Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu
Advanced thermal analyses and thermo-economic optimization of waste heat recovery systems based on organic rankine cycle onboard ships
Yazar: MEHMET AKMAN
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Deniz ticaret hacminin yıllara göre büyüme eğilimi, denizcilik alanında birtakım gelişmeleri ve değişiklikleri de beraberinde getirmiştir. Bu büyümeye paralel olarak fosil kaynaklı yakıt tüketiminde ve yakıt fiyatlarında önemli miktarlarda artış gözlenmiştir. Artan yakıt tüketimi ise, gemi kaynaklı sera gazlarının ve diğer emisyonların artmasına neden olmuş, bunun sonucunda hava kirliliği, asit yağmurları, ozon tabakasında incelme ve küresel ısınma gibi canlı yaşamını ve çevreyi tehdit eden olaylar meydana gelmiştir. Daha açık ifadelerle, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından deniz yolu ile taşımacılık kaynaklı sera gazı emisyonlarının küresel toplam sera gazı içerisindeki payının 2012 yılında hesaplanan %2.76'dan 2018 yılında %2.89'a çıktığı bildirilmiştir. Bu gelişmelere istinaden, Uluslararası Denizcilik Örgütü sıkı tedbirler almış ve küresel bazda gemi kaynaklı emisyonların azaltılması ve enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik düzenlemeler yürürlüğe koymuştur. Halen Uluslararası Denizcilik Örgütü, kademeli olarak 2050 yılına kadar gemi kaynaklı sera gazı emisyonlarını yarı yarıya azaltma vizyonuna yönelik gemilerde enerji verimliliğinin artırılması ve kontrol edilmesi için, hesaplanması ve hazırlanmasını zorunlu kıldığı Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyon İndeksi (EEOI) parametrelerini geliştirmektedir.  Bu kapsamda IMO, gemilerde enerji verimliliği kontrolünün artırılması ve karbon salınımının daha etkin izlenmesi amaçlarıyla, Mevcut Gemi Enerji Verimliliği İndeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu İndikatörü (CII) gibi göstergeleri de ilerleyen dönemlerde yürürlüğe koyacağını bildirmiştir. Aynı amaçlara ilişkin mevcut uygulamalar ve yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde, gemilerde yeni işletme tedbirlerinin alındığı, yeni nesil sistemlerin ve yenilenebilir enerjinin gemilerde kullanılmasının yaygınlaştırılmaya çalışıldığı görülmektedir. Özellikle ticari gemiler için denizcilik şirketleri, hız kesme, rota optimizasyonu, balast ve trim optimizasyonu ve zamanında operasyon gibi birtakım işletme ağırlıklı uygulamalara gitmekte, makine üreticileri ve araştırmacılar ise mevcut sistemlerin performansının iyileştirilmesi, hibrit sevk sistemlerinin, çift yakıtlı makinelerin, gaz motorlarının ve alternatif sevk sistemlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yürütmektedir.
Mevcut gemilerin ana sevk sistemleri incelendiğinde, halen dizel motorların, küçük teknelerden dev ticaret gemilerine kadar her türlü gemide yaygın olarak kullanıldığı görülür. Köklü geçmişi, yüksek ısıl verimleri ve torkları sebebiyle dizel motorlar, gemilerde alternatif sevk sistemleri yerine tercih edilmektedir. Verimliliklerine rağmen dizel motorlardaki yakıtın ısıl enerjisi, büyük oranda egzoz gazı ve soğutma süreçlerinde kaybedilmektedir. Öte yandan, gemi dizel motorlarında yakılan ağır ya da deniz tipi dizel yakıtlar ise kimyasal içerikleri ve yanma karakteristikleri sebepleriyle azot oksit (NOX), kükürt oksit (SOX), partikül maddeler (PM), karbon dioksit (CO2), karbon monoksit (CO) ve uçucu organik bileşikler (VOCs) gibi çevre ve canlı yaşamına tehdit oluşturan emisyonların oluşumuna neden olmaktadır. Bu bağlamda, emisyonların etkilerini azaltmak amacıyla çift yakıt yakabilen motorlar geliştirilmekte, özellikle emisyon kontrol bölgelerinde (ECA) bu makinelerle çalışan gemilerin sayıları artırılmaktadır. 
