Exergo-economic and environmental optimization of organic Rankine cycle on ships
Gemilerde organik Rankin çevriminin eksergoekonomik ve çevresel optimizasyonu
- Tez No: 1019517
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Denizcilik, Gemi Mühendisliği, Energy, Marine, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Dizel yakıtlar, Diesel fuels
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Deniz taşımacılığı, küresel ticaretin yaklaşık %90'ını gerçekleştiren ve dünya ekonomisinin temel taşıyıcı omurgasını oluşturan stratejik bir sektördür. Ancak bu büyük hacimli taşımacılık faaliyeti, fosil yakıtlara neredeyse tamamen bağımlı bir enerji yapısı üzerinde yürütülmekte ve küresel sera gazı (GHG) emisyonlarının yaklaşık %3'üne doğrudan katkı sağlamaktadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün (IMO) 2050 Net Sıfır stratejisi, Avrupa Birliği'nin FuelEU Denizcilik düzenlemesi ve AB Emisyon Ticaret Sistemi (EU ETS), denizcilik sektörü için giderek sıkılaşan bir düzenleyici çerçeve oluşturmaktadır. Bu çerçeve, enerji verimliliği iyileştirmelerini artık yalnızca operasyonel bir tercih değil, yasal bir uyumluluk zorunluluğu hâline getirmiştir. Deniz dizel motorlarının yaklaşık %50 seviyesindeki termal verimliliği, yakıt enerjisinin neredeyse yarısının egzoz gazı, skavenç havası ve ceket soğutma suyu gibi akışlar aracılığıyla çevreye atıldığı anlamına gelmektedir. Bu atık ısı akışları, hem termodinamik potansiyel hem de ekonomik değer açısından, günümüzde denizcilik sektörünün karbonsuzlaştırılması yolunda değerlendirilmesi gereken en önemli kaynaklar arasında yer almaktadır. Organik Rankine Çevrimi (ORC) teknolojisi, özellikle düşük ve orta sıcaklık seviyelerindeki atık ısı akışlarından elektrik üretimi sağlayabilmesi nedeniyle, gemi uygulamaları için öne çıkan bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Bu doktora tezi, 4.200 TEU kapasiteli bir konteyner gemisinin ana tahrik motoru olan SULZER 12RTA84C (48,6 MW) üzerinde yürütülen kapsamlı bir eksergo-ekonomik ve çevresel analiz çalışmasını sunmaktadır. Çalışmada üç farklı atık ısı kaynağı bağımsız ORC çevrimleri ile değerlendirilmiştir: yüksek sıcaklıklı egzoz gazı (EG), orta sıcaklıklı skavenç havası (SAC) ve düşük sıcaklıklı ceket soğutma suyu (JCW). Her üç sistem, kendi ısı kaynağının termodinamik özelliklerine uygun olarak ayrı ayrı modellenmiş; ardından entegre bir bütün olarak geminin enerji sistemine katkısı değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın temel özgün katkısı, literatürde genellikle birbirinden ayrı ele alınan üç bileşenin—çalışma akışkanı taraması, çok amaçlı termoekonomik optimizasyon ve düzenleyici uyumluluk değerlendirmesi—tek bir birleşik metodolojik çerçeve içinde entegre edilmesidir. Bu bütünleşik yaklaşım, yalnızca termodinamik performans göstergeleri üzerinden değil, aynı zamanda güncel ve öngörülen karbon politikalarının ekonomik yansımaları üzerinden de ORC yatırımının fizibilitesini değerlendirmeye olanak tanımaktadır. Böylece çalışma, hem akademik literatüre hem de gemi sahipleri, tasarımcılar ve politika yapıcılar gibi sektör paydaşlarına yönelik karar destek niteliğinde bir çıktı üretmektedir. xxiv Çalışma kapsamında, REFPROP NIST veritabanından elde edilen 168 saf ve önceden tanımlanmış karışım akışkanı kapsamlı bir çevresel ve termodinamik tarama sürecine tabi tutulmuştur. Tarama kriterleri arasında ozon tabakası inceltme potansiyeli (ODP = 0), küresel ısınma potansiyeli (GWP < 250), malzeme uyumluluğu açısından aşındırıcılık ve kimyasal reaktivite gibi parametreler yer almıştır. Literatürde yaygın olarak benimsenen güvenlik odaklı ve dolayısıyla kısıtlayıcı filtreleme yaklaşımının aksine, bu çalışmada çalışma akışkanı değerlendirmesinde birincil hedef maksimum net güç üretimi olarak belirlenmiş; yanıcılık gibi güvenlik kriterleri ise akışkan eleme aşamasında değil, seçilen akışkanın operasyonel