Konteyner gemisi için tek ve iki kademeli organik rankinçevrimi ile atık ısı geri kazanımı sisteminin termodinamikanalizi
Thermodynamic analysis of waste heat recovery systemfor container ship using single and two stage organicrankine cycle
Yazar: MERVE GÜL ÇIVGIN
Danışman: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Emisyon salınımlarının neden olduğu küresel ısınma etkileri canlı yaşamı ve çevre için
ciddi tehdit unsuru olmaktadır. Küresel ısınmanın en görülen sonucu ise evrendeki
sıcaklık artışıdır. Hükûmetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) tarafından sunulan
raporda; sanayileşme öncesi küresel ortalama sıcaklık baz alındığı zaman, sıcaklığın
son iki yılda yaklaşık 1.1 °C arttığı görülmektedir. Bu büyümeye neden olan en önemli
faktör fosil yakıtların kullanılmasıdır. Ayrıca sanayileşmenin başlaması, nüfusun
artması ile ticaret ve ulaşıma olan talep de artmıştır. Ucuz ve ulaşılabilir olduğu için
deniz yolu ile ulaşım ve ticaret en çok talep gören yöntem olmuştur. Dünya ticaretinin
yaklaşık %90'ı deniz yolu ile yapılmaktadır. 2018 yılında deniz yolu ile sağlanan
ticaret hacmi 11 milyar ton iken bunun 2019-2024 periyodunda %3.5 oranında artması
beklenmektedir. Deniz yolu ile ticaretin artmasına bağlı olarak, gemilerden kaynaklı
emisyonların da artması kaçınılmaz olacaktır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO)
uluslararası deniz yolu ile taşımacılığın toplam antropojenik karbon dioksit (CO2)
emisyonlarında yaklaşık %3.3 paya sahip olduğunu bildirmiştir. IMO, gemilerden
salınan emisyonları kademeli olarak azaltabilmek için zorunlu ve gönüllü kurallar
yürürlüğe koymuştur. Özellikle sera gazı salınımları ile ilgili olarak Denizlerin
Gemilerden Kirlenmesini Önleme Uluslararası Sözleşmesi (MARPOL) Ek-VI
kapsamında Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği
Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyonel İndikatör(EEOI)
yürürlüğe alınmıştır. EEDI yeni ve büyük değişiklikler geçirmiş gemiler için zorunlu
iken SEEMP ve EEOI gönüllü olarak uygulanabilecek rehber niteliğindedir. IMO bu
rehberler ile gemi sahiplerine ve işletmecilerine gemilerde enerji verimliliğinin ve
emisyon azaltımlarının sağlanması için yöntemler sunmaktadır.
Gemilerin yaklaşık %90'ı dizel makineleri kullanmaktadır ve verimleri günümüzde
%50 seviyelerine ulaşmıştır. Gemilerde yakılan yakıtın enerjisinin yaklaşık %50'si
itme gücü ve yardımcı sistemler için kullanılmaktadır. Yakıt enerjisinin geri kalanı
egzoz, soğutma ve radyasyon ile atık ısı olarak atılmaktadır. Atılan bu ısıl enerjinin
geri kazanımı sayesinde verimlilik artarken aynı zamanda emisyonlarda da düşüş
sağlanabilmektedir. Uluslararası Denizcilik Örgütü de SEEMP kapsamında
işletmecilere ve gemi sahiplerine atık ısı geri kazanım sistemini verimli işletim
yöntemi olarak sunmaktadır. Son yıllarda da atık ısı geri kazanımı üzerine bireysel ve
kurumsal çalışmalar hız kazanmıştır.
