Bu metin 23 24 Eylül 2014 tarihlerinde Kocaeli Üniversitesinde düzenlenen Uluslararası Enerji ve Güvenlik Kongresi başlıklı konferansta sunulan tebliğdir. This paper was presented in International Energy and Security Congress that took place at Kocaeli University, Turkey on September 23 24, 2014.
ENERJĐ VERĐMLĐLĐĞĐ DEĞERLENDĐRMESĐNE YÖNELĐK BĐR KARAR DESTEK SĐSTEMĐ Ümit ÜNVER 1, Hasan Hüseyin TURAN 2, Berker SĐPAHĐ Özet Ülkemizde özellikle sanayi sektöründe enerjiye olan talep hızla artmaktadır. Sanayi sektöründe enerji yoğun olarak kullanılmakta ve diğer sektörlere göre en yüksek tüketim değerlerine ulaşmaktadır. Mevcut kaynakların yetersiz kalmasından dolayı enerji verimliliği çalışmalarına ve sanayide enerji yönetimi konularına önem verilmesi zorunluluk halini almıştır. Đşletmelerdeki enerji verimliliği çalışmaları sadece maliyet azatlımı değil, aynı zamanda sektörde rekabet gücü artımı da sağlayacağından büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada sanayide yoğun enerji tüketilen sektörlerden biri olan çelik sektöründe enerji verimliliği uygulamaları için anlık enerji kullanımı görüntüsü sağlamaya yönelik bir karar destek sistemi tasarlanmaya çalışılmıştır. Geliştirilen yazılım ile karar vericilerin üretim aşamalarının her birindeki enerji tüketimlerinin yanı sıra oluşan maliyetleri görmesi hedeflenmiştir. Sonrasında ise, firma ve tüm departmanlar için enerji karneleri elde edilerek görsel olarak sunulmuştur. Son olarak, kullanıcının geliştirilen ara yüz sayesinde farklı üretim alternatiflerini denemesi durumunda oluşan farklı senaryolar analiz edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Enerji Verimliliği, Anlık Enerji Durumu Görüntüleme, Karar Destek Yazılımı, Enerji Karnesi 1. Giriş Enerji, günlük hayattaki en temel ihtiyaçların karşılanması ve ülkelerin ekonomik ve sosyal olarak kalkınmasında en önemli ihtiyaçlardan biridir. Günümüzde en önemli enerji kaynağı olan fosil yakıtlar hızla tükenmekte ve bu nedenle enerjinin verimli kullanımı ile ilgili yeni sistemlere gereksinim duyulmaktadır. Enerji arz güvenliğini sağlamak, enerjide dışa bağımlılığı azaltmak ve iklim değişikliği ile mücadelede etkinliği artırmak için de, enerji verimliliğin artırılması ve enerji yoğunluğunun azaltılması gerekmektedir. 1 Yrd. Doç. Dr. Yalova Üniversitesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü Merkez, 77100, Yalova, Türkiye, umit.unver@yalova.edu.tr 2 Yrd. Doç. Dr. Yalova Üniversitesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü Merkez, 77100, Yalova, Türkiye, hasan.turan@yalova.edu.tr 518
Enerji sektörü, ülkelerin kalkınma politikaları içinde çok büyük bir öneme sahiptir. Enerji fiyatlarındaki artış, küresel ısınma ve iklim değişikliği konularına olan hassasiyet, küresel olarak enerjiye olan talep artışı ve en önemli enerji kaynağı olan fosil kaynakların tükenmekte olması ülkelerin enerji güvenlikleri konusundaki kaygılarını daha da artırmaktadır. Şekil 1. 