Türkiye'de Çimento Üretiminin Karşılaştırmalı Yaşam Döngüsü Analizi

Transkript

1 Türkiye'de Çimento Üretiminin Karşılaştırmalı Yaşam Döngüsü Analizi A. Petek Gürsel, Çağla Meral University of California at Berkeley, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Berkeley, ABD Özet Karbon dioksit (CO 2 ) iklim değişikliğine neden olan insan kaynaklı gazlar içerisinde çok önemli bir yer tutmaktadır. Dünyadaki antropojenik CO 2 emisyonlarının %5 i çimento üretiminden kaynaklanmaktadır. Gittikçe katılaşan çevre politikaları ve artan çevre bilinci diğer üretim sektörlerini olduğu gibi çimento sektörünü de CO 2 emisyonlarının kontrolü ve azaltılması yönünde harekete geçirmiştir itibariyle yıllık 62.7 milyon tonu aşan üretimiyle dünya liderlerinden biri olan Türk çimento sektörünün çevreye etkileri de mercek altındadır. Şimdiye kadar çeşitli araştırmalar yapılmasına rağmen sektörün CO 2 emisyonları ile ilgili detaylı ve sistematik bir analiz henüz yapılmamıştır. Bu çalışmada, çevre etkilerini sistematik bir şekilde değerlendiren yaşam döngüsü analizi (YDA) yöntemi tanıtılmıştır. Pek çok araştırmacı tarafından kabul gören bu yöntem, Türk çimento sektrörü kaynaklı CO 2 emisyonlarının hesaplanması amacıyla tatbik edilmiştir.çevresel Toksikoloji ve Kimya Topluluğu (Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC) tarafından geliştirilen YDA, bir ürünün ham maddelerinin elde edilmesinden başlayıp üretimi, dağıtımı, kullanımı ve son olarak atık hale gelmesi ya da geri dönüştürülmesini içeren sürecin çevre üzerindeki doğrudan ve dolaylı etkilerini sistematik olarak değerlendirmektedir. Analizin amaç ve kapsamının belirlenmesi bu yöntemin ilk aşamasıdır. Sırasıyla envanter analizi ve etki değerlendirmesi ile devam eden YDA, sonuçların yorumlanması ve iyileştirilme önerileri ile neticelendirilir. Bu çalışma kapsamında, YDA nın temel aşaması kabul edilen envanter analizine ağırlık verilmiş, ulaşılabilir verilerin yetersizliği sebebiyle etki değerlendirmesi yapılmamıştır. Beşiktenkapıya (cradle-to-gate) CEM-I çimento tipi üretimi sırasında kullanılan ham madde ve enerji girdileri ile açığa çıkan CO 2 emisyonları hesaplanmıştır. Ayrıca uçucu kül ve Portland çimentosunun farklı oranlarda karıştırılması ile elde edilen katkılı çimentolar için benzer bir yol izlenmiştir. Sonuçlar bir ton çimento başına düşen enerji (MJ/ton) ve CO 2 emisyon (kg-co 2 /ton) miktarları olarak ifade edilmiştir. Son olarak, katkılı çimentolar için bulunan sonuçlara ve literatüre dayanarak, çimento sektörünün sürdürülebilirliğinin artırılması için alternatif malzemelerin kullanılmasına ilişkin öneriler sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Yaşam Döngüsü Analizi (YDA), sürdürülebilirlik, çimento üretimi, CO 2 emisyonları

2 Giriş İnşaat sektöründe kullanılan en temel malzemelerden çimento, gerek üretimi sırasında yüksek enerji ve ham madde kullanılması, gerekse tüketiminin çok büyük hacimlerde (2011 itibariyle 3.6 milyar ton) (Cembureau, 2012) olması sebebiyle sürdürülebilirlik ve çevre konulu araştırmalarda son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Dünyadaki antropojenik CO 2 emisyonlarının %5 inden sorumlu olan çimento sektörü zamanla katılaşan çevre politikaları ve artan çevre bilinci sebebiyle diğer üretim sektörlerinde olduğu gibi CO 2 emisyonlarının kontrolü ve azaltılması yönünde harekete geçmiştir. Bu bağlamda, 2010 itibariyle yıllık 62.7 milyon tonu aşan üretimiyle dünya liderlerinden biri olan Türk Çimento Sektörü nün çevreye etkileri de mercek altındadır. Yakın geçmişte Avrupa ve Amerika da çok sayıda çalışmada (Boesch ve Hellweg, 2010; Boesch, Koehler ve Hellweg, 2009; Gartner, 2004; Josa, Aguado, Cardim ve Byars, 2007; Josa, Aguado, Heino, Byars ve Cardim, 2004; Marceau, Nisbet ve VanGeem, 2006; van Oss ve Padovani, 2003; Worrell, Price, Martin, Hendriks ve Meida, 2001) çimento sektörünün çevreye etkileri (özellikle de iklim değişikliginin ana sebebi olduğu varsayılan CO 2 emisyonlarına yoğunlaşarak) analiz edilmesine rağmen, Türk çimento sektörü için detaylı ve