entegrasyonu aşamasında ele alınması gereken mühendislik gereksinimleri olarak konumlandırılmıştır. Bu yaklaşım, geleneksel filtrelerin dışladığı ancak yüksek performans potansiyeli taşıyan akışkanların da değerlendirmeye alınmasına olanak sağlamıştır. Isı kaynaklarına özgü sıcaklık aralığı ve termal uyum filtrelerinin uygulanmasının ardından, egzoz gazı için 26, skavenç havası için 18 ve ceket soğutma suyu için 8 aday akışkan son eleme listesinde yer almıştır. Tüm aday akışkanlar için enerji, ekserji ve eksergoekonomik analizler MATLAB R2022b ortamında geliştirilen modüler bir kod yapısı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termofiziksel özellik hesaplamaları REFPROP üzerinden dinamik olarak çağrılıp her bir akışkanın durumunun yüksek doğrulukla temsil edilmesi sağlanmıştır. Birinci yasa analizi, çevrim bileşenleri için kütle ve enerji korunumu denklemlerine; ikinci yasa analizi ise ekserji dengesi ve bileşen bazlı ekserji yıkım hesaplarına dayanmıştır. Eksergoekonomik analizde, SPECO (Özgül Ekserji Maliyetlendirme) yöntemi benimsenmiştir. SPECO yöntemi, sermaye yatırım maliyeti, işletme ve bakım maliyeti ile ekserji yıkımı kaynaklı maliyeti her bir bileşen düzeyinde ayrı ayrı hesaplayarak sistemdeki maliyet akışlarının nereden kaynaklandığını şeffaf bir şekilde ortaya koymaktadır. Bu yöntem sayesinde yalnızca toplam sistem maliyeti değil, aynı zamanda her bileşenin—evaporatör, türbin, yoğuşturucu ve pompa—maliyet yapısına katkısı ayrı ayrı analiz edilmiştir. Sistem tasarımının optimizasyonu için, birbiriyle çelişen iki amaç fonksiyonunu eşzamanlı olarak ele alan Baskın Olmayan Sıralama Genetik Algoritması II (NSGA-II) uygulanmıştır. Geri ödeme süresi, özgül yatırım maliyeti, seviyelendirilmiş enerji maliyeti ve toplam eksergoekonomik maliyeti amaç fonksiyonlarının minimize edilmesi amaçlanırken, net güç çıktısı ve termal verimin maksimize edilmesi amaçlanmıştır. Her bir ısı kaynağı için ayrı ayrı Pareto cepheleri oluşturulmuş; bu cepheler üzerinde ekonomik ve termodinamik açıdan farklı öncelikleri temsil eden çok sayıda optimal nokta belirlenmiştir. Pareto cephesi üzerindeki alternatifler arasından tek bir optimal tasarım noktasının objektif biçimde seçilmesi için Entropi Ağırlık Yöntemi (EWM) tabanlı TOPSIS çok kriterli karar verme tekniği kullanılmıştır. EWM, ağırlıkların öznel yargıdan bağımsız olarak veriden türetilmesini sağlarken, TOPSIS, her alternatifin ideal ve anti-ideal çözüme olan göreli yakınlığını değerlendirerek en dengeli tasarım noktasının seçilmesine olanak tanımıştır. Elde edilen optimal sistem konfigürasyonları, IMO'nun Mevcut Gemi Enerji Verimliliği Endeksi (EEXI) ve Karbon Yoğunluğu Göstergesi (CII) çerçevesinde değerlendirilmiştir. Ek olarak, FuelEU Maritime ve AB ETS uyumluluk yükümlülüklerinin ekonomik etkileri 2025, 2030, 2040 ve 2050 yılları için öngörülen karbon fiyat senaryoları altında analiz edilmiştir. Bu yaklaşım, ORC yatırımının geleneksel yakıt tasarrufu odaklı değerlendirmenin ötesine geçerek, düzenleyici xxv baskının artan finansal yükü altında kazandığı stratejik değeri nicelleştirmeyi mümkün kılmıştır. Bu çalışma kapsamında yürütülen termodinamik ve ekonomik analizler, her bir ısı kaynağı için en yüksek performansı sunan optimum çalışma akışkanlarını ve sistem tasarım parametrelerini açıkça ortaya koymuştur. Optimizasyon öncesi üç sistemin entegrasyonu toplam 3.752,61 kW net güç çıktısı ve %19,48 genel sistem termal verimliliği ile sonuçlanmıştır. Optimizasyon sonrası egzoz gazı geri kazanımı için seçilen siklopentan %19,71 termal verimlilik ve 2.284 kW net güç çıkışı; skavenç havası için kullanılan cis-2-büten %13,19 termal verimlilik ve 1.129 kW net güç çıkışı; düşük sıcaklıklı ceket soğutma suyu geri kazanımı için ise R510A %9,68 termal verimlilik ve 580 kW net güç çıkışı sağlamıştır. Bu akışkanların her biri, ilgili ısı kaynağının sıcaklık profili ve termofiziksel gereksinimlerine