Kaynak yoğun sektörler arasında endüstriyel simbiyoz yaklaşımı ile akış modellemesi ve optimizasyonu
Modeling and optimization of flows between resource intensive sectors using industrial symbiosis approach
Yazar: ZEYNEP GÖKÇE YILGIN
Danışman: DOÇ. DR. MERİH AYDINALP KÖKSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ekonomik verimlilik = Economic efficiency ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Süreç optimizasyonu = Process optimization ; Çelik üretimi = Steel production ; Çimento üretimi = Cement production

Özet:
Temiz (sürdürülebilir) üretim uygulamaları, tüm dünyada yaygınlaşmakla beraber gerek çevresel etkilerin azaltılmasında, gerekse ekonomik kazanımlar konusunda tek başına yeterli olamamaktadır. Bu nedenle, "endüstriyel simbiyoz" kavramı gündeme gelmektedir. Bu kavram, birbirinden bağımsız işletmelerin, doğadaki ekosistem gibi, karşılıklı fayda sağlayacak bir ortaklık içerisinde çalışması olarak tanımlanmaktadır. Bu ortaklık ihtiyaca göre, malzeme, enerji, lojistik gibi birçok kullanımı kapsayabilir.
Dünyada mevcut sanayi bölgelerinde bu kavramın hayata geçirilmiş örneği olan birçok eko-endüstriyel park oluşturulmaktadır. Bu parklarda, malzeme ve enerji akışlarının kapalı bir döngüde çevrimi sağlanarak, başta kaynak verimliliği olmak üzere, temiz üretim, maliyet etkinliği, bölgesel kalkınma gibi kazanımlar elde edilmekte ve dolayısıyla dünyada en çok odaklanılan konulardan biri olan döngüsel ekonomiye katkıda bulunulmaktadır. 
Bu izlenim doğrultusunda açık literatürdeki çok sayıda çalışma gözden geçirilmiştir. Bu amaçla oluşturulan sistemlerin modellenmesiyle ilgili çeşitli çalışmalar olduğu görülmüştür. Ancak "kaynak yoğun sektörler" olarak tanımlanan; mineral, kimyasal, çelik, çimento, seramik, demir esaslı olmayan metaller ve inşaat sektörlerini kapsayan, kaynak verimliliğini artırmaya yönelik böyle bir çalışmaya rastlanmamıştır. Farklı sektörlerdeki mevcut çalışmalarda da tesisler arası akışlar tasarlanırken, son ürünün teknik özelliklerinde belirleyici olan bir konunun; "atıklarla hammadde ikame oranları"nın tam olarak analiz edilmediği görülmüştür. Bu nedenle, bu çalışmada dünyanın çevre stratejilerinde yer verdiği öncelikli sektörler olan kaynak yoğun sektörlerde, kaynak verimliliğine ilişkin bir yaklaşım olan endüstriyel simbiyoz metodolojisinin kullanımıyla, örnek bir model olabilecek organize sanayi bölgesi tasarlanması ve böyle bir uygulamanın sağlayacağı kazanımların görülmesi amaçlanmıştır.
Bu motivasyonla, Avrupa atık yönetim stratejilerinde belirtilen kaynak yoğun sektörler araştırılmıştır. Bu çalışmanın gelecekte yapılacak uygulamalara ışık tutması arzu edildiğinden, çalışmanın ilk adımında bu sektörlerin üretim ve atık miktarları ve gelecekteki eğilimleri belirlenmiştir. Ardından, üretim proseslerindeki kütle girdi- çıktıları araştırılmıştır. Bu verilerle toplamda, oluşan atık miktarları verileri dikkate alınarak ilgili tesislerin yer aldığı bir organize sanayi bölgesi tasarlanmış ve atıklarının, çalışmada iki ana ürün olarak belirlenen çimento ve beton üretiminde kullanılmak üzere, farklı ikame oranlarıyla üretim/akış senaryoları oluşturulmuştur. Bu senaryolar, maliyetleri de belirlenerek, matematiksel olarak modellenmiş ve istenilen ürün miktarını en az maliyetle karşılayacak şekilde optimize edilmiştir.
