THE IMPACT OF FUEL CHANGES ON THE ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF MARINE DIESELS

International independent scientific journal №80/2025 47 TECHNICAL SCIENCES THE IMPACT OF FUEL CHANGES ON THE ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF MARINE DIESELS Aliyev A. “Azerbaijan State Marine Academy” PLE, Baku, Republic of Azerbaijan YANACAĞIN DƏYİŞMƏSİNİN GƏMİ DİZELLƏRİNİN İQTİSADİ VƏ EKOLOJİ GÖSTƏRİCİLƏRİNƏ TƏSİRİ Əliyev Ə. “Azərbaycan Dövlət Dəniz Akademiyası” PHŞ, Bakı, Azərbaycan Respublikası https://doi.org/10.5281/zenodo.17878294 Abstract This study investigates the influence of fuel variation on the operational, environmental, and economic performance of a marine diesel engine. A modified MATLAB-based mathematical model was developed to simulate the engine’s behavior using five different fuels: marine diesel, road diesel, flot fuel, biodiesel, and a diesel– biodiesel blend. The model’s adequacy was verified by comparing its results with the passport data of the Wärtsilä 6L20 engine. Simulation results demonstrated that road diesel provides the highest effective power and lowest specific fuel consumption, while biodiesel ensures higher combustion efficiency but lower energy density. An additional analysis of CO₂ emissions and fuel costs was performed for each fuel type based on real market data for the Caspian Sea region. The findings show that although biodiesel is the most environmentally friendly option, flot fuel remains the most economically viable, while the diesel–biodiesel blend provides a balanced compromise between performance, emissions, and cost. The developed model enables cost-effective and time-saving laboratory simulations of marine diesel engine performance under varying fuel compositions. Xülasə Bu tədqiqatda yanacağın dəyişməsinin gəmi dizel mühərrikinin istismar, ekoloji və iqtisadi göstəricilərinə təsiri araşdırılır. İyirmilik Wartsila 6L20 mühərrikinin pasport göstəriciləri ilə müqayisə edilməklə adekvatlığı təsdiqlənmiş modifikasiya olunmuş MATLAB əsaslı riyazi model hazırlanmışdır. Model beş fərqli yanacaqdan — dəniz dizeli, avtomobil dizeli, flot yanacağı, biodizel və dizel–biodizel qarışığından — istifadə edildikdə mühərrikin davranışını simulyasiya etmək üçün tətbiq edilmişdir. Simulyasiya nəticələri göstərmişdir ki, avtomobil dizeli ən yüksək effektiv gücü və ən aşağı xüsusi yanacaq sərfini təmin edir, biodizel isə daha yüksək yanma səmərəliliyi versə də, enerji sıxlığı daha aşağıdır. Xəzər dənizi regionunun real bazar məlumatlarına əsaslanaraq hər bir yanacaq növü üçün CO₂ emissiyaları və yanacaq dəyəri üzrə əlavə analiz aparılmışdır. Tədqiqat nəticələri biodizelin ən ekoloji təmiz variant olmasına baxmayaraq, flot yanacağının iqtisadi cəhətdən ən sərfəli olduğunu, dizel–biodizel qarışığının isə güc, emissiya və maya dəyəri baxımından balanslaşdırılmış kompromis yaratdığını göstərir. Hazırlanmış model müxtəlif yanacaq tərkibləri altında gəmi dizel mühərrikinin işinin səmərəli və az xərcli laboratoriya şəraitində simulyasiya olunmasına imkan yaradır. Keywords: MATLAB simulation; Fuel