Gemilerde karina temizliğinin enerji verimliliğine etkisi
The energy efficiency effects of ship hull cleaning
Yazar: PINAR KARABIYIK
Danışman: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Denizcilik = Marine

Özet:
Enerji günlük yaşamımızın en önemli gereksinimidir. Bu yüzden çevresel değerleri tehdit etmeyecek yeterli seviyede enerji sağlanmalı ve enerji boşa harcanmamalıdır. Aksi takdirde enerji kullanımı ile oluşan karbondioksit gazının atmosferde yoğun olarak birikmesi, küresel ısınmaya yol açmaktadır. Sıcaklık artışı ise kutuplardaki buzulların erimesine, deniz seviyelerinin yükselmesine, iklimlerin değişmesine, fırtınaların ve kuraklığın artmasına ve bazı türlerin nesillerinin tükenmesine neden olur. Küresel ısınma global bir sorun olmakla beraber tüm insanlığı ilgilendirmektedir. Bu sorunun çözülmesi için dünya çapında toplantılar yapılmakta ve çözüm yolları aranmaktadır. Yaşayabileceğimiz başka bir dünya olmadığına göre küresel ısınmayı durdurmak ve emisyon oranlarını minimuma indirmek için tüm insanlığı bilinçlendirmek ve daha fazla yaptırım uygulanması gerekmektedir. 'Bir şey olmaz'
mantığıyla bütün doğal kaynakları tüketme anlayışı değişmezse ve gelecekte yaşanacak sorunlar görmezden gelinmeye devam edilirse hem sosyal dengeleri, hem de çevresel dengeyi korumak olanaklı olmayacaktır. Bu yüzden gelecek nesilleri de düşünmeli ve onlara sağlıklı, yaşanabilecek bir hayat bırakmak için tüm önlemleri almalıyız. Bilim adamları sanayinin gelişmesi ve kullanılan fosil yakıtların artışıyla ve başta karbondioksit olmak üzere atmosfere salınan sera gazı miktarlarının artmasıyla küresel çapta anormallikler tespit etmiş ve olabilecek en kötü senaryoları belirlemişlerdir. Bu senaryoların yaşanmaması veya zararın minimuma indirilmesi için alınması gereken
en önemli aksiyon enerji tasarrufudur ve tasarruf biliçlenmekle ve bilinçlendirmekle olur. Ulaştırma türüne göre sera gazı emisyonlarına bakıldığında en yüksek emisyon oranının karayolunda olduğu görülmektedir. Bunu havayolu, denizyolu, demiryolu ve diğer ulaşım araçları takip eder. Denizcilik sektörü kaynaklı atmosferde biriken sera
gazlarının oranları diğer sektörlere nazaran daha az olsa da, her geçen gün artan gemi sayısı ve artan ticaret hacmi neticesinde bu oranların artış göstereceği aşikardır. Bu sebeple IMO birtakım çalışmalar yapmış, yakın gelecekte olabilecek en kötü senaryoları açıklamış ve bazı kurallar koymuştur. 1 Ocak 2013 tarihiyle birlikte yeni
inşa edilecek gemilere EEDI ve operasyon altında olan gemilere ise SEEMP zorunlu kılınmıştır. Buna göre gemiler, doğaya saldıkları sera gazı oranlarını minimuma indirmek için mevcut enerji verimliliği sağlayacak yöntemlerden istediklerini uygulamak ve istenilen mecburi oranlarda saldıkları sera gazı oranlarını düşürmek zorundadır. Enerji verimliliği sağlamak amacıyla çeşitli teknolojik ve tasarım bazlı çalışmalar olsa da mevcut gemiler için operasyonel bazlı çalışmalar daha ilgi çekicidir. Bunun nedeni söz konusu çalışmaların maliyetinin daha düşük olmasıdır. Mevcut sistemde gemide enerji verimliliğini sağlayacak birçok operasyonel yöntem bulunur. Buna, balast ve trim optimizasyonu, zamanında yapılan bakım tutum, limanlarda operasyon sürelerinin düşürülmesi, gemi hızının düşürülmesi, hava koşullarına göre seyir planlaması, otopilot ayarları ve enerji tasarrufu hakkında gemi
personelinin bilinçlendirilmesi örnek olarak verilebilir. Söz konusu yöntemlere bu tez çalışmasında değinilecek olmakla beraber, bunlar arasından incelenecek olan yöntem karina temizliğidir. Karinanın kirlenmesi tekne ile su arasındaki sürtünmeyi ve yüzey pürüzlülüğünü arttırarak daha fazla yakıt sarfiyatına sebep olmaktadır. Geminin sürat ve manevra kabiliyetini de etkilemesinden dolayı, karinaya makroorganizmaların yapışmasına müsaade edilmeden, zamanında yapılan müdahale en etkili çözüm olacaktır. Yeşil alglerin karinaya yapışması gemi direncini artırmak dışında geminin emme borularının tıkanmasına da sebep olmaktadır. Kinistin, baş pervane, kıç pervane gibi alanların