sistematik bir analiz henüz yapılmamıştır. Çimento üretiminin sebep oldugu çevre etkilerinin sistematik ve detaylı olarak değerlendirilmesi YDA nin uygulanması ile mümkün olabilir. Bu çalışmada, çevre etkilerini sistematik bir şekilde değerlendiren YDA yöntemi tanıtılmıştır. Pek çok araştırmacı tarafından kabul gören bu yöntem, Türk Çimento Sektörü kaynaklı CO 2 emisyonlarının hesaplanması amacıyla tatbik edilmiştir. Çalışma kapsamında, YDA nın temel aşaması kabul edilen envanter analizine ağırlık verilmiş, ulaşılabilir verilerin yetersizliği sebebiyle etki değerlendirmesi yapılmamıştır. CEM-I tipi çimento üretimi sırasında beşikten-kapıya (cradle-to-gate) kadar kullanılan ham madde ve enerji girdileri ile açığa çıkan CO 2 emisyonları sistematik bir şekilde hesaplanmıştır. Benzer bir yol izlenerek, farklı oranlarda (%10, %20, %30 ve %40) uçucu kül içeren katkılı çimento türleri için de bir analiz yapılmıstır. Sonuçlar bir ton çimento (CEM-I ve uçucu kül katkılı çimento tipleri için) başına düşen CO 2 emisyon (kg-co 2 /ton.çimento) miktarı olarak ifade edilmiştir. Son olarak, çimento sektörünün sürdürülebilirliğinin artırılması için alternatif malzemelerin (uçucu kül gibi) kullanılmasına ilişkin farklı yaklaşımlar sunulmuştur.karbon dioksit emisyonları hesaplanırken, ISO (ISO, 2006a; 2006b) standartlarının tavsiye ettiği YDA metodolojisi tatbik edilmiştir. Türkiye Çimento Sektörüne Genel Bakış Türkiye nin mevcut ekonomik gelişmesinde, inşaat sektörü önemli bir yer tutmaktadır. Artan sanayileşme talebi, devam eden altyapı yatırımları ve nüfus artışına paralel ilerleyen konut ihtiyacı buna sebep gösterilebilir. İnşaat sektörüne bağlı çimento sektörü de milli gelire, genel istihdam düzeyine büyük katkıda bulunmaktadır. Türkiye gayrisafi millî hasılasının 0.3% üne tekabül eden Türk çimento sektörü üretimde dünya genelinde 4. sırada yer almaktadır. Çimento sektörü rekabete açıktır ve oldukça dinamiktir. 2011yılı itibariyle çimento üretiminde lider ülkeler Tablo 1 de özetlenmiştir.ülkemizde halen 41 adedi entegre tesis, 17 adedi öğütme-paketleme tesisi olmak üzere 58 çimento fabrikası

3 faaliyettedir yılı itibariyle, yıllık klinker üretim kapasitesi 65 milyon tonu, çimento üretim kapasitesi ise 106 milyon tonu aşmıştır (TÇMB, 2012). Tablo İtibariyle Çimento Üretiminde Lider Ülkeler (USGS, 2011) Çimento üretimi (milyon ton) Çin , ,000.0 Hindistan ABD Türkiye Brezilya Tipine göre yıllık çimento satış miktarları (milyon ton) CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Othe 70 Çimento üretim miktarları (milyon ton) TOPLAM CEM-II CEM-I CEM-II CEM- 0 (a) (b) Şekil 1. (a) Türkiye'de Tipine Göre Yıllık Çimento Satış Miktarları. (b) Yılları Arasında Türkiye Çimento Üretim Miktarları (TÇMB,2012) 2004 yılında Türkiye de Avrupa standartları norm haline getirilmiş ve TS EN 197 standardı benimsenmiştir. Bu standard ile CEM-I, CEM-II, CEM-III, CEM-IV ve CEM-V çimento tipleri tanımlanmıştır. CEM-I çoğunlukla Portland çimentosu içerip, %5 e kadar katkı malzemesi ihtiva edebilir. CEM-II de katkı malzemeleri oranı %35 e kadar çıkabilir. CEM- II oranından yüksek olmak üzere CEM-III yüksek fırın cürufu, CEM-IV puzolan içerir. CEM-V de fırın cürufu, puzzolan veya uçucu kül bir arada bulunur. Şekil 1-a da özetlenen tipine göre yıllık çimento satış rakamları TÇMB tarafından toplanan istatistiklere göre düzenlenmiştir. Görüldüğü gibi ülke genelinde 2011 yılı itibariyle en çok satılan çimento tipi CEM-I dir. İkinci sırada CEM-II yeralmaktadır. Bu çalışmanın ilerleyen aşamalarında yapılan hesaplamalar yıllarına odaklanmış ve sadece CEM-I tipi çimento ile sınırlandırılmıştır. Yapılacak hesaplamalar için çimento üretim verisi gereklidir. Toplam çimento üretim miktarı çimento üretim kapasitesinin kapasite kullanım oranı ile

