Türkiye'de yerli kömür yakıtlı büyük ölçekli termik santrallerin kül atıklarının yönetimi ve çimento üretiminde kullanımının ekonomik analizi
Economic analysis of local coal-fired large-scale thermal power plant coal combustion waste management and use in cement production in Turkey
Yazar: KADİR ÖZÇELİK
Danışman: PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Kömür külü = Coal ash ; Kül = Ash ; Termik santraller = Thermal power plants ; Çimento üretimi = Cement production

Özet:
Termik santraller, enerji üretiminde yüksek paya sahip tesislerdir. Kömür, termik
santrallerde elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılan başlıca fosil yakıtlardan
biridir. Yakıt olarak kömür kullanan termik santrallerde, yakma işlemi sonucunda ısı
ve elektrik üretimi yanısıra kül atıkları oluşmaktadır. Kül atıkları olası olumsuz
çevresel etkilerinin yanında ciddi miktarda oluşması nedeniyle dikkat çeken ve
araştırılan bir konu olmuştur. 
Uluslararası Enerji Ajansı Temiz Kömür Merkezi (IEA, CCC), kül atıklarının kaynak
olarak görülebileceğini ve kömür yakma ürünleri olarak adlandırılabileceğini
belirtmektedir. Kül atıklarının yönetiminde yeniden kullanım, geri dönüşüm, geri
kazanım ve bertaraf gibi farklı yöntemler uygulanmaktadır. Atık hiyerarşisine göre
öncelikli tercih edilen yöntem kül atıklarının yeniden kullanımı, geri dönüşümü ve geri
kazanımı olmalıdır. Ancak bunun mümkün olmadığı durumlarda kül atıkları çevresel
etkileri en aza indirecek şekilde bertaraf edilmektedir. Türkiye'de kül atıklarının
yönetimine yönelik yapılacak çalışmalarda, kül atıklarının kaynak olarak
değerlendirilebileceğinin göz önünde bulundurulması ve bu kapsamda daha fazla
çalışma yapılması gerekmektedir.
Kül atıkları uçucu kül, cüruf ve alçıtaşı karışımını temsil etmektedir. Uçucu kül kararlı
ve uygun fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olması nedeniyle, külün kullanımı ile
ilgili çalışmaların çoğu uçucu kül üzerine odaklanmaktadır. Uçucu külün farklı
amaçlarla kullanıldığı uygulamalar vardır. Bazı uygulamalarda fiziksel özellikleri için,
bazı uygulamalarda ise kimyasal özelliklerinden dolayı tercih edilmektedir. Uçucu
küller, puzolanik özelliklerinden dolayı bağlayıcı olarak kullanılabilen malzemelerdir.
Bu özelliğinden dolayı özellikle inşaat sektöründe çimento ve beton katkı maddesi
olarak yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Türkiye'de; 1960'lı yıllarda hidratasyon
ısısını azaltmak için farklı baraj inşaatlarında uçucu kül kullanılmasına karar verilmiş
ve Türk Standartları Enstitüsü uçucu kül (TS 639) ve uçucu kül çimento (TS 640)
standartlarını hazırlamış ve yayınlamıştır. Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü (DSİ)'nün
baraj uygulamaları dışında Karayolları Genel Müdürlüğü (KGM) bazı köprü ve yol
inşaatlarında deneme amaçlı uçucu kül kullanmıştır. Geçmişte Türkiye'de uçucu kül
kullanımı bu tür uygulamalarla sınırlı kalmıştır. Ancak son yıllarda özellikle hazır
beton endüstrisinin gelişmesi ve Avrupa'dan uyarlanan yeni çimento ve beton
standartları, çimento ve beton endüstrilerinde uçucu küle olan ilgiliyi arttırmıştır.
Hazır beton sektöründe yıllık yaklaşık 1-1.5 milyon ton uçucu kül mineral katkı olarak
üretimde kullanılmaktadır. Bununla birlikte çimento üretiminde kullanılan uçucu kül
miktarına ait bir bilgi literatürde bulunamamıştır. T.C. Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı,
Çimento Sektörü Raporu'na, göre 2020 yılında ~77 milyon ton çimento üretilmiştir.
