Bir feribottan yayılan egzoz emisyonlarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi
An investigation on the exhaust emissions of a ferryboat by experimental and theoretical methods
Yazar: MURAT DURMAZ
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Deniz taşımacılığı, diğer taşımacılık türlerine kıyasla en temiz taşımacılık türü olmasına rağmen, büyüyen deniz trafiği nedeniyle gemilerden kaynaklanan emisyonlar hava kirliliğini önemli derecede etkilemektedir. Deniz taşımacılığının hava kirliliğine olan önemli katkısı nedeniyle, gemi emisyonları ve çevreye olan etkileri son yıllarda birçok çalışmada yer almıştır.  Gemi egzoz emisyonlarından kaynaklanan hava kirleticileri ve sera gazları; küresel ısınmaya, asit yağmurlarına ve hava kalitesinin azalmasına neden olurlar ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkilere sahiptirler. Ayrıca limanların yaşam alanlarına yakın olmasından dolayı gemi kaynaklı emisyonlar karasal hava kalitesini oldukça fazla etkilerken insan sağlığını da ciddi ölçüde etkilemektedir.
Artan deniz taşımacılığına bağlı olarak gemilerin çevreye olan zararları artmıştır. Bu zararları azaltmak ve kontrol altına almak amacıyla ülkeler, uluslararası kuruluşlar ve çevre kuruluşları çeşitli düzenlemeler hazırlamış ve bu düzenlemeler kademeli olarak yürürlüğe girmiştir. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) MARPOL Ek VI, Türkiye Cumhuriyeti Ulusal Mevzuatı, Avrupa Birliği Mevzuatı ve Kaliforniya Hava Kaynakları Kurumu (CARB) limitleri gemi egzoz emisyonlarına sınırlamalar getiren düzenlemelerdendir.
MARPOL Ek IV Gemi Kaynaklı Hava Kirliliğinin Önlenmesi Tüzüğü'nde gemilerin egzoz gazlarından çıkan başlıca azotoksit (NOX) ve kükürtoksit (SOX) gibi emisyonların küresel ve özel bölgelerde sınırlandırılmasına ilişkin düzenlemeler getirilmiş ve emisyonlar için limit değerler belirtilmiştir. Türkiye MARPOL Ek VI sözleşmesine çok yakın zamanda Şubat 2014 tarihinde taraf olmuştur. Türkiye'nin Marpol Ek IV'ya taraf olmasıyla birlikte gemi kaynaklı emisyonların incelenmesi, ölçülmesi, azaltım metotlarının geliştirilmesi büyük önem kazanmıştır. Gemi egzoz emisyonlarının MARPOL Ek VI limitlerine uygunluğunun denetlenmesi için egzoz emisyon ölçümlerinin yapılması gerekmektedir. Egzoz emisyon ölçümleri yapılarak gemilerden yayılan ortalama egzoz emisyon miktarı belirlenerek gemilerin limitlere uygunluğu değerlendirilir. Gemilerde egzoz emisyon ölçümleri, IMO tarafından yayınlanan NOx Teknik dokümanında tarif edilen şekilde gerçekleştirilmektedir. Ayrıca gemilerin egzoz emisyonlarının MARPOL Ek VI limitlerine uygunluğunun denetlenmesi konusunda uyulması gereken prosedürler NOx Teknik dokümanında sunulmaktadır.
Gemi egzoz emisyonlarının deneysel olarak incelendiği çalışmalar ile emisyon faktörleri belirlenmektedir. Belirlenen emisyon faktörleri ile belirli bölgeler veya global ölçekte belirli bir zamanda yayılan egzoz emisyon miktarları teorik yöntemlerle hesaplanmaktadır. Bu çalışmalarla emisyon envanterleri oluşturularak gemilerden kaynaklanan emisyonların atmosfere, çevreye ve insan sağlığına etkileri incelenmektedir. Gemi egzoz emisyonlarının deneysel olarak çalışılması ile egzoz emisyon faktörleri geliştirilmekte ve doğrulanmaktadır.
Gemi egzoz emisyon faktörleri çeşitli kurum ve kuruluşların yaptığı çalışmalarla belirli tipteki gemiler için belirlenmiş ve yayınlanmıştır. Bununla birlikte belirli bölgelerde farklı çalışma koşullarına sahip gemiler için emisyon faktörlerinin belirlenmesi, lokal ölçekte yapılacak emisyon envanter çalışmaları için büyük önem taşımaktadır.
