Liman bölgesi emisyon kaynaklarının tespiti, emisyon tahmini, azaltılması için uygulamalar ve yenilenebilir enerjiye dayalı bir yaklaşım
Determination of emission sources, emission forecasting, implications for reduction and a renewable energy-based approach
Yazar: ALPER SEYHAN
Danışman: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Denizcilik = Marine
Dizin: Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources ; Yük gemileri = Cargo vessels

Özet:
Deniz taşımacılığı, taşımacılık çeşitlerinin en büyük paydaşıdır. Bu büyüklük faydalar getirdiği gibi sorumluluklar da getirmektedir. Emisyonları azaltmak isteyen dünya bu konuda çeşitli adımlar atarken deniz taşımacılığı da bu adımlardan nasibini almıştır. MARPOL Ek 6 ile gemilere birçok yaptırım uygulamaya başlayan IMO gemiler ile ilgili verimlilik ve emisyon azaltımı hedefleri koymuştur. 
Deniz kıyıları tarih boyunca kentleşmenin ana noktalarından olmuştur. Nüfus yoğunluğu limanlar çevresinde her daim artış göstermiştir. Limanlar kara ile deniz taşımacılığının birleştiği, lojistiğin kalbinin attığı yerlerdir. Gemilerle ticaret yapabilmek için limanlara tarihin her döneminde mutlak ihtiyaç duyulmuştur. Sanayi devrimiyle birlikte gemilerin fosil yakıtları kullanmaya başlaması ticaret açısından bir patlama yaşatsa da bu fosil yakıtların olumsuz etkileri liman bölgesinde etkili olmuştur. Limanların kapasitesi ve elleçledikleri gemi sayısı arttıkça ve gemilerin boyutları büyüdükçe kullanılan fosil yakıtlar artmış ve çevreye olan olumsuz etki de artmaya başlamıştır. Liman kaynaklı emisyonlar bölgede yaşayan halk sağlığını olumsuz etkilemekte ve küresel ısınmayada katkı sağlamaktadır. 
Limanlarda gemiler başta olmak üzere liman için tekneler (pilot botu ve romörkör vb.), kargo elleçleme ekipmanları (Sahil kreyni, RMG, RTG ve terminal traktör vb.) limaniçi ve liman dışı yükleri taşıma ekipmanları (kamyon, tren vb.) gibi birçok emisyon kaynağına sahiptir. Gemilere çeşitli önlemler alınmasına rağmen sistem limanlar konusunda gemilere göre geride kalmıştır. 
Emisyon kaynakları tespiti sonrası mevcut durum hakkında envanter oluşturmak sorunun boyutu ve çözümün etkinliğini değerlendirme konusunda daha etkin yol almayı sağlayacaktır. Bu bağlamda tezde hem bottom-up hem de top down metodolojilerinden faydalanılmıştır. Top-down metodolojisi yakıt bazlı hesaplama yöntemidir ve harcanan yakıt bilinirse emisyonun hesaplanmasını sağlamaktadır. Bottom-up metodolojisi olarak EPA ve Entec metodolojilerinden faydalanılmıştır. Bu metodlojiler de gemilerin operasyonlarına, makine güçlerine göre kabuller yaparak emisyonu tahmin etmektedir.  İki metodolojiden yaralnmak hem metodolojilerin etki alanlarından hem de farklı gemileri veritabanlarında bulundurmaları açısından değerlidir. 
Limanlarda gemiler için hız azaltımı, otomatik bağlama sistemi, sahil elektriği, alternatif yakıtlar gibi farklı azaltımı yöntemleri mevcuttur. Bunun yanısıra liman içi ekipmanların hibrid ve elektrikli alternatifleri de liman içi emisyonların azlatılmasında etkin yöntemlerdir. Sahil elektriğinin ulusal şebeke ve buna ek olarak yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılanması da liman emisyonlarının azaltımında uygulanan yöntemlerdir. 
Bu kapsamda tezde sanayi ve nüfusun yoğun olduğu İzmit Körfezinde bulunan Kuruyük ve Konteyner limanlarında otomatik bağlama ve sahil elektriği sistemlerinin etkinlikleri ile ilgili çalışma yapılmıştır. Otomatik bağlamada hedef konvansiyonel halat manevra süresinin kısaltılarak ana ve yardımcı makinenin daha az kullanılmasıdır. Sahil elektriğinde ise gemi rıhtımdayken fosil yakıt kullanan yardımcı makinesi yerine limanın bulunduğu ülkenin ulusal şebekesi ile elektrik ihtiyacının karşılanmasıdır. Bu çalışmalar sonucunda 3 adet senaryoya planlanmıştır. Senaryolardan birinde sadece otomatik bağlama sistemi, bir diğerinde sadece sahil elektriği ve sonuncu senaryoda ise hem otomatik bağlama sistemi hem de sahil elektriğinin kullanıldığı planalanmıştır. Her iki sistemi birden kullanmanın en etkin sonucu verdiği ve NOX, SO2 VE PM değerlerinde dramatik düşüşler görülse de, CO2 emisyonlarının en etkin senaryoda %41 oranında azaltma görülmüştür. Tezin ilerleyen kısmında da yenilenebilir enerjiye dayanan çözümlere başvurulmuş ve bu oranın artırılması hedeflenmiştir.