Çift yakıtlı makineler, pilot yakıt olarak kullanılan dizel yakıtla beraber LNG, LPG, metanol gibi gazları başlıca yakıt olarak kullanırlar. Dizel makinelerde olduğu gibi bu makinelerde de soğutma ve egzoz ısıl yükü benzer seviyelerde olup, atık ısı geri kazanımı hususu, gemilerde enerjinin etkin kullanılması açısından büyük öneme sahiptir. Dizel motorlarda olduğu gibi, çift yakıtlı makinelerde başlıca atık ısı kaynakları, yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazıdır. Bu tür içten yanmalı makinelerdeki atık ısı kaynaklarının düşük ve orta kalitede olmalarından dolayı, enerji geri kazanımı konusunda organik Rankine çevrimi önemli avantajlar sunmaktadır. Klasik Rankine çevrimine kıyasla bu sistemde, düşük sıcaklıklarda gaz fazında çalışabilen organik yapıda iş akışkanları kullanılmaktadır. Düşük kalitedeki atık ısı kaynaklarından enerji geri kazanımıyla, yakıt tasarrufunun sağlanması, emisyon azaltımı, mekanik enerji geri kazanımı dolayısıyla da güç üretim sistemindeki ısıl verim artışı ORC sisteminin sunduğu en önemli avantajlardan olup, bu sistemlerin son dönemde gemilerde de kullanılmaya başlanması denizcilik alanındaki önemli gelişmelerdendir. 
Konunun önemi ve son gelişmelere istinaden hazırlanan bu tez çalışmasında, uluslararası isterlerin karşılanması, emisyon salınımının azaltılması ve yakıt tasarrufunun sağlanması ihtiyaçlarını karşılayacak düzeyde, 18.2 MW gücünde çift yakıtlı (LNG+MDO) bir makinenin yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarını nitelikli işe çevirmek üzere tasarlanan ve organik Rankine çevrimi prensibine göre çalışan, iki atık ısı geri kazanım sistemi modellenmiş ve sistemlerin performansları incelenmiştir. İlk sistem, atık ısı kaynaklarının tamamının kullanıldığı birleşik organik Rankine çevrimi (BORC), ikinci sistem ise, çevrim içi enerji etkinliğinin artırıldığı Rejeneratörlü-birleşik organik Rankine çevrimi (RBORC)'dir. Sistemlerin, enerji, ekserji, ekonomik, ekolojik ve elverişlilik yani "5E" analizleri yapılmış, termo-ekonomik performansları çok amaçlı genetik algoritma aracılığıyla optimize edilmiştir. Analizler için MATLAB Script bölümünde kodlar oluşturulmuş, Refprop 9.0 veritabanı kullanılarak termodinamik değerler kodlara entegre edilmiş ve ORC sistemlerinin 5E analizi ile bu analizler kapsamındaki optimizasyon işlemlerinde kullanılmak üzere yeni bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Sistemlerde iş akışkanı olarak ise, düşük küresel ısınma potansiyeli ve ozon tahribat potansiyeline sahip doğal hidrokarbonlar, hidroflorokarbonlar ve yeni nesil hidrofloroolefinler kullanılmıştır. Çevrimlerde kullanılan R601 ile R601a doğal hidrokarbon, R245fa ile R236ea hidroflorokarbon ve R1234ze ile R1234yf de hidrofloroolefin türünden iş akışkanlarıdır. 
