Yenilenebilir enerji kaynakları kullanımı ile sıfır emisyonlu bir deniz aracı için sevk sistemi tasarımı

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynakları kullanan sıfır emisyonlu bir deniz aracının konsept tasarımının geliştirilmesi için mevcut bir tekne modelinin performans ve test verileri kullanılarak sistem mühendisliği yaklaşımı ile çalışma yapılmıştır. Seyir ve demir halinde iken yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretilen enerjinin depolanması ve seyir senaryolarında gerektiğinde bu enerjinin kullanılması hedeflenmiştir. Bu amaçlarla enerji kaynakları iki sınıfta değerlendirmeye alınmıştır. İlk sınıfta statik enerji üretim kaynakları olan; tekne hem seyir halinde iken, hem de açıkta demirli ya da limanda bağlı durumdayken enerji üretebilen güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri; ikinci sınıfta ise seyir halindeyken teknenin altında oluşan su akışından elektrik üretebilen dinamik üretim kaynakları olan iki adet su türbini yer almaktadır. Ayrıca, elektrikli seyir sağlayacak DC Motor - Pervane seti, yelkenli seyir esnasında tekne altındaki su akışından faydalanarak elektrik enerjisi üretebilen (su türbini modu) özellikte düşünülerek çözüm önerilmiştir. Bu bileşenin ilave ile yenilenebilir enerji kaynaklarından toplamda 4 ayrı enerji üretim alt sistemi dahil edilmiştir. Her bir enerji üretim sistemi tasarımda ayrı ayrı değerlendirmeye alınmış, mevcut tekne içindeki yerleşim planı ile tüketici gruplarının enerji ihtiyaçları değerlendirilerek enerji üretim bileşenlerinin boyut ve kapasiteleri için optimizasyon çalışması yapılmıştır. İhtiyaçlar ve tasarım kriterleri, "sıfır emisyonlu" bir tekne konsepti ile farklı operasyon senaryolarında teknenin hem seyir hem de teknede yer alan tüm elektriksel tüketiciler için gerekli enerji kaynağının sağlanabilmesi ve depolanmasına imkan verecek şekilde belirlenmiştir. Sistem özet olarak, dört ayrı enerji üretim alt sistemi, elektrikli tekne sevk sistemi, depolama isterlerini sağlayacak batarya tipi, grupları ve kapasitesi, tüm enerji üretim, depolama ve tüketim alt yapısını izleme ve kontrol edebilecek ve bu sistemlerin eş zamanlı çalışmalarını sağlayabilecek enerji yönetim sistemi alt sistemlerinden oluşmaktadır. Bu tür kompleks sayılabilecek sistemlerin ana gereksinimlere göre alt isterlerinin oluşturulması, gereksinim analizlerinin yapılması, ön tasarım ve arayüz tasarımları ile test ve validasyon safhalarının yapılabilmesi için savunma, havacılık ve uzay sistemlerinin geliştirilmesi ile başlayıp yaygın olarak kullanılan sistem mühendisliği prensipleri bu tezde ana yöntem olarak kullanılmıştır. Bu prensiplere bağlı olarak tez çalışma yöntemi detaylandırılmış, sistem, alt sistemleri ve kırılım ağacı belirlenerek her bir bileşende olması gereken özellikler akademik araştırmalar ile belirlenmiş ve önerilen detayları ile tanımlanmıştır. Önerilen sistemin doğrulaması senaryolar ile gerçekleştirilmiştir. Toplam üç farklı senaryo Marmara Denizi'nde yapılacak seyir, limanda bekleme, manevra ve demirde bekleme işlemlerini içerecek şekilde gerçekleştirilmiştir. İlk senaryo ile Tuzla -Büyükada arasında tekne seyri ile limandan kalkış, elektrikli tekne seyri ile manevra, yelkenli seyir, tekrar manevra ve demirde bekleme işletimleri programlanmış ve 23 saat devam eden senaryonun başlangıcında %50 doluluk oranı olan bataryalar, senaryo sonucunda %28 doluluk oranı ile tamamlanmıştır. İkinci senaryoda ise benzer bir yöntemle Tuzla - Mudanya gidiş ve geliş senaryosu toplam 22 saatlik tekne işletimleri ile devam etmiş ve %60 doluluk oranı ile başlatılan senaryo %44 doluluk oranı ile tamamlanmıştır. Batarya grupları ve sayısı teknedeki alt sistemlerin üretim ve tüketim planlamasına ve aynı zamanda Mooddy 41 DS'de artık kullanılmayacak olan yakıt tank kapasitesine göre karşılık gelecek ağırlığı geçmeyecek şekilde hesaplanarak bulunmuştur. Son senaryo ise acil durum senaryosu, yani rüzgar olmaması durumunda sadece elektrikli motor seyri ile ne kadar seyir yapılabileceğini gösteren senaryodur. Bu senaryoda tamamen dolu bataryalar ile başlanarak rüzgarsız bir havada Büyükada - Tuzla arasında seyir yapılmış ve batarya kapasitesinin %35'inin kullanıldığı tespit edilmiştir. Bu gösterimde tamamen dolu bataryalar ile yaklaşık 5,7 knots tekne hızı ile yaklaşık 4 saatlik bir seyir destekleneceği gösterilmiştir. Yapılan çalışma uygulamaları da görülmeye başlanan yenilenebilir enerji kaynakları, uygun batarya grupları ve enerji yönetim sistemi kullanılarak yelkenli teknelerde sıfır emisyonlu işletimin mümkün olduğu, tipik yelkenli tekne - yat operasyonlarının desteklenebildiği araştırma, tasarım, analiz ve işletim senaryoları ile gösterilmiştir. Ayrıca, yapılan çalışmada uygulanan sistem mühendisliği prensipleri ile bir çok bileşen ve detay içeren bu sistemin en basit şekilde bileşenlerine ayrılarak tasarım ve analizlerinin sağlandığı gösterilerek önemli bir örnek çalışma sunulmuştur.