Bir feribot için atık ısının kullanıldığı termoelektrik güç üretim sisteminin ısıl, çevresel ve ekonomik analizi
Thermal, environmental and economical analysis of a thermoelectric power generation system using waste heat for a ferry
Yazar: FURKAN BÖBÜR
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
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, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Enerji ihtiyacı, artan dünya nüfusu ve ticaret hacminden dolayı artmaktadır. Enerjinin aşırı kullanımı zararlı emisyonların artmasına, küresel ısınmaya ve ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Küresel ticaretin %80 ile %90 arasındaki kısmı deniz taşımacılığı aracılığıyla sağlanmaktadır. Bundan dolayı gemicilik küresel ekonomi ve tüm beşeri faaliyetlerde önemli bir rol oynamaktadır. Bunun sonucunda gemi sayısı artmaktadır. 2016 yılında dünya gemi filosunda yaklaşık olarak 89.800 gemi bulunmaktayken uluslararası deniz ticaretinde dökme yük, petrol ve konteyner başta olmak üzere taşınan yük yaklaşık 11,3 milyar ton olmuştur. 2022 yılında ise gemi sayısı toplam 126.950 iken 2022 yılında uluslararası deniz ticaretinde taşınan yük yaklaşık 12,1 milyar ton olmuştur. 2016 yılında tanker, dökme yük gemisi, genel kargo gemisi ve konteyner gemileri başta olmak üzere gemilerden yayılan karbondioksit (CO2) emisyonu yaklaşık 750 milyon ton olurken 2022 yılında ise yaklaşık 860 milyon ton olarak gerçekleşmiştir. 2016-2022 arasındaki döneme bakıldığında artan gemi sayısı ve taşınan yüke bağlı olarak gemi kaynaklı emisyon artmıştır. 
Deniz taşımacılığı en az emisyon yayan ulaşım tiplerinden birisi olmasına rağmen artan gemi sayısından dolayı atmosfere yayılan emisyon miktarı artmaktadır. 2017 yılında Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde ulaşım sektörü kaynaklı emisyonun yaklaşık %72,9'unu karayolu ulaşımı, %13,3'ünü havacılık, %12,8'ini denizcilik ve geriye kalan %1'lik kısmı da demiryolu ve diğer ulaşım tipleri oluşturmaktadır. Bu oranlara göre deniz taşımacılığının karayolu ve havayolu taşımacılığına göre daha az emisyon yaydığı görünse de deniz taşımacılığı kaynaklı emisyonun ulaşım kaynaklı toplam emisyondaki payı önemli bir değere sahiptir. Bundan dolayı, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Dizayn Endeksi (EEDI) gibi gemi enerji verimliliğini geliştirme amaçlı düzenlemeler yapmıştır. EEDI gemilerin enerji verimliliğini artırmayı ve gemi kaynaklı emisyonu 2013 yılından sonra inşa edilen gemilerde azaltmayı amaçlamaktadır. SEEMP gemilerin enerji verimliliğini geminin operasyonlarında yapılacak operasyonel optimizasyonlarla artırmayı amaçlamaktadır. Ayrıca, tipik bir gemi makinesinde üretilen gücün yaklaşık yarısı geminin sevki için kullanılırken üretilen gücün %25,5'i egzoz gazı formunda atmosfere salınmaktadır. Tipik bir gemi makinesinden yayılan diğer atık ısı kaynakları %16,5 oranında şarj havası, %5,2 oranında ceket suyu, %2,9 oranında yağlama yağı ve %0,6 oranında ısıl ışınımdır. Bu bir gemi makinesinin ürettiği gücün yarısının atık ısı olarak kullanılamadan atmosfere salındığını göstermektedir. Hem gemi makinelerinin atık ısı oranı hem de küresel deniz ticareti kaynaklı emisyon miktarından dolayı atık ısı geri kazanım yöntemleri önemli bir konu başlığı haline gelmişti ve atık ısı bileşenleri göz önüne alındığında egzoz gazı taşıdığı ısı miktarı ve sahip olduğu sıcaklık ile büyük bir atık ısı geri kazanımı potansiyeline sahiptir. Gemi makinesinden atık ısı geri kazanımı atmosfere salınan zararlı emisyonların azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır.   
