İstanbul şehir hatları vapurları ana tahrik sisteminin hidrojen yakıt hücresine dönüşümünün tekno-ekonomik incelenmesi
Techno-economic investigation of hydrogen fuel cell propulsion system transformation of Istanbul city lines ferry
Yazar: MURAT ÖZGÜL
Danışman: PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
19.yy'da başlayan sanayi çağı ile birlikte insan gücünün yerini makine gücü almış ve büyük üretim çağı başlamıştır. Serbest piyasa ekonomisi teorisinin ortaya atılması ve yaygınlaşmaya başlaması ile birlikte yeni ticaret rotalarının oluşturulması ile üreticiler mallarını dünyanın diğer ucuna daha hızlı ve güvenilir bir şekilde ulaştırma ihtiyacı duymuşlardır. Fakat bu çağ ile başlayan üretim, ticaret ve ulaştırma sektörlerindeki büyüme sebebiyle atmosfere salınan sera ve tehlikeli gazlar sebebiyle tüm canlıların yaşamı olumsuz etkilenmiştir. Ulaştırma sektörü kaynaklı atmosfere salınan gazların büyük çoğunluğunu denizcilik sektöründen kaynaklanmaktadır. 
Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından bu konu dikkatle incelenmiş ve gemi inşa ve işletmeciliği alanında birçok kısıtlama ve yenilikler zorunlu kılınmıştır. Bu kısıtlamalardan dolayı gemi inşa sektörü klasik tahrik sistemlerinin yerine alternatif çözümlere yönelmeye başlamış ve birçok yeni teknoloji sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), elektrik motorları vs.) gemilere uygulanmaya başlamıştır. Bu alternatif yöntemlerinden bir tanesi de Hidrojen yakıt hücreleridir.
Bu tezin amacı İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan vapur ve gemilerin muhtemel hidrojen yakıt hücresi tahrik sistemleri ile inşa edilebileceği veya tahrik sistemlerinin hidrojen yakıt hücreli tahrik sistemlerine muhtemel dönüşümü hakkında bir kaynak oluşturmak ve karar vericilere destek sağlamaktır.
Bu çalışmada ilk bölümde küresel ısınma ve iklim değişikliği hakkında yapılan araştırma ve çalışmalardan yararlanılarak bilgiler verilmiştir. Ayrıca IMO tarafından tehlikeli gazların salınımını azaltmak adına gemi işletmeciliği alanında yapılan kısıtlamalar ve yeni zorunluluklar hakkında bilgi verilmiştir. 
Bu çalışmanın ikinci bölümünde hidrojen yakıt hücreleri, çeşitleri, kullanım alanları, kimyasal ve termodinamik özellikleri ve hidrojen yakıt hücrelerinin gemi inşa sektöründe uygulama konuları hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapurunun teknik özellikleri ve ihtiyaç duyacağı ana ve yardımcı tahrik sistemleri güç gereksinimi üzerine bir model çalışması yapılmıştır. Daha sonra İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapuruna ait hali hazırda bulunan genel özellikler, ana ve yardımcı makine tahrik sistemleri bilgileri, yakıt ve yağ sarfiyat bilgileri, yıllık bakım masrafı gibi spesifik bilgiler ekonomik analiz ve karşılaştırma yapılabilmesi adına kurum idaresi ile yapılan resmi yazışmalar ve makine üreticisinin teknik dökümanından elde edilmiştir. 
Dördüncü bölümde tekno-ekonomik inceleme yapılabilmesi maksadıyla ihtiyaç duyulan ekonomik terimler tanımlanmıştır. Bu çalışmada hidrojen yakıt hücreli tahrik sistemleri ve İstanbul Şehir Hatları idaresinde bulunan ŞH KÜÇÜKSU vapurunun mevcut tahrik sistemlerinin yıllık toplam sevk maliyetlerine dayanan bir analiz yapılmıştır. Yıllık toplam sevk maliyetleri hesaplamasında sermaye harcamaları (CAPEX) ve operasyonel harcamalar (OPEX) olarak iki maliyet üzerine hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca ŞH KÜÇÜKSU vapurunun mevcut sistemlerinin ve hidrojen yakıt hücreleri sevk sistemleri ile ekonomik olarak karşılaştırılabilmesi için net bugünkü değer (NPV) ve yaşam döngüsü maliyeti (LCC) gibi finansal tanımlara yer verilmiş ve hesaplamalar yapılmıştır. CAPEX, 20 yıllık bir operasyon süresi ve 10% bir indirim oranı ile analiz yapılmıştır. İlk kurulum ve yatırım maliyetleri ise (IC) hidrojen yakıt hücresi üniteleri için daha önceden yapılan çalışmalardan ve hidrojen piyasa fiyatları baz alınarak hesaplanmıştır. Tüm tüketim maliyet hesaplamalarında 3% bir enflasyon payı dahil edilmiştir. Ayrıca tüm OPEX için net değer formülasyonunda yer alan değerler 20 yıllık bir yatırım ve operasyon süresi ile 3% ve 5% bir iskonto oranı için hesaplanmıştır.