4 çarpımından elde edilmiştir. Toplam üretim miktarı CEM-I ve CEM-II nin satış oranları ile çarpılmış ve bu sayede yaklaşık CEM-I ve CEM-II üretim miktarları hesaplanmıştır. Hesaplamalarda kullanılan veriler TÇMB nin istatistiklerinden elde edilmiştir, ve hesaplanan üretim miktarları Şekil 1-b de özetlenmiştir. Yaşam Döngüsü Analizi (YDA) YDA, ürün ve hizmetlerin çevresel etkilerini detaylı olarak analiz eden sistematik bir yaklaşımdır. Çevresel Toksikoloji ve Kimya Topluluğu (Society of Environmental Toxicology and Chemistry) (SETAC, 1993) tarafından geliştirilen YDA, bir ürünün ham maddelerinin (yeryüzünden) çıkarılmasından başlayıp üretimi, sevkiyatı, kullanımı ve son olarak atık hale gelmesi ya da geri dönüştürülmesini içeren tüm aşamaları içerir. Analizin amaç ve kapsamının belirlenmesi bu yöntemin ilk aşamasıdır. Sırasıyla envanter analizi ve etki değerlendirmesi ile devam eden YDA, sonuçların yorumlanması ve iyileştirilme önerileri ile neticelendirilir. Çevre Yönetim Sistemleri olarak bilinen ISO serisi kapsamında yer alan ISO (Environmental management - Life Cycle Assessment: Principles and Framework) (ISO, 2006a) ve ISO (Environmental management - Life Cycle Assessment: Requirements and Guidelines) (ISO, 2006b) standartları bulunmaktadır. Türk Standartları Enstitüsü (TSE) tarafından Hayat Boyu Değerlendirme adı altında yayınlanan standartlar: TS EN ISO 14040: Hayat Boyu Değerlendirme İlkeler ve Çerçeve ile TS EN ISO 14044: Hayat Boyu Değerlendirme Gerekler ve Kılavuz isimleriyle Türkçeye çevrilmiştir. ISO da da yer aldığıi gibi YDA yöntemi belli başlı dört ana aşamadan oluşur (Bakınız Şekil 2). YDA Yönteminin Aşamaları Amaç ve Kapsam Tanımı Envanter Analizi Etki Değerlendirmesi Yorumlama YDA Yönteminin Uygulama Alanları Ürün Değerlendirmesi ve Geliştirilmesi Stratejik Planlama Kamu Politikalarinin Belirlenmesi Pazarlama Diğer Şekil 2. YDA nin Aşamaları ve Uygulama Alanları (EPA, 2006; ISO, 2006a) İkinci aşama olan Envanter Analizi, YDA nın temelini oluşturur. Hizmet veya ürün (H/Ü) ile ilgili ham verilerin toplanması ve analiz edilmesini kapsayan bu aşama diğer aşamalara oranla daha fazla zaman almakta ve oldukça detaylı bir çalışma gerektirmektedir. Envanter Analizi, söz konusu H/Ü nün yaşam döngüsü boyunca tüketilen girdileri (ham madde, su, enerji) ile kullanım sonrası oluşan çıktılarının (gaz emisyonlari, katı ve sıvı atıklar, yan ürünler, vb.) bir araya getirildiği aşamadır. YDA çalışmasının üçüncü aşamasını teşkil eden Etki Değerlendirmesi bölümü, Envanter Analizi nde toplanan verilere dayanmaktadır. Bu bölümde, YDA nın ilk aşamasında tanımlanan potansiyel çevresel etki kategorilerine (iklim

5 değişikliği, asidifikasyon, ötrofikasyon, kanserojen etki vb.) göre H/Ü nün etkileri hesaplanmaktadır. Bunun yanı sıra, yaşam döngüsünün hangi aşamasında ne tür çevresel etkilerin ortaya cıktığı belirlenmektedir. Bu makale, Türkiye çimento sektörü kaynaklı CO 2 emisyonlarının analizi ile sınırlandırılmıştır; ayrıca Türkiye için gerekli etki kategorileri ile ilgili veriler bulunamadığından Etki Değerlendirme aşaması bu calışmada yer almamaktadır. YDA nın son aşaması olan Yorumlama bölümünde söz konusu çevresel etkiler değerlendirilmektedir. H/Ü nün yaşam döngüsü boyunca neden olduğu önemli çevresel etkiler bu bölümde ele alınarak, özellikle hangi süreçlerin bu etkileri doğurduğu belirlenerek çalışma sonlandırılmaktadır. Amaç ve Kapsam Tanımı Çimento Üretimi Yaşam Döngüsü Analizi Bu makalede, Türkiye de üretilen ve yaygın şekilde kullanılan CEM-I tipi çimentonun beşikten-kapıya sebep olduğu CO 2 emisyonları, YDA yöntemi uygulanarak hesaplanmıştır. Analizin fonksiyonel birimi Türkiye de üretilen 1 kg CEM-I tipi Portland çimentosudur. Çalışmanın sistem sınırları Şekil 3 te gösterilmektedir. Şekil 3. Çimento Üretim Sistemi Sınırları ve Kapsamı

