Sanayide enerji verimliliğinin modellenmesi
Modelling of energy efficiency in industry
Yazar: NESLİN HASAR OCAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ CAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Enerji verimliliği, enerji kaynaklarının etkin ve verimli bir şekilde kullanılmasını sağlayan politikaların, teknolojilerin ve uygulamaların bir kombinasyonu olarak uygulanmaktadır. Sanayide enerji verimliliği, enerji güvenliği, maliyet tasarrufu ve çevresel sürdürülebilirlik gibi geniş kapsamlı hedeflere ulaşmada kritik rol oynayan, kazanımı yüksek, sürdürülebilir bir faktördür. Bu çalışmanın, sanayinin tüm alt sektörlerinde kullanılabilecek, mühendislik biliminin sanayi tesislerinde uygulanabilir analiz ve ölçümlerini içeren, verimli enerji hedeflerini kapsayan rehber bir kılavuz olacağı düşünülmektedir.

Sanayinin sektörel kolları yapısal  farklılık gösterse de enerjinin en çok kullanıldığı birimleri, sistemsel yaklaşım olarak tanımlanan uygulamalar ile gruplandırılarak enerji verimliliği çalışmaları ile büyük kazanımlar gerçekleştirilebilmektedir. Detaylandırılmış sistem parametreleri, yöntemsel iyileştirmeler ile modellenmiştir.   

Ayrıca algoritmik sorgulamalarla desteklenen model kurguları çalışmada listelenmiştir. Bilimsel temellere dayanan modellemeler sayesinde enerji kazanımları elde edilmiştir. "Excel" veri tabanlı bir program oluşturulmuş ve enerji geri kazanım miktarı ile emisyon parametreleri arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Enerji kazanımı ile sera gazı emisyon azaltımları arasında doğrusal bir eğilimin olduğu tespit edilmiştir. 
 
Farklı teknikler ile optimize edilmiş yenilikçi ve teknolojik uygulamalar, mevcut endüstrilerde enerji kazanımını %90'a varan oranlara çıkarabilme potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum yakma tesislerinde, yalıtım ve diğer önlemlerle birlikte yakıtın enerji gereksinimine göre tüketimi, kazan tipi seçimi, sıcaklık-basınç optimizasyonu, kontrollü yakma işlemi, ısı geri kazanım sistemlerinin kullanılması ve baca çıkış sıcaklığının ayarlanması gibi işlemlerle enerji kazanımı %5 ile %20 oranında sağlanabilmektedir. Optimize edilmiş bir buhar sisteminde enerji kazanımı ise, kazan verimliliği %25 ile %35 arasında, işletme basıncı ve sıcaklığı %15 ile %25 arasında, buhar hatlarının izolasyonu %10 ile %20 arasında, kondensat geri kazanımı %5 ile %15 arasında ve flaş buharın değerlendirilmesi %5 ile %10 arasında değişkenlik göstermektedir. 

Kojenerasyon sistemleri için, ısı kullanımı, katı yakıtların gazlaştırılması ve atık CO2 gazının tutulması ile enerji kazanım yüzdesi %60'a kadar artırılmıştır. CO2 yakalamanın sistemsel uygulanması ile, verimlilik kayıplarını ortalama %11,5 oranında azaltmaktadır. Eski ve düşük verimli motorların, doğru boyutlandırılmış ve daha az güç tüketen yenilikçi elektrik motorlar ile değiştirilmesi, %3 ila %35 arasında bir enerji tasarrufu sağlayabilmektedir. Basınçlı hava sistemlerinde ise, hava kaçakların kesilmesi ile %40'e varan bir iyileştirme işlemi yapılabilmektedir. Ayrıca, Sıvı-hava enerjisi ile %76,6 oranında, adyabatik enerji depolama sistemleri ile %95 oranında enerji verimliliğini arttırmaktadır. Aydınlatma da kullanılan LED lambalar, verimli lambalar olarak kabul edilmektedir, ancak LED'lerin üretim süreçlerinin ve kullanılan malzemelerin çevresel etkileri karbon ayak izini önemli ölçüde yükseltmektedir.
 
Spesifik değişkenlerin enerji geri kazanımında etkisinin önemli olduğu sonucuna varılmıştır. Her bir değişken, sistemin genel enerji verimliliğini arttırmaya katkı sağlamaktadır; ancak verimlilik yüzdelerinin, sistem tasarımına ve spesifik koşullara göre değişebileceği mutlaka dikkate alınmalıdır. 

İmalat, gıda ve enerji sektörü toplam üç sanayi kuruluşu için örnek durum analizleri yapılmış ve enerji verimliliği modelleme tekniği kullanılarak enerji kazanımları hesaplanmıştır. İmalat fabrikasında, elektrik motorunun değişimi ile saatte 15,78 kW'lık bir enerji geri kazanımı, yıllık toplam 69155,81 kWh'lik bir enerji tasarrufu, 3172,82 $'lık ciddi bir enerji maliyeti ekonomik olarak sağlanmıştır. Gıda fabrikasında, verimli LED tipi armatür kullanılması ile 3,47 kWh'lik bir kazanım elde edilmiş, yıllık toplam tüketilen enerjinin maliyetinde 697,3 $/kWh'lik tasarruf edilmiştir. Model uygulamasındaki yalıtım ve ısı değiştiricileri üretim tesisinde uygulanmış ve %23,36 geri kazanım sağlanmıştır. Tüm fabrikalarda emisyonların düşük seviyede tutulması ile daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir üretim gerçekleştirilmiştir.

