Sanayide enerji verimliliği potansiyeli ve basınçlı hava sistemlerinde verimlilik
Energy efficiency potential in industry and energy efficiency in compressed air systems
Yazar: MURAT KAYA
Danışman: PROF. DR. FİLİZ BAYTAŞ ; PROF. DR. SERMİN ONAYGİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji = Energy ; Enerji analizi = Energy analysis ; Enerji ekonomisi = Energy economy ; Enerji geri kazanımı = Energy recovery ; Enerji sistemleri = Energy systems ; Enerji tasarrufu = Energy saving ; Yüksek basınçlı hava = High pressure air

Özet:
Küresel rekabet, sosyal ve ekonomik gelişmelere paralel olarak artan ülkelerin enerji ihtiyacı, günümüzde en önemli sorunlardan biri haline gelmiştir. Enerji maliyetlerinin yüksek olması ve enerji ihtiyacının giderek artması insanları alternatif enerji kaynaklarını araştırmaya yöneltmektedir.`En ucuz enerji tasarruf edilen enerjidir.? yaklaşımı ile mevcut enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması için tüm dünyada enerji tasarruf politikaları izlenmeye başlanmıştır. Özellikle piyasa ile rekabet içerisinde olan sanayi firmaları için enerji verimliliği büyük önem taşımaktadır.Bu çalışmanın amacı, Türkiye ve Dünyada sanayide yapılan verimlilik çalışmalarının dağılımlarının belirlenmesi ve basınçlı hava sistemlerinde yapılan iyileştirmelerin enerji verimliliğine etkilerinin incelenmesidir. Bu çalışmanın giriş bölümünde enerji verimliliğinin önemi ve yararları anlatılmaktadır. Verimliliğin göstergesi olan enerji yoğunluğuna göre çeşitli ülkelerin karşılaştırması ve sektörlerde yapılabilen çalışmalar verilmiştir.Endüstri çağından bugüne kadar atmosferde bulunan CO2 konsantrasyonu gitgide artmaktadır. Dünya ciddi önlemler almazsa sera gazları nedeniyle oluşan küresel ısınmanın büyük felaketlere yol açacağı tahmin edilmektedir. İşte bu amaçla küresel toplum ve devletler değişik senaryo çalışmaları yapmaktadır. 450 ppm sürdürülebilir bir dünya için hedef senaryolardan biridir.450 ppm senaryosu küresel sıcaklık artışının 2100 yılına kadar 2°C ile sınırlandırılmasına göre tasarlanmıştır. Enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji kaynaklarının arttırılması bu hedefin sağlanması diğer yöntemlere göre ön plandadır. Yıllık karbondioksit emisyon miktarının azaltılmasında %50?den daha büyük bir paya sahip olduğu için en efektif yöntemdir.İkinci bölümde sanayide enerji verimliliğinin önemi, Türkiye?nin enerji durumu ve sektörlerdeki enerji kullanım oranları, sanayide enerji verimliliği yapılan alanlar hakkında bilgi ve bu konuda yapılmış uygulama örnekleri verilmiştir. Ayrıca Dünyada ve Türkiye?de sanayide yapılan enerji verimliliği çalışmalarının bu alanlar içindeki dağılımları karşılaştırılmıştır. Bu araştırma sonucu basınçlı hava sistemlerinde yapılan çalışmaların oranının dünyadaki değerlerden daha az olduğu belirlenmiştir. Bu konudaki yayın ve uygulamanın azlığından ve havanın sıkıştırılmasının verimsizliğinden dolayı bu tez konusu seçilmiştir.Üçüncü bölümde ise basınçlı hava sistemleri hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Basınçlı havanın üretilmesi, işlenmesi, dağıtılması ve kontrolü süreçlerinde kullanılan donanımlar ve bunların kullanılacak yere göre seçimi hakkında bilgi verilip basınçlı hava sistemlerinde enerji verimliliğini artırma yöntemleri anlatılmıştır. Basınçlı havanın genelde ucuz ve bedava bir enerji kaynağı olduğu varsayılmaktadır. Fakat havanın sıkıştırılması işleminin verimsiz yapısı tüketilen enerjinin ancak %1-8 gibi küçük bir miktarı faydalı enerjiye dönüşmektedir. Bu da basınçlı havayı çok pahalı bir enerji taşıyıcı kılmaktadır. İşletmeye bağlı olmak üzere %30 seviyesinde enerji kaçaklar, kalitesiz bakım, yanlış uygulamalar ve kontrol yüzünden israf edilmektedir.Dördüncü bölümde, basınçlı hava sistemlerinde yapılabilecek enerji tasarrufu olanakları, üç farklı tesis üzerinden incelenmiştir. Yapılan tasarruf çalışmaları mevcut basınçlı hava sistemleri ile alternatif sistemlerin karşılaştırılması, hava kaçak miktarının ve etkisinin belirlenmesi, atık ısıdan yararlanma, kompresörün çıkış basıncının düşürülmesi, emiş havasının dış ortamdan alınması ve hız kontrol