Deniz taşımacılığı için sürdürülebilir biyoyakıt değerlendirme modeli
Sustainable biofuel assessment model for maritime transportation
Yazar: ÇAĞATAYHAN SEVİM
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK ZİNCİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Denizcilik = Marine

Özet:
Küresel ısınma ve iklim değişikliği, küresel ölçekte insanlığın karşı karşıya olduğu ciddi sorunlardır. Bu sorunların derinleşmesinin önemli nedenlerinden biri, küresel ölçekte artan enerji ihtiyacını karşılamak için atmosfere salınan sera gazı emisyonlarının da artmasıdır. Taşımacılık sektörü küresel ekonominin ve uluslararası ticaretin önemli bir parçası halindedir ve enerji ihtiyacı yüksek bir sektördür. Deniz taşımacılığı ise dünya ticaretinin çok büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Deniz taşımacılığı yapan gemilerin büyük çoğunluğunun içten yanmalı dizel makinelere sahip olması ve fosil yakıtların yaygın olarak kullanılması nedeniyle atmosfere önemli miktarda sera gazı salınmaktadır. Salınımı yapılan bu egzoz emisyonlarının çevreye olan zararının yanı sıra insan üzerinde de olumsuz etkilere sahip olduğu bilinmektedir. Denizcilik sektöründeki bu sorunun üstesinden gelmek için Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) bir strateji planı benimsemiş ve araştırmacılar, çalışmalarını alternatif deniz yakıtları üzerine yoğunlaştırmıştır. Farklı alternatif deniz yakıtı seçenekleri olmasına rağmen biyoyakıtlar alternatif deniz yakıtları arasında karakteristik özellikleri sebebiyle önemli bir konuma sahiptir. Bu sebeple bu tez çalışması biyoyakıtlar üzerinde yapılmıştır.
Tezin birinci bölümünde deniz taşımacılığındaki mevcut durum hakkında genel bilgiler verilmiştir. Daha sonra IMO'nun denicilik sektörünü karbosuzlaştırmak adına aldığı aksiyonlar detaylı bir şekilde incelenmiştir. Denizcilik sektörününde emisyonları inceleme ve raporlama altyapısı incelenmiş ve mevcut sistemler kendi arasında karşılaştırılmıştır. Ayrıca mevcut emisyon raporlama ve izleme sistemlerinin küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi sorunlara kalıcı çözüm getirmekte yetersiz kaldığı tespit edilmiş ve bu sistemlerin yerine yeni bir yaklaşım olan Yaşam Dönüsü Analizi (LCA) bakış açısı ile izleme ve raporlama sistemi önerilmiştir. Bunların yanı sıra sektörün alternatif yakıtlara geçiş sürecinden bahsedilmiş ve biyoyakıtların bu geçiş sürecindeki rolü hakkında bilgilere yer verilmiştir. Denizcilik sektöründeki biyoyakıt uygulamalarına da yer vererek biyoyakıtların potansiyeline dikkat çekilmiştir.
Tezin ikinci bölümünde biyoyakıtların gruplandırılması yapılmış ve jenerasyonları hakkında bilgiler verilmiştir. Biyoyakıt alternatiflerinin üretim yöntemleri, hammadde seçenekleri gibi konular detaylı bir şekilde açıklanmıştır.
Tezin üçüncü bölümünde deniz taşımacılığı için sürdürülebilir biyoyakıt değerlendirme modeli oluşturulmuştur. Değerlendirme modeli olarak çok kriterli karar verme yöntemlerinden olan Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) yöntemi kullanılmıştır. AHP yöntemi tanıtılmış, uygulama adımları hakkında bilgiler verilmiş ve literatürdeki AHP çalışmalarına da değinilmiştir. Değerlendirmeye tabi tutulacak biyoyakıtların belirlenmesinde her grup ve her jenerasyondan seçimler yapılmıştır. Değerlendirme kriterleri belirlenirken, denizcilik sektörü için daha önceki çalışmalarda yaygın olarak kullanılan emniyet, teknolojik olgunluk (TRL indeks), hammadde mevcudiyeti, ve maliyet seçilmiş, bu kriterlerin yanı sıra biyoyakıtların alternatif yakıtlara geçiş sürecinde drop-in özelliğinin etkisini gözlemlemek için uyumluluk (mevcut gemi altyapısı ile), çalışmada LCA yaklaşımı benimsendiği için well-to-wake emisyon performansı (WTW), ve biyoyakıtlara özgü ILUC etkisi kriterleri çalışmaya dahil edilmiştir. Değerlendirme kritlerleri açıklanmış ve biyoyakıtların her bir kriter üzerindeki performansları belirlenmiştir. Belirlenen performans puanları çizelgeler halinde verilmiştir.