Yapılan termal analizler, kaynak sıcaklığına ve ana makinenin yüküne bağlı olarak değişken sıcaklık, basınç ve kütle debisi altındaki parametrik çalışmaları içermektedir.  Yeni nesil güç üretim sistemlerinin performanslarının araştırıldığı çalışmada, çift yakıtlı makinenin Tier II ve Tier III çalışma modlarının ORC sistemlerin performanslarına etkileri de incelenmiştir. Ek olarak, yapılan çalışmada termo-ekonomik performansların değerlendirilmesinde geminin türü de dikkate alınmıştır. Nitekim, atık ısı potansiyelleri aynı olsa dahi gemilerin türü, operasyonel profillerinin farklı olmasından dolayı sonuçları etkilemekte ve sistemlerin gemiler için doğru bir yatırım olup olmadığı konusunda şüphelere neden olmaktadır. Öte yandan, mevcut gemilerde makine dairesinin hacmi ve çalışma ortamı dikkate alındığında, tasarlanacak sistemler makine dairesine boyutsal açıdan uygun olmalı ve bu sistemlerde kullanılan iş akışkanlarının olası yangın ya da patlama riskleri minimum seviyede olmalıdır. Bu bağlamda, yeni bir yaklaşımla, atık ısı geri kazanım sisteminin gemiye uygulanabilirliği hususu elverişlilik analizi altında araştırılmış, sistemlerin güç yoğunlukları hesaplanarak kütle ve hacim değerleri tahmin edilmiş ve sistemlerin emniyet değerlendirmesi için iş akışkanlarının emniyet faktörleri hesaplanmıştır.  
Çift yakıtlı makinenin atık ısı analizi sonuçlarına göre, makine yükünün ve emisyon kontrol modlarının (Tier II-Tier III) atık ısının kalitesini ve miktarını önemli derecede değiştirdiği tespit edilmiştir. Güç üretim sisteminde bulunan egzoz gazı devridaim (EGR) ünitesi Tier III modda devreye girmekte ve bu süreçte gerçekleşen egzoz gazının bir miktarının emme havası ile karıştırılması ve silindire gönderilmeden önce soğutulması işlemi, süpürme havası soğutucusunun ısıl yükünü önemli derecede artırmaktadır. Tier III çalışma moduna geçildiğinde süpürme havası soğutma yükünün, EGR sistemi pasif durumda bulunan Tier II modundaki soğutma yüküne kıyasla yaklaşık %70 oranında arttığı görülmüştür. Bu nedenle, Tier III çalışma modunda sisteme birim zamanda daha fazla atık ısı girdisine istinaden Tier II moduna kıyasla daha fazla güç elde edilmiştir. ORC AIGK sistemlerinden Tier III çalışma modu altında elde edilen net güçler Tier II çalışma modundaki değerlere göre yaklaşık %35-%45 oranında daha fazladır. Aynı şekilde, Tier III çalışma modunda, Tier II'ye kıyasla iş akışkanlarının kütle debilerinin ve pompa güçlerinin yaklaşık %40 oranında arttığı belirlenmiştir. Ek olarak, EGR sisteminin devreye girmesiyle birlikte Tier III çalışma modunda silindir içerisinde azalan alev sıcaklığı neticesinde oluşan NOX miktarı, Tier II moddakine kıyasla %71.6 oranında daha azdır. Bu azalmaya ek olarak, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin gemilere entegrasyonuyla, Tier III çalışma modu altında ve %85 MCR'de yaklaşık 4000 ton CO2 ve 40 ton NOX emisyonunun atmosfere salınımının engellenebileceği hesaplanmıştır.
ORC sistemlerinin çift yakıtlı ana makineye entegre edilmesiyle ana güç üretim sisteminin ısıl veriminin %10'a kadar artırılabileceği belirlenmiştir. Yağlama yağı, ceket soğutma suyu, süpürme havası ve egzoz gazı atık ısılarının ORC sistemlerinde beraber değerlendirilmesiyle daha fazla ısı girdisine binaen daha fazla güç üretilmiştir. Atık ısı kalitelerinin, çevrim performansı üzerinde çok etkili olduğu, kaynak sıcaklıklarının yükselmesiyle çevrim içi yüksek sıcaklık ve basınçlara çıkılması sonucunda daha fazla güç üretildiği ve ısıl verimlerin arttığı tespit edilmiştir. 
