FBE- Deniz Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

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

Gözat

Konu "Alternatif ölçme ve değerlendirme teknikleri" 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.