1980-2030 yılları arası Dünyadaki enerji üretim-tüketim durumu ve projeksiyonu [1] Şekil 1 de 1980-2030 yılları arası dünyadaki enerji üretim-tüketim durumu ve projeksiyonu verilmiştir. Görüldüğü üzere, 15-20 yıllık süre içerisinde dünya enerji üretim ve tüketim miktarları arasındaki fark daha da açılacak ve üretim miktarı talebi karşılayamayacak duruma gelecektir. Oluşacak bu enerji açığını azaltmak için enerji tüketiminde verimlilik arttırıcı uygulamalar son derece önem arz etmektedir. 2. Türkiye de Enerji Durumu Gelişmekte olan birçok ülkede olduğu gibi Türkiye de de enerji tüketimi hızla artmaktadır. Enerji verimliliği çalışmalarına gereken önemin verilmemesi bu tüketimin daha hızlı artmasına sebep olmaktadır. 2012 yılı sonunda Türkiye deki elektrik üretimi 241,900 GWh civarındadır. 2023 yılında bu değerin 450,000 GWh değerine ulaşması öngörülmektedir. 2012 yılında toplam ithalatın %60 ını petrol, doğalgaz ve kömür oluşturmaktadır. Şekil 2 de verilen, Elektrik Đşleri Etüt Đdaresi tarafından hazırlanan Türkiye nin 2005 yılına kadar enerji tüketimi ve yüksek/düşük senaryolara göre 2018 yılına kadar enerji talebi projeksiyonunda, Türkiye nin enerji tüketiminin 2008 yılında 200.000 GWh olduğu ve 2018 yılına kadar 360.000 GWh a çıkacağı belirtilmektedir. Yine aynı projeksiyonda 2008 yılında 519
30.000 MW olan puant yük ihtiyacının 2018 yılına kadar 55.000 MW a kadar çıkacağı ve 10 Yıl içerisinde Türkiye nin enerji ihtiyacının %83 oranında artacağı ifade edilmektedir. Enerji üretiminin talebi karşılamada yetersiz kalması ve yeni enerji kaynakların sınırlı olması nedenleriyle enerjiyi ithal etmek zorunlu bir hal almıştır. Bu, enerjinin tüm sektörlerde daha verimli kullanılmasının gerektiği anlamına gelmektedir. Ş ekil 2. Türkiye nin 2005 yılına kadar enerji tüketimi ve yüksek - düşük senaryoya göre 2018 yılına kadar enerji talebi projeksiyonu [2]. Enerji verimliliği çalışmaları kısaca, enerji kayıplarını önlemek, çeşitli atıkların geri kazanımı ve değerlendirilmesi, üretimin düşürülmeden enerji talebinin azaltılması ve enerji geri kazanımları gibi etkinliği artırıcı önlemlerdir. Enerji verimliliği çalışmalarında önemli olan; ihtiyaç duyulan üretim enerjisinin minimizasyonudur. Endüstride enerji verimliliği çalışmaları olmadan kuruluşların rekabet gücünü koruması ve sürdürülebilir üretim gerçekleştirmesi zor hale gelmektedir. Enerji Verimliliği Strateji Belgesinde belirtilen önlemlerin uygulanmasıyla ülkemizde enerji yoğunluğunun 2011 yılına göre en az %20 azaltılması amaçlanmaktadır. O halde enerji verimliliği çalışmalarını nereden başlatmak gerektiği belirlenmelidir. 520
Şekil 3. Türkiye Nihai Enerji Tüketiminin Sektörlere Payları. (2010) [3] Şekil 3 te Türkiye nihai enerji tüketiminin sektörlere payları verilmiştir. Ülkemizde enerji en yoğun olarak sanayi sektöründe kullanılmakta, yani diğer sektörlere göre en yüksek tüketim değerlerine ulaşılmaktadır. Bu nedenle sanayide sektöründe enerji yönetimi ve enerji verimliliğine önem verilmesi bir zorunluluktur. Rekabetin artması ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi gerekliliğinin de sektörde baskı oluşturması sonucunda ülkemizdeki enerji verimliliği çalışmaları sanayi sektöründe başlamıştır. Çizelge 1 de verilen sektörlerin enerji tasarruf potansiyelleri incelendiğine, sanayi sektörleri içinde en yüksek enerji tasarruf potansiyeline sahip olan sektörlerden birinin demir çelik sektörü olduğu görülmüştür. Bu potansiyel değerlendirmesi, sanayide yaklaşık olarak karşılığı 5,7 milyon TEP olan %18,6 enerji tasarrufunu göstermektedir. Çizelge 1. Sektörlerin Enerji Tasarruf Potansiyeli [4]. Enerji Tasarrufu Potansiyeli (%) Sektör Elektrik Isı Demir çelik 21 19 Çimento 25 29 Cam 10 34 Kağıt 22 21 Tekstil 57 20 Gıda 18 32 Kimya 18 64 521