Bu çalışmada Eskihisar-Topçular arasında yolcu ve araç taşıyan Ord. Prof. Ata Nutku feribotunun ana makinesinin egzoz gazının atık ısısı kullanılarak termoelektrik güç üretimi ile atık ısı geri kazanımı analizi yapılmıştır. Termoelektrik güç üretimi termoelektrik modülün sıcak ve soğuk tarafları arasındaki sıcaklık farkından yararlanılarak voltaj üretimini sağlayan Seebeck etkisi ile ısıl enerjiden elektrik enerjisine direkt enerji dönüşümüdür. Bu çalışma kapsamında farklı karakteristiklere sahip TGMT-19W-4V ve TE-MOD-22W-7V-56 olmak üzere iki adet termoelektrik modül seçilmiştir. Seçilen her bir termoelektrik modül için %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerindeki egzoz gazı sıcaklıkları ve 20°C'lik bir deniz suyu sıcaklığı için dört farklı sıcaklık farkında termoelektrik modül boyunca sıcaklık dağılımı ve voltaj dağılımı COMSOL Multiphysics paket programı kullanılarak sürekli ısı iletimi denklemi ve elektrik denklemlerinin birlikte çözdürülmesiyle elde edilmiştir. İki farklı termoelektrik modül ve dört farklı sıcaklık farkı için toplamda sekiz ayrı durum için ısıl analiz yapılmıştır. Buradan elde edilen sonuçlar neticesinde 450, 600 ve 750 adet termoelektrik modül içeren üç farklı termoelektrik güç üretim sistemi konfigürasyonu için üretilen elektrik gücü, üretilen elektrik gücünden elde edilen yıllık yakıt tasarrufu ve termoelektrik güç üretim sistemi amortisman süresi hesaplanarak ekonomik analiz yapılmıştır. Ek olarak, termoelektrik güç üretim sistemlerinin egzoz gazının atık ısısından yararlanarak elektrik gücü üretmesi sonucunda atmosfere yayılan emisyonlardaki azalmalar NOX, SO2, CO, CO2 ve HC gibi farklı emisyon tipleri için hesaplanarak çevresel analiz yapılmıştır. Son olarak bu çalışmada elde edilen sonuçlar literatürdeki diğer çalışmaların sonuçlarıyla kıyaslanarak doğrulama çalışması yapılmıştır ve bu çalışmada bulunan sonuçların literatürden alınan çalışmaların sonuçlarıyla uyum gösterdiği görülmüştür.
Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TGMT-19W-4V termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 437 W- 1350 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TGMT-19W-4V termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,25'i ile %0,77'si arasında değişmektedir. TGMT-19W-4V termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 22,1 yıl, 21,5 yıl, 13,5 yıl ve 11,9 yıldır. Ana makine yükü arttığında termoelektrik güç üretim sisteminin ürettiği elektrik gücü arttığı için yakıt maliyetinden yapılan tasarruf artmaktadır. Bunun sonucunda amortisman süresi ana makine yükünün artmasıyla beraber azalmaktadır.  Feribotun sefer halindeki ana makine yükü değişimleri göz önüne alındığında sistemlerin amortisman süresi 16,5 yıl olarak hesaplanmıştır. 
%25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde 450, 600 ve 750 adet TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülüne sahip bir termoelektrik güç üretim sisteminden üretilen elektrik gücü 972 W- 3000 W arasında değişmektedir. Aynı sayılardaki TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modüllerinde farklı ana makine yüklerinde üretilen elektrik gücü 175 kW'lık bir yardımcı makine gücünün %0,55'i ile %1,71'i arasında değişmektedir. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülünün bulunduğu termoelektrik güç üretim sisteminin amortisman süreleri %25, %50, %75 ve %100 ana makine yüklerinde sırasıyla 12,6 yıl, 12,2 yıl, 7,7 yıl ve 6,8 yıldır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülündeki amortisman süresi tüm ana makine yüklerinde TGMT-19W-4V termoelektrik modülünden daha kısadır. Feribot sefer halindeyken sistemlerin amortisman süresi 9,4 yıl olarak hesaplanmıştır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü için amortisman süresi TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekinden daha kısadır. TE-MOD-22W-7V-56 termoelektrik modülü daha çok elektrik gücü ürettiği için TE-MOD-22W-7V-56 modülünün incelendiği tüm durumlarda emisyon türlerindeki yıllık azalma oranları TGMT-19W-4V termoelektrik modülündekilerden daha yüksektir.

Abstract:
Energy need is increasing due to the increasing world population and trade volume. Excessive use of energy causes increased harmful emissions, global warming, and serious environmental problems. Between 80% and 90% of global trade is provided by shipping. Therefore, it plays an important role in the global economy and all human activities. As a result, the number of ships is increasing. While there were approximately 89,800 ships in the world shipping fleet in 2016, the cargo carried in international maritime trade, especially bulk cargo, oil, and containers, was approximately 11.3 billion tons. While the total number of ships in 2022 was 126,950, the cargo carried in international maritime trade in 2022 was approximately 12.1 billion tons. While carbon dioxide (CO2) emissions from ships, especially tankers, bulk carriers, general cargo ships, and container ships, were approximately 750 million tons in 2016, they will be approximately 860 million tons in 2022. Between 2016 and 2022, ship-related emissions have increased because of the increasing number of ships and the cargo carried.