Umulduğu gibi, rejeneratörlü birleşik çevrimin, birleşik çevrime kıyasla termodinamik performansı daha yüksektir. Aynı çalışma koşulları altında RBORC sisteminin ısıl veriminin BORC sisteminin ısıl veriminden yaklaşık %11 daha fazla olduğu görülmüştür. Ayrıca, rejeneratörlü birleşik çevrimde gerçekleştirilen çevrim içi ısı transferi ile ön ısıtma işlemi, ekserji yıkımlarını azalttığı için çevrimin ekserji verimi birleşik çevrime kıyasla daha yüksektir. Bu çevrimde aynı birim ısı girdisinde daha fazla güç üretildiği için sistemin ekolojik performansı da daha iyidir. Öte yandan rejeneratörlü birleşik çevrimin özgül yatırım maliyeti birleşik çevrime kıyasla bir miktar yüksek olsa da üretilen güç ve enerji verimliliği bakımından rejeneratörlü çevrim tercih sebebidir. 
Elverişlilik analizine göre, ORC AIGK sistemlerinin tahmini hacimlerinin eşdeğer 5 TEU ile 15 TEU arasında değişebileceği öngörülmektedir. Bu veriler, mevcut gemilerin makine dairelerinde önemli değişiklikler gerekebileceğini göstermektedir. Öte yandan, yüksek performanslı RBORC AIGK sisteminin tahmini kütlesinin analizlerde kullanılan çift yakıtlı makinenin kütlesinin yaklaşık% 10 -%15'ine karşılık geldiği hesaplanmıştır. ORC sistemleri için hesaplanan kütle değerleri, bu güçte bir ana makine ile sevk edilen gemilerin ağırlığı düşünüldüğünde önemsiz gibi görünse de sistemlerin kurulu bulunacağı bölgede lokal mukavemetin iyileştirlmesi gerekebilir ve gemi stabilitesi revize edilebilir. Öte yandan emniyet değerlendirmeleri, doğal hidrokarbonların yüksek derecede yanıcılıkları sebebiyle deniz tipi ORC sistemleri için uygun olmadığını göstermektedir. En düşük emniyet faktörüne sahip olan R236ea, iş akışkanları arasında deniz tipi bir ORC sistemi için en uygun iş akışkanıdır. Ayrıca R236ea ile aynı türden olan R245fa, yüksek derecede toksik olsa da tatmin edici bir termodinamik performansa sahip olduğundan gerekli emniyet tedbirleri altında gemilerde ORC sistemlerinde iş akışkanı olarak kullanılabilir. Hidrofloroolefinlerin ise, düşük yanıcılıkları ve toksisiteleri ile emniyet açısından gemilerde kullanımının uygun olduğu değerlendirilmektedir.
Termal analiz ve termo-ekonomik optimizasyon sonuçlarına göre, doğal hidrokarbonların, hidroflorokarbon ve hidrofloroolefinlere kıyasla termodinamik ve termo-ekonomik performanslarının daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Hidroflorokarbonlardan R245fa'nın performansının doğal hidrokarbonların performanslarına yakın olduğu, R236ea'nın da düşük emniyet faktörü ve toplam maliyeti göz önüne alındığında gemiler için uygun bir iş akışkanı olabileceği sonucuna varılmıştır. Hidrofloroolefinler emniyet açısından gemiler için uygun görünse de termo-ekonomik performansları oldukça düşüktür. Ayrıca, ana makinenin çalışma profilinin sisteminin geri ödeme süresini önemli derecede etkilediği, gemilerde kullanılacak ORC sisteminin, entegre edilecek gemi türünün operasyonel profili dikkate alınarak tasarlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Sonuçlara göre tankerlerin, ortalama makine yüklerinin kuru yük ve konteyner gemilerine göre daha fazla olmasından dolayı ORC sistemleri için termo-ekonomik olarak en uygun gemi türü olduğu görülmüştür. Özellikleri verilen çift yakıtlı ana makineye sahip gemilere RBORC AIGK sistemi entegre edildiğinde, sistemin geri ödeme süresinin tanker için ortalama 7 yıl, kuru yük gemisi için ortalama 9 yıl, konteyner gemisi için ise ortalama 12 yıl olacağı tahmin edilmektedir.
