Deniz tipi karbon tutum sistemlerinin incelenmesi

Abstract

Sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yönelik ilgi ve alınan önlemler her geçen yıl dünya çapında daha yüksek seviyelere ulaşmaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO), 2008 yılından bu yana çalışmalarını önemli ölçüde hızlandırmış ve uluslararası deniz taşımacılığından kaynaklanan karbondioksit (CO2) emisyonlarını azaltmak için bir dizi kural ve düzenleme uygulamaktadır. Bu tez çalışması, kara tesislerinde %90 seviyelerine varan CO2 azaltma potansiyeline sahip karbon tutum ve depolama sistemlerinin (CCS) denizcilik endüstrisinde CO2 emisyonlarını azaltmak için kullanımını incelemektedir. CCS sistemlerinin CO2 emisyonlarını azaltmadaki üstünlüğüne rağmen bazı dezavantajları bulunmaktadır. Çalışmanın amacı, sistemin en büyük dezavantajları olan sistem maliyetlerinin azaltılması, CO2'yi ayırmak için gereken enerji miktarının ve güç kaybının azaltılması ve sistemin fizibilitesinin artırılmasıdır. Bu çalışma kapsamında, farklı sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) taşıyıcı gemi tipleri için soğutma, ısıtma ve güç sistemlerinin farklı entegrasyon seviyelerinde CCS sistemlerine entegre edilmesinin termoekonomik analizini araştırmaktadır. Bu amaçla, ana güç, konvansiyonel atık ısı geri kazanımı (WHR), buharlaşan doğal gazı (BO-NG) sıvılaştırma, CO2 yakalama, CO2 sıvılaştırma ve organik Rankine çevrimi (ORC) sistemleri Aspen HYSYS programı ile modellenmiş ve simüle edilmiştir. Termoekonomik analizler, çalışmada kullanılan gemilerin referans sistemlerinin, incelenen farklı entegrasyon seviyelerindeki soğutma, ısıtma ve yardımcı güç sistemlerinin CCS sistemleri ile değiştirilmesi sonucunda ortaya çıkan maliyet artışı ve CO2 emisyonundaki azalma değerleri baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Termoekonomik analiz sonuçları genetik algoritma yöntemi ile optimize edilmiştir. Belirtilen çalışmalara ek olarak LNG taşıyıcıları için yakıt olarak reforme edilmiş NG kullanan yenilikçi bir katı oksit yakıt pili (SOFC)-içten yanmalı makine (ICE)-CCS entegre sistemi önerilmektedir. Entegre sistemlerin termodinamik modelleri yine Aspen HYSYS programı ile simüle edilmiş ve enerji, ekserji, ekonomi ve çevre (4E) analizleri gerçekleştirilmiştir. SOFC ayrıca elektrokimyasal olarak modellenmiş ve SOFC çalışma sıcaklığı, akım yoğunluğu ve bozunmaya bağlı çalışma süresinin etkileri araştırılmıştır. 4E analiz sonuçlarına göre en uygun yakıt pili çalışma sıcaklığı, akım yoğunluğu ve çalışma süresi parametreleri belirlenmiş ve akım yoğunluğu değişimine bağlı olarak yakıt pilindeki kayıpların etkisi incelenmiştir. Önerilen sisteme alternatif olarak SOFC-ICE-buhar türbini (ST) entegrasyonlu H2 yakıtlı başka bir sistem modellenmiş ve bu iki sistem ile halihazırda gemilerde bulunan güç sistemlerinin 4E analizleri yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada ayrıca, CCS sisteminin performansının, değişen ana makine yüklerinde bir geminin yaşam döngüsü boyunca emisyonları ve maliyetleri nasıl etkilediği incelenmiştir. Bu bulgulara dayanarak, tasarım geliştirmeleri ve modifikasyonları yapılmaktadır. Amaç, denizcilik sektöründe CCS sistemlerinin uygulanmasına ilişkin kapsamlı bir genel bakış sağlamaktır. Bu nedenle, farklı boyutlardaki tanker, konteyner, kuru yük, LNG taşıyıcı, ro-ro, ro-pax, soğutuculu gemi, genel kargo ve off-shore destek (OSV) gemilerinin çalışma profillerini hesaplamak için istatistiksel veriler kullanılmıştır. Ana makineler, literatürden belirlenen farklı gemi tiplerinin güç ihtiyaçlarına uygun olarak seçilmiştir. Gemilerin güç sistemlerinin termodinamik modellemesi, motor üreticisi parametreleri ile