Gemiler için çözücü bazlı karbon tutma sistemlerinin incelenmesi
An investigation on the solvent based carbon capture systems for ships
Yazar: ENGİN GÜLER
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Sera gazı etkisi nedeniyle küresel ısınmaya ve iklim değişikliklerine sebep olan karbondioksit emisyonlarının dünyanın geri kalanında olduğu gibi denizlerde ve deniz taşımacılığında da azaltılması ve kontrol edilmesi giderek önem kazanmaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü özellikle 2008'den bu yana bu konudaki çalışmalarını büyük bir şekilde hızlandırmakta ve gemilerin karbondioksit emisyonlarını sınırlayan bir dizi kurallar ve kaideler getirmektedir. 2018 yılı nisan ayında Londrada yapılan 72. Deniz Çevresini Koruma Komitesi toplantısı neticesinde ise 2050'ye kadar karbondioksit emisyonlarının 2008 yılına göre yüzde 50 düşürüleceği kabul edilmiştir.
Karbondioksit emisyonlarının azaltılması yönünde atılan adım ve alınan kararlar çevre ve dünya iklimleri açısından olumlu olmakla birlikte getirdiği ekonomik yükümlüklülükler nedeniyle denizcilik ve dünya ticareti açısından olumsuz sonuçlar doğurmaktadır. Doğal gaz gibi karbondioksit emisyonu azaltıcı yakıt kullanmak, yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanmak, seyir ve tasarım hızını düşürmek gibi yöntemler karbondioksit emsiyonlarını düşürmek için kullanılsa da her zaman ve her koşulda yeterince ekonomik çözümler olamamaktadırlar. Enerji verimliliğini artırmak, tekne gövde ve form tasarımını iyileştirmek, güç ve sevk sistemlerini iyileştirmek gibi yöntemler ise emisyonların azaltılması konusunda sınırlı etkiye sahiptir. Ayrıca hız düşürme hariç bahsi geçen yöntemlerin hiçbiri tek başına Uluslararası Denizcilik Örgütünün 2050 hedefini sağlayabilecek nitelikte değildir.
Karbondioksit tutum ve depolaması, karbondioksidin endüstriden ve enerjiye ilişkin kaynaklardan alınarak depo bölgesine gönderilmesi ve atmosferden uzun vadede ayırma işlemini içeren bir uygulamadır. Karbondioksit tutum ve depolamasının en büyük avantajı kara tesisleri için uygulamada %85 ile %95 arasında tutum sağlayabiliyor olmasıdır. Dolayısıyla Uluslararası Denizcilik Örgütünün 2050 hedefini tek başına sağlayabilecek olan bu sistemin tezde tanıtılması, sistemin gemilere uygulanabilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Karbon tutum ve depolama sisteminin gemilerde henüz uygulaması olmayıp uygulanmasının önünde engel teşkil eden bazı problemlerin çözülmesi gerekmektedir. Bu problemlerden birisi sistemin ekipmanlarının fazla ve boyutlarının büyük olmasıdır. Bu durum sistemin hangi gemi tiplerinde uygulanabilir olabileceği, uygulanabilir gemilerde ise sistem ekipmanlarının yerleşiminin nasıl olması gerektiği sorularını beraberinde getirmektedir. Ayrıca kara tesislerinde oldukça uzun olan tutucu ve ayrıştırıcı kuleler gemilerde uygulanabilse dahi bu yükseklik büyük stabilite problemlerine sebep olacaktır. Bu tezde sistemin en büyük hacim gerektiren elemanları olan karbondioksit depolama tankları ile karbondioksidin tutulması ve ayrıştırılması işlemlerini gerçekleştiren kulelerin boyutlandırılmasına özel bir önem gösterilmiştir. Daha önce hiçbir çalışmada gemilerde karbon tutum sistemlerinin tutma ve ayrıştırma kulelerinin boyutlandırılması için hidrolik tasarım esasları dikkate alınmamış olup ilk defa bu çalışmada örnek bir gemi için boyutlandırma çalışması yapılıp tasarım esasları ile verilmiştir. Sonuç olarak literatürde bilinen kolon uzunluklarının oldukça altında değerler örnek çalışması için elde edilmiştir. Ayrıca sistemin yerleşimi için daha önceki çalışmalarda yapılan yerleşim önerileri ve sistemin hangi gemiler için uygulanabileceği burada verilmiştir.
