Biyokütle tedarik zinciri ağ yapısı tasarımı-biyogaz tesis yeri seçimi için bir modelleme yaklaşımı
Biomass supply chain network design-a modelling approach for biogas energy facility location selection
Yazar: ALİYE MELDA BÖLEK
Danışman: DOÇ. DR. MURAT BASKAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Dünyadaki enerji gereksinimi her geçen gün artmakta ve enerjinin doğal kaynaklardan elde edilmesi daha da önem kazanmaktadır. Bu bağlamda hidrolik, rüzgâr, güneş, jeotermal, biyokütle, biyogaz (çöp gazı dahil), dalga, akıntı ve gel-git gibi yenilenebilir enerji kaynakları dikkat çekmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biyokütlenin diğer kaynaklara göre değerlendirilme oranı Türkiye'de daha düşüktür. Bu konuya dikkat çekmek ve biyokütle tedârik zincirindeki özelliklerin incelenmesi için çalışmamızda Marmara Bölgesi'nin Trakya Bölümü'nde yer alan hayvansal, tarımsal, ormansal ve kentsel atıkların değerlendirilmesi düşünülmüştür. Biyokütleden fiziksel süreçler (boyut küçültme-kırma ve öğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve briketleme) ve dönüşüm süreçleri (biyokimyasal ve termokimyasal süreçler) ile yakıt elde edilmektedir. Çalışmamızda çevresel katkıları göz önüne alınarak biyogaz tesis(ler)inin kurulması amaçlanmıştır.
Halihazırda Türkiye'de biyogaz tesislerinin yerinin seçimi konusunda disiplinlerarası bir yasa ya da yönetmelik bulunmamaktadır. Buna istinâden tesislerin yer seçimi konusunda; bütünleşik bir bakış açısıyla sosyal, çevresel ve coğrafi, yasal, ekonomik ve güvenlikle ilgili ölçütler dikkate alınmıştır. Ölçütlerin ağırlıklarının belirlenmesinde Analitik Hiyerarşi Süreci kullanılmış olup ekonomik ölçütler %30 ağırlıkla en önemli ana ölçüt olarak belirlenmiştir. Ölçütlerin bir kısmı coğrafî bilgi sistemleri programı ArcGIS kullanılarak haritalandırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında matematiksel ifâdelerde kullanamayacağımız sosyal ve coğrafî kısıtlar dikkate alınmış olup, diğer aşamada matematiksel modele yer verilmiştir.
Matematiksel modelin amacı biyogaz tesis(ler)inden elde edilecek kârı enbüyüklemektir. Biyogaz enerji sektörü yetkilileriyle yapılan görüşmelerde de kârı enbüyüklemenin en yaygın tesis yeri seçimi yaklaşımı olduğu saptanmıştır. Trakya Bölümü'ndeki biyokütle kaynaklarının üretim miktarları, atık oranları, uygunluk etmenleri, enerji etmenleri, elde edilebilecek toplam enerji potansiyeli ve biyogaz kapasiteleri belirlenmiştir. Projenin toplam mâliyeti düşünülürek, senaryo çalışmalarında 100 MW'lık bir hedef kapasite belirlenmiştir. Biyogaz tesis(ler)inden elektrik enerjisi, ısı enerjisi ve katı/sıvı gübre elde edilecek olup, bunların satışı sağlanacaktır. Katı atık bertaraf geliri ve karbon geliri gibi kavramsal gelirler kullanılmıştır. Özellikle biyogaz tesisi kurulmasıyla elde edilecek karbon tasarrufu ile biyokütle taşımalarında oluşacak karbon salınımı karşılaştırılmış ve yeşil lojistiğe dikkat çekilmiştir. Modelde yatırım, işletme, lojistik ve biyokütle satınalma giderleri dikkate alınmıştır. Amaç fonksiyonunda yer alan gelir ve gider parametrelerine duyarlılık analizi uygulanmıştır. Karbondioksit azaltımı, hem ticarî hem de sosyal açıdan incelenmiştir. Amaç ve kısıt denklemleri GAMS optimizasyon programında modellenmiştir.
Matematiksel modelde "p-medyan" kullanılmış olup farklı tesis sayıları için modelin nasıl çözüm verdiği incelenmiştir. Buna göre p=42 için en büyük kâr elde edilmektedir Uygulamada biyokütle tedâriği sırasında bedel ödenmemektedir ancak Avrupa'daki uygulamalarda biyokütleden bedel alınabilmektedir. Dolayısıyla biyokütle satınalma fiyatı artışlarıyla oluşturulan senaryolar da değerlendirilmiştir. Karbonun ticarî ve sosyal gelirleri de dikkate alınmıştır.
Bu çalışmada biyogaz tesis yeri seçimi için sosyal, çevresel ve coğrafi, yasal, ekonomik ve güvenlikle ilgili ölçütlerin dikkate alındığı anket çalışmasıyla bu ölçütlere ne kadar önem verileceği belirlenmiştir. Bu ağırlıklar, sektör çalışanları ve akademisyenler tarafından farklı çalışmalarda kullanılabilir. Matematiksel modelde de biyogaz tesisinde elde edilecek gelir ve oluşacak gider unsurları saptanmıştır. Bu açıdan da geliştirilen model sektörde ve literatürde olası çalışmalara yardımcı olabilecek niteliktedir. Hem ölçümlenemeyen hem de ölçümlenebilen ölçütlerin bütünleşik bir bakış açısı altında değerlendirilmesi bu çalışmayı farklı kılmaktadır.

