Limanlar için bütünleşik yenilenebilir enerji güç sistemlerinin tekno-ekonomik analizi
Techno-economic assessment of hybrid power systems for ports
Yazar: MEHMET MİRDALI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ PELİN BOLAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Denizcilik = Marine ; Enerji = Energy
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources ; Yeşil liman = Green port

Özet:
Ülke ekonomilerinin gelişmesi, refah seviyelerinin yükselmesi ve küresel kalkınmanın önemli bir unsuru olan ticaret % 90 oranla deniz taşımacılığı ve limanlarla  gerçekleşmektedir. Enerjinin yoğun olarak kullanıldığı denizcilik sektörünün en önemli bileşenleri olan gemilerin ve limanların enerji tüketimindeki payı da yüksektir.   Bunun doğal sonucu olarak yüksek enerji talebiyle birlikte denizcilik sektöründe artan fosil yakıt kullanımı karbon emisyonu, sera gazı ve küresel ısınma üzerinde olumsuz etkilerin artmasına neden olmaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO – International Maritime Organization) sera gazı salınımlarının azaltılması amacıyla gemilerde düşük sülfürlü yakıt kullanımının sağlanması için yapmış olduğu çabalar mesafe kaydetmeye başlamış olmakla birlikte denizcilik sektörünün tüm bileşenlerinin küresel iklim değişikliğinin önlenmesi, limanlarda alternatif ve yenilenebilir enerji kullanımı ve denizcilik sektöründe enerji verimliliği konularında atması gereken daha çok adım vardır.    
Dünya ticaretinde oldukça önemli bir paya sahip denizcilik sektöründeki özel ve kamusal teşebbüslerin, genellikle maliyetleri azaltmak amacıyla olsa da, hem sosyal sorumluluk, ticari prestij ve çevresel hassasiyet, hem de ulusal ve uluslararası zorunlulukları karşılamak amacıyla sera gazı salımı azaltma ve enerji arzı güvenliği maksadıyle alternatif enerji kaynaklarından enerji temini ve enerji verimliliği çalışmaları dikkat çekmeye başlamıştır. Enerji ihtiyacının karşılanmasının denizcilik endüstrisindeki önemi ve yüksek maliyeti ile çevresel kaygılar; sürdürülebilir, yeşil ve temiz enerji kaynaklarının tercih edilmesi ve enerjinin verimli kullanılması konusuna olan dikkatleri arttırmıştır.
Sanayi ve ticari faaliyetlerin, dolayısıyla enerji tüketiminin yoğun olduğu Türk ve dünya liman bölgelerindedeki yüksek enerji kullanımının ana unsurları olan gemilerde, bazı yük elleçleme ekipmanlarında ve liman içi yük transfer araçlarında, aydınlatmalarda, soğutmalı depolarda, binalarda, ofislerde ve işletmelerde kullanılan enerji genellikle fosil yakıtlardan veya şebekeden gelen elektrikten sağlanmaktadır.
Türkiye'de ve dünyada denizcilik alanında yenilenebilir ve yeşil enerji kaynaklarının kullanımı oldukça düşük seviyede kalırken, gemilerle yapılan nakliyede ve iskelelerdeki yük elleçleme operasyonlarında çoğunlukla fosil yakıt kullanılmaktadır. Ayrıca bir çok Türk ve dünya limanlarında yer alan ofis ve işletmelerde aydınlatmada, iklimlendirmede ve günlük kullanımda genellikle sahil şebeke elektriğinin kullanımı denizcilik kaynaklı hava ve çevre kirliliğinin önlenmesi, sürdürülebilir ve yeşil limanların oluşturulması için küresel önlemlerin alınmasını kaçınılmaz bir hale getirmiştir. 
Denizcilik sektörünün  hem deniz hem de kara kısmı birlikte değerlendirildiğinde ihtiyaç duyulan enerji miktarı ve maliyeti ile birlikte çevre ve insan sağlığı üzerindeki etkileri yeşil limanların yaygınlaşmasını ve denizciliğin tüm unsurlarıyla birlikte yenilenebilir, çevreci ve temiz enerji kaynaklarına yönelmesini zorunlu kılmaktadır. 