Ancak uçucu kül katkılı portland çimento oranının %1,25 olduğu ve bunun da büyük çoğunluğunun ihraç edildiği bilinmektedir. Buna göre çimento üretiminde yıllık
yaklaşık 1 milyon tona yakın uçucu kül kullanıldığı varsayımı yapılabilir. Uçucu kül
çimento üretiminde yalnızca portland çimentolarda kullanılmamaktadır. Ayrıca
portland kompoze ve kompoze çimentoda da kullanılabilmektedir. Portland kompoze
çimento üretimi toplam çimento üretiminin yaklaşık %25'i kadar olduğu bilindiğine
göre yaklaşık 19,3 milyon ton portland çimento üretimi uçucu kül kullanımı için büyük
bir potansiyel oluşturmaktadır. Örneğin, Bursa Çimento A.Ş. tarafından Kütahya
bölgesinde çimento talebini karşılamak üzere Kütahya Karıştırma ve Paketleme Tesisi
devreye alınmış olup, tesiste Bursa'da üretilen ve buraya getirilip stoklanan çimento,
Seyitömer-Tunçbilek-Orhaneli Termik Santrallerinden getirilen uçucu kül ile
karıştırılarak, katkılı çimento üretimi gerçekleştirilmektedir. Ayrıca Soma Termik
Santralinden çıkan külün yaklaşık 270.000 ton/yıl kadarı özel kuruluşlara satılıp,
çimento karışımında kullanılarak ekonomiye kazandırılmaktadır.
Kül atıklarının özellikleri ve sınıflandırılması, kül atıkları yönetimine dair uluslararası
ve ulusal mevzuat, kül atıklarının kullanım alanları ile bertarafı ve çevresel etkilerinin
de özetlendiği bu çalışmada, Türkiye'de bulunan yerli kömür yakıtlı 200 MW üzeri
kurulu güce sahip 15 termik santralin kül atıklarının yönetimi ortaya konulmuştur. Bu
termik santrallerden uçucu kül özelliklerine ulaşılan 10'unda oluşan uçucu küllerin
çimento üretiminde kullanımı değerlendirilmiş, kullanımı uygun bulunan 5'i için
ekonomik analiz (Senaryo 1, mevcut durum senaryosu; kül atıklarının tamamının
mevcut durumda uygulanan yönetimine (depolamaya) devam etmesi; Senaryo 2,
uçucu kül atıklarının çimento üretiminde kullanımının değerlendirilmesi) yapılmıştır.
Türkiye'de yılda 122,7 ton kömür yakılmaktadır. Yakılan kömürün yaklaşık ~82,2
tonu yerli kömür (linyit ve taş kömürü) olup, yerli kömür yakan termik santrallerden
~17,2 milyon ton kül atığı oluşmaktadır. TUİK verilerine göre Türkiye'de 2018 yılında
~23,3 milyon ton, 2020 yılında ~19,4 milyon ton kül atığı oluşmuştur. Oluşan kül
atıklarının ~%85'i kül depolama sahalarında depolanmış, ~ %13'ü lisanslı atık arıtma
tesislerine satılmış/gönderilmiş veya maden ve taş ocaklarının doldurulmasında
kullanılmıştır. Kalan ~%1-2'lik kısmı ise tehlikeli atık olarak veya diğer bertaraf
metotları ile bertaraf edilmiştir.
Uçucu külün kullanımı uygun olan 5 termik santralde kül atıkları yönetiminin mevcut
haliyle (depolamayla) devam etmesi halinde (Senaryo 1) transfer işlemleri için ilk
yatırım maliyeti toplamda ~70,2 milyon $, depolama alanı ilk yatırım maliyeti toplamı
~175,5-439,1 milyon $ aralığında, ilk yatırım maliyetlerinin toplamı ise ~245,7-509,3
milyon $ aralığında hesaplanmıştır. Yıllık transfer maliyeti toplamı ~19,3 milyon $ ve
depolama alanı işletme maliyeti toplamı ~47,6 milyon $ olmak üzere, tüm tesislerin
toplam işletme maliyeti ~66,9 milyon $'dır.
