Gemı̇ ana makı̇nelerı̇nde yapılan modı̇fı̇kasyonların enerjı̇ verı̇mlı̇lı̇ğı̇ne olan etkı̇sı̇
Impact of modifications and upgrades on marine main engines energy efficiency
Yazar: RESUL ŞANAL
Danışman: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Sınırlı enerji kaynaklarının tükenme tehlikesinin son yıllarda daha belirgin bir şekilde hissedilmesi ile beraber tüm dünyada hemen hemen bütün sektörlerde enerji verimliliği her geçen gün daha çok üzerinde çalışma yapılan bir olgu haline gelmiştir. Enerji tüketiminin kontrolsüzlüğü ile birlikte dünya, yerkürenin ısınması gibi ciddi çevresel sorunlarla karşı karşıya kalmaktadır.
Sağlık, çevresel ve ekonomik nedenlerden ötürü, hava kirliliğini azaltmak için her geçen gün hemen hemen tüm sektörler yeni stratejiler geliştirmektedir. Bu değişim sürecine paralel olarak, endüstriyel strateji planlaması ve projelerde "sürdürülebilir gelişme" kavramı, gittikçe artan bir şekilde önem kazanmıştır. Bilinçsiz enerji harcamı, enerji kaynaklarının etkili kullanımını gündeme getirmesinin yanı sıra, harcam sonucunda oluşan her türlü katı sıvı ve gaz atıkların da herhangi bir ıslah işleminden geçirilmeden doğaya atılmasının meydana getirdiği önemli çevre kirliliğinin önlenmesi arayışını da beraberinde getirmiştir. Enerji tüketiminin artışına bağlı olarak oluşan sağlık alanında , çevresel ve ekonomik sorunların çözümünde enerji verimliliği çok önemli bir yere sahiptir.
Bahse konu sektörlerden en önemlilerinden biri de dünya lojistiğinin önemli ölçüde sağlandığı denizcilik sektörüdür. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO), bütün gemilere 1 Ocak 2013 tarihi itibarı ile ; Enerji Verimliliği Tasarım İndeksi (EEDI) ve Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) mecburi hale getirmiştir. Enerji Verimliliği Tasarım İndeksi, yeni inşa edilen gemiler için yakıt verimliliğini artırmaya yönelik enerji verimliliği uygulamalarını içeren teknik önlemler sunmaktadır. Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı ise, gemilerin sahip oldukları mevcut teknolojilerini kullanarak teknoloji ile beraber değiştirilen ve geliştirilen operasyonel uygulamalar ile enerji verimliliğini artırmayı amaçlamaktadır. Bunların yanı sıra küresel iklim değişiklilerine neden olabilen ve atmosferde ısı tutma etkisine sahip, insan sağlığına ciddi etkileri olabilen sera gazı salınımlarına önemli ölçüde katkı sağlayan gemilerden kaynaklı egzoz gazlarının uluslararası kurumlar tarafından yayımlanan raporlarda sıklıkla gündeme getirilmektedir. Bu bağlamda son değişiklik olarak Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) 1 Ocak 2020 tarihinden itibaren Emisyon Kontrol Alanlarına (ECA) ek olarak dünya genelindeki maksimum sülfür oranı üst limitini %3,5 m/m'ten %0,5 m/m'e indirerek kullanılan yakıtta köklü bir değişikliğe gitmiştir.Bazı gemi sahipleri ve işletemecileri yeni yakıtla deniz ticaretine devam ederken bazıları ise gemi ana makine baca sistemine ayrı bir arıtma sistemi koyarak IMO'nun kabul ettiği alternatif emisyon azaltma seçenekleri (Scrubber, SCR, EGR vs.) makinede sülfür oranı yüksek yakıtı kullanırken bacadan düşük sülfürlü arıtılmış baca egzoz gazı sistemi ile devam etmişlerdir.
Alınan tedbirlerin ve yapılması planlanan regülasyonların öncelikli amacı atmosfere salınan zararlı gazların salınımını azaltmak olduğu görülmektedir. Gelecek yıllarda sıfır emisyon prensibini benimsemek deniz taşımacılığının en öncelikli meselelerinden biri durumunda olmasıyla birlikte mevcut büyük gemi ana makine üreticileri her geçen yıl mevcut üretilen ana makinelerde enerji verimliliğini en yüksek seviyelere çıkarma ve makine tarafından tüketilen yakıt miktarının en aza indirilmesini hedeflemektedir. Ana makine tarafından tüketilen yakıt miktarının minimize edilmesi ile beraber hem yakıt tasarrufu kontrol edilebilmekte hem de atmosfere salınan zararlı atık gaz miktarı aynı oranda azaltılabilmektedir.
