Bir feribot için yakıt hücresi batarya hibrit sisteminin modellenmesi ve simulasyonu
Modeling and simulation of fuel cell battery hybrid system for a ferry
Yazar: RUKİYE GÜLMEZ
Danışman: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Denizcilik = Marine ; Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Gemiler = Ships ; Melez sistemler = Hybrid systems ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Küresel ticaretin büyük bir bölümü daha ucuz olması, daha büyük tonajlarda yükün tek seferde taşınmasına müsaade etmesi ve dünyanın yaklaşık dörtte üçünün denizler ile kaplı olmasından dolayı denizcilik ile gerçekleştirilmektedir. Denizcilik sektöründe enerji ihtiyacı büyük çoğunlukla dizel oil ve fuel oil gibi fosil yakıtlar ile karşılanmaktadır. Sera gazı ve hava kirliliğine ilişkin sıkılaştırılmış uluslararası düzenlemeler, azalan fosil yakıt rezervleri ve yakıt fiyatlarındaki artış, gemi sahiplerini yenilenebilir çevre dostu enerjiyi tercih etmeye zorlamaktadır. Çeşitli alternatif yakıtların tüketilmesi, enerji verimliliğini temel alan farklı gemi tahrik sistemlerinin geliştirilmesi denizcilik sektörü için geleceğe dönük uzun vadeli çözüm yöntemlerindendir. Gemi kaynaklı emisyonları azaltmak için ; emisyonların en önemli kaynağı olan ana güç ünitesi dizel makinelerini daha temiz enerji üretebilen güçlü alternatiflerden biri olan yakıt hücreleri ile değiştirmek bu yöntemlerden biridir. Feribot tipi gemiler, uzun mesafe seyreden ticari gemilere göre alternatif yakıtların ve sistemlerin denenmesi konusunda daha esnek olur. Bu, özellikle yakıt mevcudiyetinin daha az riskle güvence altına alınabileceği yerel sularda çalışan feribotlar için geçerli olabilir. Yakıt hücresi sistemi, gelecek vaat eden teknolojilerden biri olarak görülüyor. Gemilerin yapısı ve çalışma şekli nedeniyle, gemilere tek bir enerji formu kullanılarak güç verilmesi risklere neden olabilecek bir durumdur ve bu nedenle tek bir enerji kaynağının kullanılması tatmin edici bir çözüm değildir. Tek bir enerji kaynağının eksikliklerini gidermek için çeşitli yenilenebilir enerji kaynakları (örneğin, hidrojen yakıt hücreleri, güneş enerjisi, piller, süper kapasitörler, vb.) bir arada kullanılabilir. 
Yakıt hücreleri, yakıtlardaki kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren, yüksek verim ve düşük çevresel etki ile elektrik üreten elektrokimyasal cihazlardır. Yakıt hücresi teknolojisi, elektrik üretmek için oksijen ve hidrojen moleküllerinin bazik elektrolitik özelliklerini kullanır. Elektronların moleküller arasında transferi, doğru akım (DC) gücü sağlamak için kullanılır. Sağlanan elektrik gücü, hem oksijen hem de hidrojen akışları korunduğu ve sabit olduğu sürece devamlı olacaktır. Bu sistem tarafından üretilen tek atık yan ürün sudur. 
Yakıt hücre çeşitleri ve daha önce yapılan yakıt hücrelerinin gemilerdeki uygulamaları incelendiğinde katı oksit yakıt hücresi (SOFC) çeşitinin deniz şartlarına uygun olabilecek seçeneklerden biri olduğu görülmüştür. Yüksek hidrojen üretim maliyeti, hidrojen istasyonlarının kısıtlılığı ve hidrojenin depolanmasındaki zorluklardan dolayı gemilerde kullanım olgunluğu hidrojene göre daha fazla olan sıvılaştırılmış doğal gaz LNG) çalışmamızda yakıt olarak seçilmiştir. Yakıt pillerinin zayıf dinamik tepki karakteristiği ve yavaş başlama süresine sahip olmalarından dolayı yüke kararlı güç sağlamak için bataryalar ile desteklenmiştir. Bu çalışmada ana güç kaynağı olarak SOFC kulllanan ve bataryalarla hibritlenmiş bir güç ünite sistemi tasarlanmıştır. Matlab simulink programı kullanılarak yapılan uygulamada aktif bir gemiden alınan verilerle sistem yük dağılımları, yakıt tüketimi, emisyon miktarları gibi parametreler açısından incelenmiştir ve sayısal sonuçlar elde edilmiştir. M/V Sultanahmet arabalı feribotuna  ait rota, yakıt tüketimi ve emisyon bilgileri 10.02.2022 tarihinde Eskihisar-Topçular arasında yaptığı seyir, yanaşma ve kalkış manevralarına eşlik edilerek elde edilmiştir. Kaydedilen veriler yapılan çalışmada kullanılmıştır. Geminin operasyon güç profili incelenerek gerekli güç çıkışını sağlayacak SOFC ve manevralarda gerçekleşen güç dalgalanmalarını tamponlamak için   lityum iyon (Li-Ion) bataryalar seçilmiştir.