Türkiye coğrafi konumundan dolayı küresel pazarlarda önemli bir rekabet avantajına sahiptir. Bu nedenle Türk demir çelik sektörünün dünya çelik üretimi sıralamasında daha ön sıralarda yer alma potansiyeli bulunmaktadır. Đmalat sektörünün lokomotifi niteliğinde olan demir çelik sektörünün enerji tüketiminde de önemli bir yeri vardır. Tablo da Demir Çelik Sektörünün Elektrik Enerjisi Tüketimi verilmektedir. Çizelge 2 de demir-çelik sektörünün elektrik enerjisi tüketimi verilmiştir. Çizelgede de görüldüğü gibi demir çelik sektörü ülkemizdeki toplam elektrik tüketimi içerisinde %22 gibi yüksek bir paya sahiptir. Bu yüzden bu çalışmada enerji verimliliği görüntüleme sistemine yönelik araştırmaların, diğer sektörlere göre daha yoğun enerji tüketimi olan demir çelik sektöründen başlatılması uygun bulunmuştur. Çizelge 2. Demir-çelik sektörünün elektrik enerjisi tüketimi [5]. 2010 Pay (%) Demir Çelik Sektörü 1925 22 Tüm Sektörler 8690 100 3. Enerji Yönetim Sistemi Hemen her yönetim sisteminde olduğu gibi, Enerji Yönetim Sistemlerinde de yönetim akışı, Şekil 4 te verilen, PUKO döngüsüyle sembolize edilebilir. Yönetim sistemlerinin ilk adımı; Enerji politikasının oluşturulmasıdır. Sistem yönetiminin bu konudaki vizyonunu ve misyonunu belirlemesi gerekir. Uygulanabilir politikalar ve ulaşılabilir hedefler tespit edilerek iyileştirme çalışmaları başlatılır. Enerji Politikası Planlama Yönetimin Gözden Geçirmesi Uygulama ve Operasyon İç Denetim Kontrol ve Düzeltme Hareketleri Gözlem ve Ölçümleme Düzeltme ve Koruma Hareketleri Şekil 4. Enerji Yönetim Sistemi Akış Şemasının Şematik Gösterimi. 522
Đyileştirme çalışmaları, sistemin enerji verimliliği konusunda incelenmesi ve verimlilik arttırıcı projeler için uygun bir başlangıç noktasının seçimiyle başlar. Doğal olarak bir hedefe doğru gerçekleştirilecek iyileştirme çalışmalarının başlatılabilmesi için öncelikle mevcut durumun tespit edilmesi gerekir. Diğer bir deyişle; Neredeyiz? sorusu yanıtlanmadan Nereye gidiyoruz? sorusuna cevap aramak mantıklı olmayacaktır. Mevcut durum tespitinde enerji unsurları kanuni ve diğer gerekliliklere karşı mevcut durumu, mevcut enerji uygulamaları ve geçmişteki performansı belirler. Başka bir deyimle kuruluşun enerji kullanımı açısından fotoğrafı çekilir. Enerji verimliliği açısından bir sıralama yapıldıktan sonra planlama aşamasına geçilir. Bu çalışmanın amacı işletmenin enerji açısından ne durumda olduğunu fotoğraflamak için bir karar destek yazılımının geliştirilmesidir. Çalışma kapsamında geliştirilen görüntüleme algoritması bütün sistemlere, diğer bir değişle hizmet sektörü dahil olmak üzere bütün işletmelere uygulanabilecek şekilde tasarlanmıştır. Đşletmelerin