Başka bir problem ise sistemin getirdiği ağırlıktır. Sistemin getirdiği ağırlık dolayısıyla gemi daha az yük taşımak zorunda kalacak ve bu durum karlılığı düşürecektir. Daha önce yapılan hiçbir çalışmada gemiler için bu durum göz önüne alınmamış olup tezdeki örnek çalışmada bu etki dikkate alınarak sonuçlar elde edilmiştir.
Karbon tutum sistemin en büyük problemi ise kara tesislerinde olduğu gibi sistemin maliyetidir. Sistemin kullanılabilir olması için karbondioksit emisyonlarını kontrol etmede kullanılan diğer yöntemlerden daha düşük maliyetli olmalıdır.
Bu bağlamda, yanma sonrası tutum yöntemleri arasından en yaygın olan çözücü bazlı karbon tutum sistemlerinin tasarımı detaylandırılmış ve çok büyük ham petrol taşıyıcı bir tanker için örnek bir sistem Aspen programı yardımıyla modellenmiştir.
Modellenen sistem üzerine etki eden tutucu kolon çapı, iniş borusu genişliği, tutucu kolon plakaları arası dikey mesafe, tutucu kolon plaka bendi yüksekliği, tutucu kolon tipi, baca gazının tutucu kolona giriş sıcaklığı, tutucu kolon plaka sayısı, tutucu kolon sıvı-gaz oranı ve ana makinenin çalışma yükü parametreleri, tutulan karbondioksitin ana makineden çıkan toplam karbondioksit emisyonuna göre yüzdelik miktarı ve tutulan karbondioksit miktarı başına maliyet cinsinden incelenmiş, ihtiyacı karşılayan en ekonomik çözüm belirlenmiştir. Bu çalışmadan önce hiçbir çalışmada boyutla ilgili parametreler olan kolon çapı, iniş borusu genişliği, kolon plakaları arası dikey mesafe, kolon plaka bendi yüksekliği ve kolon plaka sayısı parametrelerinin maliyet üzerine etkisi incelenmemiştir.
Ekonomik bir modelin oluşturulabilmesi için atık ısıdan faydalanılmış ve baca gazındaki basınç kaybı minimize edilmeye çalışılmıştır. Atık ısı sisteminin enerji elde etmek yerine karbon tutum sisteminde kullanılmasının dolaylı bir maliyeti vardır. Bu dolaylı maliyetin gemilerde karbon tutum sistemlerinin maliyeti üzerine etkisi yine ilk defa bu tezde verilmiştir.
Ayrıca daha önce karbon tutum sistemleri ile ilgili gemiler için yapılan hiçbir çalışmada maliyetler kaynaklarına göre incelenmemiştir. Bu çalışmada maliyetler çözücü tedarik maliyeti, yük kaybı maliyeti, tutum için gereken güç ve ısı maliyeti, sıvılaştırma için gereken güç ve ısı maliyeti, atık ısı sistemi kullanılmamasından kaynaklanan dolaylı maliyet, tutum ekipmanları maliyeti ve sıvılaştırma ekipmanları maliyeti kalemleri olarak ayrı ayrı her bir parametre için incelenmiştir.
