Bir feribot için atık ısının kullanıldığı termoelektrik güç üretim sisteminin ısıl, çevresel ve ekonomik analizi

Abstract

Enerji ihtiyacı, artan dünya nüfusu ve ticaret hacminden dolayı artmaktadır. Enerjinin aşırı kullanımı zararlı emisyonların artmasına, küresel ısınmaya ve ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Küresel ticaretin %80 ile %90 arasındaki kısmı deniz taşımacılığı aracılığıyla sağlanmaktadır. Bundan dolayı gemicilik küresel ekonomi ve tüm beşeri faaliyetlerde önemli bir rol oynamaktadır. Bunun sonucunda gemi sayısı artmaktadır. 2016 yılında dünya gemi filosunda yaklaşık olarak 89.800 gemi bulunmaktayken uluslararası deniz ticaretinde dökme yük, petrol ve konteyner başta olmak üzere taşınan yük yaklaşık 11,3 milyar ton olmuştur. 2022 yılında ise gemi sayısı toplam 126.950 iken 2022 yılında uluslararası deniz ticaretinde taşınan yük yaklaşık 12,1 milyar ton olmuştur. 2016 yılında tanker, dökme yük gemisi, genel kargo gemisi ve konteyner gemileri başta olmak üzere gemilerden yayılan karbondioksit (CO2) emisyonu yaklaşık 750 milyon ton olurken 2022 yılında ise yaklaşık 860 milyon ton olarak gerçekleşmiştir. 2016-2022 arasındaki döneme bakıldığında artan gemi sayısı ve taşınan yüke bağlı olarak gemi kaynaklı emisyon artmıştır. Deniz taşımacılığı en az emisyon yayan ulaşım tiplerinden birisi olmasına rağmen artan gemi sayısından dolayı atmosfere yayılan emisyon miktarı artmaktadır. 2017 yılında Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde ulaşım sektörü kaynaklı emisyonun yaklaşık %72,9'unu karayolu ulaşımı, %13,3'ünü havacılık, %12,8'ini denizcilik ve geriye kalan %1'lik kısmı da demiryolu ve diğer ulaşım tipleri oluşturmaktadır. Bu oranlara göre deniz taşımacılığının karayolu ve havayolu taşımacılığına göre daha az emisyon yaydığı görünse de deniz taşımacılığı kaynaklı emisyonun ulaşım kaynaklı toplam emisyondaki payı önemli bir değere sahiptir. Bundan dolayı, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Dizayn Endeksi (EEDI) gibi gemi enerji verimliliğini geliştirme amaçlı düzenlemeler yapmıştır. EEDI gemilerin enerji verimliliğini artırmayı ve gemi kaynaklı emisyonu 2013 yılından sonra inşa edilen gemilerde azaltmayı amaçlamaktadır. SEEMP gemilerin enerji verimliliğini geminin operasyonlarında yapılacak operasyonel optimizasyonlarla artırmayı amaçlamaktadır. Ayrıca, tipik bir gemi makinesinde üretilen gücün yaklaşık yarısı geminin sevki için kullanılırken üretilen gücün %25,5'i egzoz gazı formunda atmosfere salınmaktadır. Tipik bir gemi makinesinden yayılan diğer atık ısı kaynakları %16,5 oranında şarj havası, %5,2 oranında ceket suyu, %2,9 oranında yağlama yağı ve %0,6 oranında ısıl ışınımdır. Bu bir gemi makinesinin ürettiği gücün yarısının atık ısı olarak kullanılamadan atmosfere salındığını göstermektedir. Hem gemi makinelerinin atık ısı oranı hem de küresel deniz ticareti kaynaklı emisyon miktarından dolayı atık ısı geri kazanım yöntemleri önemli bir konu başlığı haline gelmişti ve atık ısı bileşenleri göz önüne alındığında egzoz gazı taşıdığı ısı miktarı ve sahip olduğu sıcaklık ile büyük bir atık ısı geri kazanımı potansiyeline sahiptir. Gemi makinesinden atık ısı geri kazanımı atmosfere salınan zararlı emisyonların azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada Eskihisar-Topçular arasında yolcu ve araç taşıyan Ord. Prof. Ata Nutku feribotunun ana makinesinin egzoz gazının atık ısısı kullanılarak termoelektrik güç üretimi ile atık ısı geri kazanımı