Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Anabilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı

Comparison of the carbon capture systems for onboard application and voyage performance investigation by a case study

Gemiler için karbon yakalama sistemlerinin karşılaştırılması ve sefer performansının örnek bir uygulamayla incelenmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 633396 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Recently, energy demand and air pollution are one of the major concerns of humanity. With the increase of industrialization, the use of fossil fuels also increases. However, it is expected that in future fossil fuels will not be enough to supply all the energy demand by itself. Thus, the use of renewable energy is a trending topic. Renewable energies not only supply the energy demand but also they are emission-free sources. Nowadays, it is possible to see renewable energy applications on land. However, they consume too much space yet, renewable energy systems cannot be used as a primary fuel source on maritime transportation. Which means fossil fuels will be used in maritime transportation. A big part of the world trade is done by shipping and to supply the energy demand of the ship, fossil fuels are consumed which generates greenhouse gas emissions. Greenhouse gas emissions cause air pollution and global warming. After the Kyoto Protocol greenhouse gas reduction is aimed. However, maritime transportation is excluded. To fill this gap International Maritime Organization announced a set of rules and regulations and also announced its greenhouse gas strategy. According to the International Maritime Organization's strategy 50% of greenhouse gas reduction in 2050, 40% CO2 reduction in 2030, and 70% CO2 reduction in 2050 is aimed compared to 2008 levels. Moreover, to regulate CO2 emission by new ships Energy Efficiency Design Index and for existing ships Ship Energy Efficiency Management Plan, International Maritime Organization Data Collection System were entered into force. Also for ships that are working in Europe Monitoring, Reporting and Verification rule is announced. In addition to CO2 rules, under the MARPOL Annex VI, NOX Technical Code is announced to regulate NOX emission. Also, the rule for SOX and PM emissions is announced in 2005 under MARPOL Annex VI Regulation 14. In order to meet the rules and regulations new technologies and alternative systems are started to be used. To reduce SOX emission, SOX scrubber and low sulphur fuels are used. To reduce NOX emission, selective catalytic reactor, exhaust gas recirculation, alternative fuels, water injection system, and some engine modifications are used. To reduce CO2 emission, waste heat recovery system, alternative fuels, renewable energy, engine and ship modifications are used. In this thesis study, a carbon capture system is proposed to reduce CO2 emission caused by the ship. By carbon capture technology CO2 reduction up to 99% is possible. To capture CO2 there are three methods which are oxy-fuel combustion capture, pre-combustion capture, and post-combustion capture. Oxy-fuel combustion capture method, capture oxygen and send it to the combustion chamber, by doing this contact between the air and fuel is prevented thus, only CO2 and water is produced. Later the CO2 and water can be separated easily. Pre-combustion capture method, convert fossil fuel into hydrogen in three steps, and combust it in the combustion chamber. By-products of the combustion are nitrogen and water. Post-combustion capture method, capture CO2 after the combustion of fossil fuel. There are also carbon capture technologies such as solvent-based carbon capture, sorbent based carbon capture, membrane separation, cryogenic carbon capture, chemical looping combustion, and biological carbon capture. Solvent-based carbon capture absorb CO2 in to a solvent. Solvent-based carbon capture can be achieved by either a chemical reaction or physical force. Sorbent based carbon capture, adsorb the CO2 on to sorbent's surface, this can also be achieved by chemical and physical ways. Membrane separation technology acts as a filter, permeable gases pass through the membranes while