Abstract:
With the industrial age that started in the 19th century, human power was replaced by machine power and the age of great production began. With the emergence of the free-market economy theory and its spread, the producers needed to transport their goods to the other end of the world in a faster and more reliable way. With the creation of new trade routes, the transport sector introduces new technology like internal combustion machine. However, with the advancement of this technology has been adversely affected due to the greenhouse and dangerous gases released into the atmosphere due to the growth in the production. With the development of trade and transportation sectors that started with this age the nature has been adversely affected due to the greenhouse and dangerous gases released into the atmosphere. Global warming and climate change due to greenhouse gases and other issues is the new challenge to the world to get rid of it. With Paris climate agreement and Kyoto protocol Countries around the world gathered and proposed some measure against this greenhouse gases. Most of the gases emitted to the atmosphere originating from the transportation sector. And most of them originate from the maritime sector. According to the study of IMO all ships around the world consumed 300 million tons of fuel in 2020. (Fourth IMO GHG Study 2020 Full Report, 2020) And this means %15 of SOx and %13 Of NOx originates from marine industry and shipping. Carbon monoxide (CO) emissions have reached 936 thousand tons, Carbon monoxide (CO) emissions have reached 949 million tons and foreign matter emissions have reached 1.402 million tons. This issue has been carefully studied by the IMO and many restrictions and innovations have been made in the field of shipbuilding and management. As a result of the efforts to reduce the gases emitted to the atmosphere in maritime transport, conditions such as the use of clean fuel and Energy efficiency design index have been obligated in some regions such as Sulphur emission control area and emission control area. Eventually our country will apply the new rules to our ships and sea region. One of the biggest possibilities of this İstanbul Strait. Due to these limitations, the shipbuilding industry has started to turn to alternative solutions instead of conventional propulsion systems and many new technologies such as liquid natural gas (LNG), compressed neutral gas (CNG), and electric motors, etc.) have begun to be applied to ships. One of these alternative methods is hydrogen fuel cells.
The aim of this study is to provide a resource and support to decision makers about the possible transformation of conventional propulsion system to fuel cell propulsion systems for Istanbul city lines ferry.
In the first part and second part of this study, information is given by making use of research and studies on global warming and climate change. In addition, information was given about the restrictions and new obligations in the field of ship management in order to reduce the emission of dangerous gases by the IMO.
In the third part of this study, detailed information is given about hydrogen. Hydrogen is the main energy source of the universe. The fuel for the heat released by the sun and stars through the thermonuclear reaction is hydrogen. It is a colorless and odorless gas and also It is clean and quiet. For understand properties of hydrogen detailed information given about like hydrogen production, hydrogen safety, fuel cells, fuel cell types, their advantages and disadvantages, historical background, usage areas, efficiency, chemical and thermodynamic properties and application of hydrogen fuel cells in shipbuilding industry. Also, some information given about Hydrogen Fuel Cell applications and research program in the Marine Industry.
In the fourth chapter, a model study has been made on the technical characteristics of the "SH KÜÇÜKSU" ferry, which is under the administration of Istanbul City Lines, and the power requirement of the main and auxiliary propulsion systems. Then, specific information such as general features, main and auxiliary engine propulsion systems information, fuel and oil consumption information, annual maintenance cost of the SH KÜÇÜKSU ferry under the administration of Istanbul City Lines, official correspondence with the institution administration in order to make economic analysis and comparison, and obtained from the machine manufacturer's technical documentation.
In the fifth chapter, the economic terms needed for techno-economic analysis are defined. In this study, an analysis based on the annual total propulsion costs of hydrogen fuel cell propulsion systems and the existing propulsion systems of the ŞH KÜÇÜKSU ferry under the administration of Istanbul City Lines was made. In the calculation of annual total dispatch costs, calculations were made on two costs as capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX). In addition, financial definitions such as net present value (NPV) and life cycle cost (LCC) are included and calculations are made in order to economically compare the existing systems of the SH KÜÇÜKSU ferry with the hydrogen fuel cell propulsion systems. Analysis of CAPEX, with an operation period of 20 years and a discount rate of 10%. Initial installation and investment costs (IC) are calculated based on previous studies for hydrogen fuel cell units and hydrogen market prices. An inflation rate of 3% is included in all consumption cost calculations. In addition, the values included in the net value formulation for all OPEX are calculated for an investment and operation period of 20 years and a discount rate of 3% and 5%. In this chapter all of the case has studied with cautiously. Some graphics has shown for understand of economic decision.
In the sixth part of the study conclusion and recommendation given about. Global warming and climate change continue to threaten our world and living things. Even if the use of carbon-based fuels is terminated from now on, it does not seem possible to return to the pre-industrial global average temperature. For this reason, some regulations and strict rules will be in force in the future. Some companies have begun to transform their investment to new technologies. Day by day well-known companies showing their new technologies to world. So, it will be inevitable for fossil fuels to be replaced by more environmentally friendly fuel systems in our country as well as in the world. In addition, it is foreseen that it will be possible to reduce our foreign dependence on fossil fuels, which has been going on for years, with the studies on hydrocarbon deposits carried out in the Black Sea and the Mediterranean, Hydrogen fuel cells are seen as a promising method to meet these constraints. However, due to the fact that this technology of hydrogen fuel cell is still open to development and high-cost factor, it has not yet reached the desired level. However, with the studies and investments made, significant progress has been made in terms of cost and efficiency in the last 25 years. And it is hoped to reduce the hydrogen fuel cell cost price and will be achieve challenges against it. While all of the challenges some cost, production and safety are still under the desire level, hydrogen fuel cell is a promising technology for clean future.