Yapılan bu çalışmada  Marmara Denizinde yolçu ve araç taşımacılığı yapan tipik bir feribottan yayılan egzoz emisyonları deneysel metotlar ile belirlenmiştir. Gemi egzoz emisyonlarının ölçümleri sonucunda NOX egzoz emisyonu 11.909 g/kWh olarak belirlenmiştir. Türkiye'nin taraf olduğu IMO kurallarına göre, feribot üretim yılı göz önünde bulundurularak seviye 1 NOX limitlerine tabidir. Gemi ana makinesinin devri olan 750 rpm değeri kullanılarak yapılan hesaplama sonucunda feribotun uyması gerekli NOX egzoz emisyon limiti 11.97 g/kWh olarak belirlenmiştir. Değişik makine yüklerinde ölçülen NOX emisyon değerlerine göre spesifik NOX emisyon değeri olan 11.909 g/kWh, seviye 1 NOX limitlerine uygun görülmüştür. Ayrıca Türk Ulusal Mevzuatı, denizcilik yakıtları kükürt içeriği limitlerine göre feribotta kullanılan yakıt kükürt içeriği % 0.1'i geçmemelidir. Ölçüm yapılan feribotta kullanılan yakıtın kükürt içeriği değeri % 0.0005 olarak belirlenmiştir. Feribotta kullanılan bu yakıt yürürlükte olan denizcilik yakıtları kükürt içerik değerlerine uygun bulunmuştur. Ayrıca CO, CO2, O2 ve HC spesifik emisyonları sırasıyla 0.67 (g/kWh), 611.14 (g/kWh), 1350.10 (g/kWh) ve 0.623 (g/kWh) olarak belirlenmiştir.  
Bu çalışmada feribottan yayılan egzoz emisyon miktarları teorik yöntemlerle, literatürde yayınlanmış verilere göre ve deneysel ölçümlerde elde edilen verilere göre hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda feribotun bir seferinde yayılan egzoz emisyon değerleri belirlenmiştir. Hesaplamalar sonucunda elde edilen egzoz emisyon değerleri kıyaslanmıştır. Bu sonuçlara göre azot oksit ve karbon dioksit emisyonları için yapılan hesaplamaların yakın olduğu ve değişik metotlarla yapılan hesaplamalar arasında kabul edilebilir farklar olduğu belirlenmiştir. Ancak bu çalışmada kullanılan CO, HC ve SO2 emisyon faktörlerinin bu feribot tipinden yayılan emisyon miktarı hesabı için yüksek hata değerlerine sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca yapılan çalışmalar ile bu feribot tipi için teorik egzoz emisyon hesabında kullanılabilecek, feribotun değişik seyir durumları, değişik seyir durumlarında geçen süre ve toplam seyir süresi ve değişik seyir durumlarında makine yükü değerleri belirlenmiştir. Son olarak, bir yılda feribottan yayılan emisyon miktarı aylık olarak  NOX, SO2, CO2, CO ve HC kirleticileri için hesaplanmıştır.

Abstract:
Marine transport is the most environmentally friendly transport mode when comparing others. However marine transport has growth day by day therefore world ship fleet has increased. For this increase marine emissions emitted by ships has became important emission source considering global emission budget. Marine emissions can be listed as nitrogen oxides (NOX), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), sulphur dioxide (SO2), hydrocarbons (HC), particulate matters (PM) and others.
Marine emissions affect environment, chemical composition of the atmosphere, climate, regional air quality and human health negatively. Global effects of marine emissions are mostly related climate changing and global warming. On the other hand local effects of marine emissions can be listed as water and soil acidification, acid rain, local climate changes and human health hazards. Therefore marine emissions are researched globally and locally to estimate emission inventories, to define hazardous effects of emissions, to research possible emission reduction technologies and to decrease emission rate of ships.
Due to hazardous effects of marine emissions, environment agencies, international organizations and countries make regulations to limit marine emissions. International Maritime Organization (IMO), in 1997, make a protocol to prevent air pollution from ships. MARPOL Annex VI regulates air pollution from ships. In this regulation chapter 13 and chapter 14 define respectively emission limits of NOX and SO2. CO2 emission is regulated according to energy efficiency design index. Yet other emission kinds are not regulated. 
As a result of approval of the MARPOL Annex VI by member states, global and local NOX and SO2 limits adopted. SO2 limits mostly define fuel sulphur content due to source of SO2 exhaust emissions is fuel sulphur content. On the other hand NOX emissions are comprised as a result of chemical reaction of nitrogen and oxygen, which are in the burning air, at high temperatures in the combustion chamber. Briefly NOX emissions are product of the combustion processes. Due to hazardous effects of NOX emissions MARPOL Annex VI chapter 13 limits engine NOX emission rates according to construction year of the ships. There are three tier about to ships NOX emissions rates. 