Belirlenen çözüm Avrupa Birliği Emisyon Tahsisleri'nin (European Union Allowances) belirlediği günümüz ve gelecekteki karbon fiyatları da dikkate alınarak gemilerde doğal gaz kullanımı ve hız düşürme yöntemleriyle ekonomik olarak kıyaslanmıştır. Bu karşılaştırma yapılırken hız düşürme yöntemi için tasarım hızı değişikliğine bağlı olarak navlun kaybı maliyeti ve yakıt kazancının etkileri; ana makine değişikliğinden dolayı özgül yakıt tüketimi, güç gereksinimi, makine ve sevk sistemlerinin ilk maliyetinin etkileri dikkate alınmıştır. Doğal gaz kullanım yöntemi içinse doğal gaz kullanımından dolayı yakıt maliyeti, doğal gaz yakabilen hibrit makine ve sevk sistemlerinin ilk maliyeti, sıvılaştırılmış doğal gaz kullanımından kaynaklanan ekipman ve doğal gaz depolama tank maliyetleri, scrubber sistemi maliyeti ve scrubber sisteminde kullanılan üre maliyetlerinin etkileri göz önüne alınmıştır. Karbon tutma sistemlerinin maliyetlerinin sonuçları incelendiğinde ise sistemin ekipman ve ilk yatırım maliyetinin toplam yaşam maliyeti üzerindeki etkisinin işletme maliyetine göre çok daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Karbondioksit emisyon miktarı arttıkça sistemin birim karbondioksit tutma maliyeti düşmektedir. Dolayısıyla sistemin güç gereksinimi büyük olan gemiler için daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Ancak tutulan karbondioksit miktarı arttıkça ayrıştırma kulesinin ısıl ihtiyacı da artmaktadır. Isı ihtiyacı geminin atık ısı sistemi ile sağlayabileceğinden yüksekse sistemin maliyeti fazladan yakıt tüketimi ve fazladan ısıtıcı kullanılması sebebi ile ivmelenerek artmaktadır. Sonuç olarak optimum ayrıştırma miktarı, Uluslararası Denizcilik Örgütünün kriterlerini karşılayan karbon tutma miktarı ile atık ısının sağlayabileceği maksimum karbon tutma miktarı arasındadır.
Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün 2050 kriterlerini sağlamak adına karbondioksit emisyonlarını düşürmek için kulanılan yöntemlerden hız düşürmenin, günümüz koşullarındaki yakıt ve navlun fiyatlarında, düşük navlun değerlerine sahip ve ham petrol tankerleri gibi ekonomik gerekçelerle yavaş seyir hızında ilerleyen tipte gemiler için en ekonomik çözüm olduğu tespit edilmiştir. Ancak sonuçlar navlun değeri ve yakıt maliyetine göre hassas olup Katar-max (Qmax) ve Katar-flex (Qflex) sınıfı sıvılaştırılmış doğal gaz taşıyıcıları gibi yüksek navlunlu ve dolayısıyla ekonomik hızı yüksek olan gemilerde çözücü bazlı karbon tutum sistemlerinin kullanımı hız düşürme ve sıvılaştırılmış doğal gaz kullanma yöntemlerine göre daha düşük maliyetlidir.
Sonuç olarak karbon tutum ve depolama sistemlerinin kullanımı gemilerde karbondioksit emisyonlarının azaltılması için büyük bir gelecek vaat etmektedir. Farklı çözücüler, çevrimler ve teknolojiler kullanılarak sistemin başta ilk maliyetleri olmak üzere toplam maliyetlerinin zamanla daha da azaltılması mümkün görülmektedir.

Abstract:
Carbon dioxide emissions cause global warming and climate change due to greenhouse effect. Reducing and controlling carbon dioxide emissions is becoming increasingly important in marine and maritime transport as well as in the rest of the globe. The International Maritime Organization has been accelerating its efforts in this regard, especially since 2008, and introducing a set of rules and regulations that limit the carbon dioxide emissions of ships. As a result of the 72nd Marine Environmental Protection Committee meeting held in London in April 2018, it was accepted that carbon dioxide emissions by 2050 would be reduced by 50 percent compared to 2008.
The decisions taken to reduce carbon dioxide emissions are positive for the environment and world climate, but they have negative consequences for maritime and world trade due to the economic obligations it imposes. Although methods such as using carbon dioxide emission reducing fuel like natural gas, making use of renewable energy sources, reducing the cruising and design speeds of ship are used to reduce carbon dioxide emissions, they can not provide enough economic solutions. Methods such as improving energy efficiency, improving hull and form design, improving power and propulsion systems have a limited impact on reducing emissions. Moreover, except speed reduction, none of these methods alone can meet the IMO's 2050 target. In this thesis, carbon capture system, which can meet the IMO's 2050 criterion alone, and its application to ships are introduced.