variation; Combustion efficiency; Specific fuel consumption; CO₂ emissions; Economic evaluation; Environmental performance; Wärtsilä 6L20; Marine fuels. Açar sözlər: MATLAB simulyasiyası; Yanacaq dəyişkənliyi; Yanma səmərəliliyi; Xüsusi yanacaq sərfiyyatı; CO₂ emissiyaları; İqtisadi qiymətləndirmə; Ətraf mühit performansı; Wärtsilä 6L20; Dəniz yanacaqları. Bu məqalədə müxtəlif yanacaq növlərinin gəmi dizel mühərrikinin istismar və iqtisadi göstəricilərinə necə təsir göstərdiyi təhlil olunur. Əvvəlki araşdırmalarda təqdim olunan riyazi modelə [1, səh. 62–83] bir sıra əlavələr və modifikasiyalar tətbiq edilərək, tələb olunan eksperimental sınaqların proqram mühitində aparılması mümkün edilmişdir. Qeyd etmək lazımdır ki, istifadə olunan mühəndislik modeli MATLAB platformasında hazırlanmışdır [2]. Modelin real mühərrik parametrlərinə uyğunluğu isə Wartsila 6L20 dizel mühərrikinin pasport məlumatları ilə müqayisə olunaraq təsdiqlənmişdir [3]. Modelin yaradılmasında əsas məqsəd laboratoriya tipli tədqiqatları vaxt və maliyyə itkisinə yol vermədən virtual mühitdə icra etməkdir. Tədqiqat çərçivəsində seçilmiş mühərrikin müxtəlif yanacaq tipləri ilə işləyərkən verdiyi istismar və iqtisadi nəticələr modelə daxil edilmiş əlavə parametrlər vasitəsilə qiymətləndirilmişdir. Analiz üçün beş müxtəlif yanacaq növü seçilmişdir: gəmi dizeli, avtomobil dizeli, flot yanacağı, biodizel və biodizel–dizel qarışığı [4–8]. Bu yanacaq növlərini modelləşdirməyə ən optimal yanaşma kimi “function” və “switch” operatorlarından istifadə etməklə ayrıca funksiya yaradılmışdır: International independent scientific journal №80/2025 48 Bu funksiyada bir giriş arqumentinə (oilmark) uyğun olaraq on müxtəlif yanacaq xarakteristikası qaytarılır. Bu parametr və onların mənaları Cədvəl 1-də göstərilmişdir. Cədvəl 1. Çıxış parametrləri və onların izahı Çıxış İzah h2 Hidrogenin kütlə payı (mass fraction) o2 Oksigenin kütlə payı c12 Karbonun kütlə payı Hu Aşağı istilik dəyəri (MC/kg və ya C/kg) Cetan Setan ədədi (dizel yanacağı üçün) Amub Havanın orta molyar kütləsi (28.9687 g/mol) amuco2 CO₂-nin molyar kütləsi (44 g/mol) amuh2o H₂O-nun molyar kütləsi (18 g/mol) amuo2 O₂-nin molyar kütləsi (32 g/mol) amun2 N₂-nin molyar kütləsi (28 g/mol) Simulyasiyanın bütün yanacaq tipləri üçün eyni anda aparılması tələb olunduqda “for” dövrəsindən istifadə edilir. Bu halda proqramın əvvəlində aşağıdakı strukturlar əlavə edilir və dövrə müvafiq hissədə “end” ilə bağlanır: International independent scientific journal №80/2025 49 Beləliklə, hər dövr addımı zamanı yanacaq növünə uyğun parametrlər avtomatik şəkildə modelləşdirməyə daxil edilir. Sadələşdirmə məqsədilə yanacaq tərkibi yalnız karbon, hidrogen və oksigen komponentləri ilə məhdudlaşdırılmışdır. Cədvəl 2-də modelləşdirmə nəticəsində alınan əsas mühərrik çıxış göstəricilərinin təyinatı qeyd olunmuşdur. Cədvəl 2. Mühərrikin əsas çıxış parametrləri Simvol İzah Əhəmiyyəti Pz, Tz Slindrdə maksimum təzyiq və temperatur Yanacaq xüsusiyyətinə həssas ηi İndikator FİƏ (daxili ηi) Yanmadan asılı ηv Həcm effektivliyi (ηe) Az dəyişir Pi, Poi