süreçleri faklı operasyonlardan oluşan ve her operasyonu için farklı seçeneklerin bulunduğu evrensel süreçler olarak düşünülmüştür. Evrensel süreç yaklaşımının tanımlayan şematik bir gösterim Şekil 5 te verilmiştir. Uygulama yeri olarak bir çelik dövme işletmesi uygulama olarak tercih edilmiştir. Şekilde belirtilen her bir operasyon üretim sürecinin bir adımını temsil etmektedir. Bu çalışma kapsamında ele alınan çelik dövme prosesinin yalnızca dövme kısmı göz önüne alınmış, hammaddenin işletmeye girişinden ambara stoklanmasına kadar olan süreçler ihmal edilmiştir. Dolayısıyla çalışma kapsamında ele alınan proses için 1. Operasyon; Hammadde kesme operasyonu olarak tanımlanmıştır. Evrensel süreçler yaklaşımında işletme içerisinde her bir operasyonun birden fazla seçenekle gerçekleştirilmesi mümkündür. Örneğin incelenen işletmede, dövme prosesinin kesme operasyonu için, iki farklı testere çeşidi ve iki farklı kesme tezgahı (shearing) bulunmaktadır. Diğer bir değişle birinci operasyon için dört farklı kesme seçeneği söz konusudur. Üretime girecek hammaddeye göre her bir kesme seçeneği bazı kısıtlara cevap verebilmektedir. Hammaddenin malzemesi, geometrik şekli, ebatları gibi kısıtlara göre uygun tezgah seçimi ile operasyon gerçekleştirilmektedir. Enerji tüketimi konusunda seçilen tezgaha göre kesilen malzemenin birim kütlesi başına harcanan enerji hesaplanarak izlenmektedir. 523
Şekil 5 Evrensel işletme süreçleri yaklaşımı 4. Đzleme Yazılımı HORUS V1.0 Enerji izleme yazılımı olarak, HORUS V1.0, işletmede enerjinin verimli kullanılması için ilk geliştirilen, çoktan seçmeli bir metottur. Bu metotta, işletmedeki proseslerde kullanılan makine ve teçhizatlar işlevlerine göre sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma; kesme, fırın, dövme, ön dövme ve tamamlama işlemi olmak üzere beş operasyon olarak belirlenmiştir. Her bir operasyonda kullanılacak olan makine ve teçhizatın ismi, ilgili operasyon başlığı altında sıralanmış ve yanlarına seçme işlemi yapılabilecek checkbox lar konulmuştur. Örneğin; kesme işleminde kullanılması düşünülen makine seçileceği zaman, makine adı yazılı olan kutucuğun solunda bulunan checkbox fareyle işaretlenecektir. Aynı seçme işlemi fırın, dövme, ön dövme ve tamamlama operasyonlarına da uygulanabilir. Seçme işlemi yapılan kutucuklardaki operasyon değerleri işleme alınır, seçme işlemi yapılmayan kutucukların belirttiği operasyonlar işleme alınmayacaktır.. Beş operasyon için gerekli olan makineleri seçme işlemi yapıldıktan sonra, ürünün hammadde olarak gelişinden, ürün olarak çıkışına kadar geçen üretim süreçlerinde kullanılacak olan makineler belirlenmiş olmaktadır. Seçilen makinelerin saatlik güç tüketimleri, seçim işleminin ardından otomatik olarak ilgili operasyon başlığı altında ortaya çıkmaktadır. Seçilen makinelerin çalışma saatleri ilgili alanlara girilerek, o süre zarfında makinelerin tüketeceği güç de otomatik olarak hesaplanmakta ve ilgili alanda ortaya çıkmaktadır. Son olarak hammaddeden üretim tamamlanana kadar geçen süreçte kullanılan makinelerin, girilen saatlere göre günlük, haftalık, aylık enerji tüketim maliyetleri hesaplanabilmektedir. 524