Günümüz ve geleceğe yön veren denizcilik faaliyetlerini ve liman hizmetlerini sunan küresel ölçekli denizcilik şirketleri ve liman yönetimleri; hava, çevre, deniz ve gürültü kirliliğinin azaltılmasının ve önlenmesinin  yanı sıra sürdürülebilir ve temiz enerjinin kullanımını yasal zorunlulukların ötesinde sosyal sorumluluk bilinciyle gönüllü eylemlere dönüştürmüştür. Denizcilik alanında çevre hassasiyeti konularına ciddiyetle yaklaşan ve denizcilik sektörüne öncülük eden örnek uygulamalara sahip gemi operatörleri ve liman işletmecileri için, çevre ile iş sağlığı ve güvenliği konularındaki duyarlılık artık kurumsallık, rekabet ve prestij unsuru olmuştur.  
Limanlar için bütünleşik yenilenebilir enerji güç sistemlerinin yaygınlaşarak ve limanlarda yeşil strateji gözetilerek, temiz, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarını kapsayan tüm hedef ve programların temel amacı; tüm dünya limanlarda küresel ölçekte çevresel, ekonomik ve sosyal sürdürülebilirliğin sağlanarak karbon ayak izinin azaltılması ve sera gazlarının önlenerek küresel ısınmanın olumsuz etkilerini azaltmaktır.
Bu projedeki amacımız limanlarımızın enerji ihtiyacının yeşil, temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarıyla karşılanarak hem emisyon değerlerinin hem de enerji maliyetlerinin düşürülmesidir. Limanlardaki enerji maliyetlerinin yapılan iş hacmiyle orantılı olarak yüksek oluşu buralarda kullanılan enerjinin maliyetlerinin düşürülmesinde yenilenebilir ve kesintisiz enerji kaynaklarını kullanmanın önemini arttırmaktadır.
Yakın zamanda yapılış çalışmalar incelendiğinde görülmüştür ki, Dünyada bu maksatla deniz fenerleri, stadyumlar, fabrikalar, işletmeler, hava alanları ve daha farklı projelerde yenilenebilir enerji kaynakları tatbik edilmiş ve başarılı sonuçlar alınmıştır. Ancak limanlarda temiz enerji kaynaklarının kullanımı ise çok yeni bir uygulama olup dünyada örneklerinin az oluşu ve Türkiye' de tatbik edilmeye yeni yeni başlaması ve yaygınlaşmamış olması bu tez çalışmasına olan ihtiyacı doğurmuştur. Bu alanda henüz yapılmış bir çalışma olmayışı nedeniyle limanların da kendi potansiyellerini ve enerji maliyetlerini nasıl düşürebileceklerini görmelerinin önünde bir engel oluşturmaktadır. Yapılacak olan bu tez çalışmasında elde edilecek veriler ışığında liman bölgeleri net olarak harcadıkları enerji miktarlarını, bunun yenilenebilir enerji kaynaklarıyla karşılanması halinde elde edecekleri tasarrufu, ihracatta ve ticari rekabette yatırım ve hedeflerini büyütme potansiyellerini görmelerine imkan yaratacaktır. 
Bu amaçla öncelikle liman yükleme-tahliye operasyonlarında, liman alanındaki yük elleçleme ve depolama, aydınlatma ve diğer hizmetlerinde sarfedilen toplam enerji miktarının saatlik, günlük haftalık, aylık ve yıllık bazda tespit edilerek enerjiye harcanan toplam maliyetin bulunması hedeflenmiştir.    
Akdeniz'deki liman bölgesinde bulunan rıhtım ve iskelelerde tüketilen elektrik miktarının kaç kilowatt/saat olduğu ve toplam maliyetinin tespit edilmesinin ardından bu miktarların yenilenebilir enerji kaynaklarıyla ne kadar sürede amorti edilebileceği ve uzun vadede sağlayacağı karlılığı hesap etmek için söz konusu liman  işletmecisinden bu bilgileri talep edilmiştir.