Sıxılma və yanma sonu təzyiq nisbətləri Enerji axınına təsir edir Ni, gi İndikator parametrləri Güc göstəriciləri ilə əlaqəlidir Pe, Ne, ge, ηe Əsas nəticələr – mühərrikin effektiv təzyiqi, gücü, spesifik sərfi və ümumi faydalı iş əmsalı Əsas dəyərlər Cədvəl 3. Yanacağın mühərrikin effektiv göstəricilərinə təsiri Yanacaq Pz (MPa) Tz (K) Ne (kW) ge (g/kWh) ηe Təhlil 1 Gəmi dizel 23.823 2329 1340 150.6 0.5605 Dizel üçün optimal balans; istinad kimi götürülür 2 Dizel 24.155 2359 1366.2 (+1.9%) 147.7 (-1.9%) 0.5602 (≈) Daha yüksək təzyiq və temperatur → azacıq çox güc və az sərf, yəni yanma bir qədər effektivdir 3 Flot 22.955 2239 1258.8 (-6%) 160.2 (+6.4%) 0.5619 (+0.25%) Aşağı təzyiq → enerji sıxlığı azalır, amma səmərəlilik nisbətən qorunur 4 Biodizel 22.348 2143 1170.9 (-12.6%) 171.96 (+14.2%) 0.5658 (+1%) Yanmada enerji az, sərf çox, amma yanma tamlığı (ηe) yüksək — tipik biodizel davranışı 5 Dizelbiodizel 23.686 2308 1320.5 (-1.5%) 152.8 (+1.4%) 0.5611 (+0.1%) Dizelə yaxın nəticə, orta performans və yanma xüsusiyyətləri Cədvəl 3 isə müxtəlif yanacaq tiplərinin mühərrikin effektiv göstəricilərinə olan təsirini müqayisəli şəkildə göstərir. Məlumatlardan aydın olur ki, maksimum təzyiq və temperaturun ən yüksək qiymətləri 2-ci nümunə yanacaqda (avtomobil dizeli), ən aşağısı isə biodizel üçün müşahidə edilmişdir. Effektiv güc göstəricilərində də oxşar tendensiya mövcuddur: yol dizel yanacağı ~2 % yüksək nəticə verir, flot və biodizel yanacaqlarında isə 5–13 % azalma qeydə alınır. Spesifik yanacaq sərfi baxımından da 2-ci nümunə daha əlverişli, 4-cü nümunə isə daha az səmərəlidir. Ümumi faydalı iş əmsalı ηe hər yanacaq üçün 0.56–0.566 intervalında dəyişsə də, biodizeldə tam yanma səbəbindən bu parametr nisbi olaraq bir qədər yüksəkdir. Təzyiq və temperaturun dirsəkli valın bucağından asılılığına dair indikator diaqramları (şəkil 1 və 2) göstərir ki, flot və biodizel yanacaqlarının istifadəsi zamanı aşağı mexaniki yüklənmə baş verir. Bu isə mühərrikin daha yumşaq iş rejimində işləməsinə şərait yaratsa da, güc itkisi bahasına baş verir. Bu nəticələri ümumiləşdirmək üçün Cədvəl 4-də yanacaq tipləri performans, səmərəlilik və ümumi qiymətləndirmə baxımından qruplaşdırılmışdır. International independent scientific journal №80/2025 50 Bu nəticələri ümumiləşdirmək üçün Cədvəl 4-də yanacaq tipləri performans, səmərəlilik və ümumi qiymətləndirmə baxımından qruplaşdırılmışdır. Cədvəl 4. Nəticələrin ümumiləşdirilməsi. Yanacaq növü Performans Effektivlik Qısa qiymət 1 Sabit və balanslı Orta Baza üçün optimal 2 🔥 Ən yüksək təzyiq və güc ⚡ Yaxşı səmərəlilik Yüksək performanslı variant 3 Orta güc 💧 Yüngül səmərəlilik itkisi Ağır yanacaq, enerji sıxlığı az 4 🌿 Aşağı güc, yüksək η Ekoloji üstünlük Səmərəli, lakin enerji zəif 5 Dizelə yaxın 🔋 Yaxşı balans Real tətbiq üçün ən optimal qarışıq International independent scientific journal №80/2025 51 Daha sonra yanacaq növlərinin ekoloji və iqtisadi nəticələri sadə hesablamalar vasitəsilə qiymətləndirilmişdir. CO₂ emissiyası karbonun kütlə payına əsasən: 𝐶𝑂2(𝑝𝑒𝑟𝑘𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚)=𝐶𝐶⋅𝑀𝐶𝑂2 