Şekil 6a HORUS V1.0 enerji izleme yazılımı ekran görüntüsü. 5. Đzleme Yazılımı HORUS V2.0 Bu metot, işletmede enerjinin verimli kullanılması konusunda geliştirdiğimiz ikinci metottur. Bu metotta, her ürün için belli kısıtların sisteme girilmesi gerekmektedir. Malzeme çapı, malzeme boyutu vb. gibi kısıtlar makine ve teçhizat seçimini etkilemektedir. Bu nedenle makine ve teçhizat seçiminde de teknik bilgi gerekmektedir. Ayrıca bu metotta işçi sayısı ve iş gücü maliyeti de hesaplanabilmektedir. Şekil 6b HORUS V1.0 enerji izleme yazılımı ekran görüntüsü. Süreçteki beş operasyon için makineler seçildikten sonra her operasyonun altında kendine ait bilgiler oluşacaktır. Modelin sağ tarafında bulunan kutucukta ise günlük toplam kullanılan güç, günlük toplam enerji maliyeti, prosesteki günlük çalışacak işçi sayısı ve iş gücü maliyetleri ile hammadde maliyeti girildikten sonra toplam maliyet değerleri görülmektedir. Üretilen parça adedinin modelde ilgili bölüme girilmesi ile birlikte birim ürün başına düşen enerji miktarı ve birim ürün maliyeti hesaplanmaktadır. 525
Şekil 7 HORUS V2.0 enerji izleme yazılımı ekran görüntüsü. 6. Sonuçlar Bu çalışmada, yoğun enerji tüketilen sektörlerden biri olan çelik sanayi sektörünün enerji verimliliği metodolojisi, mühendislik yaklaşımları, teknolojileri ve uygulama yaklaşımları incelenmiştir. Çalışma sonucu elde edilen veriler sadece çelik sanayi sektörüne yönelik olmayıp tüm sektörlere uygulanabilecek niteliktedir. Çalışma sonucunda elde edilen enerji performans göstergesi işletmelerde enerji verimliliği çalışmaları nerede başlamalı, ne şekilde devam etmeli, sonuç olarak ne kadar enerji verimliliği elde edilebilir gibi sorulara ışık tutma amacındadır. Daha genel bir ifade ile çalışmanın amacı kuruluş içinde enerjinin verimli kullanılıp kullanılmadığını göstermektir. Bu çalışma kapsamında geliştirilen yazılım ile işletmede hangi bölümlerin verimli hangi bölümlerin verimsiz olduğu tespit edildikten sonra, alınması gereken önlemler ve üzerine çalışmaların başlatılması gereken bölümlerin tespit edilmesi konusunda da kolaylık sağlayacaktır. 7. Teşekkür Bu çalışma Yalova Üniversitesi Bilim ve Teknoloji uygulama ve Araştırma Merkezi (YÜBĐTAM), TÜBĐTAK 2241- A Sanayi Odaklı Lisans Tezi Destekleme Programı ve Yapı Tek A.Ş firması tarafından desteklenmiştir. Destekleyen kuruluşlara teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [1] Energy Information Administration, Annual Energy Review 2001, DOE/EIA- 0384(2001), Projections, Washington, DC, November 2002. 526
[2] TEĐAŞ, Türkiye Elektrik Enerjisi 10 Yıllık Üretim Kapasite Projeksiyonu (2009 2018), Haziran 2009. www.teias.gov.tr/kapasiteprojeksiyonu2009.pdf. Son Erişim: 12.10.2014 [2] TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Oda Raporu, Dünyada Ve Türkiye de Enerji Verimliliği, Genişletilmiş 3. Baskı Yayın No: MMO/589 Nisan 2012 [3] Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi Enerji Raporu, 2011, ISSN:1301-6318. Ankara, Aralık 2011. [4] Kalkınma Bakanlığı 10. Kalkınma Planı (2014-2018), Demir-Çelik Çalışma Grubu Raporu, Ankara 2014 527