Sonuç olarak, analiz edilen sistemlerle organik Rankine çevrimi tabanlı atık ısı geri kazanım sistemlerinin, son dönem emisyon ve enerji düzenlemeleri göz önünde bulundurulduğunda, denizcilik alanında kullanımının yaygınlaştırılması gerektiği değerlendirilmektedir. Çünkü bu sistemlerle, yağlama yağı gibi oldukça düşük sıcaklıklardaki ısı kaynaklarından bile enerji geri kazanımı sağlanabilmektedir. Deniz taşımacılığı kaynaklı hava kirliliğinin azaltılması, gemilerin enerji verimliliğinin artırılması, gemi sahiplerinin ve denizcilik şirketlerinin bu sistemlerden istifade etmeleri dolayısıyla uluslararası düzenlemelere uyulması ve sağlanacak yakıt tasarrufuyla da denizcilik ekonomisine katkıda bulunulması hedefleri için ORC esaslı sistemler, gemiler için umut vermektedir.

Abstract:
The volumetric growth of the maritime trade over the years has led to substantial developments in the maritime industry. Parallel to the growth of maritime trade, fuel consumption causing greenhouse gases, air pollution, acid rain, ozone depletion and global warming and threatening living life and the environment has significantly increased. Moreover, despite its fluctuating trend, fuel prices which have a large share in the total ship operating costs, have also increased over the years. In other words, IMO reports that the share of greenhouse gas emissions caused by maritime transportation in the global total greenhouse gas increased from 2.76% in 2012 to 2.89% in 2018. Due to these developments, International Maritime Organization has taken tough and obligatory measures and put new regulations into effect to reduce ship-sourced emissions and increase energy efficiency in the maritime industry. In addition, within the vision of gradually reducing ship-based greenhouse gas emissions by half by 2050, IMO requires Energy Efficiency Design Index (EEDI), Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) and Energy Efficiency Operation Index (EEOI) parameters. Besides, IMO announced the Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) and Carbon Intensity Indicator (CII) in order to increase energy efficiency of ships and to monitor carbon emissions more effectively. According to the current practices and studies, new operational measures have been taken, and the use of new energy-efficient systems and renewable energy onboard ships accelerated. Especially for commercial ships, maritime companies are performing slow-steaming, route optimization, ballast, trim optimization and on-time operation, while engine manufacturers and researchers are trying to improve the performance of existing systems onboard ships. Dual-fuel engines, gas engines, and hybrid propulsion systems have been successfully installed and operated in the last decade of shipping.
Diesel engines are widely used in all types of ships, from small boats to merchant giants. These engines are still the prime movers of the ships and preferred based on high thermal efficiency and torque. Despite high thermal efficiency, the fuel energy of diesel engines is lost largely by exhaust gas and cooling. On the other hand, after the combustion process of heavy or marine diesel fuels, emissions form as nitrogen oxide (NOX), sulfur oxide (SOX), particulate matter (PM), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), volatile organic compounds (VOCs), which are threatening life and environment. Therefore, the engines that can burn different types of fuels have been developed to reduce emissions, and especially in Emission Control Areas (ECAs), the number of ships operated with these engines is increasing 
Dual fuel engines use gases such as LNG, LPG, methanol as the main fuel, along with diesel used as the pilot fuel. The thermal load of cooling and exhaust gas of dual-fuel engines are similar to those of diesel engines, therefore, waste heat recovery is one of the major concerns in terms of efficient operation. The main waste heat sources of dual-fuel engines are lubricating oil, jacket cooling water, scavenge air and exhaust gas. Since these waste heat sources are low and medium quality, to recover the waste heat classical Rankine, Kalina, organic Rankine, Stirling cycles and thermoelectric generators are available systems to be used onboard ships. The classical Rankine cycle is used for recovering the waste heat from high-quality sources and it is not recommended for low-grade applications. Kalina cycle seems favourable due to its high thermal efficiency and low cost, however, ammonia as the working fluid in the cycle is a highly toxic work fluid and the cycle's complex structure with an advanced control system make the Kalina cycle difficult to be used onboard ships. Besides, the Stirling cycle has satisfactory thermal performance however, performed studies show that the Stirling cycle is more appropriate for high-temperature applications. Apart from thermodynamic cycles, thermoelectric generators (TEG) are also promising to recover the waste heat from marine engines. However, the module cost is substantially higher in comparison with thermodynamic cycles and the system is efficient at high temperatures. Moreover, the TEG performance is highly dependent on the conductor properties and more studies are needed for onboard applications. The organic Rankine cycle, on the other hand, offers significant advantages for waste heat recovery from marine engines. Compared to the classical Rankine cycle, this system uses organic fluids which can be operated in the gas phase at low temperatures. The main advantages of ORC systems are high performance in low and medium grade waste heat recovery, simple structure, flexibility, safety and low cost. Considering the waste heat potential of main engines onboard ships, integration of ORC systems will contribute to the energy efficiency of ships, fuel-saving and emission reduction. Using the ORC WHR systems onboard ships also promises to reduce the carbon footprint of the maritime industry.