Akdeniz'de yer alan limanın koordinat bilgileri, tüketilen saatlik enerji miktarları ve elde edilen diğer veriler, Homer Programına girierek farklı senaryolarla yenilenebilir hibrit enerji sistemleri uygulanmış, en uygun ve en ekonomik olan sistem, üzerinde çalışılan liman için tespit edilmiştir. Homer programı ihtiyaç duyduğu küresel solar radyasonu verilerini, sıcaklık, açıklık indeksi ve rüzgar kuvvetini internetten indirerek algoritmik hesaplar yaparak en uygun sistem bileşenlerini tespit edip optimum sistem ve ekonomik maliyet hesabı yapmaktadır.
Program her bir sistem tasarımının tekno-ekonomik analizi için Homer (NREL, US) yazılımını kullanmıştır. Yazılım, tasarımcı tarafından girilen; proje ömrü, sistemin kurulacağı lokasyon bilgileri ve buraya ait sıcaklık, güneş, rüzgar vb. meteorolojik veriler, ihtiyaç duyulan enerji yükü (talebi), enflayon oranı, reel faiz oranı, tasarlanacak yenilenebilir enerji bileşenlerinin miktar ve özellikleri, sistemin bakım onarım maliyetleri, emisyondan kaynaklı ceza ve kısıtlamalar vb. her bir parametreyi simüle ederek net sistem maliyetine göre  uygulanabilir sistem kombinasyonlarını sıralamaktadır. 
Yapılan çalışmada belirlenen tekno-ekonomik paramtrelere göre farklı senaryolar, söz konusu liman için simüle edilerek şebeke bağlantılı optimum hibrit enerji sistemi tasarlanmıştır. Analizi yapılan pilot bölgenin farklı senaryolarla elde edilen veriler ışığında ortaya çıkan optimum sistemi, farklı varyasyonlar ve senaryolarla kıyas yapılarak en doğru yenilenebilir sistem tercihi kolaylıkla şekillenmiştir. Bu çalışmada tasarlanan hibrit enerji sistemi, bölgenin enerji ihtiyacı ve kaynak uygunluğuna göre minimum maliyet ve maksismum güvenilir enerji arzı hedeflenmiştir.  
Bütünleşik yenilenebilir enerji güç sistemlerinin tekno ekonomik analizinin yapıldığı bu çalışmada seçilen pilot bölge Akdeniz'de bir liman olup, verileri alınan söz konusu limanın talebi üzerine ismi açıkça belirtilmemiştir.   
Hibrit olmayan sistemler, uygulanabilir sistem kombinasyonları arasında yer almazken, şebeke bağlantılı hibrit sistem, şebeke bağlantısı olmayan sistemlere kıyasla sistem maliyeti ve enerji üretim maliyeti açısından daha avantajlı bulunmuştur. Sistem maliyeti, bileşen maliyetleri ve enerji üretim maliyetlerinin tekno ekonomik analizlerine göre  en optimum ve uygulanabilir sistem tasarımı incelenmiştir.
Çalışmada, söz konusu limanın enerji yüküne ait maliyetler, Homer programı dışında excel programıyla da saatlik, günlük, aylık ve yıllık bazda hesaplanarak sunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre şebekeden beslenen limana ait enerji maliyetlerinin her iki programda kıyaslandığında oldukça yüksek olduğu göze çarpmaktadır. Bu maliyetler, uygun bir yenilenebilir hibrit enerji sisteminin kurulması durumunda, enerji maliyetleri açısından oldukça makul rakamlara düşerek limanın orta ve uzun vadede karlılığa geçmesini sağlayacaktır.
Bahse konu olan liman için hassasiyet ve optimizasyon ayarları yıl içerisindeki ortalama değerler için birbirinden bağımsız simülasyonlar yapılarak çıktılar incelenmiş ve en makul maliyete ulaşabilmek için sistem bileşenleri ve hassasiyet ayarları tek tek denenmiştir. Yenilenebilir enerji bileşenlerinin her bir maliyeti, bakım onarım masrafları, hurda değerleri ve diğer maliyetler bu bileşenlerin internetteki sayfaları ve ürün model ve özelliklerine göre piyasa değeri ortalamaları alınarak hesaplanmıştır.
Modellenen hibrit sistemin mevcut maliyeti düşünüldüğünde, yıldan yıla bileşen maliyetlerindeki düşüş, şebeke elektrik fiyatlarındaki ve enflasyondaki yükseliş ile birlikte değerlendirildiğinde, şebeke enerji fiyatlarıyla rekabet edebilir olmasının yanısıra daha çok avantaj sağladığı gözlemlenmiştir. 
