Dünya nüfusunun hızlı artışı ile birlikte enerji tüketimi giderek artmakta ve bunun sonucu olarak dünyadaki enerji kaynakları giderek azalmakta ve küresel ısınmanın etkileri her geçen gün daha fazla hissedilmektedir. Bu nedenle günümüzde enerji üzerine gerçekleştirilen araştırmalar, mevcut sistemlerin yenilenebilir kaynaklarla desteklenecek şekilde geliştirilmesi, enerji tasarrufu imkânlarının tespit edilmesi ve uygulanması gibi enerji verimliliklerinin yükseltilmesi konuları üzerine yoğunlaşmaktadır.
Termodinamiğin birinci yasası enerjinin yoktan var edilemeyeceğini ve var olan enerjinin de yok edilemeyeceğini söylese de, düşük verimli kullanımı ile enerji boşa harcanabilir. Bu da enerji kaynaklarının azalmasına sebep olmaktadır. Bu sorunu çözmenin en önemli yaklaşımlarından birisi enerjiyi verimli bir şekilde kullanarak enerji kayıplarını azaltmaktır. Bunun doğru bir şekilde uygulanabilmesi için, süreci oluşturan sistemlerin enerji kayıplarının ve verimlerinin tam ve gerçekçi ölçülerle bilinmesi gereklidir.
İklim değişikliği, doğal kaynakların hızla tükenmesi ve dünya nüfusunun sürekli artmasıyla beraber enerjiyi verimli kullanma ve enerji tasarrufu olgusu her geçen gün daha çok önem kazanmaktadır. Enerji verimliliği ve enerji tasarrufu; ısıl, elektrik, mekanik, kinetik, potansiyel, kimyasal, manyetik ve nükleer biçimlerinde tüketilen enerji miktarının üretim miktarını ve kalitesini etkilemeden en düşük seviyeye indirilmesidir. Etkili ve sürdürülebilir bir enerji tasarrufu için süreç adımlarında yaşanan enerji kayıplarının azaltılması, çeşitli atık enerji türevlerinden geri kazanım yapılması, son teknoloji imkânlarla üretim miktarında düşüşe neden olmadan enerji gereksiniminin azaltılması, daha verimli enerji kaynaklarının kullanılması ve gelişmiş endüstriyel süreçlerin tercih edilmesi gerekmektedir. Bu kapsamda enerji verimliliği
- Daha az enerji ile daha kaliteli enerji hizmetleri sağlamak için ileri teknolojilerin kullanılması,
- Her birim enerjiden en yüksek üretkenliğin elde edilmesi,
- Daha az enerji kullanımı, daha az hava kirliği ve daha düşük toplam maliyetle arzu edilen enerji hizmetlerinin alınması,
- Enerjinin akıllıca kullanılması,
35
Bu bilinçle yürütülmüş olan bu tez çalışmasında ETİ Alüminyum A.Ş. fabrikasındaki süreçlerin her bir kademesi mercek altına alınarak ulaşılabilecek enerji verimliliği ve tasarrufu değerleri belirlenmiştir. ETİ Alüminyum A.Ş. fabrikasında boksitten alüminyum üretiminde yer alan süreç aşamaları kütle ve enerji girdileri bakımından incelenmiştir. Özellikle elektroliz sürecinde yapılan köklü değişim sonrası Soderberg sürecinden Prebaked sürecine yeni elektroliz hücreleri kurularak geçilmiştir. Yeni durumda elde edilen süreç verileri daha önce gerçekleşen değerlerle kıyaslandığında yaklaşık % 26,6 oranında enerji tasarrufu sağlanmıştır. Elektrolizhanelerin tamamen en son teknolojik imkânlarla modernize edilmesi sonucu sağlanan bu önemli enerji tasarrufunun yanında hâlihazırdaki enerji kaynağının (Oymapınar HES Barajı) mevcut kapasitesi ile daha fazla üretim yapılmaya başlanmıştır. Bir sonraki adım olarak fabrika içerisinde diğer bir büyük enerji tüketen kademe olan alümina üretim süreci yani Bayer Prosesi‘nin bölümlerinde de ulaşılabilir ve sürdürülebilir bir enerji tasarrufu sağlayacak gerekli yatırımlara ağırlık verilmesi planlanmaktadır.