6 Bu sınırlar içinde çimento üretimini oluşturan belli başlı süreçler tanımlanmış ve her bir işlem sırasında kullanılan kaynaklar (ham madde, yakıt, elektrik su, vb.) ile açığa çıkan CO 2 emisyonları gösterilmiştir. Sistem içinde karbon dioksit emisyonları her aşamada ortaya çıkmaktadır ve kaynakları bölümünde daha detaylı anlatılmaktadır. Çimento üretiminde dört ana oksite ihtiyaç duyulur: kalsiyum oksit (CaO), ~%65; silika (SiO 2 ), ~%22; aluminyum oksit (Al 2 O 3 ), ~%6; ve demir oksit (Fe 2 O 3 ), %3. Kireçtaşı ocakları kalsiyum için, kil ve kum yatakları silis, aluminyum ve demir için kullanılır. Çimento fabrikaları bu malzemeleri temin etmek için yakın mesafedeki ocakları kullanırlar. Ocaklarda yerkabuğundan çıkarılan bu malzemeler fabrikaya taşınmadan önce, sabit ya da hareketli kırıcılarla parçalanır. Parçalanan ham maddeler kısa mesafelerde çogunlukla konveyor (kayışlı, borulu, vb) ile taşınırlar. Gereken diğer malzemeler daha uzak mesafelerden de getirilebilir, bu gibi durumlarda kamyon, gemi veya demir yolu taşıması uygulanmaktadır. Ancak, bu durum sevkiyat sırasında açığa çıkan emisyonları, dolayısıyla çevre etkilerini artırmaktadır. Türkiye de çimento fabrikaları kuru sistemi tercih etmektedir. Bu sistemde, fabrikaya getirilen ham maddeler uygun oranlarda karıştırılıp, öğütülür ve homojen hale getirilir. Öğütülmüş ve homojenize edilmiş çimento ham maddesine farin adı verilir. Yakma işleminde kullanılacak kömür, petrokok gibi katı yakıtlar da önceden öğütülür. Ham madde, klinker ve katı yakıt öğütülmesi esnasında çimento üretimi için kullanılan toplam elektriğin %60 - %70 i tüketilir. Öğütme sırasında kullanılan teçhizata ve elektrik üretimini teşkil eden enerji kaynaklarına bağlı olarak değişen miktarlarda CO 2 emisyonu açığa çıkmaktadır. Öğütme sonrasında istenen ürün inceliği ve de öğütülen malzemelerin öğütülebilirliği de emisyon miktarını etkilemektedir. Enerji tasarrufu sağlamak için, kuru sistemli modern çimento fabrikaları ham madeleri döner fırına girmeden önce ön-ısıtıcıdan geçirir. 60 metreye kadar ulaşan bu kademeli ön-ısıtıcı kuleleri seri halinde dikey siklon odalarından oluşur, ve bu kuleler döner fırın kaynaklı sıcak çıkış gazları ile beslenir. Kuleler içerisinde yukarı doğru ilerleyen farin çıkış gazları sayesinde belli bir sıcaklığa kadar ısınır. Bazı fabrikalarda, enerji tasarrufunu daha da arttırmak için sisteme ön-ısıtıcının yanı sıra önkalsinator de eklenmektedir. Hammadeler ön-ısıtıcıdan (ya da varsa ön-kalsinatörden) sonra yukarı (soğuk) ucundan döner fırına verilmektedir. Çimento fabrikasının kalbi olarak düşünülebilecek döner fırın çapı 6 metreye kadar çıkan, yatay eğimli (%2-4) ince-uzun bir silindir şeklindedir, ve istenen çimento üretim kapasitesine ve kullanılan teknolojiye göre degişik büyüklüklerde olabilir. Çelikten yapılmış fırın mantosunu yüksek sıcaklıktan korumak ve aynı zamanda enerji tasarrufu sağlamak için içi refrakter malzeme ile kaplıdır. Dakikada 3-5 kere dönen fırının içerisinde yavaş yavaş asağı doğru kayan malzemeler aşamalı sıcaklık bölgelerinden geçer. Fırın içerisindeki reaksiyonlardan en önemlisi yaklaşık 900 C de gerçekleşen kireçtaşının kalsinasyonudur ( ), ve reaksiyon sonucunda yüksek miktarda CO 2 açığa çıkmaktadır. Ön-kalsinatorlü sistemlerde kalsinasyonun büyük bir kısmı farin fırına girmeden önce tamamlanır. Fırının en sıcak yeri sinter bölgesidir, ve burada sıcaklık ~1,450 C ye ulaşır, ve bu sıcaklıkta ana oksitleri bir araya getiren klinkerleşme (sinterleşme) reaksiyonu gerçekleşir. Ön-ısıtıcılı kuru sistemlerde özgül pişirme ısısı 3,100-4,200 MJ/ton.klinker aralığına tekabul ederken, önısıtıcı ve ön-kalsinatörlül sistemlerde 3,000-<4,000 MJ/ton.klinker dir (IPPC, 2009). Ham madeler fırından klinker olarak çıkar. Nihai ürün, sıcak klinkerin soğutulup belli miktarda alçıtaşı, kireçtaşı, uçucu kül, cüruf gibi malzemeler ile öğütülmesi ile oluşur. Klinkere katılan diğer malzemelerin oranı, ve nihai ürünün inceliği üretilen çimentonun tipini