Sonuç olarak ortaya çıkan optimum ve uygun bir yenilenebilir enerji sisteminin, limanın enerji ihtiyaçlarını karşılaması açısından orta ve uzun vadede enerji maliyetleri üzerinde olumlu ve karlı bir etki sağlayacak sistemi belirlemeleri, tercih etmeleri ve karar verme süreçleri üzerinde netlik sağlaması açısından yararlı olacaktır.

Abstract:
The development of the country's economies, the increase in welfare levels and the 90% of the trade, which is an important element of global development, are carried out by sea transportation and ports. The share of ships and ports, which are the most important components of the maritime sector where energy is used intensively, is high in energy consumption.  As a consequence of this, the increasing use of fossil fuels in the maritime sector together with high energy demand causes negative effects on carbon emissions, greenhouse gas and global warming. 
International Maritime Organization (IMO) efforts to reduce greenhouse gas emissions have begun to make progress in ensuring low sulphur fuel use on ships, but there are more steps that all components of the maritime sector need to take in the global climate change prevention, alternative and renewable energy use in ports and energy efficiency issues in the maritime sector.
Although private and Public Enterprises in the maritime sector, which have a significant share in World Trade, are generally intended to reduce costs, efforts to supply and improve energy efficiency from alternative energy sources have begun to attract attention to both social responsibility, commercial prestige and environmental sensitivity and to reduce greenhouse gas emissions and energy supply security to meet national and international
The importance of meeting the energy needs in the maritime industry and its high cost and environmental concerns have increased attention to the choice of sustainable, green and clean energy sources and the efficient use of energy.
The energy used in ships, some load handling equipment, and internal port transport vehicles, lighting, refrigerated warehouses, buildings, offices and enterprises, which are the main elements of high energy use in Turkish and World ports where energy consumption is intensive, is usually provided from fossil fuels or electricity from the network.
While the use of renewable and green energy sources in the maritime area remains very low in Turkey and the world, fossil fuel is mostly used in shipping and cargo handling operations on ships and in ports. In addition, the use of grid electricity in lighting, air conditioning and daily use in offices and enterprises in many Turkish and World ports has made it inevitable that global measures should be taken to prevent marine air and environmental pollution and to create sustainable and green ports.
In addition to the amount and cost of energy needed when both the sea and land part of the maritime sector are evaluated together, its impact on Environment and human health necessitates the expansion of the green ports and the diversion of renewable, green and clean energy resources along with all the elements of the maritime sector. 
Global maritime companies and port administrations, which provide maritime activities and port services that lead to today and the future, have turned the use of sustainable and clean energy into voluntary actions with social responsibility beyond legal requirements as well as reducing and preventing pollution of air, environment, sea and noise. The sensitivity to environmental and occupational health and safety issues has become an element of institutionalization, competition and prestige for ship operators and port operators who have exemplary practices that approach environmental sensitivity issues seriously and lead the maritime sector. 
The main objective of all targets and programs encompassing clean, sustainable and renewable energy sources by spreading integrated renewable energy power systems for ports and taking into account the green strategy in ports is to reduce the negative effects of global warming by reducing carbon footprint and preventing greenhouse gases by ensuring environmental, economic and social sustainability in ports all over the world.
Our aim in this project is to reduce both the emissions and energy costs by meeting the energy needs of our ports with green, clean and sustainable energy resources. The high cost of energy costs in the ports is proportional to the volume of work, increasing the importance of using renewable and uninterrupted energy sources in reducing the costs of energy used in these areas. 
Recent studies have shown that, for this purpose, renewable energy sources have been applied to lighthouses, stadiums, factories, enterprises, airports and other projects in the world and successful results have been obtained. However, the use of clean energy resources, which has caused the need for the study of this thesis because there are few examples in the ports in turkey and in the world is a very new application and the new beginning. This is an obstacle for port authority to seeing their potential that how harbors can reduce energy costs because there is not any work done yet. 
In this thesis study, it will be possible to see the potential amount of energy that the port areas spend clearly in the light of the data, if they are met with renewable energy sources, the potential to increase export and commercial investment and targets. For this purpose, it is aimed to determine the total amount of energy consumed in cargo handling and storage, lighting and other services in port area by determining hourly, daily, weekly, monthly and yearly basis and total cost of energy. 