HOMER programı yenilenebilir enerji sistemleri içeren mikroşebeke sistemlerini ekonomik ve mühendislik açısında simüle eden bir programdır. Program simülasyon, optimizasyon ve hassaslık analizi yapabilmektedir. Program elektrik kaynağı olarak şebeke, jeneratör vb. yenilenebilir olmayan enerji kaynaklarının yanısıra rüzgâr, güneş, biyokütle vb. yenilenebilir enerjileri de mikroşebekeye dahil edebilme imkanı tanır. Sistem ekonomik detayları sayesinde proje ömrü boyunca üretilecek elektriğin ekonomik durumunu kullanıcıya sunar. Program sayesinde elektriksel yüke göre hangi ekipmanın hangi boyutlarda kullanılacağı ile ilgili kullanıcı fikir edinebilir. Program orijinal boyut ve spesifikasyonlarda birçok farklı markanın ürününü içerisinde bulundurmaktadır. Bu da planlanan bir mikroşebeke sisteminin gerçek verilerle testini mümkün kılmaktadır. Sistemin elektriksel ve ekonomik sürdürülebilirliği ile ilgili de hassas bir biçimde kullanıcıya bilgi verir. 
Bu bağlamda tezde konteyner limanınında rıhtıma yanaşacak gemilerin maksimum elektrik ihtiyaçları gözetilerek ve tam kapasite konteyner elleçlemesi durumunda rıhtım kreyni, RTG ve terminal traktörlerinin ihtiyacı olan elektrik programa girilerek mikroşebekenin ihtiyaçları ortaya konmuştur. Bu ihtiyaçlar çerçevesinde LNG jeneratör, ulusal şebeke ve yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgâr ve güneş enerjisi içeren senaryolar hazrılanmıştır. MŞgrid, MŞgen, MŞrengird, MŞada ve MŞren olarak 5 adet mikroşebeke senaryoları oluşturulmuş ve bu mikroşebekelerin emisyon azaltım oranları ortaya konmuştur. MŞrengrid senaryosunu hem yenilenebilir hem de şebeke elektriğinden beslenmektedir. Senaryonun yenilenebilirlik oranı %87.5'tur. MŞada senaryosunda ise yenilenebilir enerji LNG jeneratör ile desteklenmektedir. Bu senaryoda da %89.3'tür. Sıfır emisyon hedefine uygun olarak MŞren senaryosu sistemin elektrik ihtiyacını sadece yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılamaktadır. Çalışmada emisyon azaltımı öncüllense de ekonomik parametrelere de yer verilmiştir. Bu kapsamda MŞren senaryosunda en yüksek ilk maliyet söz konusuyken, kW başına elektrik ücreti olarak MŞgrid senaryosu en yüksek maliyete ulaşmaktadır. Fosil yakıtlara ve şebekeye bağlı senaryolar ekonomik olarak da yakıt ve şebeke fiyatlarına bağlı olduğu için gelecek ancak tahmin edilebilir. Fakat yenilenebilir enerjide ilk maliyet sonrası masrafların azlığı sebebiyle tahmin yapmak görece daha doğru sonuçlar verecektir.
Limanların kendi enerjilerini üretmeleri ve bu ürettikleri enerjiyi kendilerinden hizmet alan gemilere de ulaştırmaları rekabetçi ortamda ön plana çıkmaları açısından fark yaratmalarını sağlayacaktır. Aynı zamanda üretilen elektriğin gemilere ücretli satılması da yapılacak yatırım maliyetini daha erken bir sürede karşılamasını sağlayabilecektir. Gemilerin de bu tip sahil elektriği sağlayan limanları tercih etmesi verimlilik kriterlerini sağlamaları ve emisyon sınırlamalarında en azından liman içi süreçlerinde avantaj elde etmelerini sağlayacaktır. Yenilenebilir enerjiden yararlanan senaryolarla sağlanan emisyon azaltımı hem limanlara hem gemilere hem de halk sağlığına olumlu etkisiyle liman devletlerine de faydalar sağlayacaktır. Tüm paydaşların fayda sağlaması gelecekte yatırım hususunda tüm paydaşların motivasyonunu artıracaktır.

Abstract:
Maritime transport is the largest shareholder of transport modes. This size brings responsibilities as well as benefits. While the world, which wants to reduce emissions, has taken various steps in this regard, maritime transport has also received its share of these steps. IMO, which started to impose many sanctions on ships with MARPOL Annex 6, has set efficiency and emission reduction targets for ships. 