7 belirler. Sayıları her gecen gün biraz daha azalan yaş sistem kullanan çimento fabrikalarında ham maddeler %45-50 oranında su eklenerek öğütülür ve bulamaç haline getirilir. Bu bulamaç pompalar aracılığı ile döner fırına beslenir; ve fırın içerisinde çeşitli ısı aşamalarından geçerek klinker haline gelir. Bu süreçte, önce 100 C de bulamaç suyunu kaybeder; sonrasında kalsinasyon ve sinterleşme reaksiyonları gerçekleşir. Bu sebeple, aynı miktarda klinker üretmek için kuru sistemli bir fabrikada gereken fırın uzunluğu yaş sistemli bir fabrikadakinden oldukça kısadır (Worrell, Price, Martin, Hendriks and Meida, 2001). Yaş sistemlerde özgül pişirme ısısı yaklaşık olarak 5,000 6,400 MJ/ton.klinker civarındadır (IPPC, 2009). Ham maddelere su katılması ve bu suyun çimento fırınında tekrar buharlaştırılması enerji ihtiyacını çok büyük oranda artırmaktadır. Türkiye de yaş sistem ile üretim yapan çimento fabrikalarının hemen hepsi üretim kapasitelerinin arttırması, ya da yakıt ekonomisinin sağlanması amacı ile kuru sisteme çevrilmiştir. Envanter Analizi Girdiler : Enerji ve ham madde kullanımı Daha önceki paragraflarda da bahsedildiği gibi, çimento sanayi oldukça yoğun enerji ve hammadde tüketen bir sanayi dalıdır. Türkiye de klinker ve CEM-I tipi çimento üretiminde kullanılan belli başlı girdiler ve birim ürün başına kullanılan miktarları Tablo 2 de özetlenmiştir. YDA analizi CEM-I tipi çimento için yapıldığından klinker %5 oranında alçıtaşı ile öğütülür ve karıştırılır. Katkılı çimentolarda alçıtaşına ek olarak uçucu kül, cüruf gibi mineral katkı malzemeleri de kullanılmaktadır. YDA kapsamında yapılacak CO 2 ve dolayısıyla enerji analizi için, bu tabloda yer alan girdilerin yanı sıra Tablo 3 ve Tablo 4 te belirtilen enerji ve elektrik üretim bilgilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tablo 2. Türkiye Çimento Üretiminde Kullanılan Ortalama Ana Girdiler (DPT, 2006) Girdiler Miktar (±) Birim Hammadde Kalker (kireçtaşı) 1,025 kg/ton.klinker Marl, kil 528 kg/ton.klinker Diğer (boksit, demir cevheri, kum, vb) 48 kg/ton.klinker Yardımcı Malzeme Alçı 50 kg/ton. CEM-I çimento Elektrik 110 (± 5) kwh/ton.çimento Yakıt 800 (± 50) kcal/kg.klinker Türkiye de çimento üretiminde tüketilen yakıt kaynaklı enerji gereksinimi 3,350 ± 210 MJ/ton.klinker (ya da 800 ± 50 kcal/kg.klinker) olarak hesaplanmıştır. Avrupa geneline bakıldığında bu rakam 3,762 MJ/ton.klinker civarındadır (DPT, 2006; Canpolat, Atımtay, Munlafalıoğlu, Kalafatoğlu ve Ekinci, 2002). Türkiye çimento sektörü yakıt olarak genellikle petrokok ve kömür (yerli kömür ve çoğunlukla linyit) kullanmaktadır. Sektördeki modernizasyon çalışmaları kapsamında kullanılacak yakıtın ısıl değerinin 5,500 kcal/kg üzerinde olması tercih edilmektedir. Yüksek kalorili kömür kullanıldığında daha az kuru yakıt öğütülmekte, stok ihtiyacı düşmekte ve fırın kapasitesi yükselmektedir. Düşük kalorili kömür kullanılması durumunda - ki Türkiye de yeterince yüksek kalorifik değerde kömür

8 bulunmamaktadır - yüksek kalorifik değere sahip alternatif yakıtlar (petrokok, bitümlü kömür, vb.) karıştırılarak kalori yükseltilir (DPT, 2006). (Bakınız:Tablo 3). Tablo 3. Türkiye Çimento Sektöründe Kullanılan Yakıt Tip ve % Miktarları (DPT, 2006) Yakıt tipi Isil değer Ortalama yakıt kullanımı (% miktar) (kcal/kg) Petrokok 7, Ithal Kömür 6, Yerli Kömür 4, Türkiye de çimento üretiminde ortalama 110 ± 5 kw h/ton.çimento elektrik kullanılmaktadır. Avrupa genelinde bu rakam 100 kwh/ton.çimento civarındadır (DPT, 2006; Canpolat, Atımtay, Munlafalıoğlu, Kalafatoğlu ve Ekinci, 2002) yılları için Türkiye çimento sektöründe elektrik üretiminde kullanılan enerji kaynaklarının dağılımı Tablo 4 te gösterilmiştir. Tablo Yılları Türkiye Elektrik üretiminde Kullanılan Enerji Kaynakları (Köne ve Büke, 2007) Enerji Kaynağı (% miktar) Doğal gaz Hidro Kömür Petrol Biomass Jeotermal Rüzgar Çıktılar: Karbon dioksit emisyonları Giriş bölümünde de anlatıldığı üzere, çimento sektörü dünyadaki belli başlı karbon dioksit (CO 2 ) emisyon kaynaklarından biridir. Emisyonların miktarı ve türü, çimento fabrikalarında kullanılan ham madde ve yakıtların cinsine, kullanılan üretim teknolojilerine, elektrik üretiminde kullanılan yakıit kaynaklarının türüne göre önemli farklılıklar gösterir (IPPC, 2009). Çimento sektörünün, enerji yoğun üretim sanayilerinden birisi olması sebebiyle Amerika ve Avrupa daki çimento üretimi YDA larının hemen hepsinde CO 2 emisyonları analiz edilmiştir (Boesch ve Hellweg, 2010; Boesch, Koehler ve Hellweg, 2009; Huntzinger ve Eatmon, 2009; Josa, Aguado, Heino, Byar ve Cardim, 2004; Marceau, Nisbet ve VanGeem, 2006). CO 2 emisyonları çimento üretim sistemi (Şekil 3) içinde aşağıdaki süreçlerden kaynaklanmaktadır: Ham maddenin dekarbonizasyonundan. Literatürde, ortalama 510 kg CO 2 /ton. klinkerdir (Athena, 1999; van Oss, 2005), 2005); Fırında kullanılan yakıtın içindeki karbondan. Amerika için ortalama 430 kg CO 2 /ton.klinker olarak hesaplanmıştır (van Oss, 2005);