Due to this regulations, ships have to inspect whether they are consistent with emission limits or not. NOX Technical Code define procedures to ship's emission measurement methods, calculation methods also inspection and certification methods. Direct emission measurent method is used to inspect and certification emission rate of ships. Furhtermore, direct exhaust emission measurement method used to investigate emission reduction technologies, effect of different fuel usage and engine performance evaluation. On the other hand, direct emission measurement studies provide necessary knowledge to evaluate marine emissions with emission inventory methods.
Emissision inventory methods  used to estimate marine emissions localy or globally. These methods can be categorized into two groups, as bottom-up method and  top-down method. According to bottom-up method emission from ships are estimated  with fuel consumption data and emission factor of ship. If fuel consumption data is not known according to top-down method, ship installed power, engine specific fuel consumption data, load factor and emission factor are used to calculate emission from ships. Emission factors, engine load, installed engine power and load factor data of ships are published as a result of researches. These datas are limited and not include all kind of ships. As a result of several researches emission datas are published for general type of ships like general cargo, tanker and container vessels. These datas are useful for global emission inventory estimations. However, to calculate local emission inventories, detailed knowledge of ship characteristics are needed. Due to different operating conditions or different ship characteristics, emission datas published may not reflect all kind of ships. Therefore, direct emission measurement studies provide important and precious knowledge about emission values of specific or local ships.
In this study, exhaust emissions of a typical ferryboat which is shipping between Eskihisar and Topçular ports in Marmara Sea, are measured with direct emission measurement method. NOX Technical Code procedures are followed in measurements. According to E2 test cycle, direct emission measurement are applied at different engine loads. Engine brake power, engine parameters, ambient parameters, exhaust parameters and emission concentrations are measured at every load point. At the end, specific emission value of ship is estimated acorrding to NOX Technical Code  and this value is compared with NOX emission limit. As a result, specific NOX emission value of ferryboat is estimated as 11.909 g/kWh and tier 1 NOX emission limit is estimated as 11.97 g/kWh. It is seen that ferryboat is consistent with tier 1 NOX emission limit. Besides, exhaust flow rate is calculated using two methods and  results are compared at %75 and %100 engine load. Firstly, exhaust gas flow rate is directly determined by using pitot tubes. In the second method exhaust gas flow is calculated by carbon balance method given in the NOX Technical Code Appendix 6. Fuel consumption flow rate is calculated by specific oil consumption data given by engine manufacturer. As a result, when comparing these emission values estimated using two differen methods it is seen that emission values calculated using carbon balance method %15.22 and %16.28 higher than emission values calculated using direct exhaust flow rate determination method respectively at %75 and %100 engine load. Differences between emission values calculated by  two different methods are reasonable considering uncertainty values of test results.  According to regulation marine fuel sulphur content limit is %0.1 for Marmara Sea. Sulphur content of fuel used by ferry is %0.0005, so fuel used by ferry is consistent with fuel sulphur content regulation. Further, other exhaust emissions are calculated. These exhaust emission values can be listed as, CO2 (611.14 g/kWh) , CO (0.67 g/kWh), SO2 (0.1 g/kWh), HC (0.6 g/kWh), O2 (1350.1 g/kWh).
In the second part of this study emission inventory methods are applied to estimate emission values for one trip of ferryboat. Emissions from ferryboat are calculated for one trip of ferryboat according to bottum up and top down methods. To estimate emissions from ships, cruise characteristics of ferryboat categorize into three goups. These categories are hotelling, manoeuvring and cruise. Then hotelling time, manoeuvring time and cruise time are determined. Ferryboat emission inventory is calculated using published load factor and emission factor values and measurement datas. Then result of emission inventory estimations are compared. As a result it is seen that, calculated NOX and CO2 emissions with emission factors published in literature and emission factor are calculated, give similar results with acceptable differences. However,  other emission factors used to estimate emissions is not suitable for this type of ship. Because there are important differences between emission values estimated with literature datas and calculated with measurement results. So other emission values should be investigated for this type of ferryboat. As a result of measurements ferryboat trip phases, phase times for one trip of ferryboat, load factor of ferryboat at every phase of trip and emission values of ferryboat are defined. Finally, emission inventory of ferryboat is calculated for NOX, SO2, CO2, CO and HC emissions mothly during 1 year. Emission are calculated for 1 year as 97 (t) NOX, 0.77 (t) SO2, 4467.3 (t) CO2, 6.2 (t) CO  and  5.6 (t) HC.