ETİ Alüminyum A.Ş. Alümina Bayer Süreci‘nin değerlendirmesinde kayıp ve verim hesapları sıkça yapılmaktadır. Daha önce de belirtildiği gibi Bayer Süreci‘nde yüksek sıcaklık ve basınç altında boksit madeninden alümina elde edilir. Kayıp hesapları işlemin enerji gereksiniminin belirlenmesinin yanında verim tayini için de kullanılmaktadır. Böyle karmaşık bir sistem için kayıp hesaplarının çeşitli parçalar veya işlemler için ayrı ayrı yapılması sistem genelinde parçadan bütüne kadar temsili verilerin oluşmasına olanak sağlamaktadır. Bu sayede meydana gelen kayıpların kaynakları ortaya çıkarılarak gerekli önlemler alınabilir. Yani Bayer Süreci‘nin enerji verimliliğinin değerlendirilmesinde mevcut sistemin tasarım parametrelerine göre iş potansiyelinin bir ölçüsüne tekabül eden yapabileceği en çok yararlı işi yani ekserjiyi dikkate almamız gerekmektedir. Fazla miktarda enerji tüketen bu sistemin enerji verimliliği üretim maliyetini de dünya ortalamasına göre yaklaşık % 60 daha fazla etkilemektedir. Bu durumu en iyi biçimde değerlendirmemize yardımcı olacak Şekil 1.22 incelendiğinde, ETİ Alüminyum A.Ş. Alümina Bayer Süreci‘nin 1 ton alümina üretim maliyetinde % 51‘lik payın enerjiye ait olduğu gözükmektedir. Aynı tür işletme parametrelerine sahip dünya geneli benzer uygulamalara göre 1 ton alümina üretimi için daha fazla enerji harcadığı net bir biçimde gözükmektedir.
36
ġekil 1.22. Dünya geneli alümina fabrikalarının ve ETİ Alüminyum A.Ş.‘nin alümina üretim maliyeti etki
eden girdiler ve bunların dağılımı (Kayacı, 2014)
Bu durumu en iyi biçimde değerlendirmemize yardımcı olacak Şekil 1.23 ve Çizelge 1.9 incelendiğinde, ETİ Alüminyum A.Ş. Alümina Bayer sürecinin aynı tür işletme parametrelerine sahip dünya geneli benzer uygulamalara göre 1 ton alümina üretimi için daha fazla enerji harcadığı net bir biçimde gözükmektedir.
ġekil 1.23. Dünya geneli alümina fabrikalarının ton alümina başına özgül enerji tüketimi kıyas grafiği
37
Çizelge 1.9. Dünya geneli alümina fabrikalarının ton alümina başına özgül enerji tüketimi (Şekil 1.23‘ten
yararlanılarak hazırlanmıştır.)
Alümina Fabrikası Bulunduğu Ülke Enerji Tüketimi, GJ/t Al2O3
Alunorte Brezilya 8,10 Arvida Kanada 9,69 Aughinish İrlanda 9,84 Wagerup Avustralya 10,16 Pinjarra Avustralya 10,15 Damanjodi Hindistan 10,38
San Ciprian İspanya 10,63
Bauxilum Venezuela 10,94
Yarwun Avustralya 10,94
Worsley Avustralya 11,25
Gove Avustralya 11,25
Point Comfort ABD 11,56
Grammercy ABD 11,56
Paranam Surinam 11,64
Clarendon Jamaika 11,95
Porto Vesme İtalya 11,96
Sao Luis Brezilya 12,19
Kwinana Avustralya 12,42
Nikolayev Ukrayna 12,42
CorpusChristi ABD 13,05
Alpart Jamaika 13,44
QAL Avustralya 13,75
ETİ Alüminyum Türkiye 14,59
ChipingXingfa Çin 14,69 Zhengzhou Çin 28,28 Shandong Çin 28,99 Pavlodar Kazakistan 29,07 Bogoslovsk Rusya 33,91 Zhongzhou Çin 33,91 Shanxi Çin 33,91 Guizhou Çin 36,57 Achinsk Rusya 57,97
Bu tez çalışması kapsamında elektroliz sürecinde ―Soderberg‖ sisteminden ―Prebaked‖ sistemine geçiş sonrası ulaşılan enerji tasarrufu ve tüketilen hammadde kalemlerinde birim ürün başına yaşanan düşüş, ekserji analizi yardımıyla hesaplanmıştır. Boksit cevherinden birincil alüminyum üretimine kadar tamamen entegre bir tesis olan ETİ Alüminyum A.Ş. fabrikasında Bayer Süreci‘nin özellikle otoklavlar ve kalsinasyon kademelerinde yapılacak köklü değişiklikler sonrası sağlanacak enerji tasarrufu ve tüketim kalemlerindeki düşüş; mevcut durum ile yeni durum arasındaki iyileştirme potansiyeli yapılan ekserji analizi sonrası belirlenmiştir. Bu sayede mevcut durumda enerjiyi hangi oranda verimli kullandığımız, yapılacak bazı önemli süreç kademelerindeki değişiklikler sonrası enerji verimliliğindeki gelişmeler mercek altına alınmıştır.