cihazlarının kullanılması olarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmaların enerji verimliliğine etkileri ve işletme maliyetlerindeki yaptığı tasarruflar incelenmiştir. Bu çalışma sayesinde basınçlı hava sistemlerinde yapılan düşük yatırım maliyetli küçük iyileştirmeler sayesinde büyük tasarruflar sağlanabileceği gösterilmiştir.Enerji tüketiminin izlenmesinin bir yönteminin olmadığı durumlarda işletmeler kompresörlerin ne kadar israf ettiğini bilmemektedirler. Bu durum yapılacak yatırımları daha da zorlaştırmaktadır. Bu nedenle mevcut sistemlerin öncelikle basınçlı hava analizinin yapılması gereklidir. Bu tez çalışmasında hava analizleri için kompresörlerin elektrik bağlantılarına yerleştirilen optik bağdaştırıcılar ile kompresörlerin yük-boş sinyalleri ve motor sinyalleri, hava tankı çıkışına yerleştirilen basınç sensörü ile de sistem basıncı ölçülmüştür.Bu firmalardan birinde mevcut kompresör sisteminin 10 iş günü boyunca hava analizi yapılıp hava üretim ve enerji tüketim değerleri çıkartılmıştır. Bu sistemin yerine aynı üretim kapasitesine sahip, daha verimli kompresörlerden oluşan üç alternatif kompresör sisteminin kullanılması durumunda sağlanabilecek tasarruf miktarları bulunmuştur.Bu alternatif sistemler içerisindeki en verimli sistemde, atık ısı geri kazanımı fizibilite çalışması yapılıp, kompresörlerden geri kazanılan sıcak havanın işletmenin bir bölümünün ısıtmasında altı ay boyunca kullanılması durumunda elde edilebilecek yakıt tasarrufu hesaplanmıştır.Diğer firmalarda mevcut kompresör sistemlerindeki kaçak miktarının hesaplanabilmesi için sistemde hava tüketiminin olmadığı bir süre içerisinde, hava deposu çıkışına bağlanan basınç sensörü yardımıyla basınç düşüşü izlenmiştir. Bu düşüş miktarı üzerinden kaçak miktarı bulunup, bu kaçağın önlenmesi durumunda elde edilecek tasarruf miktarı belirlenmiştir.Bunun yanında sistemdeki donanımların hava ihtiyaçlarının incelenmesi sonucu basınçla tüketilen enerji arasındaki doğru orantı nedeniyle kompresörün ortalama sistem basıncının 7 bar?dan 6,5 bar?a düşürülebileceği fark edilmiştir. Basınçtaki 0,5 bar seviyesindeki düşüş sayesinde tüketilen elektrik miktarı azaltılarak, yapılacak bu basınç düşüşünün enerji verimliliğine olan etkisi değerlendirilmiştir.Fabrikanın incelenmesi sırasında kompresörlerin emiş havasını iç ortamdan sağladıkları fark edilmiş ve emiş havası olarak dış ortama göre 10°C daha sıcak olan fabrika havasının yerine kanallar yardımıyla dışarıdan havanın çekilmesi durumunda ki enerji verimliliği potansiyeli araştırılmıştır. Sıcaklık ve yoğunluk arasındaki bağlantı nedeniyle emiş havasının sıcak olması durumunda daha az yoğunluğa sahip olmaktadır. Bu bağlantının sonucu olarak kütlesel akış ve basınç kabiliyeti düşmektedir. Bu durum neticesinde kapasitedeki düşüşe bağlı olarak genelde ek kompresörlerin devreye girmesi gerekmekte, bu da elektrik tüketimini artırmaktadır.Bunun yanında değişken yük taleplerini verimli şekilde karşılayabilmek için; kompresörlerde değişken hız sürücüleri kullanılması ile elde edilebilecek tasarruf miktarı da araştırılmıştır. Kompresörlerde talep düşmesi sonucu verimliliğin azalması nedeniyle motor devrini talebe uygun olacak şekilde ayarlayabilen sürücüler sayesinde verimlilik artırılabilmektedir.Sonuç olarak, yapılan iyileştirme çalışmaları sayesinde, işletmelerin yıllık elektrik enerjisi tüketimlerinde yaklaşık %3 seviyesinde enerji verimliliği sağlanmıştır.Piyasalardaki sert rekabet koşulları nedeniyle firmaların üretim maliyetlerini düşürme zorunlulukları, bu gibi verimlilik artışı uygulamaları ile kolaylıkla karşılanabilmektedir. Bu yapılan iyileştirmeler sayesinde firmalar, hem üretim maliyetleri içerisinde önemli bir paya sahip olan basınçlı havanın üretim maliyetlerinin düşürülmesi neticesinde tasarruf sağlayabilmekte, hem de daha fazla istihdam sağlayabilme imkânına kavuşup iş potansiyelini de geliştirebilmektedir.İşletmelerdeki bu tasarruf potansiyelinin belirlenebilmesi için, konu ile ilgili bilgi sahibi kişiler tarafından sistemlerin detaylı ölçüm ve analizlerini kapsayan enerji etütlerinin yapılması gerekmektedir.Özellikle Türkiye gibi enerji kaynakları bakımından fakir dolayısıyla dışa bağımlı ülkelerin, enerjiyi daha verimli kullanma yoluna gitmesi sayesinde eldeki imkânlardan maksimum fayda sağlanabilecektir.Bu tez çalışmasında verilen uygulamalar göz önüne alınarak basınçlı hava sistemleri konusunda hemen hemen her tesiste mevcut olabilen gereksiz yere harcanan ve boşa tüketilen bir enerji olduğu göz önüne alınıp, kullanılmayan atık enerjinin mümkün olduğunca azaltılması ve farklı alanlarda kullanılarak değerlendirilmesi son derece önemlidir.