Bu çalışmada bir konteyner gemisi için Organik Rankin Çevrimi (ORÇ) kullanılarak
atık ısı geri kazanım analizi yapılmıştır. Tek kademeli ve iki kademeli ORÇ sistemleri
farklı ısı kaynakları ve farklı ana makine yükleri için incelenmiştir. Öncelikle egzoz
gazı, süpürme havası ve ceket soğutma suyu atık ısıları tek kademeli sistemlerde farklı
iş akışkanları ile değerlendirilmiştir.xx
Sonrasında ise egzoz gazı, süpürme havası ve ceket soğutma suyu atık ısıları iki
kademeli sistemde farklı kombinasyonlar ile değerlendirilmiştir. Her çevrim için farklı
akışkan kombinasyonları verilmiştir. Denizcilik ORÇ çalışmalarında kullanılan
akışkanlar literatürden elde edilerek çeşitli kriterlere göre seçimler yapılmıştır.
Çalışmada temel olarak en yüksek gücü elde etmek amaçlanmıştır. Ayrıca yapılan
hesaplamalarda CO2 emisyonundaki azalmalar, yakıt tasarrufu, sistemden elde edilen
geri iş oranı ve yakıt tasarrufu sonucu elde edilen ekonomik kazanç hesaplanmıştır.
Hesaplama ve analiz sonuçlarına göre; tüm sistemler için en yüksek güçler %100
makine yükünde elde edilmiştir. Ceket soğutma suyu atık ısısının kaynak olarak
kullanıldığı sistemde en fazla güç R1234ze(Z) akışkanı ile 557,5 kW olarak elde
edilmiştir. Egzoz gazı atık ısısı ile R365mfc akışkanı ile 369 kW, süpürme havası atık
ısısı ile R1233zd(E) akışkanı ile 1981 kW elde edilmiştir. İki kademeli çevrimler
incelendiği zaman; yüksek sıcaklık çevriminde egzoz gazı, düşük sıcaklık çevriminde
ise ceket soğutma suyu ve yüksek sıcaklık çevrimi atık ısısı kullanıldığı zaman
Sikloheksan-R1234ze(Z) akışkan kombinasyonu ile %100 makine yükünde 1476,6
kW elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık çevriminde süpürme havası ve egzoz gazı atık
ısısı, düşük sıcaklık çevriminde ise ceket soğutma suyu ve yüksek sıcaklık çevrimi atık
ısısı kullanıldığı zaman Benzen-R245fa akışkan kombinasyonu ile 3373 kW elde
edilmiştir. Tüm sistemler değerlendirildiği zaman ise; en yüksek yakıt tasarrufunun
4363,6 ton/yıl değeri ile son modelden elde edildiği görülmektedir. Yakıt tasarrufu ile
elde edilen ekonomik kazanç ise 942.408 $/yıl olarak hesaplanmaktadır.

Abstract:
Global warming effects, which is caused by emissions, cause serious harm to human
life and environment. The most common result of global warming is the temperature
increase in the universe. In the report submitted by the Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC); Based on the global average temperature before
industrialization, it is seen that the temperature has increased by approximately 1.1 °
C in the last two years. The most important factor contributing to this growth is the use
of fossil fuels. Furthermore, with the start of industrialization, the increase in the
population, the demand for transportation and trade is increasing. The 90% of the
world trade is provided by sea and the demand for the maritime sector is increasing
every year; while the trade volume is 11 billion tons in 2018, this value is expected to
increase by 3.5% in the period of 2019-2024. Depending on the increasing ship trade,
emissions from ships also increase. IMO (International Maritime Organization)
reported that international shipping emitted 796 million tonnes of CO2, accounting for
about 2.2% of the total global anthropogenic CO2 (carbondioxide) emissions. If
measures are not taken, emissions from shipping could grow between %50 and %250
due to growing in maritime industry [3]. In this regard, IMO imposed restrictions on
emissions emitted from ships with EEDI (Energy Efficiency Design Index), SEEMP
(Ship Energy Efficiency Management Plan) and EEOI (Energy Efficiency Operational
Indicator) within the scope of MARPOL Annex VI. EEDI is compulsory for new built
ships, and measures the ratio of CO2 (gr) to cargo (tonnes) carried per mile and it
requires minimum value depending on ship size and type. With SEEMP, it provides
information and guidance to ship operators and owners about emission reduction
methods. EEOI is a monitoring tool for managing fleet and observing the effect of
cautions take for operating ship effectively.