tıkanıklığı sadece geminin manevra kabiliyetini değil, aynı zamanda operasyonel durumlarını da etkileyebilir. Geminin kinistin tıkanıklığı ile balast suyu alamaması denge ve stres değerlerini ayarlayamamasına, dolayısıyla yük alamamasına sebebiyet verecektir. Bu durum da geminin kira dışı kalmasına kadar çeşitli problemler meydana getirecektir. Gemilerin yük taşıma maksadıyla inşa edildiği düşünüldüğünde, gemilerin çalışmaması gemi armatöründen işletmecisine, kara personelinden gemi adamlarına kadar çeşitli tarafları etkileyecektir. Karina temizliği gibi ufak bir müdahale ile geminin direnci azaldığı için yakıt sarfiyatı da azalacak, dolayısıyla enerji
verimlililiği sağlanacaktır. Yakıt sarfiyatının azalmasıyla atmosfere salınan sera gazı oranı da düşeceği için, sadece gemi enerji verimliliğine değil çevrenin de korunmasına katkı sağlanacaktır. Karina temizliğinin süresi gemiden gemiye değişiklik gösterir. Bunun sebebi her geminin sefer bölgesinin, sefer süresince karşılaştığı hava olaylarının, süratinin, limanda ve demirde kalış sürelerinin farklı olmasıdır. Bu sebepten özellikle gemi adamlarının ve geminin işletiminden sorumlu enspektörlerin gemisinin her zaman karina kontrolünü sağlaması ve zamanında müdahale etmesi gerekir. Maliyet bazlı düşünüldüğünde temizlik işlemi için ayrılan giderin, uzun vadede gelir olarak döneceği aşikardır. Bu tezin amacı ticari bir konteyner gemisinin karina temizliği sonrası ne kadar enerji verimliliği sağladığını hesaplamaktır. Verimlilik hesaplanırken geminin yakıt tüketimi baz alınmıştır. Bunun için anonim bir denizcilik firmasına ait bir konteyner gemisinin klas onaylı günlük raporlarının girildiği program çıktı verilerinin incelemesi yapılarak, geminin karina temizliği öncesi ve sonrası yakıt tüketimlerinin tahminlemesi yapılmıştır. Tahminleme için birçok alanda kullanılan makine öğrenmesi yönteminden yararlanılmıştır.
Makine öğrenmesi matematiksel ve istatistiksel işlemler ile veriler üzerinden çıkarımlar yaparak tahminlerde bulunan sistemlerin bilgisayarlar ile modellenmesidir. Bu yöntem kendi içerisinde, geçmişteki veriyi kullanarak gelecekteki değerleri en doğru şekilde tahminleyebilmek adına en uygun modeli bulmaya çalışır. Karina temizliğinin enerji verimliliğine etkisinin analiz edilmesinde çoklu doğrusal regresyon, rastgele orman regresyonu ve karar ağacı regresyonu olmak üzere üç makine öğrenmesi yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca temizlik öncesi ve sonrası üç
yöntemden de elde edilen ortalama mutlak hata verileri karşılaştırarak en etkili yöntemin hangisi olduğuna karar verilmiştir. Verilere göre en üstün yöntem çoklu doğrusal regresyondur. Veri işleme ve simülasyonlar, Spyder derleyicisi kullanılarak Python programlama dili versiyon 3.0 da gerçekleştirilmiştir. Örnek olay incelemesi
için Numpy, Matplotlib, Pandas ve Sklearn kütüphaneleri kullanılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda karina temizliğinden 3 ay öncesi ve sonrası için programdan çıkan sonuç değerlerinin karşılaştırması yapıldığında mil başına tüketilen yakıt değerlerinde ve CO2 emisyon miktarında ortalama %18 azalma olduğu görülmektedir. 
Uzun vadede yapılacak olan hesaplamalar doğal olarak daha düşük bir azalma yüzdesi gösterecektir, ancak doğru zamanlarda temizlik işlemi uygulandığında yakıt tüketiminde ve emisyonlarda önemli düşüşler elde etmek mümkün olacaktır. Bu tez çalışması ile söz konusu karina temizliği işlemlerinin gerekliliği ve sağladığı verim analiz edilerek, gemi enerji verimliliğinin artırılması yönünde olumlu bir bakış açısı sağlanması amaçlanmıştır.

Abstract:
Energy is the most important requirement of our daily life. So we must provide enough energy and avoid wasting it in order to not to threaten environmental values. Otherwise, the intensive accumulation of carbon dioxide generated by energy use in the atmosphere causes global warming. Increase in temperature causes melting of polar
glaciers, rising sea levels, changing climates, increasing storms and drought, and extinction of some species.