en uygun seçenek olarak öne çıkmıştır. Üç ısı kaynağının birlikte geri kazanımıyla elde edilen toplam net güç çıktısı yaklaşık 3999 kW seviyesindedir. TOPSIS-optimal tasarım noktalarında, üç sistem için seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) değerleri sırasıyla EG için 0,031 €/kWh, SAC için 0,054 €/kWh ve JCW için 0,063 €/kWh olarak hesaplanmıştır. Bu değerler denizcilik sektöründeki alternatif yardımcı güç üretim seçenekleriyle karşılaştırıldığında oldukça rekabetçi bir düzeyi temsil etmektedir. Geri ödeme süreleri ise sırasıyla 1,26 yıl (EG), 2,26 yıl (SAC) ve 2,67 yıl (JCW) olarak belirlenmiştir. Egzoz gazı sisteminin, özellikle kısa geri ödeme süresi sayesinde, bu kaynağın hem yüksek sıcaklık hem de yüksek kütlesel debi nedeniyle en yüksek eksergetik potansiyele sahip ısı kaynağı olmasıyla uyumludur. Üç ORC sisteminin toplam net güç çıktısı olan 3.999 kW, geminin yaklaşık 1.484 kW seviyesindeki seyir hâlindeki yardımcı güç yükünü önemli ölçüde aşmaktadır. Bu bulgu, alternatif güç kaynağı entegrasyonu yoluyla seyir döneminde geminin yardımcı enerji ihtiyacının tamamen atık ısıdan elde edilen elektrikle karşılanabileceğini, hatta fazla üretimin ek operasyonel değerlendirmelere konu olabileceğini göstermektedir. Bu durum, ORC entegrasyonunun yalnızca termodinamik açıdan değil, aynı zamanda pratik mühendislik ve operasyonel açıdan da uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Çevresel değerlendirme sonuçlarına göre, birleşik ORC entegrasyonu EEXI değerinde yaklaşık %14, CII değerinde ise yaklaşık %10,5 iyileşme sağlamaktadır. Bu iyileşmeler, geminin mevcut IMO düzenleyici eşiklerine uyumunu güçlendirmekle kalmayıp, önümüzdeki on yılda giderek sıkılaşması beklenen karbon yoğunluk sınırları karşısında operasyonel esneklik kazandırmaktadır. Bu çalışmanın en dikkat çekici bulgusu, ORC yatırımının ekonomik gerekçesinin zamansal olarak nasıl dönüştüğüne ilişkindir. Yalnızca yakıt tasarruflarını esas alan temel geri ödeme süresi 2.62 yıl iken, 2025 yılında FuelEU Maritime ve AB ETS uyumluluk tasarrufları dahil edildiğinde bu süre 1.5 yıla inmekte ve 2050 yılına kadar 0.5 yılın altına düşeceği öngörülmektedir. Aynı zamanda, toplam yıllık finansal faydaların 2050 yılına kadar yaklaşık 17 milyon avro seviyesine ulaşması beklenmektedir. Bu finansal büyümede belirleyici unsur artık yakıt tasarrufu değil, karbon uyumluluk tasarruflarıdır. Başka bir deyişle, ORC teknolojisi zaman içinde bir yakıt verimliliği aracından, düzenleyici maliyetleri hafifleten temel bir uyumluluk aracına dönüşmektedir. Sonuç olarak, bu çalışma, gemi ekonomisinde ORC teknolojisinin rolünün geleneksel bir yakıt tasarrufu teknolojisinden karbon uyumluluğu ve finansal sürdürülebilirlik aracına doğru evrildiğini nicel kanıtlarla ortaya koymaktadır. Çalışma akışkanı taraması, eksergoekonomik optimizasyon ve düzenleyici-ekonomik değerlendirmeyi tek bir metodolojik çerçevede birleştirmesi nedeniyle bu tez, söz konusu geçişi sistematik olarak nicelleştiren ilk kapsamlı çalışmalardan birini temsil etmektedir. Elde edilen bulgular, gemi sahipleri için yatırım kararlarını destekleyen, tasarım mühendisleri için sistem seçim kriterlerini somutlaştıran ve politika yapıcılar için düzenleyici araçların ekonomik etkilerini görünür kılan çok yönlü bir karar destek zemini sunmaktadır. Denizcilik sektörünün karbonsuzlaşma yol haritasında atık ısı geri kazanım teknolojilerinin stratejik konumunun güçlenmesi beklenmekte olup, bu tezde sunulan metodolojik çerçeve, benzer analizlerin farklı gemi tipleri ve motor konfigürasyonları için genişletilmesine uygun, ölçeklenebilir bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Maritime transportation is responsible for approximately 90% of global trade and, due to its almost complete dependence on fossil fuels, contributes approximately 3% of global greenhouse gas (GHG) emissions. The IMO 2050 Net Zero strategy, the