Geminin seyir sürecinden, yanaşma ve kalkış manevralarından alınan kesit örnekler ile tasarlanan hibrit sistemin durumu analiz edilmiştir. Geminin seyir ve manevralarını içeren üç farklı enerji ihtiyaç durumu belirlenmiş ve yakıt hücresi ile bataryaların çalışma şekilleri koordine edilmiştir. Yanaşma ve kalkış manevralarında meydana gelen güç zirvelerini yakıt pilleri ve bataryalar birlikte karşılamaktadır. Manevra boyunca  enerji talebindeki ani düşüşlerde yakıt pilleri tarafından üretilen fazla enerji bataryalar tarafından depolanmaktadır. Seyir sürecinde ise yakıt pillerioptimum çalışma şartlarına ulaşmış olup gerekli enerji talebinin büyük kısmını tek başına karşılamaktadır.
Tasarlanan sistem ile sülfür, azot ve uçucu organik bileşik emisyon miktarlarında dizel makinelere kıyasla yaklaşık %99'dan ve karbondioksit (CO_2) emisyon miktarında ise %40' den fazla düşüş olacağı hesaplanmıştır. Bataryalar ve yakıt pillerinden oluşan hibrit sistemde hareketli parça bulunmadığı için gürültü kirliliği oluşmamaktadır. Dizel makinelerinin gürültü seviyeleri ile kıyas edildiğinde yüksek performansta sessiz çalıştıkları sonucuna varılır.
Yapılan çalışma sonucu düşük emisyon miktarı, sessiz çalışma, daha az operasyonel ve periyodik bakım harcamaları, sistemdeki insan faktöründen kaynaklanan riskin azaltılması ve düşük iş gücü ihtiyacı ile daha fazla finansal kazanç sağlanması gibi avantajlar sağlayacaktır.Yakıt hücrelerinin gemilerde kullanımı henüz pilot uygulamalar ve deneme aşamalarındadır.

Abstract:
Küresel ticaretin büyük bir bölümü daha ucuz olması, daha büyük tonajlarda yükün tek seferde taşınmasına müsaade etmesi ve dünyanın yaklaşık dörtte üçünün denizler ile kaplı olmasından dolayı denizcilik ile gerçekleştirilmektedir. Denizcilik sektöründe enerji ihtiyacı büyük çoğunlukla dizel oil ve fuel oil gibi fosil yakıtlar ile karşılanmaktadır. Sera gazı ve hava kirliliğine ilişkin sıkılaştırılmış uluslararası düzenlemeler, azalan fosil yakıt rezervleri ve yakıt fiyatlarındaki artış, gemi sahiplerini yenilenebilir çevre dostu enerjiyi tercih etmeye zorlamaktadır. Çeşitli alternatif yakıtların tüketilmesi, enerji verimliliğini temel alan farklı gemi tahrik sistemlerinin geliştirilmesi denizcilik sektörü için geleceğe dönük uzun vadeli çözüm yöntemlerindendir. Gemi kaynaklı emisyonları azaltmak için ; emisyonların en önemli kaynağı olan ana güç ünitesi dizel makinelerini daha temiz enerji üretebilen güçlü alternatiflerden biri olan yakıt hücreleri ile değiştirmek bu yöntemlerden biridir. Feribot tipi gemiler, uzun mesafe seyreden ticari gemilere göre alternatif yakıtların ve sistemlerin denenmesi konusunda daha esnek olur. Bu, özellikle yakıt mevcudiyetinin daha az riskle güvence altına alınabileceği yerel sularda çalışan feribotlar için geçerli olabilir. Yakıt hücresi sistemi, gelecek vaat eden teknolojilerden biri olarak görülüyor. Gemilerin yapısı ve çalışma şekli nedeniyle, gemilere tek bir enerji formu kullanılarak güç verilmesi risklere neden olabilecek bir durumdur ve bu nedenle tek bir enerji kaynağının kullanılması tatmin edici bir çözüm değildir. Tek bir enerji kaynağının eksikliklerini gidermek için çeşitli yenilenebilir enerji kaynakları (örneğin, hidrojen yakıt hücreleri, güneş enerjisi, piller, süper kapasitörler, vb.) bir arada kullanılabilir. 