9 Çimento Üretim Aşamaları 2. Proje ve Yapım Yönetimi Kongresi, Eylül 2012 Fırın dışında hammaddenin ocaktan çıkarılışı, katkı minerallerinin hazırlanması ve bu malzemelerin bir yerden bir yere taşınması sırasında kullanılan yakıtın içindeki karbondan. Kullanılan ekipman ya da taşıt cinsine ve uzaklığa göre değişiklik gösterir; Üretim sırasında ekipmanları çalıştıran (fırın, kurutucular, soğutucular, öğütücüler, vb.) elektriğin üretilmesinde kullanılan yakıtın içindeki karbondan. Elektrik üretiminde kullanılan kaynağın cinsine göre emisyon değeri büyük farklılık gösterir; Elektriğin üretildiği santralin inşaatı, taşımada kullanılan yol ve taşıtın yapımı, tamiratı, ve operasyonu sırasında - kısacası tedarik zincirinde - yer alan karbon kaynaklarının göz önünde bulundurulması tavsiye edilir. Analiz ve Sonuçlar Amerika ve Avrupa daki çimento üretimi YDA larında oldugu gibi bu makalede de çimento sektörünün sebep olduğu CO 2 emisyonları beşikten-kapıya YDA uygulanarak hesaplanmıştır. Hesaplamalar için UC Berkeley de geliştirilen GreenConcrete LCA (Gürsel, 2012) isimli Excel-bazlı bir yazılım seçilmiştir. Hesaplamalarda Türkiye genelindeki ortalama çimento üretim yöntemleri ve teknolojileri baz alınmıştır. Analizin neticesinde Türkiye de çimento üretim aşamalarında doğrudan (üretim süreçleri sırasında kullanılan yakıtlar, vb.) ve dolaylı (elektrik üretiminde kullanılan yakıt ve tesislerin dolaylı etkileri) açığa çıkan CO 2 emisyonları bulunmuş, sonuçlar Şekil 4 te özetlenmiştir. Malzemelerin kamyonla taşınması Fabrika içerisinde malzemelerin taşınması Mineral katkıların hazırlanması Ince öğütme 18 Klinker soğutulması 4 Kalsinasyon reaksiyonu 496 Klinker pişirilmesi 598 Fırın için Yakıt hazırlanması 31 Ön-homojenizasyon/öğütme/karıştırma Hammaddenin ocaktan çıkarılması Karbon dioksit emisyon miktarı (kg CO 2 /ton.cem-i tipi çimento) Şekil 4. Türkiye de üretim süreçlerine göre CEM-I tipi çimentodan kaynaklanan CO 2 emisyonları (kg CO 2 /ton.çimento) Bu sonuçlara göre Türkiye de bir ton CEM-I tipi çimento üretimi sırasında 1,165 kg CO 2 açığa çıkmaktadır. Toplam CO 2 emisyonların yaklaşık %94 u klinkerin pişirilmesi ve kalsinasyon kaynaklıdır. Bu rakamı yakıt, hammadde ve klinkerin öğütülmesinde kullanılan elektrik kaynaklı emisyonlar izler (toplamın %5 i). Geri kalan yüzde 1 ise hammaddenin

10 ocaktan çıkarılması, kamyonla taşınması, malzemelerin fabrika içinde konveyörlerle taşınması ve klinkerin soğutulması süreçlerinden kaynaklanmaktadır. Çimento fabrikalarının modernleştirilmesi ve daha verimli hale getirilmesi emisyonları önemli miktarda azaltmaktadır. Bu bağlamda Türk çimento sektörü üzerine düşeni yapmaktadır. Bu modernizasyonlara rağmen kalsinasyon sırasında açığa çıkan CO 2 miktarı değişmemektedir. Puzolanik özelliği olan doğal veya yapay mineral katkılar kullanarak katkılı çimento üretildiğinde klinker tüketimi azaltmaktadır. Buna paralel olarak enerji tasarrufu sağlanmakta, doğal ham madde kullanımı düşmekte, CO 2 emisyonları azalmaktadir. Ek olarak, genellikle katkılı çimentoların maliyeti daha düşüktür. Yıllar ilerledikce ülkemizde mineral katkı maddelerinin betonda kullanımı artmaktadır. Belli başlı mineral katkı malzemelerine örnek olarak demir üretim işleminin yan ürünü olan granüle yüksek fırın cürufu ve kömürün yanmasından ortaya çıkan atıklardan uçucu küller gösterilebilir. Türkiye de elektrik enerjisi, doğal gaz ve hidroelektrik santrallerden sonra kömüre, özellikle de linyite dayalı termik santrallerden elde edilmektedir (Tablo 4). Düşük kalorili linyit kömürü termik santrallerde yakılarak elektrik enerjisine dönüştürülürken çok miktarda uçucu kül atık olarak ortaya çıkmaktadır. Uçucu kül yanma sonucu ortaya çıkan gazlardan elektrostatik