Tezin dördüncü bölümünde ise AHP yönteminin uygulaması yapılmıştır. Kriterlerin ağırlıklarının tespiti için sektör deneyimi olan 15 uzmandan görüş alınmıştır. Toplanan veriler ile kriter ağırlıkları hesaplanmıştır. Emniyet kriteri 0,388 ile en yüksek ağırlığı, WTW emisyon ise 0,279 ile ikinci sırayı almıştır. Sonraki sıraları, sırasıyla uyumluluk, hammadde mevcudiyeti, maliyet, TRL indeks ve ILUC etkisi kriterleri almıştır. Daha sonra biyoyakıt alternatiflerinin her bir değerlendirme kriteri üzerindeki performans ağırlıkları AHP yöntemi ile hesap edilmiştir. Son aşamada ise biyoyakıtların toplam performans skorları yine AHP yöntemi ile hesaplanmış ve nihai sonuç ortaya çıkarılmıştır. Nihai sonuca göre, değerlendirme modelinde karşılaştırılan biyoyakıtlardan deniz taşımacılığı için en uygun ve sürdürülebilir olanı FT-dizel olarak tespit edilmiştir. İkinci ve üçüncü sırada sırasıyla HVO 3. jenerasyon ve HVO 2. jenerasyon yer almıştır. Son iki sırada ise FAME 1. jenerasyon ve SVO konumlanmıştır.
Kriter ağırlıklandırma aşamasında uzman görüşleri alınarak yapılan bu değerlendirmenin sonucunun, farklı uzmanlar ile yapılması durumunda değişebilme ihtimali olduğu için, değerlendirme modeline duyarlılık analizi çalışması yapılmıştır. Yapılan duyarlılık analizinde 14 farklı senaryo oluşturulmuş ve temel senaryo ile karşılaştırılmış ve grafik olarak verilmiştir. Çıkan sonuca göre değerlendirme modeli tutarlı ve güvenlidir.
Biyoyakıtlar denizcilik sektörünün karbonsuzlaşmasında önemli bir potansiyele sahiptir. Bu potansiyelin kullanılması için biyoyakıtlar üzerine çalışmaların arttırılması gerekmektedir. Çalışmada ilk sırayı alan FT-dizel yakıtının TRL indeksinin 9 olması için çalışmaların yoğunlaştırılması, yakıt üreticilerinin bu noktada teşvik edilmesi ve ekonomik olarak desteklenmesi ile maliyetinin düşürülmesinin fayda sağlayacağı kanaatindeyim. Benzer şekilde, ikinci sırada yer alan, üretiminde tarım arazisi ihtiyacı dahi gerektirmeyen HVO 3. jenerasyon üzerine çalışmaların yoğunlaştırılması denizcilik sektörünün geleceğine karbonsuzlaşma konusunda ciddi bir katkı sağlayacağını düşünmekteyim.

Abstract:
Global warming and climate change are serious problems facing humanity on a global scale. One of the important reasons for the deepening of these problems is the increase in greenhouse gas emissions into the atmosphere to meet the increasing energy demand on a global scale. The transportation sector is an important part of the global economy and international trade and is a sector with high energy demand. Maritime transportation constitutes a very large part of world trade. Due to the fact that the vast majority of ships engaged in maritime transportation have internal combustion diesel engines and fossil fuels are widely used, a significant amount of greenhouse gases are emitted into the atmosphere. It is known that these exhaust emissions have negative effects on humans as well as the environment. To overcome this problem in the maritime sector, the International Maritime Organization (IMO) has adopted a strategy plan and researchers have focused their efforts on alternative marine fuels. Although there are different alternative marine fuel options, biofuels have an important position among alternative marine fuels due to their characteristics. For this reason, this thesis is focused on biofuels.
In the first part of the thesis, general information about the current situation in maritime transportation is given. Then, the actions taken by IMO to decarbonize the maritime sector are examined in detail. Emissions monitoring and reporting infrastructure in the maritime sector is examined and the existing systems are compared among themselves. In addition, it has been determined that the existing emission reporting and monitoring systems are insufficient to provide permanent solutions to problems such as global warming and climate change, and a new approach, a monitoring and reporting system with a Life Cycle Analysis (LCA) perspective, has been proposed instead of these systems. In addition, the transition process of the sector to alternative fuels is mentioned and information about the role of biofuels in this transition process is included. The potential of biofuels is highlighted by including biofuel applications in the maritime sector.