In order to calculate the amount of electricity consumed in the docks and wharfs in the Mediterranean port and the total cost of electricity consumed in the docks and wharfs, the amount of time they can be recycled by renewable energy sources and the profitability to be provided in the long term are requested from the port operator. 
The coordinate data of the port in the Mediterranean, the amount of energy consumed per hour, and the other data obtained, have been applied to the Homer Program with renewable hybrid energy systems with different scenarios and the most suitable and most economical system has been determined for the port being worked on. Homer program is able to calculate global solar data, temperature, clearance index and wind force by downloading algorithmic calculations by determining the most suitable system components and making optimum system and economic cost calculations. 
Obtained data Homer program in the Mediterranean port using the coordinate information, the amount of energy consumed per hour was entered. Renewable hybrid energy systems have been implemented with different scenarios and the most suitable and most economical system has been determined for the port. Homer program is able to calculate global solar data, temperature, clearance index and wind force by downloading algorithmic calculations by determining the most suitable system components and making optimum system and economic cost calculations. 
The program used Homer (NREL, US) software for techno-economic analysis of each system design. Software entered by the designer; project life, location where the system will be installed and meteorological data such as temperature, sun, wind etc., the required energy load (demand), infusion rate, real interest rate, the amount and characteristics of renewable energy components to be designed, maintenance costs of the system, fines and restrictions due to emission etc. list the system combinations that can be applied according to the net system cost by simulating each parameter. 
According to the techno-economic parameters, different scenarios were simulated for the port and an optimal hybrid energy system with grid connection was designed. In the light of the data obtained from different scenarios of the pilot region analyzed, the optimum system is easily shaped by the most suitable renewable system by comparing it with different variations and scenarios. Hybrid energy system designed in this study is aimed at minimum cost and maximum reliable energy supply according to the energy requirement and resource appropriateness of the region. 
The pilot region in which the techno-economic analysis of integrated renewable energy power systems is made is a port in the Mediterranean and the name of the port at which the data is received is not clearly stated at the request of the port.
While non-hybrid systems are not among the applicable system combinations, the grid-connected hybrid system has been found to be more advantageous in terms of system cost and power generation cost compared to non-grid connected systems. According to the techno-economic analysis of system costs, component costs and energy production costs, the most optimal and applicable system design is examined. 
In this study, the costs of the energy load of the port were calculated on hourly, daily, monthly and yearly basis with the EXCEL program besides the homer program. According to the results obtained, the energy costs of the port from the network are quite high compared to both programs. In the event of the establishment of an appropriate renewable hybrid energy system, these costs will decrease considerably in terms of energy costs and enable the port to move to profitability in the medium and long term.
The sensitivity and optimization settings for the said port were analyzed separately for the average values during the year and the system components and sensitivity settings were individually tested in order to achieve the most reasonable cost. 
Each cost of renewable energy components, maintenance and repair costs, scrap values and other costs are calculated based on market value averages based on the pages and product models and specifications of these components on the internet.
Considering the current cost of the modeled hybrid system, the decrease in component costs from year to year, combined with the rise in grid electricity prices and inflation, has been observed to be more advantageous as well as being competitive with grid energy prices.
The resulting system, which will provide a positive and profitable impact on the energy costs of the medium and long term in terms of meeting the energy needs of the ports with an optimum and appropriate renewable energy system, will be useful in terms of clarifying the preferences and decision making processes.
This work presents a study about supplying electrical energy from grid connected renewable sources with both solar and wind energy remove the GHG emissions and other pollutant gases for "Port A". 
The analysis presented in this study confirms the fact that the economic and financial viability of investment for renewable power system in  "Port A" is highly profitable and also reducing negative effect of greenhouse gas emissions.
Implementation of supplying electricity from hybrid energy systems would then serve to motivate maritime industry and port authorities and it would ensure a sufficiently widespread availability of hybrid power systems infrastructures as it would turn enhance the economic and financial viability of investment. 
This study presents and evaluates results of optimum hybrid renewable energy system for "Port A", including their modeling and simulation, optimization, reliability, economical suitability and the optimal size design by using Homer energy program.