Aynı 5 termik santralin uçucu küllerinin kullanımının değerlendirilmesi (Senaryo 2)
halinde transfer ilk yatırım maliyeti toplamda ~48,2 milyon $, depolama alanı ilk
yatırım maliyeti toplamı ise ~127,3-317,9 milyon $ aralığında, ilk yatırım
maliyetlerinin toplamı ise ~175,9-366,5 milyon $ aralığında hesaplanmıştır. Yıllık
transfer maliyeti toplamı ~14,6 milyon $ ve depolama alanı işletme maliyeti toplamı
~34,4 milyon $ olmak üzere, tüm tesislerin toplam işletme maliyeti ~49 milyon $'dır.
Kül atıkları yönetiminin mevcut haliyle devam etmesi hali için (Senaryo 1) kül
yönetimi maliyeti 16 ila 23 $/ton iken, termik santrallerin uçucu küllerinin kullanılması
halinde (Senaryo 2) 1 ila 19 $ aralığında değişmektedir. Senaryo 1'de TS-4'te 16-20
$/ton, TS-15'te 16-20 $/ton, TS-7 19-23 $/ton, TS-11'de 19-23 $/ton ve TS-13'te ise
19-23 $/ton olan kül atığı yönetim maliyeti, Senaryo 2'de sırasıyla 7-10 $/ton (%50-56 azalma), 1-3 $/ton (%85-94 azalma), 16-19 $/ton (%16-17 azalma), 11-14 $/ton
(%39-42 azalma) ve 3-5 $/ton (%78-84 azalma)'a kadar düşmüştür. Sonuçlar, uçucu
külün kullanımının termik santrallerin kül yönetim maliyetlerini azaltacağını
göstermektedir. Bunun yanısıra bertaraf edilmesi gereken kül atıkları miktarındaki
azalma sayesinde olası çevresel etkiler de engellenmiş olacaktır. Ayrıca hem çimento
üretimi için hammadde kullanımı azaltılacak hem de bu hammaddelerin çıkarılması,
ürün haline getirilmesi vb. dolaylı emisyonların da önüne geçilecektir.

Abstract:
Thermal power plants are facilities that have a high share in energy production. Coal
is one of the main fossil fuels widely used in power generation in thermal power plants.
In thermal power plants that use coal as fuel, ash wastes are generated as a result of
the combustion process, as well as heat and electricity production. Ash waste has been
a subject that has attracted attention and been researched due to its possible negative
environmental effects, as well as its serious amount of formation.
The International Energy Agency's Clean Coal Center (IEA, CCC) states that ash
waste can be viewed as a resource and referred to as coal combustion products.
Different methods such as reuse, recycling, recovery and disposal are applied in the
management of ash wastes. According to the waste hierarchy, the preferred method
should be the reuse, recycling and recovery of ash wastes. However, in cases where
this is not possible, ash wastes are disposed of in a way that minimizes environmental
impacts. In studies to be carried out on the management of ash wastes in Turkey, it is
necessary to consider that ash wastes can be considered as a source and more studies
should be carried out in this context.
Ash waste represents a mixture of fly ash, slag and gypsum. Because fly ash is stable
and has suitable physical and chemical properties, most of the studies on the use of ash
focus on fly ash. There are applications where fly ash is used for different purposes. It
is preferred for its physical properties in some applications and for its chemical
properties in some applications. Fly ashes are materials that can be used as binders due
to their pozzolanic properties. Due to this feature, it is widely used as a cement and
concrete additive, especially in the construction sector. In Turkey; In the 1960s, it was
decided to use fly ash in different dam constructions to reduce the hydration heat, and
the Turkish Standards Institute prepared and published fly ash (TS 639) and fly ash
cement (TS 640) standards. Apart from the dam applications of the General Directorate
of State Hydraulic Works (DSI), the General Directorate of Highways (KGM) used
fly ash for trial purposes in some bridge and road constructions. In the past, the use of
fly ash in Turkey was limited to such applications. However, in recent years, the
development of the ready mixed concrete industry and the new cement and concrete
standards adapted from Europe have increased the interest in fly ash in the cement and
concrete industries. In the ready mixed concrete sector, approximately 1-1.5 million
tons of fly ash is used annually as a mineral additive in production. However,
information on the amount of fly ash used in cement production could not be found in
the literature. T.R. According to the Cement Sector Report of the Ministry of Industry
and Technology, ~77 million tons of cement was produced in 2020. However, it is
known that the ratio of fly ash added Portland cement is 1.25% and the majority of this
is exported. Accordingly, it can be assumed that approximately 1 million tons of fly ash is used annually in cement production. Fly ash is not only used in Portland cement
in cement production. It can also be used in Portland composite and composite cement.