yöntemlerle filtre edilen mikron büyüklüğünde granüler malzemelerdir. Turkiye deki termik santrallerde kullanılan linyitlerin kül oranları oldukça yüksektir (%17-%46) ve bu oran yılda yaklaşık olarak 13 milyon ton uçucu küle tekabul etmektedir (EÜAŞ, 2008; Fırat ve Cömert, 2011). Türkiye deki uçucu küller ile ilgili yapılan deneysel bir çalışmda, uçucu küllerin öğütme işlemi yapılmadan doğrudan çimento üretiminde veya üretim sonrası ikame metodu ile çimentonun bir bölümü yerine kullanılabileceğini göstermektedir (Aruntaş, 2006). Bu sebeple makale kapsamında Türkiye de kullanılabilirliği ve arzı yüksek olan uçucu kül ile yapılan katkılı çimentoların çevresel etkileri incelenmiştir. CEM-I çimento tipi için uygulanan YDA yöntemi bu kez %10-%40 uçucu kül ve sırasıyla %90-%60 Portland çimentosunun karıştırılması ile elde edilen katkılı çimento üretimine uyarlanmıştır. CEM-I YDA sı için öngörülen varsayımlar katkılı çimento için de geçerlidir. Ek olarak uçucu külün termik santralden çimento fabrikasına taşınması (dizel kamyon ve 500 km) ve hazırlanması aşamasındaki etkileri göz önünde bulundurulmuştur. YDA sonuçları Şekil 5-a te karşılaştırılmıştır yılı için, Türkiye de CEM-I tipi çimento üretiminin karbon ayak-izi ile CEM-I tipi yerine uçucu kül katkılı çimento üretimi yapılsaydı oluşacak toplam CO 2 emisyonları Şekil 5-b de sunulmuştur. Uçucu kül katkılı çimentoların ülke genelinde CO 2 emisyonlarını ne miktarda azaltabileceği açıkça görülmektedir. Pek çok makale ve çalışmada alternatif malzemelerin çimento üretiminden kaynaklanan CO 2 emisyonlarını azaltacağı yönünde tavsiyeler bulunmasına rağmen, çoğunlukla emisyonlardaki azalmanın ne miktarda olacağı analiz edilmemektedir. Bu çalışmada YDA yöntemi kullanılarak gerek Portland çimentosu gerekse uçucu kül katkılı çimentolardan kaynaklanan CO 2 emisyonları hesaplanmış ve YDA sayesinde öneri niteliğindeki sonuçlar rakamsal değerlere dönüştürülmüştür. Çevre bilinci içinde hareket eden Türk çimento sektörünün çevreye verdiği etkilerin denetimi, kontrolü ve iyileştirilmesine yönelik çalışmaları desteklemek amacıyla teknolojik gelişmeler paralelinde çalışmalara ve yatırımlara devam edilmektedir. Bu yatırımlar içerisinde çoğunlukla partikul maddelerin (toz) kontrol ve azaltılmasına ilişkin çözümler yer almaktadır. Ancak YDA sonuçları da göstermektedir ki teknolojik iyileştirilmelerin yanı sıra, çimento sanayinde alternatif malzemelerin kullanılması gerek Türkiye genelinde

11 gerekse küresel olarak CO2 emisyonlarını azaltmaktadır. Ayrıca, katkılı çimento üretiminin ne üretim işlemi emisyonlarına, ne çevreye, ne de nihai ürünün kalitesine olumsuz etkisi yoktur. Alternatif hammadde kullanımının madencilik ihtiyacını azaltması ve bu tür faaliyetlerin çevresel ayak izinin iyileştirilmesi gibi çeşitli yararları da bulunmaktadır. YDA analizi ile elde edilen sonuçlar da bunu desteklemektedir. Hammaddenin ocaktan çıkarılması Fırın için Yakıt hazırlanması Kalsinasyon reaksiyonu Ince öğütme Fabrika içerisinde malzemelerin taşınması Ön-homojenizasyon/öğütme/karıştırma Klinker pişirilmesi Klinker soğutulması Mineral katkıların hazırlanması Malzemelerin kamyonla taşınması %40 Uçucu kül katkılı çimento %30 Uçucu kül katkılı çimento %20 Uçucu kül katkılı çimento %10 Uçucu kül katkılı çimento CEM-I tipi çimento (a) CO 2 emisyon miktarı (kg.co 2 / ton.çimento) %40 Uçucu kül katkılı çimento %30 Uçucu kül katkılı çimento %20 Uçucu kül katkılı çimento %10 Uçucu kül katkılı çimento CEM-I tipi çimento (b) 2011 için Türkiye'de Toplam Çimento Üretimi Kaynaklı CO 2 emisyon miktarı(milyon ton CO 2 ) Şekil 5. (a) CEM-I tipi çimento ve farklı oranlarda uçucu kül içeren çimentoların kg- CO 2 /ton. çimento olarak karşılaştırılması. (b) Türkiye 2011 yılı toplam CEM-I tipi çimento ve uçucu kül katkılı çimentoların üretiminden kaynaklanan CO 2 emisyonları açısından karşılaştırılması Kaynaklar