Approximately 90% of the ships use diesel engines and their efficiency has reached
about 50% today. Approximately 50% of the energy of the fuel burned in diesel engine
is used for propulsion and auxiliary systems. The rest of the fuel energy is wasted as
waste heat via exhaust gas, cooling and radiation. With the recovery of this waste heat
discarded thermal energy, efficiency can increase while emissions also decrease.
Moreover, IMO mentions that the waste heat recovery method within the scope of
SEEMP is also a good method of increasing efficiency. As a result of strict measures
of International Maritime Organization and published guidelines, engine
manufacturers, operators and researchers have sought alternative waste heat recovery
methods. Technologies such as power turbine, classic Rankine cycle, Kalina cycle
and turbo compound system are widely used for waste heat recovery.xxii
However, most of the mentioned methods are suitable for high temperature heat
sources and low efficiency is obtained when used with low and medium temperature
sources. The using of Organic rankine cycle for the recovery of low and medium
temperature waste heat sources is one of the most promising system. The working
principle of the organic rankine cycle is the same as the classic rankine cycle.
However, organic fluids are used in organik rankine cycle as working fluid instead of
water. Organic fluids have the lower boiling temperature than water, and in this way,
using organic fluids the heat sources with low and medium temperature can be
recovered efficiently.
Organic rankine cycle is used in industries like cement, glass production plant and
geothermal at present. Also, in marine, it is becoming a remarkable subject day by day.
Selecting suitable working fluid is one of the key points for improving organic rankine
cycle efficiency and performance. In addition to good thermophysical properties of
working fluids, also must have low GWP, low ODP and be environmentally friendly
(non-toxic, non-corrosive, non-flammable etc..). In addition to these; when selecting
fluid for ship, IMO and SOLAS regulations must be kept in mind.
In this study, waste heat recovery analysis was carried out by using the Organic
Rankine Cycle (ORC) for a container ship. Single-stage and two-stage ORC systems
have been studied for different heat sources and different main engine loads. First of
all, exhaust gas, scavenge air and jacket cooling water waste heats were evaluated with
using different working fluids in single-stage systems. Afterwards, exhaust gas,
scavenge air and jacket cooling water waste heats were evaluated within different
combinations. Different fluid combinations are provided for each cycle.
Working fluids used in marine organic rankine cycle studies were obtained from the
literature and selecting the candidates were made according to various criteria. The
main purpose of the study is to achieve the highest power output. In addition, in
calculations made, CO2 emission reductions, fuel saving, back work rate obtained
from the system and economic gain resulting from fuel saving were calculated.
According to the calculation and analysis results; the highest power outputs for all
systems were achieved at 100% engine load. In the system where jacket cooling water
waste heat is used as the source, the maximum power was obtained when used
R1234ze (Z) as woking fluid as 557.5 kW. 369 kW is obtained with R365mfc fluid
with exhaust gas waste heat and 1981 kW is obtained with R1233zd (E) fluid with
scavenge air waste heat. When two-stage cycles are analyzed; When using exhaust gas
in high temperature cycle, jacket cooling water and high temperature cycle waste heat
in low temperature cycle, 1476.6 kW at 100% machine load was obtained with
cyclohexane -R1234ze (Z) working fluid combination. When using scavenge air and
exhaust gas waste heat in high temperature cycle, jacket cooling water and high
temperature cycle waste heat in low temperature cycle, 3373 kW was obtained with
benzene-R245fa working fluid combination. When all systems are evaluated; it is seen
that the highest fuel saving is obtained from the latest model with the value of 4363,6
tons / year. The economic gain achieved with fuel savings is calculated as 942.408 $/
year.
Jacket cooling water waste heat recovery using organic rankine cycle can be used in
all loads of main engine , because jacket cooling water temperatures nearly are the
same for all loads.