Hidrojen karışımlı yakıtların gemilere uygulanabilirliğinin ve emisyon salınımlarına etkilerinin incelenmesi
Investigating hydrogen blend fuels applicability on ships and effects on emissions
Yazar: BURAK ZİNCİR
Danışman: DOÇ. DR. CENGİZ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Denizcilik = Marine

Özet:
Günümüz koşullarında ülkelerin en önemli problemleri enerji ihtiyacı ve çevre kirliliğidir. Ülkelerin, enerji ihtiyaçlarını karşılarken yenilenebilir enerjilerden çok, maliyeti daha ucuz ve uygulanabilirliği daha kolay, fosil yakıtlara yönelmesi, çevre kirliliğine yol açmakta ve küresel ısınmanın hızlanmasına neden olmaktadır. Küresel ısınmanın hızlanmasının ve buna bağlı iklim değişikliklerinin en önemli nedeni sera gazlarının oluşturduğu hava kirliliğidir. Hava kirliliği insan sağlığını tehdit etmekte, insan yaşam kalitesini düşürmekte, diğer taraftan bitki ve hayvan yaşamlarını da tehdit etmektedir.
Ülkeler bu kötü gidişatı kontrol altına almak ve doğaya salınan emisyon oranlarını azaltmak için Birleşmiş Milletler olarak Kyoto Protokolünü imzalamış ve ilk adımı atmışlardır. Birleşmiş Millet altında çalışan Uluslararası Denizcilik Örgütü de denizcilik sektöründe, gemilerden kaynaklı çevre kirliliğini engellemek için Gemilerden Kaynaklanan Kirliliğin Önlenmesi Uluslararası Sözleşmesi çerçevesi altında, Ek VI bölümünde hava kirliliği ile ilgili çalışmalar yapmış, SOX, NOX ve CO2 gazları için kurallar oluşturmuş ve sınırlamalar getirmiştir. SOX emisyonları için Emisyon Kontrol Bölgeleri oluşturulmuş, bu bölgelere giriş yapacak olan gemiler düşük sülfürlü yakıt kullanmak mecburiyetinde olacaklardır. NOX emisyonları için, sözleşmeye uygun emisyon oranlarına uygun makinelerin üretilmesi ve gemilerde kullanılması zorunlu koşulmuştur. CO2 emisyonları için 1 Ocak 2013'te yürürlüğe giren EEDI ile emisyonlar gemi henüz yapım aşamasında iken kontrol altına alınmaya başlanmış, SEEMP ile gemi operasyonları denetlenerek emisyonların azaltılması sağlanmıştır.
IMO'nun belirlediği SOX, NOX ve CO2 emisyon limitlerine, gemi emisyonlarının indirgenebilmesi için çeşitli sistemler ve yöntemler geliştirilmiş ve uygulanmaya başlanmıştır. Bu sistemler, Egzoz Gazı Resirkülasyonu, Seçici Katalitik Azaltma, SOX Filtreleme Sistemi, silindir içine su püskürtme yöntemi, atık ısı kazanımı, skavenç havası nemlendirme, Miller çevrimi ve LNG çift yakıt sistemidir. Uygulanan bu sistemlerin, SOX, NOX ve CO2 gazlarına çeşitli etkileri olsa da, hem bütün emisyonlara etkisi olmayıp, hem de makineye yük yükleyerek, yakıt tüketimini arttırmaktadırlar. Ayrıca bu sistemlerin maliyetlerinin yüksek olması ve boyutları ve sistem ekipman fazlalıkları nedeni ile her gemiye uygun olmayışı da dezavantajlarıdır. Bütün emisyonları azaltabilecek ve yakıt tüketimini arttırmayarak tam tersine azaltacak ekipmanın olmayışı, tez çalışmasında yenilenebilir bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen üzerine çalışmamı ve kara tesislerinde ve araçlarında uygulamaları olan hidrojen gazını üretecek alkalin elektroliz sisteminin bir gemi üzerinde uygulanmasının, geminin yakıt tüketimine ve emisyon oranlarına etkilerinin araştırılması ve maliyet analizi yapılarak toplam maliyetlerin belirlenmesi üzerine yoğunlaştırmıştır. 