Bu tez çalışması, proses ve değişkenlerin doğru modellenmesi sayesinde üretimin kalitesi ve veriminde artış sağlanabileceğini net bir şekilde ortaya koymaktadır. "Daha az enerji ile daha fazla iş üretmek" ilkesine dayanan model uygulamaları ile, sanayide enerji geri kazanımı arttırılabilmektedir. Sanayide sürdürülebilir ve çevre dostu bir enerji yönetimiyle iklim değişikliği üzerindeki olumsuz etkiler azaltılacaktır. Ulusal Kalkınma Planları'ndaki verimli enerji kullanan sanayiye geçiş hedefine katkı sağlanacaktır. Çalışmanın en önemli katkısı ise, çoklu parametre ve sistemsel analiz modeli ile her fabrikaya uygulanabilecek genelden özele verimli enerjinin kullanılabilecek olmasıdır.

Abstract:
Energy efficiency which enables the effective and efficient use of energy resources is implemented as a combination of policies, technologies, and practices. In industry, it is a highly profitable and sustainable factor that plays a critical role in achieving comprehensive goals listed as energy security, cost savings and environmental sustainability. It is anticipated that this study will be a guide that can be used in all sub-sectors of the industry. The study includes the analysis and measurements of many factors in industrial facilities and covers efficient energy targets.

Although the sectoral branches of the industry differ structurally, the units, where energy is used, can be categorized under a systemic approach and can lead a significant gain through energy efficiency studies. Possible system parameters are modelled with procedural improvements. Moreover, model constructs supported by algorithmic inquiries are listed in detail in the study. Energy gains have been achieved through   modelling based on scientific foundations. 
An "Excel" data-based program was developed to examine the relationships between energy recovery and emission parameters. It is concluded that a linear trend exists between energy gains and reductions in greenhouse gas emissions.

Innovative and technological applications optimized with different techniques have revealed the potential to increase energy recovery by up to 90% in industries. Energy gains can be achieved at a rate of 5% to 20% in combustion plants by processes such as consumption of fuel related to energy requirement, boiler type selection, temperature-pressure optimization, controlled combustion process, use of heat recovery systems, and adjustment of the chimney temperature, together with insulation and other measures. In an optimized steam system, energy gains vary between 25% and 35% for boiler efficiency, between 15% and 25% for operating pressure and temperature, between 10% and 20% for insulation of steam lines, between 5% and 15% for condensate recovery, and finally, it is between 5% and 10% for the evaluation of flash steam. 

In cogeneration systems, the percentage of energy recovery can be increased up to 60% through the use of heat, gasification of solid fuels, and capture of wasted CO2 gases. Efficiency losses are reduced by an average of 11,5% with the systematic implementation of CO2 capture. Replacing old, low-efficiency motors with innovative right-sized electric motors that consume less power can result in energy savings of 3% to 35%. In compressed air systems, up to 40% improvement can be achieved by cutting air leaks. In addition, it increases energy efficiency by 76,6% with liquid-air energy and by 95% with adiabatic energy storage systems. LED lamps used in lighting are considered efficient lamps, but the environmental impacts of the production processes and materials used in LEDs significantly increase the carbon footprint.

It can be concluded that the effect of specific variables on energy recovery is significant. Each variable supports improving the overall energy efficiency of the system; however, it must be considered that efficiency percentages may vary according to system design and specific conditions.
Three case studies were made for industrial organizations in the manufacturing, food, and energy sectors within the scope of the thesis, and energy gains were calculated using the energy efficiency modelling techniques. In the manufacturing factory, an energy recovery of 15,78 kW per hour, a total annual energy saving of 69155,81 kWh, and a cost of $ 3172,82 were economically achieved with the replacement of the electric motor. In the food factory, a gain of 3,47 kWh was achieved with the use of efficient LED-type luminaires, saving 697,3 $/kWh in the total annual cost of energy consumption. The insulation and heat exchangers in the model application were applied in the production facility and 23,36% recovery was achieved.  Sustainable and eco-environment production has been realized by keeping emissions at a low level in the factories.

This thesis reveals that an increase in quality and efficient production can be achieved by modelling variables and then improving processes. Energy recovery in the industry can be increased by implementing model applications based on the "producing more work with less energy" principle. Furthermore, the negative impacts of climate change can be reduced with sustainable energy management in the industry. It will also contribute to the goal of transition to energy-efficient industry in the National Development Plans. The most important contribution of the study is that efficient energy can be used from general to specific, which can be applied to every factory with a multi-parameter and systemic analysis model.