30% of the unrejected heat could be utilized as shaft power. Chapter two treats the operational case of seawater and freshwater cooling system in the engine room. As can be calculated in case study one, the main engine liner cooling demand reduces significantly in reduced loads. The goal of the study is to minimize electrical power consumption during slow steaming operation, hence equivalent fuel consumption and emissions could be decreased. A computational study was carried out in order to clarify potential savings with respect to main engine load. An optimized operation of auxiliary machinery load is proposed to increase the energy efficiency aspect of the main diesel engine operation. The study quantifies the energy savings in main engine cooling system which has significant potential to reduce electrical power consumption in slow steaming operations. The values obtained from the simulator were verified using the technical manual of a diesel engine, which have similar output power range. The results of calculations show that there is great potential to improve energy efficiency when variable pumps are used. Based on the results, from the main engine cooling system, 60% of electrical power demand reduction can be achieved. The power reduction saved by pumps, decreases considerable amount of marine diesel oil as 296.2 tons used by diesel generators or oil fired boiler which corresponds 924 tons of CO2 emission reduction and $207,300 cost saving. The Chapter three issues the compressed air system used as a vital sub-system for the operation of main engine and its components. The compressed air is a valuable energy source in operational manner, by the reason of intrinsic lack of efficiency in pressurization process. Operational pressure and leakage rate are the major variables which affect operational efficiency of the system. This study aims to reveal potential energy saving for the compressed air system. To this end, several pressure ranges, 29-30 bars to 14-18 bars, and different leakage rates 2.4% to 45% are evaluated. After the data was obtained from ships, thermodynamic calculations had been carried out. Optimization of pressure saves 47.3% in daily power requirement, 58,2% in compressed air unit cost, 18.4 and 57.4 tons of reduction in fuel consumption and CO2 emissions in a year respectively. High leakage rates can cause 2.7 times more power and fuel consumption. Finally, operating load, as an important indicator of compressor, makes imperfections identifiable. A detailed graphical evaluation of achieved improvement at electrical consumption need by suggested design pressure ranges was presented from both economic and environmental concept. In the conclusion, evaluation of energy management methods in the past to present and relation with the current studies are discussed with model based approaches. Further studies can be proposed by modelling method by integrated the models, developed in this studies. Model-based approach will be a prominent solution for near future shipping to prepare more realistic and accurate SEEMP plan and observing the future obstacles for subject ship.