Abstract:
Related to global competition, social and economic developments, the energy need of societies is the most important matter at the present day. High cost of energy and this increase of need for energy leads people to search on alternative sources.Energy saving politics have been followed all over the World because of using more efficiently extant energy resources with the approach of ?the cheapest energy is the one of saved.? Especially, energy efficiency have a more important share among factories which are competing in the market.The purpose of this study is to determine the distribution of energy efficiency projects at Turkey and all over the World and to examine the effects of improvements at compressed air systems on energy efficiency. In the first part of the study, importance and benefits of energy efficiency are included. In addition, the comparisons of energy density of different countries and projects that can be done in the fields are given.The concentration of CO2 in the atmosphere is gradually increasing from the industrial age. If the world continues on the base of today's energy and climate policies, the consequences of climate change will be catastrophic. Because of this reason, to explore the feasibility and implications of reducing the emissions, 450 parts per million (ppm) scenario have been modeled.A target of 450 ppm CO2 in the atmosphere is designed to limit the mean global temperature increase to 2°C until 2100. Energy efficiency and renewable energy have more important share among the other methods. Because of energy efficiency account for more than 50% of total yearly CO2 emission reductions, it is the most efficient way to achieve the target.In the second part of the study, importance of energy efficiency in industry, energy status of Turkey and the sectors of Turkey are included. Information and examples about energy efficiency fields in industry are given. In addition, distribution of energy efficiency projects in these fields of Turkey is compared with the World. From this research, ratio of projects, which is about compressed air systems in Turkey, is less than the World?s values. The fewness of the projects and publications about compressed air system and inefficient process of compressing air are directed me to this thesis subject.In the third part, detailed information about compressed air systems is indicated. Equipment, which are using for production, treatment, distribution and control of compressed air are given. The choice criteria?s of these equipment?s for suitable works and energy saving opportunities in compressed air systems are also stated. Compressed air is often wrongly assumed to be cheap or even a ?free? source of power. But the process of compressing the air can be extremely wasteful. Of the total energy supplied to a compressor, as little as 1-8% is converted into usable energy at the point of use. This makes it a very expensive method of transferring the energy. Despite the high cost of production, many systems waste around 30% of the compressed air through leaks, poor maintenance, misapplication and poor control.In the fourth part of the study, saving opportunities in compressed air used in industry are explained through case studies. These studies are determined as comparing of old compressed air systems to new ones, saving through leak prevention, using wasted heat energy, using outside intake air, reducing system pressure and using variable speed drives. The effects of these studies to energy efficiency and operating costs are investigated. It is shown that small improvements in