Bu çalışmada, öncelik ile hidrojen elde etme yöntemleri incelenmiş, gemi üzerinde uygulanabilmesi mümkün olan yöntem olarak alkalin elektrolizi metodu belirlenmiştir. Ayrıca hidrojeni depolama yöntemleri de incelenerek, gemi üzerinde hidrojen depolamanın zorlukları ve ek kural gereklilikleri oluşacağı belirlenerek, gemi üzerinde alkalin elektroliz metodunun uygulanması ile hidrojen depolama sıkıntısının oluşmayacağı incelenmiştir. Alkalin elektroliz sisteminin uygulanabilme şartlarını ve sistem esaslarını incelemek üzere M/V Petra F isimli, 2.130 dwt'lik, günlük MDO yakıt tüketimi 2,5 mt olan 908/268 devirde 595 kw güç üreten Wartsila Vasa Diesel 6R22MD ana makineye sahip gemi seçilmiştir. MDO yakıtı kullanan bir geminin seçilme nedeni, günümüze kadar yapılan çalışmaların dizel yakıt ile çalışan motorlar üzerinde yapılmış olması, denizcilik sektörü ile ilgili bir çalışma olmadığından, HFO yakıtı kullanan motorlar üzerinde çalışma yapılmamış olmasıdır. Seçilen gemiye uygun alkalin elektroliz sistemi kapasitesi, ana makine toplam silindir hacmine göre belirlenmiş ve piyasada bulunan sistemlerden 2 adet 6 lt/dk H2 gazı üreten sistemin uygun olacağı belirlenmiştir. Sistemin, makine dairesindeki yerleşimi planlanmış, sistem şeması çizilmiş ve ana makineye bağlantısı belirlenmiştir. Sistem ana makineye, türbin emme tarafından nozul ile bağlanacak ve H2 gazı buradan emme manifolduna geçtikten sonra ana makinenin silindirlerine verilecektir. Verilen H2 gazının enerji eşleniği kadar dizel yakıt, governör vasıtası ile azaltılacak ve tüketilen dizel yakıtta azalma olacaktır. Buna bağlı olarak hem eklenen H2 gazının daha iyi ve homojen yanma özelliklerinden dolayı hem de azalan dizel yakıttan dolayı emisyon oranlarında azalma meydana gelecektir. Yakıt tüketiminde oluşabilecek azalma aralığını belirlemek için literatür taramasında daha önceki çalışmalar incelenmiş ve dört adet çalışma seçilmiş, ayrıca 2012 model Nissan Qashqai 1.5 dizel motora sahip araç üzerinde yapılan çalışma da dahil edilerek yakıt tasarruf değerleri tablosu oluşturulmuştur. Seçilen geminin ana makinesinde uygulanacak sistemin uygulanışı ile aynı olan önceki çalışmalardan,   %6,73 ve %14 yakıt tasarrufunun elde edildiği çalışmalar seçilmiştir. Yapılan çalışma sonucu elde ettiğim %12,53 yakıt tasarruf oranı da eklenmiştir. Bu değerler hesaplamalarda kullanılmak üzere en az, orta ve en fazla olarak isimlendirilmiştir. Seçilen geminin Ocak 2012'den Ocak 2013'e kadarki uğrak limanları çıkarılmış ve seyir günü sayısı hesaplanmıştır. Hesaplanan gün sayısına göre önce sistem kullanılmadan sadece MDO ile gemi seyir yaptığında ne kadar yakıt harcamı yaptığı belirlenmiş, aynı şekilde en az, orta ve en fazla olarak isimlendirilmiş oranlar için de hesaplamalar yapılmıştır. Buna bağlı NOX, SO2, CO2, CO ve PM emisyon değerleri hesaplamalar ile bulunmuştur. Sistemin harcadığı elektrik, saf su tüketimi, kimyasal kullanımı değerleri de bulunarak maliyet analizi yapılıp sonuçlar ile ilgili yorumlamalar yapılmıştır.