In this thesis, the waste heat sources of an electronically-controlled dual-fuel (LNG + MDO) engine generating up to 18.2 MW power are analyzed due to the importance of the subject and the latest developments. Two innovative waste heat recovery systems based on the organic Rankine cycle are designed to recover the waste heat of lubrication oil, jacket cooling water, scavenge air, and exhaust gas of the dual-fuel engine and the performance of these systems are investigated. The first system is a combined organic Rankine cycle (BORC) including all waste heat sources and the second system is a regenerative-combined organic Rankine cycle (RBORC) using a regenerator to increase energy efficiency. Energetic, exergetic, economic, environmental, and -as a novel approach- applicability analysis of these WHR systems are conducted. Moreover, the thermo-economic performance of the systems is optimized by using the multi-objective genetic algorithm. Low global warming potential and zero ozone depletion potential working fluids are selected for ORC WHR systems. R601 and R601a as natural hydrocarbons, R245fa and R236ea as hydrofluorocarbons and R1234ze and R1234yf as new generation hydrofluoroolefins are used as the working fluids in the systems. The analysis codes are generated in the MATLAB Script and Refprop 9.0 is used as the thermodynamic database integrated into the codes. Finally, a computer program is developed to be used in the analyses and optimization of ORC systems. 
The parametric thermal analyses are performed under variable temperature, pressure, and mass flow rate depending on the source temperature and the load of the dual-fuel engine. The effects of Tier II and Tier III operating modes of the dual-fuel engine on the performance of waste heat recovery systems are also investigated. Additionally, the ship operational profiles are included in the thermo-economic analyses because, even if the waste heat potentials are the same, the type of ship affects the results due to the different operational regimes. On the other hand, as a novel approach, the applicability of the waste heat recovery systems for the ships is investigated and during this analysis, power density in terms of  W/m2 are calculated, the mass and volume of the systems are estimated, and the safety factors are determined. The applicability analysis is a substantial approach because, the engine room consists of enclosed and restricted areas, and can be dangerous therefore, ORC systems to be designed may cause fire or explosion and the risks should be kept at a minimum level. Moreover, the stability of the ship should not be remarkably affected based on the mass increase. 
According to the waste heat analysis results of the dual-fuel engine, it is observed that the engine load and emission control modes (Tier II-III) significantly affects the quality and amount of waste heat. The exhaust gas recirculation (EGR) unit in the power generation system is activated in Tier III mode where the process of mixing some of the exhaust gas with the intake air, and cooling the mixture before it is sent to the cylinder remarkably increases the heat load of the scavenge air cooler. It is calculated that when switching to Tier III operating mode, the scavenge air cooling load increases approximately by 70% compared to the cooling load in Tier II mode where the EGR system is passive. Therefore, due to the higher waste heat input per unit time in the Tier III operating mode, more power is generated compared to the Tier II mode. The net powers obtained from ORC WHR systems under Tier III operating mode are approximately 35% -45% higher than those in Tier II operating mode. Likewise, in the Tier III operating mode, it is determined that the mass flow rates and pump powers of the work fluids increased approximately by 40% compared to Tier II. Moreover, when the EGR system is active, the flame temperature in the cylinder decreases and as a result, the amount of released NOX in Tier III operating mode is 71.6% less than the amount emitted in the Tier II mode. In addition to this reduction, it is calculated that with the integration of the high-performance RBORC WHR system to the dual-fuel engine, approximately 4000 tons/year of CO2 and 40 tons/year of NOX emissions can be prevented under Tier III operating mode when the engine is operated at 85% MCR.