Yakıt hücreleri, yakıtlardaki kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren, yüksek verim ve düşük çevresel etki ile elektrik üreten elektrokimyasal cihazlardır. Yakıt hücresi teknolojisi, elektrik üretmek için oksijen ve hidrojen moleküllerinin bazik elektrolitik özelliklerini kullanır. Elektronların moleküller arasında transferi, doğru akım (DC) gücü sağlamak için kullanılır. Sağlanan elektrik gücü, hem oksijen hem de hidrojen akışları korunduğu ve sabit olduğu sürece devamlı olacaktır. Bu sistem tarafından üretilen tek atık yan ürün sudur. 
Yakıt hücre çeşitleri ve daha önce yapılan yakıt hücrelerinin gemilerdeki uygulamaları incelendiğinde katı oksit yakıt hücresi (SOFC) çeşitinin deniz şartlarına uygun olabilecek seçeneklerden biri olduğu görülmüştür. Yüksek hidrojen üretim maliyeti, hidrojen istasyonlarının kısıtlılığı ve hidrojenin depolanmasındaki zorluklardan dolayı gemilerde kullanım olgunluğu hidrojene göre daha fazla olan sıvılaştırılmış doğal gaz LNG) çalışmamızda yakıt olarak seçilmiştir. Yakıt pillerinin zayıf dinamik tepki karakteristiği ve yavaş başlama süresine sahip olmalarından dolayı yüke kararlı güç sağlamak için bataryalar ile desteklenmiştir. Bu çalışmada ana güç kaynağı olarak SOFC kulllanan ve bataryalarla hibritlenmiş bir güç ünite sistemi tasarlanmıştır. Matlab simulink programı kullanılarak yapılan uygulamada aktif bir gemiden alınan verilerle sistem yük dağılımları, yakıt tüketimi, emisyon miktarları gibi parametreler açısından incelenmiştir ve sayısal sonuçlar elde edilmiştir. M/V Sultanahmet arabalı feribotuna  ait rota, yakıt tüketimi ve emisyon bilgileri 10.02.2022 tarihinde Eskihisar-Topçular arasında yaptığı seyir, yanaşma ve kalkış manevralarına eşlik edilerek elde edilmiştir. Kaydedilen veriler yapılan çalışmada kullanılmıştır. Geminin operasyon güç profili incelenerek gerekli güç çıkışını sağlayacak SOFC ve manevralarda gerçekleşen güç dalgalanmalarını tamponlamak için   lityum iyon (Li-Ion) bataryalar seçilmiştir.
Geminin seyir sürecinden, yanaşma ve kalkış manevralarından alınan kesit örnekler ile tasarlanan hibrit sistemin durumu analiz edilmiştir. Geminin seyir ve manevralarını içeren üç farklı enerji ihtiyaç durumu belirlenmiş ve yakıt hücresi ile bataryaların çalışma şekilleri koordine edilmiştir. Yanaşma ve kalkış manevralarında meydana gelen güç zirvelerini yakıt pilleri ve bataryalar birlikte karşılamaktadır. Manevra boyunca  enerji talebindeki ani düşüşlerde yakıt pilleri tarafından üretilen fazla enerji bataryalar tarafından depolanmaktadır. Seyir sürecinde ise yakıt pillerioptimum çalışma şartlarına ulaşmış olup gerekli enerji talebinin büyük kısmını tek başına karşılamaktadır.
Tasarlanan sistem ile sülfür, azot ve uçucu organik bileşik emisyon miktarlarında dizel makinelere kıyasla yaklaşık %99'dan ve karbondioksit (CO_2) emisyon miktarında ise %40' den fazla düşüş olacağı hesaplanmıştır. Bataryalar ve yakıt pillerinden oluşan hibrit sistemde hareketli parça bulunmadığı için gürültü kirliliği oluşmamaktadır. Dizel makinelerinin gürültü seviyeleri ile kıyas edildiğinde yüksek performansta sessiz çalıştıkları sonucuna varılır.
Yapılan çalışma sonucu düşük emisyon miktarı, sessiz çalışma, daha az operasyonel ve periyodik bakım harcamaları, sistemdeki insan faktöründen kaynaklanan riskin azaltılması ve düşük iş gücü ihtiyacı ile daha fazla finansal kazanç sağlanması gibi avantajlar sağlayacaktır.Yakıt hücrelerinin gemilerde kullanımı henüz pilot uygulamalar ve deneme aşamalarındadır.