12 Aruntaş, H. Y. (2006). Uçucu Küllerin Inşaat Sektöründe Kullanım Potansiyeli, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ., Vol.21, No.1, Athena (1999). Cement and Structural Concrete Products: Life Cycle Inventory Update. Venta, Glaser and Associates, Ottawa, Canada. Boesch, M. E., and Hellweg, S. (2010). Identifying Improvement Potentials in Cement Production with Life Cycle Assessment, Environmental Science and Technology, Vol. 44, No.23, Boesch, M. E., Koehler, A., and Hellweg, S. (2009). Model for Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment of Clinker Production, Environmental Science and Technology, Vol.43, No.19, Canpolat, B. R., Atımtay, A. T., Munlafalıoğlu, I., Kalafatoğlu, E., and Ekinci, E. (2002). Emission factors of cement industry in Turkey, Water Air and Soil Pollution, Vol.138, No.1-4, Cembureau (2012). Key facts and figures. Erişim Tarihi: DPT (2006). Dokuzuncu Kalkınma Planı ( ) Taş ve Toprağa Dayalı Sanayiler Özel Ihtisas Komisyonu - Çimento Sanayii Ön Raporu, T.C. Başbakanlık Devlet Planlama Teşkilatı Müsteşarlığı, Ankara, Türkiye. EPA (2006). Life Cycle Assessment: Principles and Practice, US Environmental Protection Agency - National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, Cincinnati, Ohio. EÜAŞ (2008). Eğitim Ders Notları, Elektrik Üretim A.Ş. Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye. Fırat, S., and Cömert, A. T. (2011). Uçucu Kül, Kireç ve Çimento ile Iyileştirilmiş Kaolinde Kür Süresinin CBR Üzerine Etkileri, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ., Vol.26, No.4, Gartner, E. (2004). Industrially interesting approaches to "low-co2" cements, Cement and Concrete Research, Vol.34, No.9, Gürsel, P. (2012). GreenConcrete LCA Tool. Erişim Tarihi: Huntzinger, D. N., and Eatmon, T. D. (2009). A life-cycle assessment of Portland cement manufacturing: comparing the traditional process with alternative technologies, J. of Cleaner Production, Vol.17, No.7,

13 Josa, A., Aguado, A., Cardim, A., and Byars, E. (2007). Comparative analysis of the life cycle impact assessment of available cement inventories in the EU, Cement and Concrete Research, Vol.37, No.5, Josa, A., Aguado, A., Heino, A., Byars, E., and Cardim, A. (2004). Comparative analysis of available life cycle inventories of cement in the EU, Cement and Concrete Research, Vol.34, No.8, IPPC (2009). Draft Reference Document on Best Available Techniques in the Cement, Lime and Magnesium Oxide Manufacturing Industries, European Commission Directorate- General JRC Joint Research Centre, Institute for Prospective Technological Studies, Competitiveness and Sustainability Unit, European Integrated Pollution Prevention Control Bureau, Seville, Spain. ISO (2006a). Environmental management - Life Cycle Assessment: Principles and Framework. ISO 14040:2006, International Organization for Standardization Geneva, Switzerland. ISO (2006b). Environmental management - Life Cycle Assessment: Requirements and Guidelines. ISO 14044:2006, International Organization for Standardization Geneva, Switzerland. Köne, A. Ç., and Büke, T. (2007). An Analytical Network Process (ANP) evaluation of alternative fuels for electricity generation in Turkey, Energy Policy, Vol.35, No.10, Marceau, M. L., Nisbet, M. A., and VanGeem, M. G. (2006). Life Cycle Inventory of Portland Cement Manufacture. Portland Cement Association, Skokie, IL. van Oss, H. G. (2005). Background Facts and Issues Concerning Cement and Cement Data, U.S. Department of the Interior - U.S. Geological Survey. van Oss, H. G., and Padovani, A. C. (2003), Cement Manufacture and the Environment Part II: Environmental Challenges and Opportunities, J. of Industrial Ecology, Vol.7, No.1, SETAC (1993). Guidelines for Life Cycle Assessment - A Code of Practice, Society of Environmental Toxicology and Chemistry, Pensacola, FL. TÇMB (2012) Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği. Erişim Tarihi: USGS (2011) Mineral commodity summaries (cement). minerals/pubs/commodity/cement. Erişim Tarihi: Worrell, E., Price, L., Martin, N., Hendriks, C., and Meida, L. O. (2001). Carbon dioxide emissions from the global cement industry, Annual Review of Energy and the Environment, Vol.26, No.1,