In the second part of the thesis, biofuels are grouped and information about their generations is given. Biofuels for marine transportation are examined in four groups: biodiesels, bioalcohols, biooils and biogases. Biodiesels are FAME, HVO, FT-diesel and Bio-DME. Bioalcohols are biomethanol and bioethanol. Biodiesels and bioalcohols are alternatives to replace distillate marine fuels. Bio-oils are SVO, pyrolysis oil, HTL and solvolysis oil and are alternatives to replace heavy marine fuels. LBM as biogas is an alternative that can replace gaseous fuels. These biofuel groups can be produced from many different feedstocks through different production processes. Biofuels are also analyzed in three generations. Basically, biofuels produced from edible feedstock are classified as Generation 1, those produced from waste vegetable and animal oils and non-edible lignocellulosic biomass are Generation 2, and biofuels produced from microalgae biomass are Generation 3. Biofuel alternatives are explained in detail, including production methods and raw material options, using visual figures. 
In the third part of the thesis, a sustainable biofuel evaluation model for maritime transportation is developed. Analytic Hierarchy Process (AHP) method, which is one of the multi-criteria decision making methods, was used as the evaluation model. The AHP method is introduced, information about the application steps is given and AHP studies in the literature are also mentioned. In determining the evaluation criteria, safety, technological maturity (TRL index), feedstock availability, and cost, which are commonly used in previous studies for the maritime sector, were selected. In addition to these criteria, compatibility (with existing ship infrastructure) to observe the impact of the drop-in feature of biofuels in the transition process to alternative fuels, well-to-wake emission performance (WTW) since the LCA approach was adopted in the study, and biofuels-specific ILUC impact criteria were included in the study. The evaluation criteria were explained and the performance of biofuels on each criterion was determined. The performance scores are given in charts.
In the fourth part of the thesis, the AHP method was applied. In order to determine the weights of the criteria, 15 experts with sector experience were consulted. Criteria weights were calculated with the collected data. The safety criterion received the highest weight with 0.388 and WTW emission ranked second with 0.279. Compatibility, raw material availability, cost, TRL index and ILUC impact criteria were next in order. Then, the performance weights of biofuel alternatives on each evaluation criterion were calculated by AHP method. In the last stage, the total performance scores of biofuels were calculated again with the AHP method and the final result was obtained. 
According to the final result, of the biofuels compared in the evaluation model, FT-diesel was the most suitable and sustainable for maritime transportation with a total score of 0.159. In second place was Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) 3rd generation with a total score of 0.150 and in third place was HVO 2nd generation with a total score of 0.125. The HVO 1st generation ranked fourth with a total score of 0.107. Biomethanol ranked fifth with a total score of 0.091. In sixth, seventh and eighth place, with close scores, are Bio Dimethyl Ether (Bio-DME) with a total score of 0.084, FAME 2nd generation with a total score of 0.081 and Liquefied Biomethane (LBM) with a total score of 0.079. In ninth place is the FAME 1st generation with a total score of 0.063. In last place is Straight Vegetable Oil (SVO) with a total score of 0.060.
Since there is a possibility that the results of this evaluation, which was made by gathering expert opinions at the criterion weighting stage, may change if the evaluation is made with different experts, a sensitivity analysis study was performed for the evaluation model. In the sensitivity analysis, 14 different scenarios were created and compared with the baseline scenario and presented graphically. According to the result, the evaluation model is consistent and reliable.
Safety was the most important criterion in the thesis. As a result, biofuels with low safety scores did not make it to the front rank. The second most important criterion was WTW emission. Although WTW emission performance is affected by the production method and type of fuel, it is more affected by the feedstock used to produce the biofuel. As a result, biofuels derived from edible plant oils did not make it into the top three. The third most important criterion was compatibility. The top two ranked fuels have in common the highest weights for safety, WTW emissions and compatibility.
Biofuels have a significant potential for decarbonization of the maritime transportation. In order to utilize this potential, studies on biofuels should be increased. I believe that it would be beneficial to intensify the studies for the TRL index of FT-diesel fuel, which ranks first in the study, to be 9, to encourage fuel producers at this point and to reduce its cost by supporting it economically. Similarly, I believe that intensifying studies on the HVO 3rd generation, which ranks second and does not even require agricultural land in its production, will make a considerable contribution to the future of the maritime transportation in terms of decarbonization.