As it is known that Portland composite cement production is approximately 25% of
the total cement production, approximately 19.3 million tons of Portland cement
production creates a great potential for the use of fly ash. For example, Bursa Cement
A.Ş. Kütahya Mixing and Packing Facility has been commissioned to meet the cement
demand in the Kütahya region, and the cement produced in Bursa and stored here is
mixed with fly ash brought from Seyitömer-Tunçbilek-Orhaneli Thermal Power Plants
to produce cement with additives. In addition, approximately 270,000 tons/year of the
ash from the Soma Thermal Power Plant is sold to private institutions and used in the
cement mixture to be used in the economy.
In this study, in which the characteristics and classification of ash wastes, international
and national legislation on ash waste management, usage areas and disposal of ash
wastes and environmental effects are summarized, the ash waste management of 15
domestic coal-fired thermal power plants with an installed power of more than 200
MW in Turkey is presented. . The use of fly ash formed in 10 of these thermal power
plants, whose fly ash characteristics were achieved, was evaluated, and economic
analysis for 5 of which were found suitable to be used (Scenario 1, current situation
scenario; continuation of the current management (storage) of all ash wastes; Scenario
2 Evaluation of the use of fly ash wastes in cement production).
122.7 tons of coal is burned annually in Turkey. Approximately ~82.2 tons of burned
coal is domestic coal (lignite and hard coal), and ~17.2 million tons of ash waste is
generated from thermal power plants burning domestic coal. According to TUIK data,
~23.3 million tons of ash waste was generated in Turkey in 2018 and ~19.4 million
tons of ash waste in 2020. ~85% of the ash waste generated was stored in ash storage
areas, ~13% was sold/sent to licensed waste treatment facilities or used for filling
mines and quarries. The remaining ~1-2% was disposed of as hazardous waste or by
other disposal methods.
If the ash waste management continues in its current form (with storage) in 5 thermal
power plants where fly ash is suitable (Scenario 1), the initial investment cost for the
transfer operations is ~70.2 million $ in total, the total initial investment cost for the
storage area is ~175.5-439, It was calculated in the range of $ 1 million, and the total
initial investment costs were calculated in the range of $ 245.7-509.3 million. Total
operating cost of all facilities is ~$66.9 million, with annual transfer costs totaling
~$19.3 million and storage area operating costs totaling ~$47.6 million.
If the use of fly ash from the same 5 thermal power plants is evaluated (Scenario 2),
the total initial investment cost of the transfer is ~$48.2 million, the total initial
investment cost of the storage area is ~$127.3-317.9 million, and the sum of the initial
investment costs is ~$48.2 million. It has been calculated in the range of $175.9-366.5
million. The total operating cost of all facilities is ~$49 million, with annual transfer
costs totaling ~$14.6 million and storage area operating costs totaling ~$34.4 million.
The cost of ash management is $16 to $23/tonne for ash waste management to continue
in its current form (Scenario 1), while it ranges from $1 to $19 if fly ash from thermal
power plants is used (Scenario 2). In scenario 1, $16-20/tonne in TS-4, $16-20/tonne
in TS-15, $19-23/tonne in TS-7, $19-23/tonne in TS-11 and Ash waste management
cost of $19-23/ton in TS-13, $7-10/ton (50-56% reduction) in Scenario 2, 1-3$/ton
(85-94% reduction) respectively, $16-19/ton (16-17% decrease), 11-14$/tonne (39-
42% decrease) and 3-5 $/ton (78-84% decrease). The results show that the use of fly ash will reduce the ash management costs of thermal power plants. In addition,
possible environmental impacts will be prevented thanks to the reduction in the amount
of ash wastes that need to be disposed of. In addition, both the use of raw materials for
cement production will be reduced and the extraction of these raw materials, turning
them into products, etc. indirect emissions will also be avoided.