Matematiksel model çözüldüğünde, senaryoların, toplamda yıllık ürün talebini karşılayabilecek üretim miktarları belirlenmiştir. Buna göre çimento tesisi yaptığı yıllık üretimin, %50'sini çelik üretiminden gelen elektrik ark ocağı cürufuyla, %39'unu yine çelik üretiminden gelen pota cürufuyla, %11'ini ise inşaat yapım ve yıkım atıklarından gelen cam ile gerçekleştirebilecektir. Beton üretim tesisi ise yıllık üretiminin %70'ini çelik üretiminden gelen elektrik ark ocağı cürufuyla, %24'ünü dolaylı olarak ikincil alüminyum üretiminden gelen alüminyum oksit ile, %7'sini ise seramik sektöründen gelen kalsine kille gerçekleştirebilecektir. 
Oluşan bu yeni üretim senaryoları ile kaynak tüketiminde, atık kullanımında ve üretim maliyetinde kazanımlar elde edilmiştir. Kaynak tüketiminde, çimento tesisi %16; beton tesisi %38 olmak üzere toplamda %54'lük bir azalma meydana gelmiştir. Tasarlanan sistem, oluşan atıkları ikincil hammadde olarak kullanarak Avrupa genelinde bertaraf edilen atık miktarını %35 azaltmıştır. Ayrıca, bu şekilde bir üretimde çimento tesisindeki üretim maliyetinin %4; beton tesisindeki üretim maliyetinin de %5 azaldığı görülmüştür.

Abstract:
Clean production practices have been widely used all over the world. However, additional approaches are needed both for reducing environmental impacts and for economic gains. One of these approaches is the concept of Industrial Symbiosis. This concept is defined as the operation of independent enterprises, such as the ecosystem in nature, in a mutual benefit partnership. 
Various eco-industrial parks, which are the performed examples of this concept are created around the world. In these parks, material flows are circulated in a closed loop, achieving gains such as resource efficiency, clean production and thus contribute to the circular economy, which is one of the most focused issues in the world.
In line with this impression, many studies in the open literature have been reviewed. Although there are various studies about the modelling of systems created for this purpose, any study on increasing resource efficiency in resource intensive sectors, could be reached. In current studies in different sectors, it has been observed that wastes and raw material substitution rates, which are decisive in the technical characteristics of the end product, are not fully analysed while designing interchange flows between the plants. Therefore, it is aimed to design an organized industrial zone in resource intensive sectors by using industrial symbiosis methodology and to see the benefits.
With this motivation, resource intensive sectors have been explored. Since this study is aimed to guide future applications, the production and waste amounts and future trends of these sectors were determined in the first step of the study. Then, the mass inputs and outputs in the production processes were investigated. Based on these data, an organized industrial zone including related facilities has been designed. Following that, production scenarios have been created with different substitution rates of the wastes to be used in cement and concrete production which are determined as two main products in this study. These scenarios have been mathematically modelled after the costs have been determined and optimized to meet the desired product quantity at minimum cost.
The results shows that, the cement plant will be able to produce the annual cement volume in the rate of 50% with electric arc furnace slag from steel production, 39% with ladle furnace slag from steel production, and 11% with glass from construction and demolition waste. Besides, the concrete production plant will be able to produce the annual concrete amount in the rate of 70% with electric arc furnace slag from steel production, 24% with aluminium oxide indirectly from secondary aluminium production, and 7% with calcined clay from the ceramic industry.
These new production scenarios have resulted in gains in resource consumption, waste utilization and production costs. There is 54% reduction in resource consumption, including 16% for cement and 38% for concrete plant. The designed system reduced the amount of waste disposed across Europe by 35% via using the wastes as secondary raw material. Furthermore, according to the designed system, production costs decreased by 4% and 5% in cement and concrete production, respectively