Although maritime transportation is one of the transportation modes that has the least emissions, the amount of emissions released into the atmosphere is increasing because of the increasing number of ships. In 2017, approximately 72.9% of the emissions from the transportation sector in the European Union (EU) countries were made by road transportation, 13.3% by aviation, 12.8% by shipping, and the remaining 1% by railway and other transportation modes. According to these rates, although it appears that maritime transportation emits less emissions than road and air transportation, the share of shipping-related emissions in the total transportation-related emissions is significant. Therefore, the International Maritime Organization (IMO) has developed regulations to improve ship energy efficiency, such as the Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) and the Energy Efficiency Design Index (EEDI). The EEDI aims to increase the energy efficiency of ships and reduce ship-related emissions in ships built after 2013. The SEEMP aims to increase the energy efficiency of ships with operational optimizations in the ship's operations. Additionally, while approximately half of the power produced in a typical marine engine is used for the propulsion of the ship, 25.5% of the generated power is released into the atmosphere in the form of the exhaust gas. Other waste heat sources emitted from a typical marine engine are of 16.5% charge air, 5.2% jacket water, 2.9% lubricating oil, and 0.6% thermal radiation. This indicates that half of the power produced by a marine engine is released into the atmosphere without utilizing in a ship. Waste heat recovery methods have become an significant issue because of the waste heat rate of a typical marine engine and the amount of emissions from global maritime trade. Among waste heat sources in a typical marine engine, exhaust gas has a significant waste heat recovery potential because of its amount of heat and temperature. Waste heat recovery from marine engine plays an important role in reducing harmful emissions released into the atmosphere.
In this study, waste heat recovery with thermoelectric power generation analysis is conducted using the waste heat of the exhaust gas of the main engine of the Ord. Prof. Ata Nutku ferry, which carries passengers and vehicles between Eskihisar and Topçular. Thermoelectric power generation is a direct energy conversion from thermal energy to electrical energy by the Seebeck effect, which produces voltage using the temperature difference between the hot and cold junctions of the thermoelectric module. In this study, two thermoelectric modules with different characteristics, TGMT-19W-4V and TE-MOD-22W-7V-56, are selected. For each selected thermoelectric module, temperature and voltage distribution on the thermoelectric module at four different temperature differences for exhaust gas temperatures at 25%, 50%, 75%, and 100% main engine loads and the sea water temperature of 20°C are obtained by solving the coupled steady heat conduction equation and the electrical equations using the COMSOL Multiphysics package program. Thermal analysis is performed under eight different conditions for two different thermoelectric modules and four different temperature differences. Then, an economic analysis is performed by calculating the electrical power produced for three different thermoelectric power generation system configurations which have 450, 600, and 750 thermoelectric modules, the annual fuel savings obtained from the produced electrical power, and the amortisation period of the thermoelectric power generation system. In addition, environmental analysis is conducted by calculating the reduction in emissions emitted to the atmosphere because of thermoelectric power generation systems producing electrical power using the waste heat of the exhaust gas for different emission types such as NOX, SO2, CO, CO2, and HC. Finally, a validation study is conducted by comparing the results obtained in this study with the results of other studies in the literature, and it can be seen that the results found in this study are consistent with the results of studies from the literature.
According to the results obtained in this study, the electrical power produced from a thermoelectric power generation system with 450, 600, and 750 TGMT-19W-4V thermoelectric modules at 25%, 50%, 75%, and 100% main engine loads varies between 437 W and 1350 W. The electrical power produced at different main engine loads in the same number of TGMT-19W-4V thermoelectric modules varies between 0.25% and 0.77% of a 175 kW auxiliary engine power. The amortisation periods of the thermoelectric power generation system with the TGMT-19W-4V thermoelectric module are 22.1, 21.5, 13.5, and 11.9 years, respectively, at 25%, 50%, 75%, and 100% main engine loads. When the main engine load increases, the savings in fuel costs increase as the electrical power produced by the thermoelectric power generation system increases. As a result, the amortisation period decreases as the main engine load increases. The amortisation period of the system is calculated as 16.5 years under voyage. The electrical power produced from a thermoelectric power generation system with 450, 600, and 750 TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric modules at 25%, 50%, 75%, and 100% main engine loads varies between 972 W and 3000 W. The electrical power produced in the same number of TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric modules at different main engine loads varies between 0.55% and 1.71% of a 175 kW auxiliary engine power. The amortisation periods of the thermoelectric power generation system with the TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric module are 12.6, 12.2, 7.7, and 6.8 years, respectively, at 25%, 50%, 75%, and 100% main engine loads. The amortisation time of the TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric module is shorter than that of the TGMT-19W-4V thermoelectric module at all main engine loads. The amortisation period of the systems while the ferry is under voyage is calculated as 9.4 years. The amortisation period for the TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric module is shorter than that for the TGMT-19W-4V thermoelectric module. Because the TE-MOD-22W-7V-56 thermoelectric module produces more electrical power, the annual reduction rates in emission types are higher than those of the TGMT-19W-4V thermoelectric module in all cases examined.