38
Enerji veriminin değişik uygulama şartlarında benzer değişkenlikler gösterdiğinden emin olmak için enerji türlerinin eşit olarak değerlendirilmesi gerekir. Pratikte enerji farklı kalitelerde olabilir. Termodinamiğin ikinci kanununa göre ifade edilen bu duruma göre yüksek sıcaklıkta enerjinin daha büyük bölümü işe dönüştürülebilir, bu nedenle aynı miktarda fakat düşük sıcaklıktaki enerjiye oranla niteliği daha yüksektir (Çengel Y. ve Boles, 2008). Bir termodinamik sistemin ekserjisi, sistemin sadece çevresiyle etkileşimi durumunda, sistemin çevresiyle tümüyle termodinamik denge haline gelirken, elde edilebilecek maksimum teorik yararlı iş (mekanik veya elektrik işi) olarak tanımlanmaktadır (Tsatsaronis, 2007).
Dünyanın enerji dar boğazına girdiği 21. yüzyılda enerji tasarrufunun sağlanabilmesi ve daha yüksek verimli sistemlerin tasarlanması, detaylı enerji ve ekserji analizleri ile sistemlerin verimliliklerinin belirlenmesiyle mümkün olabilir.
Enerji tüketiminin büyük miktarlarda olduğu diğer sistemlerde de olduğu gibi ETİ Alüminyum A.Ş. Soderberg, Prebaked ve Alümina Bayer süreçlerinin enerji verimleri yerine ekserji verimleri hesaplanırsa, proseste kullanılan enerji türlerinin enerji kalitelerindeki farklar dikkate alınmış olacaktır. Bundan dolayı ETİ Alüminyum A.Ş. fabrikasının yukarıda belirtilen süreçlerinde ekserji verimliliğini detaylandıran hesaplamalar ve kıyaslamalar yapılacaktır.
Sistemin ekserji verimi, enerji ve ekserji analizleri sonucunda belirlenir. Ekserji analizi termodinamiğin ikinci kanununa dayandırıldığı için genel olarak süreçteki verimsizliklerin enerji analizine göre daha iyi tespit edilmesini sağlamaktadır. Termodinamiğin birinci yasası verimin, sistemlerin enerji verimliliği açısından kapsamlı olarak değerlendirilmesinde tek başına yeterli değildir. Bir sistemin enerji ve ekserji verimliliği, sistemdeki maddelerin ilk ve son halleri arasındaki tersinir hal değişimi arasında yapılan işin karşılaştırılması sonucu net olarak ortaya çıkarılabilir (Çengel Y. ve Boles, 2008).
Kapalı veya açık bir sistemde yapılan gerçek iş, enerjinin korunumu denklemleriyle hesaplanabilir. Eğer sistemin hacmi değişiyorsa, yapılan işin bir bölümü çevreye karşı yapılır. Bu iş, P0 basıncındaki çevre havayı itmek için kullanılır ve başka bir amaca yöneltilmez. Toplam gerçek iş ile çevre işi arasındaki fark, yararlı iş (Wy) olarak bilinir (Çengel Y. ve Boles, 2008).
Termodinamiğin ikinci kanuna göre, izole edilmiş sistemlerin ekserjisi artmaz. Bütün tersinmez işlemlerde ise sabit kalır. Yani enerjinin aksine, ekserjinin korunumu değil de yok olması söz konusudur. Buna göre ETİ Alüminyum A.Ş. fabrikasının ana
39
süreçlerine girenler ve çıkanlar arasında Denklem 1.18 ve 1.19‘daki gibi ekserji farkı ve ekserji oranı oranı (ekserji verimi) mevcut durum ile en ideal durumun karşılaştırılmasında en gerçekçi ölçüler olarak öne çıkmaktadır. Bundan dolayı ekserji analizi, fabrikada enerjinin yoğun olarak kullanıldığı kademelerde yapılacak köklü değişikler için kullanışlı bir araç olmaktadır. Bu bağlamda sürecin genel ekserji verimi:
( ) (1.18)
(1.19) olarak verilebilir. (Çengel Y. ve Boles, 2008)
Endüstriyel uygulamalarda enerjinin verimli kullanılmasıyla birlikte tüketim azalacak, sera gazları emisyonu düşecek ve ucuzlayan sanayi ürünü fiyatları sebebiyle uluslararası rekabet gücü açısından sanayicilerimize avantaj sağlanacaktır.
40