gerçekleştirilmiştir. Termodinamik modelleme aynı zamanda geminin CO2 sıvılaştırma ve karbon yakalama sistemlerini simüle etmek için de kullanılmıştır. Son olarak, Kamsarmax tipi bir dökme yük gemisi için CCS sisteminin tasarımında maksimum normalleştirilmiş motor yükü seçiminin emisyonlar ve maliyet üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Uygun varsayımlar kullanılarak CCS sisteminin tekno-ekonomik analizleri farklı gemi tipleri için gerçekleştirilmiştir. Son olarak gemilerin CCS sisteminde iyonik sıvıların çözücü olarak kullanılması konusunda deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmada çözücü olarak iyonik sıvıların kullanıldığı yenilikçi bir gemi CCS sistemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Deney kapsamında CO2 tutumu için yenilikçi iyonik sıvılar sentezlenmiş, karakterize edilmiş, gemi baca gazına uygun koşullarda CO2 çözme etkinlikleri ve çeşitli termodinamik özelikleri deneysel olarak belirlenmiştir ve literatürde özellikleri iyi bilinen monoetanolamin sıvısı ile karşılaştırılmıştır. Üstün özelliklere sahip olduğu tespit edilen bir iyonik sıvı (IL) için CCS sisteminde kullanılması durumunda oluşan avantaj ve dezavantajlar incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda CCS sisteminin kullanılmasının, LNG taşıyıcıları için Avrupa birliği karbon vergisini ödemekten daha uygun maliyetli olduğu ve denizcilik endüstrisi adına CO2 emisyonlarını azaltmak için umut verici bir çözüm olabileceği gösterilmiştir. Toplam yaşam döngüsü maliyeti (LCC), BO-NG ve CO2 sıvılaştırma çevrimlerinin entegre edilmesiyle azaltılabilir. Ana makinelerde yakıt olarak soğutma potansiyeli yüksek olan LNG'nin kullanılması, bu entegrasyonda toplam LCC azaltmak için en iyi çözümdür. Optimizasyon sonuçları, BO-NG'nin sıvılaştırılması için çalışma basıncı seçiminin çok kritik olduğunu göstermektedir. Optimum CO2 depolama basıncı, CO2'nin sadece soğuk LNG ile soğutulduğu en düşük basınçtır. Bir başka sonuç olarak, ORC'nin sistemlere entegrasyonu, başlangıç maliyeti ve bazı durumlarda nispeten düşük verimi nedeniyle sistemin toplam LCC'sini artırmaktadır. Ayrıca, ORC entegrasyonunun CCS sisteminin ekserji kaybını kısmen tolere edebilmektedir. Entegre sistemin toplam ekserji verimi %64,5'tir. Egzoz gazı ve deniz suyu ile çevreye aktarılan ekserji oldukça az iken, ekserji yıkımı önemli düzeydedir. Toplam ekserji yıkımının %59,9'unu ana güç sisteminin, %28,3'ünü ORC ve karbon yakalama sistemlerinin, %11,9'unu ise CO2 ve BO-NG sıvılaştırma sistemlerinin oluşturduğu tespit edilmiştir. Çok yüksek ekserji yıkımına rağmen, ana makine tasarımını sınırlayan parametreler nedeniyle ana güç sisteminden kaynaklanan ekserji yıkımını azaltma potansiyelinin düşük olduğu değerlendirilmektedir. ORC ve karbon yakalama sistemlerindeki ısı değiştiricilerin (HEX) ekserji kaybı 8,45 MW'tır ve HEX'lerin ekserji verimi nispeten düşüktür, bu nedenle ekserji yıkımını azaltma potansiyeli yüksektir. Önceki sonuçlarla birlikte, ORC ve karbon yakalama sistemlerinin ısıl tasarımındaki iyileştirmeler, incelenen entegre sistemin ekserji kaybını büyük ölçüde azaltacaktır. LNG taşıyıcı gemilerde SOFC kullanımı incelendiğinde reforme edilmiş yakıtlı SOFC veriminin H2 yakıtlı SOFC'ye göre en az %20,6 daha düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Kayıp mekanizmaları incelendiğinde, farkın büyük ölçüde parazitik kayıplar ve elde edilen Nernst potansiyeli ile ilgili olduğu görülmektedir. Bozunma etkisi nedeniyle SOFC çalışma süresi arttıkça CO2 azaltma oranı, enerji ve ekserji verimleri zamanla azalmaktadır. Maliyeti en aza indiren SOFC çalışma süresi, seçilen koşullara bağlı olarak yaklaşık 35,000 saat olarak hesaplanmıştır. Önerilen