Bir petrol tankeri için organik rankıne çevrimi atık ısı geri kazanım sisteminin termodinamik analizi

Enerji talebinin günden güne arttığı ve mevcut enerji kullanımının çevreye olan olumsuz etkilerinin hissedilir boyutlara ulaştığı günümüz dünyasında, enerji verimliliği, enerji tasarrufu, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji konuları büyük önem taşımaktadır. Dünya ticaretinin %90'ından fazlasının, uluslararası gemi taşımacılığı aracılığıyla yapıldığı düşünülürse, gemiler için de enerji verimliliği ve emisyon salınımı kavramları güncel konular arasındadır. 2050 yılı itibariyle, atmosferik karbon dioksit (CO2) konsantrasyonunun 480 ppm ile 550 ppm arasında olacağı ve bu aralığın küresel sıcaklığı 0,5 °C ile 2,5 °C arasında artıracağı tahmin edilmektedir. Deniz yolu ile taşımacılığın toplam CO2 emisyonlarındaki payı %3,3 civarındadır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO), gemi kaynaklı emisyon salınımına geçmişten günümüze kademeli olarak limitler getirmiş ve gemilerde enerji verimliliği konusunda düzenlemeler yürürlüğe koymuştur. Emisyon kontrol bölgelerinde ilk seviyeye göre emisyonların, azot oksit (NOX) için %80, kükürt oksit (SOX) için %90 üzerinde azaltılması hedeflenmiştir. Uluslararası gemi taşımacılığından kaynaklanan sera gazı emisyonlarının azaltılması için alınması gerekli zorunlu tedbirler, Denizlerin Gemilerden Kirlenmesini Önleme Uluslararası Sözleşmesi Ek-VI (MARPOL Ek-VI) ile kabul edilmiş, gemilerde enerji verimliliğinin sağlanması amacıyla, yeni gemiler için "Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi" nin tayini ve 400 GT'dan büyük tüm gemiler için "Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı" nın hazırlanması isterleri yürürlüğe girmiştir. Gemilerde enerji kaybı büyük oranda gemi ana makinelerindedir. Yanma prosesisinden sonra itme için kullanılan güç, yakıt enerjisinin sadece %30'u civarındadır. Soğutma ve egzoz gazı ile atılan enerji ise toplam yakıt enerjisinin yaklaşık %50'lik kısmını oluşturmaktadır. Atılan bu enerjinin geri kazanımı, enerji verimliğinin sağlanması, operasyonel giderlerin ve emisyonların azaltıması konularında önemli bir adımdır. Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün sıkı tedbirleri sonrası makine üreticileri bu konularda farklı teknolojiler geliştirmektedir. Bu çalışmada, bir kimyasal/petrol tankerinin ana makinesinin atık ısı analizi yapılmış, verilere göre farklı atık ısı kaynakları kullanılarak Organik Rankine Çevrimi (ORC) atık ısı geri kazanım modelleri oluşturulmuş ve modellerin termodinamik analizleri yapılarak çevrim performans çıktıları hesaplanmıştır. ORC güç üretim modelleriyle geminin seyir elektrik yükünün karşılanması hedeflenmiştir. Geminin ana makinesinin soğutma (ceket) suyu, süpürme (skavenç) havası ve egzoz gazı, atık ısı kaynakları olarak modellenmiş ve analizler her bir atık ısı kaynağı bir organik Rankine çevrim modeli olacak şekilde ayrı ayrı analiz edilmiştir. Son model olarak üç atık ısı kaynağı tek bir ORC modeli için birleştirilmiştir. Çevrimlerde iş akışkanı olarak R245fa kullanılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, ceket suyu ORC sistemiyle elektrik üretimi, %100 yükte 103,2 kWe, süpürme havası ORC sistemiyle 526,5 kWe ve egzoz gazı ORC sistemiyle 312,9 kWe olarak hesaplanmıştır. Kombine atık ısı ORC sistemiyle %100 yükte elektrik üretimi 759,2 kWe seviyesindedir ve bu değer geminin seyir elektrik yükü olan 524 kWe'in üzerindedir. Sonuçlara göre, geminin ekonomik seyir hızında kombine atık ısı ORC sistemiyle elektrik üretimi 589,2 kWe değerindedir ve bu koşulda gemi hiç jenerataör çalıştırmadan ORC sistemini kullanarak seyir yapabilir. Geminin atık ısısının Organik Rankine çevrimi metoduyla elektrik enerjisine dönüşümü, ana makine ısıl veriminde %8 ve üzerinde artış ve yıllık 14,6 g/kWh'a kadar yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Sistemlerin tahmini ortalama amortisman süreleri ise 4-7 yıl civarındadır