Abstract:
The need for energy and obtaining energy from natural sources instead of fossil sources is gaining more importance day by day. In this respect, renewable energy resources such as hydrolic, wind, solar, geothermal, biomass, biogas (including salvage), wave, stream and tide are withdrawing attention. As a renewable energy resource, biomass, is utilised less in Turkey compared to other renewable energy resources. In order to point out this issue and analyse the biomass supply chain, our study focused on processing  animal, agricultural, forest biomass and municipal solid waste in Marmara Region Thrace Geograhic Part in Turkey. 
Physical processes (downsizing, grinding, drying, filtration, extraction, bricketing) and transformation processes (biochemical and thermochemical) are applied to biomass in order to get fuels. In our study taking environmental issues into consideration, biogas plants are aimed to be located.  As for now, in Turkey, there is no one legal regulation or law which contains all aspects of locating a biomass plant. In order to overcome this problem, social, environmental and geographical, legal, economical and safety criteria were analysed in a multi diciplinary approach. For determining the weights of the criteria, Analytic Hierarchy Process is used. Economical criterion is found to be the most important with 30% of weight whereas environmental and geographical, legal and safety criteria are found to be around 20% each. Social criterion is found as the least important criterion with 6% of weight. Some of the criteria are mapped using a geographical information systems sofware ArcGIS. The subcriteria which cannot be anaylsed in a mathematical model are evaluated in these maps. In the further part of the study, a mathematical model is developed. 
The aim of the mathematical model is to maximise the profit of a biogas or biogas plants that are planned to be located. The meetings with biogas professionals and academicians also proved that maximising the profit is the correct approach for locating a biogas plant. The mathematical model is coded in GAMS. The biomass quantities in Marmara Thrace Region, biomass availability factors and energy conversion factors are evaluated and total energy potentials and biogas capacities are calculated. Since the biogas technology is chosen as the biomass transformation process, the forest biomass cannot be used due to its cellosic structure. The scenarios include animal, agricultural biomass and municipal solid waste. During the scenario analysis, the total capacity of the system is foreseen as 100 MW as a target capacity. The foreseen biogas facility(ies) are planned to be producing electricity, heat and solid/liquid fertilizer. The electricity produced during the process will be sold to the government under the Act 5346 Electricity Production by Renewable Energy Resources. The heat energy produced can be used by the biomass facility itself or sold to the households around the facility. In Turkey, in practice the heat energy is only used by the facilities so our model also configures this income as facility use only. The solid and liquid fertilizers gained from the biogas facility can be traded freely in the market and create a source of income to the facility. 
The model includes biomass purchase, investment, operating and logistics costs and aims maximising the profit. The literature studies show that the logistics costs in the biomass supply chain is high compared to other costs in the biomass supply chain. Since it is difficult to get data on village basis in Turkey, we used district centers as the collection points of all biomass types. The distances between biomass resources are calculated with GoogleMaps where actual travel distances are determined. It is assumed that the logistics service is provided by logistics companies that are licensed to carry forest, animal and agricultural biomass. 
Decreasing the greenhouse gas emissions is analysed in both social and commercial aspects. Conceptual incomes such as municipal solid waste removal income and carbon income are introduced. The carbon saving in biogas plants and carbon emissions in biomass transportation are compared and the importance of green logistics is emphasized.  
Municipal solid waste removal income is a conceptual income that does not exist in reality. By law, municipalites are obliged to remove the solid waste that they collect from residents and charge residents this removal fee. As a concept, our model offers that municipalities can pay this fee to the biogas facility since the facility will remove the solid waste instead of municipalities.  
In order to gain the carbon income, the countries should have free tradeable carbon markets. Until now, there has been some attempts to establish a carbon market in Turkey however currently there is no compulsory one. The incomes will rise if the biogas facilities can trade the carbon saved during the biogas production. The social value of the carbon has been studied in the literature to calculate the effects of carbon in the climate, health and social life. The social carbon income is also added in the mathematical model as a conceptual income. Since the biogas facility saves the carbon to be exhausted into the environmental system, the governments will save in costs due to climate changes and health problems that occur because of carbon emissions. 
In the mathematical model, "p-median" is used in order to evaluate results indicating how many biogas plants have to be established. p=42 has the highest profit among the other p alternatives.. Although some p values have the same 100 MWe total system capacity, the capacity of the plants differed from solution to solution. The same was also seen in the biomass resources. Due to this shift between biomass resources liquid and solid fertilizer quantities also differed. 
In practice, in Turkey biomass resources are free of charge. However in Europe, biomass is tradeable with a purchase value. Due to the vital importance of supplying biomass resources as input, the energy plants sign contracts for long-term periods with biomass suppliers such as farms or communities. These contracts also include a sales value for each type of biomass. Therefore sceanarios which include purchase cost of biomass are also analysed. As per our talks with industry professionals, we found out that the farmers in Turkey also started to ask a price for their biomass since the plants get value out of that waste. For further studies, a market place in Turkey where biomass is traded can be designed. 
Enviromental and geographical, social, legal, economical and safety criteria are determined in our survey with AHP and the weights found as a result of the surveys can be used by professionals and academicians. Our mathematical model that include the income and expense elements of a biogas plant can also be useful for further studies for professionals and academicians as well. The study as a whole gathers an integrated approach which enables to foresee both unmeasurable and measurable criteria of a biogas plant location selection.