compressed air systems can be provide huge savings with low initial costs.Without a method for monitoring consumption, companies will not know how much energy air compressors are wasting and therefore minimizing costs will be harder to achieve. Because of this reason, in these companies, air production and energy consumption values of the existing compressed air systems are analyzed. When analyzing the systems, pressure gauges and signal adapters used for measure system pressure and load/unload signals.In one of these companies, the existing compressed air system is examined for 10 working days. Instead of this system, three more efficient alternative systems with the same production capacity were determined. The effects of these alternatives systems to energy efficiency and operating costs are investigated.In the most efficient alternative system, waste heat recovery feasibility study is performed when a division of the company used the hot air recovered from the compressed air system for heating. Fuel savings that can be achieved during six months, because of the waste heat recovery are also calculated.In the other companies, the amounts of leakage was observed with the help of pressure gauges connected to the output of the air tanks. The amount of leakage found from the pressure drop within the specific time period. The annual cost savings that would be obtained if these leaks were eliminated are calculated.In addition, as a result of the examination of equipment?s which are using the compressed air, the possibility of lowering the compressor discharge pressure setting is recognized. The average system pressure went from 7 bar to 6,5 bar. Operating a compressed air system at the lowest optimum pressure to meet the needs of production reduces energy cost. This change reduced the amount of electrical energy that was required to produce compressed air. In that company, the effectiveness of energy efficiency provided with the pressure drop is also evaluated.During the examination of the company, it is investigated that compressors are providing their inlet air from the internal environment. In case of the inlet air provided from the external environment, which is 10°C cooler than the factory through channels, energy efficiency potential is calculated. Because of the relation between the temperature and density, when inlet air is hotter, it is less denser. As a result of this relation, mass flow and pressure capability decreases. Because of the reduction in capacity, is usually addressed by operating additional compressors, thus increasing energy consumption.In addition, in order to meet variable load demands efficiently, the amount of savings that can be achieved with the use of variable speed drives in the company?s compressors is studied. Air compressors become less energy efficient as air demand is reduced. Compressors, which have these drives, are designed to control system pressure within a very accurate range while adjusting the motor speed in proportion to air demand.As a result of these case studies, approximately %3 of annual electrical energy consumption of these plants are saved.Competitive harsh conditions in the market due to the requirements of companies to reduce production costs, increase productivity that can easily be met with such as applications. Due to these improvements, companies can reduce production costs and so they can develop their work potential with providing more employment.In order to determine the saving potential in companies, energy audits which includes detailed measurement and analysis to be made by people who have knowledge on the subject of this systems.Especially countries, which are dependent on foreign energy sources such as Turkey, must seek to use energy more efficiently thanks to providing maximum benefit from the available opportunities.Considering the above applications, in almost every plant?s compressed air system has unnecessarily consumed or wasted energy source must be taken into account. Reducing of wasted energy as much as possible and evaluation of this energy in different areas is extremely important.