FuelEU Maritime regulation, and the EU ETS establish a tightened regulatory framework that makes energy efficiency improvements a compliance obligation rather than an operational option. In this context, the energy efficiency of marine diesel engines, which is approximately 50%, means that a significant amount of recoverable energy is wasted through exhaust gas (EG), scavenge air (SAC), lubrication oil cooling and jacket cooling water (JCW) streams. Recovering this otherwise wasted thermal energy offers one of the leading near-term pathways for reducing both fuel consumption and regulatory carbon liabilities in commercial shipping. This doctoral dissertation presents a comprehensive exergo-economic and environmental analysis of Organic Rankine Cycle (ORC) systems for the independent recovery of waste heat from EG, SAC, and JCW heat sources of the main engine (SULZER 12RTA84C, 48.6 MW) of a 4200 TEU container ship. The fundamental novelty of this study lies in integrating working fluid screening, multi-objective optimization, and regulatory compliance evaluation within a single, unified methodological framework, thereby bridging a gap between purely thermodynamic ORC studies and the emerging regulatory-economic reality of the maritime sector. A total of 168 pure and pre-defined mixed fluids from the REFPROP NIST database were screened against criteria including ozone depletion potential (ODP = 0), global warming potential (GWP < 250), corrosivity, and reactivity. Unlike the safety-based filtering prevalent in the literature, this study adopts maximum net power output as the primary objective of the working fluid evaluation, while reframing safety considerations—particularly NFPA flammability—as operational engineering requirements to be addressed at the system integration stage rather than as exclusion criteria at the screening stage. This approach preserves a broader candidate pool, enabling the inclusion of thermodynamically superior fluids that would otherwise be eliminated by restrictive safety-first filters. After applying thermal compatibility filters specific to each heat source, 26, 18, and 8 candidate fluids were identified for EG, SAC, and JCW recovery, respectively. Energy, exergy, and exergoeconomic analyses for all candidate fluids were performed in MATLAB R2022b using thermophysical properties obtained from REFPROP. The exergoeconomic analysis applies the SPECO (Specific Exergy Costing) method, which evaluates capital investment, operating cost, and exergy destruction cost at the component level. To simultaneously minimize the total exergoeconomic cost ratio, payback period and maximize net power output, a multi-objective optimization using the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) was applied, generating Pareto frontiers for each heat source. The Entropy Weighting Method (EWM) combined with the TOPSIS multi-criteria decision-making technique was then used to objectively select the optimal design point from each Pareto frontier. The thermodynamic and economic analyses revealed the optimal working fluids and system outputs offering the highest performance for each heat source. The integration of the three systems prior to optimization yielded a total net power output of 3752.61 kW and an overall system thermal efficiency of 19.48%. Following optimization, cyclopentane, selected for exhaust gas recovery, achieved a thermal efficiency of 19.71% and a net power output of 2284 kW; cis-2-butene for scavenge air provided a thermal efficiency of 13.19% and a net power output of 1129 kW; and R510A for low-temperature jacket cooling water recovery resulted in a thermal efficiency of 9.68% and a power output of 580 kW. The total power recovered from the three heat sources is therefore approximately 3999 kW. At their TOPSIS-optimal points, the levelized cost of energy (LCOE) values for the EG, SAC, and JCW systems