Sea coasts have been one of the main points of urbanisation throughout history. Population density has always increased around harbours. Ports are the places where land and sea transport meet and where the heart of logistics beats. In order to trade with ships, harbours have been absolutely needed in every period of history. With the industrial revolution, ships started to use fossil fuels, which led to an explosion in terms of trade, but the negative effects of these fossil fuels were effective in the port area. As the capacity of the ports and the number of ships they handle increased and the size of the ships increased, the fossil fuels used increased and the negative impact on the environment started to increase. Emissions from ports adversely affect public health in the region and contribute to global warming. 
In ports, there are many emission sources such as ships, boats for the port (pilot boat and tugboat etc.), cargo handling equipment (quay crane, RMG, RTG and terminal tractor etc.), equipment for transporting cargo in and out of port (truck, train etc.). Although various measures have been taken for ships, the system has stayed in the backround in ports compared to ships. 
Creating an inventory of the current situation after the identification of emission sources will provide a more effective way to evaluate the size of the problem and the effectiveness of the solution. In this context, both bottom-up and top-down methodologies were utilised in the thesis. The top-down methodology is a fuel-based calculation method and enables the emission to be calculated if the fuel consumed is known. EPA and Entec methodologies were utilised as bottom-up methodologies. These methodologies also estimate the emission by making assumptions according to the operations of the ships and machine power.  The use of two methodologies is valuable both because of the impact areas of the methodologies and because they have different ships in their databases. 
There are different mitigation methods for ships in ports such as speed reduction, automatic mooring systems, shore power, and alternative fuels. In addition, hybrid and electric alternatives of in-port equipment are also effective methods for reducing in-port emissions. Meeting the coastal electricity from the national grid and renewable energy sources in addition to this are also methods applied in the reduction of port emissions. 
In this context, in this thesis, a study was carried out on the effectiveness of automatic berthing and shore power systems in dry cargo and container ports located in Izmit Bay, where industry and population are dense. The aim of automatic berthing is to shorten the conventional rope manoeuvring time and to use the main and auxiliary machinery less. In a shore power system, instead of the auxiliary machine using fossil fuel while the ship is at the dock, the electricity need is met by the national grid of the country where the port is located. As a result of these studies, 3 scenarios were planned. In one of the scenarios, only the automatic berthing system, in another one only shore power and in the last scenario both the automatic berthing system and shore power are used. Although it is seen that using both systems gives the most effective result and dramatic decreases in NOX, SO2 and PM values are seen, CO2 emissions are reduced by 41% in the most effective scenario. In the following part of the thesis, solutions based on renewable energy are applied and it is aimed to increase this rate.
HOMER is a programme that simulates microgrid systems including renewable energy systems from an economic and engineering point of view. The program is capable of simulation, optimisation and sensitivity analysis. The programme provides the possibility to include renewable energies such as wind, solar, biomass etc. in the microgrid as well as non-renewable energy sources such as grid, generator etc. as an electricity source. Thanks to its economic details, the system provides the user with the economic status of the electricity to be produced during the life of the project. Thanks to the programme, the user can get an idea about which equipment will be used in which dimensions according to the electrical load. The programme includes products of many different brands in original sizes and specifications. This makes it possible to test a planned microgrid system with real data. It also provides precise information to the user about the electrical and economic sustainability of the system. 
In this context, in this thesis, the needs of the microgrid were determined by considering the maximum electricity needs of the ships that will berth at the container port and by entering the electricity required by the dock crane, RTG and terminal tractors in case of full capacity container handling. Within the framework of these needs, scenarios including LNG generator, national grid and wind and solar energy from renewable energy sources were prepared. Five microgrid scenarios were created as MŞgrid, MŞgen, MŞrengird, MŞada and MŞren and the emission reduction rates of these microgrids were revealed. MŞrengrid scenario is fed from both renewable and grid electricity. The renewability rate of the scenario is 87.5%. In the MŞada scenario, renewable energy is supported by an LNG generator. In this scenario, it is 89.3%. In accordance with the zero-emission target, the MŞren scenario meets the electricity demand of the system only from renewable energy sources. Although emission reduction is prioritised in the study, economic parameters are also included. In this context, while there is the highest initial cost in the MŞren scenario, MŞgrid scenario reaches the highest cost in terms of electricity fee per kW. Since fossil fuels and grid-dependent scenarios are economically dependent on fuel and grid prices, the future can only be predicted. However, in renewable energy, forecasting will give relatively more accurate results due to the low costs after the initial cost.
Ports generating their own energy and delivering this energy to the ships receiving service from them will make a difference in terms of standing out in the competitive environment. At the same time, selling the generated electricity to the ships for a fee will enable the investment cost to be recovered in an earlier period. Ships' preference for ports that provide this type of coastal electricity will enable them to meet efficiency criteria and gain advantages in emission limitations, at least in in-port processes. The emission reduction provided by scenarios utilising renewable energy will benefit both ports, ships and port states with its positive impact on public health. The benefit of all stakeholders will increase the motivation of all stakeholders to invest in the future.