The status of carbon dioxide emissions in transportation is analyzed and ships' emissions are compared with different transportation vehicles in terms of emissions per unit weight and per unit transportation distance. Also, the total distrubition of the total carbon dioxide emissions in the world by sectors is examined. The total distrubition rate and total amount of emissions from maritime activities in international and inland waters are given. Then the first steps taken internationally to reduce carbon dioxide emissions and the work done by International Maritime Organization are given in chronological order.
Different carbon control methods are given with their carbon reducing activities in thesis. The advantages and disadvantages of the methods, their applicability and feasibility, the percentage of carbon reducing that they provide in practice, and the estimated carbon reducing that they can provide in the future are mentioned.
Carbon capture and storage systems are introduced as general in thesis. Carbon capture and storage is an application that involves the transfer of carbon dioxide from industry and energy sources to the storage area, and the long term seperation from atmosphere. The main advantage of the system is that it can provide between 85 percent to 95 percent capture rate in practice for plants on land. The system basically includes 3 different capture methods: pre combustion, post combustion and oxy-fuel combustion. The application of post combustion on ships is the most feasible system. Post combustion also includes different methods in itself. The most important methods are absorption, adsorption, using membrans and distillation of liquefacted flue gas for post combustion. Than, carbon capture systems components, advantages, disadvantages and applications in industry are given in this thesis respectively.
Solvent based carbon capture systems applications on ships is investigated in details. Solvent based absorption is the most proper method for carbon capture on board according to literature. Because solvent based absorption is the most commercially proven solution. Also, ships are quite restricted in terms of area and volume. Liquefaction for storing is considered as least volume and area required. However, use of solvent based carbon capture systems on ships has some problems and disadvantages that need to be solved. First one is system equipments' size and arrangement. There are many equipment for using this system and they bring their size. Especially, absorption and stripping towers are extremely tall and this situation cause stability problems on ships. Special consideration is given to column size problem at designing a sample system stage of thesis. None of previous study, hydraulic design principles were taken into account for the dimensioning of the absorber and stripping towers of carbon capture systems in ships. For the first time in this study, a sizing study of an example case was made and given in terms of hydraulic design. As a result, in the sample study, column height values were quite small compared to the literature. In addition, the general arrangement proposal of the system on ships and which ships the system can be applied is given in accordance with the previous study.
The other problem is systems weight and its effect on freight value. Freight loss cause an extra cost. In any previous study, this situation was not taken into account for ships. Besides, liquefaction system according to design temperature and pressure, system may be at high pressure or/and low cryogenic temperatures. Using such systems bring some restrictions and rules. Possible solutions of these problems are introduced in thesis.
The biggest problem of the carbon capture system is the cost of the system, as in land facilities. For the carbon capture system to be feasable, the total cost of the carbon capture system must be able to compete with other carbon control methods.
Before modelling the sample system to determine the cost of system, solvent based carbon capture systems theory, design and calculations are introduced in thesis. Solvent based carbon capture system is based on two similar process: absorption and stripping. Basics of the process can be explained by distillation. Distillation with stripping and then, absorption theory is explained in thesis. In both process, mass transfer is taken place. A basic but still used for most problems solution concept, two film theory, is represented. Than rigorous solution methods are introduced for mass transfer calculations. One of these methods, inside-out algorithm, is quite detailed with solution procedure and solution model assumptions. Because this model is minimized the solution time, generally enhance the solution stability and has a great accuracy at most problem solutions. Than, separation columns or equipment types and selection criterias of them are introduced. For the case study case a selection is made according to advantages and disadvantages of column types. As a result, plate type is choosen for case. For plate type columns, hydraulic design is introduced with lots of parameters which affect the results of carbon capture and its cost. These parameters are operating conditions, distance between plates, column diameter, flooding control, liquid flow arrangement, perforated and hole areas, hole sizes, weir and downcomer design, entrainment control, weeping control, pressure loss. Almost in the every problem, mass transfer is not happened as ideal. For provide both phase and chemical equilibrium, separation units need big contact area and contact time. However, none of the separation units cannot provide enough time and/or area. This situation lead to predict stage and separation unit efficiency. According to not only physical conditions of the solvent and flue gas but also columns hydraulic design parameters, plate efficiency calculation is considered in this thesis. Finally, an another advanced solution method which has more realistic assumptions than equilibrium based solution methods is mentioned shortly.