Global warming is a worldwide issue and concerns all humanity. Various organizations gather and discuss the appropriate solutions to handle this problem. Since there is no other world in which we can live, it is necessary to raise awareness of all humanity and to apply more sanctions in order to stop global warming and to minimize emission rates. The "nothing will happen" mentality worsens the conditions of environment, it is required to take all precautions for world's wellbeing and future generations. Scientists have identified global anomalies and the worst possible scenarios which increase in fossil fuels used, the amount of greenhouse gases, especially carbon dioxide caused by development of the industries. The best action to be taken for avoiding these scenarios or to minimize the damage is energy saving, and saving can be done by awareness. Considering the greenhouse gas emissions by transportation type, it is seen that the highest emission rate is on the highway. This is followed by air, seaway, railway and other means of transportation. Although the rates of greenhouse gases accumulating in the atmosphere originating from the maritime sector are less than other sectors, it is obvious that these rates will increase as a result of the increasing number of ships and increasing trade volume. For this reason, IMO has carried out some studies, explained the worst-case scenarios that may occur in the near future and set regulations. As of January 1, 2013, EEDI has become obligatory for the ships to be built and SEEMP for the ships under operation. Accordingly, in order to minimize the greenhouse gas rates, the most suitable methods are chosen by shipowners for their fleet vessels among the existing energy efficiency methods. Although there are various technological and design-based studies to ensure energy efficiency, operational-based studies are more interesting for existing ships due to lower costs. In the current system, there are many operational methods to provide energy
efficiency on board. For instance, ballast and trim optimization, planned maintenance, reduction of operation times in ports, reduction of ship speed, voyage planning according to weather conditions, autopilot settings and energy savings with awareness of ship personnel can be given. Although these methods will be mentioned in this thesis, the method to be examined among them is hull cleaning. Pollution of the hull causes more fuel consumption due to increasing friction between the hull and the water. Since the speed and maneuverability of the ship is
also affected, timely intervention without allowing macroorganisms to adhere to the hull will be the most effective solution. Adhesion of green algae to the hull causes clogging of the suction pipes of the ship in addition to increasing the ship's resistance. Congestion of areas such as the seachest, bow thruster, stern thruster, etc. may affect not only the ship's maneuverability, but also its operational status. Failure of the ship to receive ballast water due to the congestion of the seachest will cause the ship to be unable to adjust its balance and stress values, and therefore to be unable to receive cargo. This will create many problems until the
ship is out of lease. Considering that vessels are built for cargo transportation, the failure of the ships will affect many parties, from shipowners to managers, or shore personnel to seafarers. As the resistance of the ship decreases with a minor intervention such as hull cleaning, fuel consumption will also reduced, thus energy
efficiency will be provided. This simple but effective method will not only help energy and cost saving, it will also contribute to the improvement and protection of the environment, which is more important. The duration of hull cleaning varies in every ship. Because each vessel's voyage zone, weather conditions experienced during the voyage, speed, times stay at the port and anchorage are different. For this reason, especially the seafarers and the superintendents responsible for the operation of the ship should always ensure the hull control and intervene in a timely manner. When considered on a cost basis, it is obvious that the expenses allocated for the cleaning process will return as income in the long run. The aim of this thesis is to calculate the energy efficiency provided by hull cleaning in a commercial container vessel. While calculating the efficiency, the fuel consumption of the ship was considered as basis. For this purpose, the program output data, in which class-approved daily reports of a container ship belonging to an anonymous maritime company are recorded, were analyzed and the fuel consumption was estimated before and after the hull cleaning. Machine learning (ML) method used in many areas was used for estimation. ML is the modeling of systems that can predict by making inferences from data with mathematical and statistical operations. The algorithms of ML try to find the most suitable model for new data by using historical data. In this thesis, in order to analyze the effect of hull cleaning on energy efficiency, three different ML methods were used, which are namely as multiple linear regression, random forest regression and decision tree regression. Additionally, the most effective technique was determined by comparing the mean absolute errors obtained from all three methods before and after hull cleaning. According to the data, the most superior
method is found multiple linear regression. Data processing and simulations were carried out in Python programming
language version 3.0 using the Spyder compiler. Numpy, Matplotlib, Pandas and Sklearn libraries were also used for case study. According to the comparison of the fuel consumption values for before 3 months and after hull cleaning, it is seen that there is an average of 18% reduction in both fuel consumption and CO2 emission per mile.
These calculations will probably show a lower percentage of reduction in the long term, but when cleaning is applied at the right times, it is possible to achieve significant reductions in fuel consumption and emissions. It is aimed in this thesis to provide a supportive perspective to ship owners, ship operators and relevant
parties to ensure ship energy efficiency on the vessels.