other gases are retained. Cryogenic carbon capture technology, capture CO2 according to the sublimation temperature of gases. Chemical looping combustion, oxidize metal in air reactor, and in fuel reactor oxygen is separated and send it to the combustion chamber. Biological carbon capture technology consists of living organisms. Living organism capture CO2 and absorb it into a solvent. After the explanation of carbon capture methods and carbon capture technologies, a comparison of these methods and technologies are made. For ships, the best carbon capture method is post-combustion capture since its applicability is an easier, less expensive option and more mature technology. The best option for carbon technology is chemical absorption because, it is a less energy-intensive, less expensive option and not a complicated system. Also by using the same solvent both CO2 and NOX emissions are reduced. In order to reduce NOX emission, a selective catalytic reactor is implemented. A voyage base case study is carried out. A reference 48,600 kW ship sailed from Rotterdam to New York. The voyage took 5 days 12 hours. Produced CO2 during the voyage was 3606.04 ton and 3245.43 ton of it is captured. Produced NOX was 45.19 ton and only 4.52 ton of it was released to the air. Consumed aqueous ammonia to capture both CO2 and NOX was 60.52 ton. After the CO2 and NOX calculations, Energy Efficiency Design Index and NOX Code calculations are made to see if the ship complies with the International Maritime Organization rules and regulations. Required Energy Efficiency Design Index phase two value for the reference ship is 15.54 while the attained value is 2.90 which means it complies with the Energy Efficiency Design Index regulation. According to NOX Code Tier III, NOX production should not exceed 3.4 g/kWh. After the implementation of a selective catalytic reactor, the NOX production is 1.44 g/kWh. In the final part of the study economic analysis is made. Both capital cost and operational cost are studied. The capital cost of the proposed carbon capture system for the reference ship is $32.07 million and for selective catalytic reactor $1.31 million. The total capital cost is $33.38 million. The operational cost for the carbon capture system during the voyage is $113,590 and for selective catalytic reactor $29,418. In operational cost calculation an assumption was made about CO2 taxation. It is expected that in near future CO2 taxation in maritime transportation will be carried out. Because of that calculations were made according to CO2 taxation. Also by the sale of CO2 profit is made, if the captured CO2 can be sold $486,814 can be earned after the voyage. Another assumption was made, if the ship works 330 days in a year in the same route, 33 years will be made in a year. Which means a total of $11.02 million can be earned. It can be seen that by using a carbon capture system and selective catalytic reactor both CO2 and NOX emissions are reduced and in slightly more than three years capital cost of both systems can be amortized.

Summary:

Günümüzde hava kirliliği ve enerji ihtiyacı insanlar için büyük sorunlardan bir kaçı. Endüstriyelleşmenin artmasıyla birlikte, fosil yakıt kullanımında da artış oldu. Fakat bu tüketimin artmasından dolayı gelecekte fosil yakıtların azalacağı gözlemleniyor ve fosil yakıtların tek başına enerji ihtiyacını karşılayamacağından dolayı insanlar alternatif arayışlar içerisinde. Bundan dolayı yenilenebilir enerjiler üzerine çok fazla çalışma yapılmaya başlandı. Yenilenebilri enerjiler, ihtiyacımız olan enerjiyi karşılayıp aynı zamanda çevreye de zarar vermemektedirler. Günümüzde bir çok kara tesisinde yenilenebilir enerji sistemlerinin kullanıldığını görmek mümkün, ancak bu sistemler çok fazla yer kapladığından dolayı yük gemilerinde yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu da bir süre daha deniz ticaretinde fosil yakıtların kullanılacağını işaret etmektedir. Dünya ticaretinin büyük kısmı deniz yoluyla yapılmaktadır. Bu enerji ihtiyacını karşılamak için ise fosil yakıtlar kullanılmaktadır ve bu fosil yakıtlar sera gazının artmasına sebep olmaktadır. Sera gazları, küresel ısınmaya ve hava kirliliğine neden olmaktadır. Aynı