analizi yapılmıştır. Termoelektrik güç üretimi termoelektrik modülün sıcak ve soğuk tarafları arasındaki sıcaklık farkından yararlanılarak voltaj üretimini sağlayan Seebeck etkisi ile ısıl enerjiden elektrik enerjisine direkt enerji dönüşümüdür. Bu çalışma kapsamında farklı karakteristiklere sahip TGMT-19W-4V ve TE-MOD-22W-7V-56 olmak üzere iki adet termoelektrik modül seçilmiştir. Seçilen her bir termoelektrik modül için %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerindeki egzoz gazı sıcaklıkları ve 20°C'lik bir deniz suyu sıcaklığı için dört farklı sıcaklık farkında termoelektrik modül boyunca sıcaklık dağılımı ve voltaj dağılımı COMSOL Multiphysics paket programı kullanılarak sürekli ısı iletimi denklemi ve elektrik denklemlerinin birlikte çözdürülmesiyle elde edilmiştir. İki farklı termoelektrik modül ve dört farklı sıcaklık farkı için toplamda sekiz ayrı durum için ısıl analiz yapılmıştır. Buradan elde edilen sonuçlar neticesinde 450, 600 ve 750 adet termoelektrik modül içeren üç farklı termoelektrik güç üretim sistemi konfigürasyonu için üretilen elektrik gücü, üretilen elektrik gücünden elde edilen yıllık yakıt tasarrufu ve termoelektrik güç üretim sistemi amortisman süresi hesaplanarak ekonomik analiz yapılmıştır. Ek olarak, termoelektrik güç üretim sistemlerinin egzoz gazının atık ısısından yararlanarak elektrik gücü üretmesi sonucunda atmosfere yayılan emisyonlardaki azalmalar NOX, SO2, CO, CO2 ve HC gibi farklı emisyon tipleri için hesaplanarak çevresel analiz yapılmıştır. Son olarak bu çalışmada elde edilen sonuçlar literatürdeki diğer çalışmaların sonuçlarıyla kıyaslanarak doğrulama çalışması yapılmıştır ve bu çalışmada bulunan sonuçların literatürden alınan çalışmaların sonuçlarıyla uyum gösterdiği görülmüştür. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TGMT-19W-4V termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 437 W- 1350 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TGMT-19W-4V termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,25'i ile %0,77'si arasında değişmektedir. TGMT-19W-4V termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 22,1 yıl, 21,5 yıl, 13,5 yıl ve 11,9 yıldır. Ana makine yükü arttığında termoelektrik güç üretim sisteminin ürettiği elektrik gücü arttığı için yakıt maliyetinden yapılan tasarruf artmaktadır. Bunun sonucunda amortisman süresi ana makine yükünün artmasıyla beraber azalmaktadır. Feribotun sefer halindeki ana makine yükü değişimleri göz önüne alındığında sistemlerin amortisman süresi 16,5 yıl olarak hesaplanmıştır. %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 972 W- 3000 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,55'i ile %1,71'i arasında değişmektedir. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 12,6 yıl, 12,2 yıl, 7,7 yıl ve 6,8 yıldır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülündeki amortisman süresi tüm ana makine yüklerinde TGMT-19W-4V termoelektrik modülünden daha kısadır. Feribot sefer halindeyken sistemlerin amortisman süresi 9,4 yıl olarak hesaplanmıştır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü için amortisman süresi TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekinden daha kısadır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü daha çok elektrik gücü ürettiği için TE-MOD-22W-7V-56 modülünün incelendiği tüm durumlarda emisyon türlerindeki yıllık azalma oranları TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekilerden daha yüksektir.