SOFCICE- CCS entegrasyonu alternatif SOFC-ICE-ST entegrasyonu ile karşılaştırıldığında 35,000 saatlik SOFC ömründe sistemlerin ortalama toplam enerji verimleri sırasıyla %44,1 ve %57,5, CO2 azaltım oranları ise %76,1 ve %96,9 olarak hesaplanmıştır. Düşük verimine rağmen CCS-SOFC-ICE entegrasyonu, CCS-ICE entegrasyonuna kıyasla sadece atık ısıyla iki kattan daha fazla CO2 yakalayabilmiştir. SOFC-ICE-CCS entegrasyonunda tutucu ve sıyırıcı kolonlar ICE-CCS entegrasyonuna kıyasla oldukça küçüktür. Boyutların küçültülmesi, ağırlık kaybını azaltacağı, geminin yerleşimini kolaylaştıracağı ve stabiliteyi artıracağı için önemlidir. Önerilen sistemlerin ekserji akışı ve yıkımı incelendiğinde, SOFC sistemindeki ekserji kaybının, özellikle reforme edilmiş yakıt kullanımı ve atık ısı potansiyelinden daha az yararlanılması nedeniyle alternatif sisteme kıyasla düşük olduğu görülmektedir. Önerilen sistemin maliyetini en aza indiren koşulların sıcaklık için yaklaşık 900°C ve akım yoğunluğu için 2,5 kA/m2 olduğu bulunmuştur. Bu koşullar altında CO2 azaltım maliyeti yaklaşık 711,1 $/ton olarak hesaplanırken, alternatif SOFC-ICE-ST sistem entegrasyonunda aynı koşullar altında maliyet 1310 $/ton olarak hesaplanmıştır. İncelenen sistemlerin maliyet bileşenleri analiz edildiğinde, her iki sistemin de ilk yatırım maliyetinin işletme maliyetinden çok daha büyük olduğu, SOFC-ICE-CCS sistemi için maliyetin çoğunun SOFC'den, SOFC-ICE-ST sistemi için ise H2 depolama tankından kaynaklandığı görülmüştür. Yüksek özgül yakıt tüketimi makine veriminin düşük olduğunu gösterse de egzoz sıcaklığını artırdığı için yüksek bir atık ısı potansiyeline neden olur. Böylece CO2 rejenerasyonu artar. Buna göre CCS sisteminin düşük verimli makineye sahip bir gemiye uygulanması daha avantajlı olacaktır. Ana makineleri aynı olmasına rağmen, küçük bir tankerin CCS sistemi, küçük bir dökme yük gemisinden %32,2 daha fazla CO2 yakalamıştır. Bu durum gemilerin operasyonel profili ile ilgilidir. CO2'nin rejenerasyonunda sadece atık ısı kullanılırsa, tüm gemi tiplerinde en az %30'luk bir yakalama oranı elde edilir. Yüksek özgül yakıt tüketimine sahip makinelere sahip gemiler için bu oran %55'i aşabilir. Tankerler ve dökme yük gemileri için gemilerin kargo kapasitesi arttığında, navlun kaybı maliyeti büyük ölçüde düşmekte ve önemini yitirmektedir. Konteynerler, soğutuculu gemiler ve küçük gemi tipleri için günlük kiralama ücreti kargo kapasitesine kıyasla büyüktür ve navlun kaybı maliyeti oldukça yüksektir. Ekstra yakıt maliyeti LNG taşıyıcıları hariç tüm gemi tiplerinde neredeyse aynıdır. CCS sisteminin ihtiyaç duyduğu güç hemen hemen tüm gemilerde ana makine tarafından sağlanan gücün %2,5'i kadardır. LNG taşıyıcılarında CO2'yi soğutmak için soğuk LNG kullanıldığından soğutma çevrimi güç tüketimi ve ilk yatırım maliyeti düşüktür. Buna ek olarak, LNG ile çalışan makinelerin özgül yakıt tüketimi önemli ölçüde daha düşüktür ve yakıt daha ucuzdur. Böylece, LNG taşıyıcılarında birim CO2 kütlesi başına maliyet %40,3-54,2 oranında azalmaktadır. Kamsarmax tipi bir dökme yük gemisi için %75 MCR normalleştirilmiş maksimum yüke göre yapılan tasarımda, CCS sisteminin LCC'si %55'lik MCR'ye göre yapılan tasarımdan %17,9, yakalanan CO2 miktarı %10,3 daha düşüktür. İyonik sıvıların gemilerdeki CCS sisteminde kullanılması ile ilgili deneysel çalışma sonuçları iki adet sıvı için elde edilmiştir. 1,1,3,3-Tetrametilguanidin imidazolyum sıvısı ağırlıkça %30 MEA içeren sulu çözeltiye kıyasla ilk 10 dakikalık kısımda 2 kattan daha fazla CO2 çözmüştür. İncelenen IL'nin Q-Flex tipi LNG taşıyıcısı için CCS sisteminde kullanılması tutulan CO2 oranını %39,9'dan %90'a çıkarmış, maliyeti %26,9 azaltmıştır.