Gelişen teknoloji ile beraber elektronik sistemler günlük yaşamımızdan ağır sanayi endüstri sisemlerine kadar her geçen gün hayatımızda daha fazla yer kaplamaktadır. Büyük gemi makine üreticileri konvansiyonel olarak uzun yıllar boyu kullanılan dizel makinelerde kullanılan mekanik sistemlerden elektronik sistemlere geçmekte ve elektronik makinelerin miktarı her geçen gün özellikle yeni inşaa edilen gemilerde artırılmaktadır. Her teknoloji gibi gemi ana makinelerinde de tüm sistemler bir anda son teknolojiyi takip edememekte ve kademeli olarak kontrol sistemlerini geliştirmektedir.
Çalışma kapsamında günümüzde deniz ticareti ve taşımacılığı içerisinde yer alan gemilerin büyük bir kısmında kullanılan orta ölçekli ağırlığa sahip ve yüksek tonajlı gemilerin büyük bir kısmında kullanılan iki zamanlı dizel makinelerde son yıllarda yapılan değişmeler ve geliştirmeler ele alınmıştır. Bu değişme ve geliştirmelerin büyük bir kısmı elektronik sistemlerin gemilerde uygulama alanının artması ve bu elektronik uygulamaların beraberinde getirdiği mekanik sistemerdeki değişmeleri kapsamaktadır.
Geleneksel gemi dizel ana makinelerinde mevcut olan sistemlerde işletmeci gemi personelinin işletme kalitesi çok önemli yer tutmakta ve gemi makineleri işletmesinde insan faktörü hala büyük önem arz etmektedir. Bu durumun en büyük sebebi gemilerdeki çalışan personelin çok uluslu olabilmesi ve personel eğitim kalitesinin farklı coğrafyalarda çeşitlilik arz etmesidir. Büyük makine üreticileri yapılan geliştirmelerle birlikte gemi ana makinelerinde insan faktörünü minimize etmeyi amaçlamaktadır. Bu bağlamda gemi dizel makinelerinde performans değerleri, doğru arıza tespiti, doğru zamanda ve doğru şekilde yapılması planlanan bakım tutum işlemleri gibi makine kondüsyonunun optimumda tutulmasını sağlayan faktörlerin personel tarafından değil elektronik sistemler tarafından kontrol edilmesini amaçlamaktadır.
Çalışma kapsamında ayrıca günümüzde deniz ticaretinin içerisinde bulunan belirli tonajdaki bir tanker gemisine büyük makine üreticilerinin dizayn ettiği ve spesifikasyonların aynı tutulduğu dört farklı makine tipi monte edilerek, yapılan modifikasyonlar ve geliştirmeler ile beraber gemideki oluşturulan senaryolar birbiriyle kıyaslanarak yakıt tasarrufu miktarı dolayısıyla enerji verimliliğinin ne yönde değiştiği incelenmek istenmektedir. Bu ele alınan makine tiplerinde bazı modifikasyonlar makine içerisinde yapılmış olsa da ana makine çalışmasına bağlı olan makine üreticisinin tavsiyesi ile muhtelif pompalar, ısıtıcılar, soğutucular, devreler, yakıt seperatörleri, yağ seperatörleri, yoğuştrucular gibi diğer yardımcı sistemlerde de bazı kapasite, debi, çalışma aralığı gibi değişiklikler yapılmak durumundadır.
Böylece tüm seçenekler değerlendirildiğinde yeni inşa edilecek olan gemilere kurulacak olan ana makinenin seçiminde inşa edilecek geminin özelliklerine uygun olarak gemi armatörleri ve gemi işletmecileri tarafından en doğru karar verilebilmesi amaçlanmıştır.
Gerçekleştirilen çalışma sonucunda makine yakıt tasarrufu ve spesifik yakıt tüketimi verileri dikkate alındığında deniz taşımacılığında kullanılan gemilerde elektronik kontrollü ana makinelerde yapılan değişikliklerle beraber hangi alanlarda geliştirmelerin olabileceği ve bu geliştirmelerin olduğu makine miktarının ilerleyen yıllarda miktar ve nicelik olarak yüksek oranda yer kaplayacağı öngörülmektedir.

Abstract:
With the danger of depletion of limited energy sources in the world being felt more prominently in recent years, energy efficiency in almost all sectors of the world has become a phenomenon that is being studied more and more every day. With the uncontrolled energy consumption, the world is faced with serious environmental problems such as the warming of the earth.