Abstract:
In todays' conditions, countries' main problem are energy need and environmental pollution. Countries prefer fossil fuels which are cheaper and easy to apply to the systems, to renewable energies. This choice causes environmental pollution and expedites global warming. The main cause of expedition of global warming and related to global warming, climate changes, is air pollution occurs from green house gases. Air pollution threatens humans life, decreases human health quality, on the other hand also threatens plants and animals life.
Countries beginned to their first step and signed The Kyoto Protocol to take under control the poor conduct, and decrease emission ratios which were released to the atmosphere. Kyoto Protocol was entered into force at 2005 with the joining of Russia after 8 years from the first talks. Kyoto Protocol aims to decrease CO2, NOX, CH4, O3 CFCs and water vapor emissions which are the cause of green house effect. International Maritime Organisation which works under United Nations, has worked related to air pollution in the frame of The International Convention for The Prevention of Pollution from Ships and released rules and determined limits about SOX, NOX and CO2 gases to decrease emissions from ships. On 19 May 2005, Annex VI, Prevention of Air Pollution from Ships was entered into force. Annex VI includes such as regulations, applications, emission limits, survey and inspection procedures for the ships from building of the ship to the operation of the ship. Annex VI, regulation 13 is about nitrogen oxides. NOX limits are tier I, tier II and tier III. Tier I was entered into force at 2000. It is 17,0 g/kwh for n < 130, 45.n-0,2 g/kwh for 130 ≤ n ≤ 2000 and 9,8 g/kwh for n ≥ 2000. Tier II was entered into force at 2011. It is 14,4 g/kwh for n < 130, 44.n-0,23 g/kwh for 130 ≤ n ≤ 2000, and 7,7 g/kwh for n ≥ 2000. Tier III will be entered into force at 2016. It will 3,4 g/kwh for n < 130, 9.n-0,2 g/kwh for 130 ≤ n ≤ 2000, and 1,96 g/kwh for n ≥ 2000. Regulation 14 is about sulphur oxides. Sulphur limit at fuels had been % 4,5 until 1 January 2012. After that date, it has been % 3,5. It will be % 0,5 after 1 January 2020. At Emission Control Areas, sulphur content at fuels were % 1,5 until 1 January 2010. Between 1 January 2010 to 1 January 2015, it is % 1, and after 1 January 2015 it will be % 0,1. Recent study about CO2 emissions is Energy Efficiency for Ships which was entered into force on 1 January 2013. With this regulation, Energy Efficiency Design Index, and Ship Energy Efficiency Management Plan terms were produces. It is mandatory to conform EEDI of new building ship to the required EEDI value. Also all existing ships have to have SEEMP onboard to control ship board operations. 
Varied systems and methods have been improved and started to apply to decrease ship emissions to designated SOX, NOX and CO2 limits by IMO. These systems are Exhaust Gas Recirculation, Selective Catalytic Reduction, SOX Scrubber, spraying water in to the cylinder, waste heat recovery, scavenge air humidification, Miller cycle and LNG dual fuel. In the study, mentioned systems and methods were compared, and effects on emissions and fuel consumption were noted. Applied these systems have variable effects on SOX, NOX and CO2 gases, but they do not have effects on all the emissions, in addition to this, these systems add additional loads to the main engine and increases fuel consumption. Also these systems have disadvantages of high costs, large dimensions and needs additional equipments that can not be suitable for all the vessels. There are not any equipment that can decrease all the dirty emissions and can not increase the fuel consumption, contrary decreases it. For that reason it is prefered to focus on renewable energy carrier, hydrogen, and production method of hydrogen, alkaline electrolysis system which has applications at land based facilities and vehicles, but has not have at maritime sector at my thesis. Affects of alkaline electrolysis system at ships, to the fuel consumption and emission ratios will be investigated and cost analysis will be done.