zamanda yaşayan canlıları tehdit etmekte, solunum yolu hastalıklarına ve kansere neden olmaktadır. CO2, NOX, SOX ve PM en çok bilinen sera gazlarındandır. Kyoto Protokolün'den sonra sera gazlarını azaltma hedeflendi, fakat bu antlaşmada denizcilik sektörü dışarıda bırakıldı. Hava kirliliğini azaltmaya yönelik zorunlu bir çalışma olmamasından dolayı, Uluslarası Denizcilik Örgütü sera gazı emisyonlarını azaltmaya yönelik yeni kurallar duyurdu ve bu emisyonları azaltmaya yönelik stratejisini açıkladı. Uluslararası Denizcilik Örgütünün açıkladığı stratejisine göre 2050 yılında sera gazlarında %50 azaltma, 2030 yılında CO2 emisyonunda %40 azaltma ve 2050 yılında %70 azaltma hedeflenmektedir. Tüm bu hedefler 2008 seviyelerine kıyasla olacaktır. Ayrıca, yeni üretilen gemilerden kaynaklı CO2 emisyonlarını azaltmaya yönelik Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi kuralını duyurdu. Aktif olarak çalışan gemiler için ise Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı ve Uluslararası Denizcilik Örgütü Veri Toplama Sistemi'ni duyurdu. Ayrıca Avrupa limanlarında çalışan gemiler için ise İzleme, Raporlama ve Doğrulama kuralı yürürlüğe girdi. Karbondioksiti azaltmak için çıkarılan kurallara ek olarak gemilerden kaynaklı NOX emisyonlarını azaltmak için MARPOL Ek VI altında, NOX Teknik Kod'u açıklandı. Ayrıca SOX ve PM emisyonları için 2005 yılında MARPOL Ek VI kuralı altında Regülasyon 14 yürülüğe girdi. Bu kurallardaki emisyon azaltma hedeflerine ulaşmak için yeni teknolojiler ve sistemler kullanılmaya başlandı. SOX emisyonları azaltmak için SOX yıkama ünitesi ve düşük sülfürlü yakıt kullanılmaya başlandı. NOX emisyonunu azaltmak için seçici katalitik reaktör, egzoz gazı sirkülasyon sistemi, alternatif yakıtlar, su enjeksiyon sistemi ve makine modifikasyonları kullanılmaya başlandı. Karbondioksit emisyonlarını azaltmak için ise atık ısı geri kazanım sistemi, alternatif yakıtlar, yenilenebilir enerjiler, makine ve gemi modifikasyonları kullanılmaya başlandı. Bu tez çalışmasında, gemilerden kaynaklı karbondioksit emisyonlarını azaltmak için karbon yakalama sistemi önerilmiştir. Bu sistemi kullanarak %99'a varan karbondioksit azaltımı mümkün olmaktadır. Üretilen karbondioksiti yakalamak için üç ana metod vardır bunlar; oxy-yakıt yakımı karbondioksit tutma, yanma öncesi karbondioksit tutma ve yanmadan sonra karbondioksit tutma. Oxy-yakıt yakımı karbondioksit tutma metodu, havadaki oksijeni yakalayarak yanma odasına gönderir. Bu sayede hava ve yakıtın karışımı engellenir ve yakıtın saf oksijenle yanması sağlanmış olur. Bu yanma sonucunda oluşanlar karbondioksit ve sudur. Sonrasında bu iki karışım kolayca ayrıştırılır ve karbondioksit depolanır. Yanma öncesi karbondioksit tutma metodu, fosil yakıtı hidrojene çevirir bu sayede fosil yakıtın içerisinde ki karbon yanmadan yakalanmış olur. Bu çevrim üç aşamada gerçekleşir ve üretilmiş olan hidrojen yanma odasına gönderilir. Bu yanma sonucunda azot ve su üretilir. Yanmadan sonra karbondioksit tutma metodunda, yakıt hava ile birlikte yakılır ve çıkan egzoz gazının içindeki karbondioksit yakalanır ve depolanır. Karbon yakalama metodlarının yanı sıra karbon yakalama teknolojileri de vardır bunlar; solventle yakalama, sorbentle yakalama, membranla ayırma, soğutarak yakalama, kimyasal çevrimle yakalama ve biyolojik canlılarla yakalama. Solventle yakalama sistemi, karbondioksiti solventin içine hapseder ve sonrasında solvent ve karbondioksit ayrıştırılır. Bu yakalama hem kimyasal reaksiyonla hem de fiziksel yollarla yapılabilir. Sorbentle yakalama sisteminde, karbondioksit sorbentin yüzeyine kimyasal yollarla veya fiziksel bağlarla yapışır ve sonrasında bu bağlar koparılarak karbondioksit yakalanır. Membranla ayırma filtre gibi çalışmaktadır. Yakalanılması istenen gazlar filtreye takılır, geçişi istenen gazlar ise havaya salınır. Soğutarak yakalama, gazların süblimleşme sıcaklık farkından yararlanarak ayrıştırır. Kimyasal çevrimle yakalama, hava reaktöründe metali oksitlendirir ve yakıt reaktöründe bu oksijen metalden ayrıştırılıp yanma odasına yollanır bu sayede yakıtın havayla teması engellenir. Biyolojik canlılarla yakalama sistemi solventle yakalama sistemine benzemektedir. Tek fark burada canlı