As expected, the combined-regenerative ORC (RBORC) has higher thermodynamic performance compared to the combined cycle (BORC). It is calculated that the thermal efficiency of the regenerative cycle is approximately 11% higher than that of the combined cycle under the same operating conditions. Moreover, the exergy efficiency of the RBORC system where regeneration reduces exergy destruction is higher compared to the BORC system. In order to minimize exergy destruction, the temperature difference between the source and the working fluid should be kept as minimum as possible in heat exchangers with intense entropy generation. When the ORC WHRS is operated in the Tier III mode, the exergy destruction increases due to the increasing temperature differences. The exergy efficiency of the RBORC system is approximately 11% higher in comparison with that of the BORC system. Since more power is generated with the RBORC system, the ecological performance of this system is also better. On the other hand, although the specific investment cost of the regenerative cycle is higher compared to the BORC, the RBORC WHR system is preferred because of better performance.
Significant improvements are achieved in the thermal efficiency of the power generation system integrated with ORC WHR systems. It is calculated that the thermal efficiency of the main power generation system can be increased up to 10% by integrating ORC systems into the dual-fuel engine. By using the waste heat of lubricating oil, jacket cooling water, sweeping air and exhaust gas together in the combined ORC WHR systems, more power is generated due to the high amount of heat input. It is revealed that waste heat quality is very effective on the cycle performance, as a result of the increase in source temperatures, especially in heavy loads, ORC systems can be operated at higher temperatures and pressures which means more recovered power and higher thermal efficiency. It is calculated that the thermal efficiency of the dual-fuel main engine decreases by 2% - 5% according to the engine load in the Tier III operating mode. As a result, ORC WHRS can compensate for the thermal efficiency reduction in the Tier III mode up to the thermal efficiencies achieved in the Tier II mode.
According to the applicability analysis, it is estimated that the total volume of ORC WHRS systems varies between the equivalent volumes of 5 TEU and 15 TEU. The systems can cover significant area and volume onboard therefore a substantial modification in engine rooms may be required for existing ships. On the other hand, the estimated mass of the systems differs in proportion to the volume to be covered. The mass values obtained under Tier III mode in the RBORC system, where high performance is achieved, corresponds to approximately 10% - 15% of the mass of the main engine used in the analysis. Although the estimated masses don't seem remarkable considering the deadweight of such engine installed ships, the stability and strength should be revised. Besides, safety evaluations show that natural hydrocarbons are not appropriate for marine type ORC systems based on their high flammability. Although R236ea, which has the lowest safety factor, seems to be the most suitable working fluid for a marine type ORC system. On the other hand, R245fa with a high level of toxicity has a satisfactory thermodynamic performance can be used as the working fluid in ORC systems onboard ships under required safety precautions. Hydrofluoroolefins are safe working fluids with their low flammability and toxicity, but their thermodynamic performance is low in ORC applications at medium and high temperatures.
According to thermal analysis and thermo-economic optimization results, it is obtained that natural hydrocarbons have better thermodynamic and thermo-economic performances compared to those of hydrofluorocarbon and hydrofluoroolefins. On the other hand, the performance of R245fa is close to the performance of natural hydrocarbons, and R236ea can be a suitable working fluid for ships due to its low safety factor. Although hydrofluoroolefins seem safe for ships, their thermodynamic and economic performances are low. Besides, the load of the dual-fuel engine remarkably affects the payback period of the system, so that the ORC system should be designed by taking the operational profile of the ship into account. It is revealed that tankers are the most suitable ship type in terms of thermo-economic performance of ORC systems since their average engine loads are higher than bulk carriers and container ships. When the RBORC WHR system integrated with the analysed dual-fuel main engine is installed onboard different type of ships, the system's payback period is estimated to be 7 years for the tanker, 9 years for the bulk carrier and 12 years for the container ship.
It is concluded that the organic Rankine cycle-based waste heat recovery systems onboard should be conventionalized since these systems can recover waste heat even for very low-temperature heat sources such as engine lubrication oil. ORC systems are promising for ships to reduce air pollution caused by maritime transportation, increase energy efficiency, contribute to the maritime economy by fuel savings and comply with international regulations.