𝑀𝐶 burada 𝐶𝐶 =0.87 - karbonun mass-fraction; 𝑀𝐶𝑂2=44 karbon qazının (CO2) mol miqadarı; 𝑀𝐶=12 karbonun (C) mol miqadarı. Sonra: 𝐶𝑂2𝑝𝑒𝑟𝑘𝑊𝑡=𝑔𝑒𝑓𝑓 ⋅ 𝐶𝑂2𝑝𝑒𝑟𝑘𝑔 𝑘𝑔𝐶𝑂2/𝑘𝑊ℎ Hesablamaları 1 nömrəli nümunə yanacağa uyğun hesablayaq: 𝑐𝐶=0.87 ⇒ CO2_per_kg =0.87⋅44 12= 3.19 kg CO2/kg fuel. g_effektiv = 150.59 g/kWh ⇒ CO2_per_kWh = 0.15059 kg fuel/kWh ×3.19= 0.4804 kg CO2/kWh. Yəni: ~480 g CO₂ / kWh. Bu sadə hesab yalnız karbondan yaranan CO₂ üçündür. Həmçinin CH₄, N₂O, NOₓ, SOₓ, PM kimi emissiyalar ayrı-ayrı ölçülməli və ya emisiya-faktorları ilə hesablamalar aparıla bilər. Gəminin (Caspian Sea) istifadə şəraitinə uyğun, açıq mənbələrdən götürülmüş sıxılıq və bazar qiymətlərinə əsaslanan ekoloji (CO₂) və iqtisadi (yanacaq xərci) hesablamaları aparılıb. Hesablamalarda illik işləmə saatını 8 760 saat götürülüb. Hesablama zamanı aşağıdakı fərziyyələr irəli sürülüb: Hesablama üçün lazım olan effektin yanacaq sərfi ( ge (g/kWh)) və yanacağın tərkibindəki karbon nisbəti (c12) dəyərləri funksiya “fuel_props”-dan götürülüb: ge = [150.59, 147.73, 160.16, 171.96, 152.77] g/kWh c12 = [0.87, 0.865, 0.87, 0.84, 0.864] (oilmark 1– 5). Sıxılıq (15 °C) — açıq mənbələrdən götürülüb. [912] Uyğun olaraq 2-5 nömrəli yanacaqlar üçün sıxlıq 840 kg/m³ [9], 855 kg/m³ [10], 991 kg/m³ [11], 878 kg/m³ [12] hədlərində qəbul edilib. Yanacaqların bazar qiymətləri Caspian Sea-a ən yaxın region üçün İstanbul / Black Sea / Med üzmə rayonları ələ alınaraq Ship & Bunker qiymətlərindən istifadə edilib. Yerli-Azərbaycan bazarında gəmi dizel yanacağının qiyməti 0.700 USD/kg qəbul edilib [13]. Digər 2-5 nömrəli nümunə yanacaqlar üçün qiymətlər uyğun olaraq 0.7965 USD/kg [14], 0.5210 USD/kg [15] və 1.27 USD/kg [16] kimidir Qeyd edək ki, yanacaq qiymətləri İstanbul birjasının 7 noyabr 2025 tarixində verdiyi qiymətlərə uyğun qəbul edilmişdir. Hesablamaları aparmaq üçün aşağıdakı sadə düsturlardan istifadə olunur. CO₂ per kg fuel: CO2/kg =𝑐𝐶⋅44 12. CO₂ per kWh: CO2/kWh =(𝑔eff 1000)×CO2/kg. ( nəticə kg CO₂/kWh ) Yanacaq xərci per kWh: FuelCost_per_kWh = price_USD/kg ×(𝑔eff 1000). İllik yanacaq sərfi (ton/year) = 𝑁eff (kW) × 8760 h ×(𝑔eff 106). İllik yanacaq xərci = illik tona × price (USD/kg). İllik CO₂ (ton/year) = CO₂ (kg/kWh) × N_eff × 8760 / 1000. Cədvəl 5-də hər sətir üçün: yanacaq sıxılığı (kg/L), qiymət (USD/kg), CO₂ (g/kWh), yanacaq xərci (USD/kWh), illik yanacaq (ton/year), illik yanacaq xərci (USD/year) və illik CO₂ (ton/year) göstərilir. Qeyd: CO₂ sütunu qram/kWh olaraq göstərilmiş (istifadə rahatlığı üçün). Cədvəl 5. Nəticə Oilmark ρ (kg/L) price (USD/kg) CO₂ (g/kWh) Fuel cost (USD/kWh) Annual fuel (t/yr) Annual cost (USD/yr) Annual CO₂ (t/yr) 1 0.84 0.7000 480.38 0.10541 1 767.69 1 237 379.96 5 638.92 2 0.855 0.7965 468.55 0.11767 1 768.02 1 408 227.64 5 607.57 3 0.991 0.5210 510.91 0.08344 1 766.10 920 137.27 5 633.85 4 0.878 1.2700 529.64 0.21839 1 763.81 2 240 036.37 5 432.53 5 0.8476 0.8912 483.98 0.13615 1 767.18 1 574 910.10 5 598.42 Biodizel (4) daxil edildikdə karbon kütlə payının (c12) və g_effektiv-in birgə təsiri ilə ən yüksək qram/kWh çıxışını müşahidə