Alkaline electrolysis system produces hydrogen gas from distilled water with catalyst. Mostly potassium hydroxide is used as catalyst at alkaline electrolysis. Alkaline electrolysis' product, hydrogen, is renewable fuel, and does not have carbon and hydrocarbon products like fossil fuels. With the burning of hydrogen, main burning product is water, due to lack of carbon element, CO2, CO, HC, SOX and organic asids are not formed, exclude NOX. Hydrogen has high ignition ratio, high flame velocity, minimum burning energy, high difusability, and lack of carbon element in its' structure. These specifications of hydrogen are able to increase combustion efficiency of fossil fuel when hydrogen is added as an additional fuel, and also with the addition of hydrogen, main engine governor will decrease fossil fuel amount which will delivered to the cylinders. It is resulted with lower emission levels.
To prove hydrogen's effect on fuel consumption, experiment was done on 2012 Nissan Qashqai 1.5 diesel SUV. An alkaline electrolysis system was mounted on to the engine. Working procedure and parts of the system was explained. Driving tests were done when the system was working and also system was not working. Fuel consumption values were compared, and it was proved that hydrogen has positive impact on fuel consumption.
At this study, firstly, hydrogen production methods were reviewed. Alkaline electrolysis method was determined to be suitable for onboard use at vessels. In addition to this, hydrogen storage methods were reviewed, and it seemed to be hard to store hydrogen onboard and also there will be additional regulations to be applied. With alkaline eletrolysis method, there are not any storage difficulty, because hydrogen is delivered directly to the engine. To investigate applicability terms and system essentials of alkaline electrolysis method on the vessel, M/V Petra F with 2.130 dwt is choisen, which has Wartsila Vasa Diesel 6R22MD main engine with 2,5 mt MDO consumption, 908/268 rpm and 595 kw power. The purpose to choice vessel working with MDO is studies until today have been done with engines work with diesel. 
There are not any study have been done with engines work with HFO, because there have not any study at maritime sector. Alkaline electrolysis system capacity which is suitable to the choisen vessel, was determined according to main engine total cylinder displacement. Two pieces of alkaline electrolysis system with capacity of 6 lt/min H2 gas production is determined to be suitable for the vessel's main engine. 
System's placement at engine room plan, system scheme and system connection to the main engine was shown. Alkaline electrolysis cells were placed close to the main engine with electronic control unit which controls hydrogen amount which is delivered to the cylinders. Distilled water tank with 1 m3 capacity was placed suitable free area at the engine room, and connection lines were shown on the engine room plan. System applied to the main engine from suction side of the turbocharger with nozzle attachments, and H2 gas passes to the scavenge air receiver and then to the cylinders. 
Diesel fuel amount equals to H2 gas energy is decreased by main engine governor and with that there is reduction at fuel oil consumption. Depends on that, because of better burning characteristics of hydrogen and reduction of fossil fuel consumption, there is emission reduction as a result. To determine the fuel saving limits, previous studies were checked and four studies were selected. Also my study was added, and a table was formed with four previous studies. Value of 2,79 % was not selected, because it is way below from other values, and if it was selected, this study would not be meaningful. Value of 11,03 % was not selected, because this value was not found by alkaline electrolysis, but was found by supplying hydrogen from hydrogen cylinder. Values of 6,73 % and 14 % were selected from previous studies, and my study with 12,53 % fuel saving value was added. These values were named as the least, middle and the most for to use at calculations, because these three studies are nearly same application with the application to be applied to the vessel. In addition these studies were done at laboratuary conditions. Vessel's voyages between January 2012 to January 2013 were noted, and voyage days were calculated with Netpas Distance 3.2 voyage calculation program. According to calculated voyage days, vessel's fuel consumption was calculated for only MDO fuel, and with hydrogen addition with a result of fuel saving levels, at least, middle and the most. NOX, SO2, CO2, CO and PM emission rates were calculated, depend on fuel consumption of the vessel at normal condition with only MDO, the least, middle and the most conditions. Additionally, system's electric, distilled water and chemical consumption were calculated and cost analysis was done with final comments.