organizmalar karbondioksiti yakalar ve bir çözeltinin içine hapseder. Karbon yakalama metodları ve teknolojilerini anlattıktan sonra, bu metod ve teknolojilerin karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda gemiler için en iyi karbon yakalama metodu, yanmadan sonra karbondioksit tutmadır. Nedeni ise gemilerde uygulanabilme olanağı, daha ucuz opsiyon olması ve diğer metodlara göre olgun bir sistem olmasıdır. Gemiler için en uygun karbon yakalama teknolojisi solvent yakalamanın kimyasal yöntemiyle yapılanıdır çünkü diğer teknolojilere göre daha az enerji gereksinimi, daha uygun fiyatlı olması ve sistemin karmaşık olmamasındandır. Ayrıca bir çeşit solvent kullanarak hem karbondioksit hem de NOX emisyonları azaltılabilmektedir. Bu tez çalışmasında NOX emisyonunu yakalamak için seçici katalitik reaktör kullanılmıştır. Gemiler için en iyi karbon yakalama teknolojisi ve metodunu bulduktan sonra bir uygulama çalışması yapılmıştır. 48.600 kW ana makine gücüne sahip olan bir gemi Rotterdam'dan New York'a sefer yapmıştır. Bu sefer 25 knotla 5 gün 12 saat sürmüştür. Bu sefer sırasında üretilen karbondioksit miktarı 3606,04 tondur ve bunun 3245,43 tonu yakalanmıştır. Sefer sırasında üretilen NOX miktarı 45,19 ton olup yalnızca 4,52 tonu havaya salınmıştır. Hem NOX'i hem de karbondioksiti yakalamak için gereken sulandırılmış amonyak çözeltisi 60,52 tondur. Karbondioksit ve NOX hesaplamalarından sonra geminin Uluslarası Denizcilik Örgütünün çıkarmış olduğu kurallara uyumluluğunu görmek için Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi ve NOX Teknik Kod hesaplamaları yapılmıştır. Tezde kullanılmış olan gemi için Gerekli Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi faz iki sonucu 15,54 dür. Erişilmiş Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi ise 2,90 dır. Bu demek oluyor ki kullanılan karbon yakalama teknolojisi sayesinde Enerji Verimliliği Dizyan İndeksi kriterlerine uyumluluğu rahat bir şekilde sağlanmıştır. Bu hesaplamadan sonra NOX Kod Tier III uyumluluğu hesaplaması yapılmıştır. Tier III limiti 3,4 g/kWh olarak belirlenmiştir. Seçici katalitik reaktör kullanılarak geminin saatte kilowat başına ürettiği NOX miktarı 1,44 g/kWh olmuştur. Bu iki hesaplamanın ardından geminin Uluslararası Denizcilik Örgütünün çıkarmış olduğu kurallara uyumluluğu anlaşılmaktadır. Tezin son bölümünde ekonomik analiz yapılmıştır. Ekonomik analizi hem sermaye maliyeti hem de operasyonel maliyetler hesaplanmıştır. Bu tez çalışmasında kullanılan gemi için karbon yakalama sistemi için sermaye maliyeti 32,07 milyon dolardır. Seçici katalitik reaktörün sermaye maliyeti ise 1,31 milyon dolar olarak hesaplanmıştır. İki sistemin toplam maliyeti 33,38 milyon dolardır. Sermaye maliyetleri hesaplandıktan sonra operasyonel maliyetler hesaplanmıştır. 5 gün 12 saatlik sefer sonucunda oluşan karbon yakalama sisteminin operasyonel maliyeti 113.590 dolardır. Seçici katalitik reaktörün maliyeti ise 29.418 dolardır. Operasyonel maliyet hesaplamalarında ayrıca karbondioksit vergilendirme hesaplaması da yapılmıştır. Şuan denizcilik sektöründe karbondioksit vergilendirmesi uygulanmamaktadır, fakat Uluslarası Denizcilik Örgütünün çıkarmış olduğu kurallar doğrultusunda denizcilik sektöründe de bu vergilendirmenin gelmesi beklenmektedir. Karbon yakalama sistemi kullanılarak oluşan karbondioksit emisyonu üzerinden yapılan vergi maliyeti 9.862 dolar olarak hesaplanmıştır. 5 gün 12 saatlik seferin ardından yakalanan karbondioksit satıldığında 486.814 dolarlık bir kazanç sağlanabilmektedir. Seferlik hesaplamanın ardından bir başka varsayım daha yapılmıştır. Hesaplamalarda kullanılan gemi bir sene boyunca aynı rotada çalışırsa ne kadar kazanç sağlanacağı hesaplanmıştır. Geminin bakımı veya diğer olağanüstü durumlardan dolayı çalışamaması hesaba katıldığında bir senede 330 gün boyunca çalıştığı varsayılmıştır. Bir seferin yükleme ve tahliyesiyle birlikte 10 gün geçtiği düşünülmüştür. Bu varsayımlar sonucunda senede 33 sefer yapıldığı hesaplanmıştır. Bu da demek oluyor ki senede 11,02 milyon dolarlık kazanç sağlaması mümkündür. Karbon yakalama sistemi ve seçici katalitik reaktör sistemlerinin sermaye maliyetlerini üç seneden biraz daha fazla sürede karşıladığı görülmektedir.