olunur. Buna səbəb g_effektiv-in biodizel üçün ən yüksək çıxmasıdır; biodizel molekulyar oksigen ehtiva etsə də, kütləvi karbon payı və spesifik sərf nəticədə CO₂/kWhə təsir edir. Biodizel (4) bazar qiymətcə ən bahalıdır (1.27 $/kg) — nəticədə onun USD/kWh və illik xərci yüksək olur. Flot (3) isə ən ucuz bazar qiymətinə sahib, ona görə də illik xərci ən aşağı alındı. Yekun olaraq qeyd etmək lazımdır ki, ekoloji və iqtisadi cəhətdən ən sərfəli yanacağı seçmək çox faktorlu yanaşmadır və bu yanacaqların istehsal prosesini, gəmilərdə Beynəlxalq Dəniz Təşkilatının tələblərinə uyğun atılan addımları özündə ehtiva etməlidir. İstifadə olunmuş ədəbiyyat siyahısı: 1. Ə. A. Əliyev, Gəmi dizellərində üstəlik üfürmə sistemlərinin konstruktiv təhlili və üstəlik üfürmə təzyiqinin mühərrikin göstəricilərinə təsirinin nəzəri tədqiqi. (Magistr dissertasiyası), ADDA, Bakı, 2022, 90 Səhifə 2. A.Ş. İsmayılov, Ə.A. Əliyev, Ə.T. Əzimov 6L20 markalı gəmi dizelində sıxma dərəcəsinin dəyişməsinin mühərrikin göstəricilərinə təsirinin nəzəri tədqiqi// “Elektroenergetikanın müasir problemləri və inkişaf perspektivləri” Beynəlxalq elmi-texniki konfransın məruzə materialları, s. 192-197 - Bakı: ,1718 Noyabr -2022 3. Ismayilov, A., & Aliyev, A. (2024). Verification of the Adequacy of the Created Work Cycle Calculation Model of Marine Diesel Engine. In Advances in Science and Technology. 2nd International Scientific- International independent scientific journal №80/2025 52 Practical Conference “Machine Building and Energy: New Concepts and Technologies.” Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/p-m5xjqi 4. Diesel fuel. (2025, November 11). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_fuel 5. AMF. (n.d.). https://www.iea-amf.org/content/fuel_information/diesel_gasoline 6. Alternative Fuels Data Center: Biodiesel Fuel Basics. (n.d.). https://afdc.energy.gov/fuels/biodieselbasics 7. Kozlowski, R. (2022, March 24). Basic composition of biofuel. Sciencing. https://www.sciencing.com/basic-composition-biofuel-23218 8. Chelsea. (2019, February 13). Part 1: Diesel Fuel Properties and Characteristics - NW Fuel. NW Fuel. https://nwfuel.ca/part1-diesel-fuel-characteristics/?utm_source 9. Volume correction factors — diesel fuel. Innovation, Science and Economic Development Canada. https://www.ic.gc.ca/eic/site/mcmc.nsf/vwapj/VCF_Diesel.pdf/$file/VCF_Diesel.pdf 10. MGO - Bunker oil. (n.d.). https://www.bunkeroil.no/en/category/mgo 11. IFO 380 cst | Marine Fuel Sri Lanka | Marine bunkering | Lanka IOC PLC. (2016, December 9). Lanka IOC PLC. https://www.lankaioc.com/products/ifo-380-cst 12. Specifications for biodiesel B100. https://www.crownoil.co.uk/fuelspecifications/biodiesel-b100 13. Azerbaijan diesel prices, 03-Nov-2025 | GlobalPetrolPrices.com. (n.d.). GlobalPetrolPrices.com. https://www.globalpetrolprices.com/Azerbaijan/diesel_prices 14. Mediterranean and Black Sea bunker prices. (n.d.). Ship & Bunker. https://shipandbunker.com/prices/emea/medabs 15. Biodiesel Price Index 2025 | Trend, Chart and Forecast. (n.d.). https://www.imarcgroup.com/biodiesel-pricing-report