A sample solvent based carbon capture system for a very large crude carrier tanker is modeled with the help of Aspen program. Main engine power system and exhaust gas are modelled in thesis. Than model of carbon capture, liquefaction and storage system is formed according to main engine power system. The parameters which have effects on the model are absorber column diameter, downcomer width, height of absorber trays between each other, height of absorber weir, absorber type, flue gas inlet temperature to the absorber, absorber column plate number, absorber column inlet liquid-gas ratio and operating cycle of main engine. These parameters are examined in terms of the percentage of captured carbon dioxide by the total carbon dioxide emited from the main engine and the cost per captured carbon dioxide amount, then the most economical solution that meets the requirement is determined. In none of the previous studies, the effects of dimensional parameters which are column diameter, downcomer width, vertical distance between column plates, weir height and column plate number on cost are investigated.
Waste heat is utilized to create an economic model and pressure loss in the flue gas is minimized. There is an indirect cost to use the waste heat recovery system in carbon capture system instead of employing energy. The effect of this indirect cost of the carbon capture systems in ships is given for the first time in this thesis.
In addition, in any previous study for ships related to carbon capture systems, costs have not been examined detailed according to their sources. In this study the costs are investigated as solvent supply cost, freight loss cost, power and heat loss cost for capture, power and heat loss cost for liquefaction, indirect cost caused by using waste heat for stipping instead of energy obtaining, carbon capture equipments cost, and liquefaction equipment costs for each parameter respectively.
The determined solution is compared economically with the use of natural gas on ships and speed reduction methods, taking into account the current and future carbon prices set by the European Union Allowances. When making this comparison, the effects of freight loss and fuel gain due to the design speed change; specific fuel oil consumption, power requirement, engine and propulsion system cost due to the main engine change; fuel price, liquefied natural gas tank and equipment cost, engine and propulsion system cost due to using different fuel and liquefied natural gas fueled engine; scrubber system and urea cost using scrubber system, are considered to estimate the methods cost.
When the results on the costs of the carbon capture systems are analyzed, it is obtained that the effect of the system's equipment and initial investment cost on the total cost is much higher than the operating cost. As the amount of carbon dioxide emissions amount increases, the unit captured carbon dioxide cost decreases. Therefore, the system is more suitable for ships with large power requirements. However, as the amount of captured carbon dioxide increases, the heat requirement of the stripping tower also increases. If the heat requirement for the desired capture is higher than the ship's provided waste heat, the cost of the system accelerates because of using extra fuel for extra heater. Consequently, the optimum separation amount is between the carbon capture amount that meets the criteria of the International Maritime Organization and the maximum carbon capture amount that waste heat can provide.
To meet the International Maritime Organization's 2050 criteria, speed reduction method which used for reducing carbon dioxide emissions is determined the best cost-oriented solution method with today's fuel and freight price for slow steaming ships like large crude carriers. However, the results are very sensitive according to fuel and freight prices. For ships with high freight prices so with high economic speeds like Qmax and Qflex, solvent based carbon capture systems cost is lower than using speed reduction and liquefied natural gas. In addition, some further studies are suggested for reducing system costs.
As a result, carbon capture and storage systems promise a great future for reducing carbon dioxide emissions from ships. By, using different solvents, carbon capture cycles and technologies, it is possible to reduce the total costs of the system, especially the initial costs, over time.