Due to health, environmental and economic reasons, almost all sectors are developing new strategies to reduce air pollution. In parallel with this change process, the concept of "sustainable development" in industrial strategy planning and projects has become increasingly important. Unconscious energy expenditure, besides bringing the effective use of energy resources to the agenda, has also brought with it the search for the prevention of important environmental pollution caused by throwing all kinds of solid liquid and gaseous wastes into the nature without any remediation process. Energy efficiency has a very important place in the solution of environmental and economic problems in the field of health, which is formed due to the increase in energy consumption.
One of the most important of these sectors is the maritime sector, where world logistics are significantlyachieved. After January 1, 2013, the International Maritime Organization (IMO) has been providing all vessels with the the Energy Efficiency Design Index (EEDI) and the Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) have made it mandatory. The Energy Efficiency Design Index provides technical measures including energy efficiency practices to improve fuel efficiency for new building ships. The Ship Energy Efficiency Management Plan aims to increase energy efficiency with operational applications that are modified and developed together with the technology using the existing technologies of the ships. In addition, exhaust gases from ships that contribute significantly to greenhouse gas emissions, which can cause global climate changes and have a heat retention effect in the atmosphere and have serious dangerous effects on human health, are frequently raised in reports published by international institutions. In this context, as one of the lastregulation, the International Maritime Organization (IMO) has made a radical change in the fuel used as of January 1, 2020, reducing the maximum sulphur rate cap worldwide from 3.5 m/m to 0.5 m/m in addition to the Emission Control Areas (ECA).Some ship owners and operators continue to shipping with new fuel(VLSFO), while others put a separate treatment system in the ship's main machine exhaust gas system, with alternative emission reduction options accepted by the IMO (Scrubber, SCR, EGR, etc.) while using fuel with high sulfur content in the engine, they continued with the treated flue exhaust gas system with low sulfur from the exhaust gas system.
It is seen that the primary purpose of the cautions taken and the planned regulations is to reduce the release of harmful gases released into the atmosphere.While adopting the zero emission principle in the coming years is one of the top priorities of sea transportation, existing large shipbuilders aim to maximize energy efficiency and minimize the amount of fuel consumed by the engine in existing manufactured engines every year.By minimizing the amount of fuel consumed by the engines , both fuel economy can be controlled and the amount of harmful waste gas released into the atmosphere can be reduced by the same way.
With the developing technology, electronic systems take up more and more space in our lives from our daily life to heavy industrial systems. Large engine manufacturers are switching from mechanical systems to electronic systems used in diesel machines that have been used conventionally for many years, and the amount of electronic machines is increasing day by day, especially on newly built ships. Like any technology, not all systems in vessels main engines can follow the latest technology at once but gradually develop control systems.
Within the scope of the study, the recent changes and developments in the two-stroke diesel engines used in the majority of medium-sized and high-tonnage ships, which are used in the majority of ships in maritime trade and transportation, are discussed. Most of these changes and developments include the increase in the application area of electronic systems on vessels and the changes in mechanical systems brought about by these electronic applications.
In the systems available in traditional vessel diesel main engines, the operating quality of the operating ship personnel has a very important place and the human factor is still of great importance in the ship machinery operation. The biggest reason for this situation is that the personnel working on the vessels can be multinational and the quality of ship crew training varies in different geographies. Large machine manufacturers aim to minimize the human factor in vessels main engines with the improvements made. In this context, it aims to control the factors that ensure the optimum condition of the machine, such as performance values, correct fault detection, and maintenance actions that are planned to be carried out correctly and at the right time, by electronic systems, not by the vessels crew.
Beside within the scope of the study, it is desirable to examine the direction in which way energy efficiency changes due to the amount of fuel economy by installing four differentmain engine types designed by large machine manufacturers by keeping same specifications on adesignated tanker ship of a certain tonnage which is working worldwide, and comparing the created scenarios for modifications and upgrades Although some modifications have been made inside the machine in these machine types, with the advice of the machine manufacturer depending on the main engine operation, some capacity, flow rate, operating range, etc., in other auxiliary systems such as various pumps, heaters, coolers, circuits, fuel separators, oil separators, condensers changes have to be made.
Thus, when all options are evaluated, it is aimed that the most accurate decision can be made by ship owners and ship operators in accordance with the characteristics of the ship to be built in the selection of the main machine to be installed on the newly built ships.
As a result of the study, it is predicted that the upgrades will go on which areas and the equipment on the main engine and the amount of electronically controlled main engines on ships used in sea transportation will take up a high amount of space in quantity and in the coming years when engine fuel economy and specific fuel consumption data are taken into account.