are €0.031, €0.054, and €0.063/kWh, respectively, with corresponding payback periods of 1.26, 2.26, and 2.67 years. The combined net power output of the three ORC systems (approximately 3999 kW) exceeds the ship navigational electrical load of 1484 kW; this means that the ORC system can meet all auxiliary electrical demand from waste heat recovered during the navigation, and allows the excess power to be used as an alternative power source. From an environmental standpoint, the combined ORC integration yields approximately 14% improvement in the Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) and approximately 10.5% improvement in the Carbon Intensity Indicator (CII), directly supporting compliance with IMO regulatory thresholds. The most important finding of this study, however, concerns how the economic justification for the ORC investment evolves over time under current and forthcoming carbon policies. While the baseline payback period, based on fuel savings alone, is 2.62 years, it is reduced to 1.5 years in 2025 when FuelEU Maritime and EU ETS compliance savings are included, and is projected to falling below one year by the early 2030s and below 0.5 years by 2050. Total annual financial benefits are projected to reach approximately €17 million by 2050, with carbon-compliance savings, rather than fuel savings, emerging as the dominant component. In conclusion, this study provides quantitative evidence that the role of ORC technology in ship economics is shifting from a fuel-saving technology to a tool for carbon compliance and financial sustainability. By systematically integrating fluid screening, exergoeconomic optimization, and regulatory-economic assessment within a single framework, this dissertation contributes one of the first comprehensive quantifications of this transition and offers a decision-support methodology for shipowners, designers, and policymakers navigating the decarbonization of maritime transport.
Benzer Tezler
- Development and thermodynamic analyses of integrated renewable energy based fresh water production systems via reverse osmosis desalination
Ters osmoz su arıtma sistemleri ile bütünleşik yenilenebilir kaynaklı tatlı su üretim sistemlerinin geliştirilmesi ve termodinamik analizi
HAMODA A.H. GNAIFAID
Doktora
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN ÖZCAN
- Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu
Advanced thermal analyses and thermo-economic optimization of waste heat recovery systems based on organic rankine cycle onboard ships
MEHMET AKMAN
Doktora
Türkçe
2021
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Yakınsama sıcaklığı ve güç üretim potansiyelinin tespiti için ORÇ tasarımı ve çok amaçlı optimizasyonu
Design and multiobjective optimization of ORC for determination of pinch point temperature and power generation potential
EMRULLAH KOCAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİskenderun Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CUMA KARAKUŞ
- Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria
Özgün güneş kuleli gaz türbini çevrimli çoklu-üretim sistemlerinin yeni performans kriterleri ile enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel tasarımı, performans analizi ve çok amaçlı optimizasyonu
MERT ÇOLAKOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURMAYAZ
- Afyonkarahisar'da bir biyogaz enerji tesisinin termodinamik modellemesi ve termoekonomik optimizasyonu
Thermodynamic modelling and thermoeconomic optimization of a biogas energy plant in Afyonkarahisar
MUHAMMED ARSLAN
Doktora
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriAfyon Kocatepe ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEYHUN YILMAZ
- Atık ısı kaynaklı kademeli ORC güç santrali tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of staged ORC power plant by waste heat
İLYAS CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ ARSLAN