Profil boru üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi
Life cycle assessment of profile pipe production
Yazar: İREM ŞANAL
Danışman: PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Yaşam döngüsü = Life cycle ; Çelik borular = Steel pipes ; Çevresel etki = Environmental impact

Özet:
Farklı kullanım alanları olan profil boru üretim tesisinde yaşam döngüsü değerlendirmesi çalışmasının yapılması, mevcut ve gelecekte kurulacak olan tesislerin çevresel etkilerinin belirlenmesine katkıda bulunmaktadır. Bu çalışmanın amacı Türkiye'de kurulu profil boru üretim tesisinin üç farklı boru tipi için çevresel etkilerini yaşam döngüsü değerlendirmesi ile saptayarak, bu etkilerin en aza indirilmesi için izlenecek yolların belirlenmesidir.
Çalışmada profil boru üretimi yapan gerçek bir tesisten veri toplanmıştır. Bu tesis dilme, form, kaynak, kalibre, kesim, istif ve sevkiyat proseslerinden oluşmaktadır. Dilme prosesinde; dilimlenmiş rulo saclar bir dizi makara sistemi ile form makaralarının arasında soğuk şekil değiştirilerek yuvarlak hale getirilmektedir. Kaynak prosesinde; yüksek frekansla ısıtılan yuvarlatılmış sac, kaynatma makaralarında uygulanan basınç yardımıyla kaynatılmakta ve bu kaynak işlemi yüksek frekans indüksiyon basınç yöntemi olarak adlandırılmaktadır. Kalibre prosesinde; boru yuvarlak, kare veya dikdörtgen formlarına dönüştürülmektedir. Kesme prosesinde ise; nihai ürün, hareketli soğuk testerelerle istenilen boylara göre kesildikten sonra istif sehpasına otomatik olarak dizilmekte ve paketleme sevkiyatı yapılmaktadır.
Farklı firmalardan alınan rulo halindeki sacların tesise taşınması; üretimde kullanılan bor yağının üretilmesi ve tesise taşınması; dilme, form, kaynak, kalibre ve kesim prosesleri ve bu proseslerden oluşan atıkların tesisten taşınması ile atıkların yönetimi bu çalışma içerisinde yaşam döngüsü değerlendirmesine dahil edilmiştir. Ayrıca bozuk nihai ürün ve nihai ürün sevkiyat işlemi için herhangi bir hesaplama yapılmamıştır. Çevresel etki değerlendirmesi yapılırken rulo sac üretimi sistem sınırları içerisine dahil edilmemiştir. Çünkü üç profil boru tipi içinde etkisi büyük olmuştur ve diğer faktörler ile karşılaştırma yapılmasını zorlaştırmıştır. Bu sebeple incelenen tesisi optimize etmek için kontrol edilebilinecek faktörlere odaklanılmıştır.
Üç farklı boru tipi için yaşam döngüsü değerlendirmesi bu çalışmada yapılmıştır. Üç profil boru da 40 mm genişliğinde, 40 mm yüksekliğinde ve 6 metre uzunluğundadır. İlk olarak farklı sactan üretilen profil boruların çevresel etkilerini karşılaştırmak amacıyla iki farklı sac tercih edilmiştir. 1.tip ve 2.tip profil boru siyah malzemeden üretilirken; 3.tip profil boru neredeyse kullanıma hazır malzeme olan galvanizli sactan üretilmiştir. İkinci olarak profil boruların farklı et kalınlığında olmasının çevre üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla iki farklı et kalınlığında sac seçilmiştir. 1.tip ve 3.tip profil borunun et kalınlığı 1,5 mm iken 2.tip profil borunun et kalınlığı 3 mm olarak üretilmiştir.
Üç profil boru üretiminin çevresel değerlendirilmesinin kıyaslandığı bu çalışmada iki ayrı fonsiyonel birim belirlenmiştir. Bunlardan ilki; 40 mm*40 mm ölçülerinde, 1,50 mm ile 3 mm et kalınlığına sahip ve 6 metre uzunluğundaki profil borudan bir ton üretim olarak seçilmiştir. İkincisi ise; 40 mm*40 mm ölçülerinde, 1,50 mm ile 3 mm et kalınlığına sahip profil borudan bir metre uzunluğunda üretim olarak seçilmiştir.
Etki kategorileri çalışmanın amacı ve kapsamı doğrultusunda, Abiyotik Tüketim Potansiyeli element (ATP element), Abiyotik Tüketim Potansiyeli fosil (ATP-fosil), Asidifikasyon Potansiyeli (AP), Ötrofikasyon Potansiyeli (ÖP), Tatlı Su Canlılarına Ekotoksisite Potansiyeli (TCETP), Küresel Isınma Potansiyeli (KIP), İnsana Toksisite Potansiyeli (İTP), Ozon Tabakası İncelmesi Potansiyeli (OTİP), Fotokimyasal Ozon Oluşumu Potansiyeli (FOOP) ve Karasal Ekotoksisite Potansiyeli (KETP) olarak belirlenmiştir.
Literatür araştırmaları üzerine boru üretimi aşamasının; ham madde temini, taşıma, kurulum, kullanım ve bakım aşamalarından daha fazla çevre üzerinde olumsuz etki oluşturduğu; bunun ise ham madde ve enerji girdisinin üretim aşamasında diğer aşamalardan fazla olması nedeniyle olduğu bulunmuştur. Bu sebeple çalışmamızda sadece profil boru üretim aşamasına odaklanılmıştır.
Bir ton ve bir metre profil boru üretimi fonksiyonel birimine göre elektrik tüketiminin yüzdesel dağılımı aynı olmuştur. İki fonksiyonel birimde de en fazla enerji kaynak prosesinde tüketilmiş; bu prosesi sırasıyla dilme, form, kalibre ve kesim prosesleri takip etmiştir. Bir ton profil boru üretimi için de bir metre profil boru üretimi için de en fazla enerji tüketimi 2.tip profil boruda görülmüştür. Bunun sebebi 2.tip profil borunun 1.tip ve 3.tip profil borunun et kalınlığından iki kat fazla et kalınlığına sahip olmasıdır. Aynı et kalınlıklarına sahip 1.tip ve 3.tip profil boru üretimleri arasında da enerji tüketimi açısından fark olmuştur. Çünkü 3.tip profil boru daha kolay işlenen galvanizli saçtan üretilmiştir ve bu 1.tip profil borudan daha az enerji tüketmesine sebep olmuştur.
Üç profil boru tipine ait değerler kıyaslanırken; 1.tip profil boruya ait etki değerleri %100 kabul edilmiş, diğer iki tip profil boru değerleri buna göre normalize edilmiştir. İki fonksiyonel birim için profil boru üretimine göre üç profil tipi için de ATP element ve KETP çevresel etki kategorilerinde hurda atık geri dönüşümü etki faktörlerinin en önemli bileşeni olarak saptanmıştır. Hurda atık geri dönüşümünden bu iki etki kategorisinde de negatif etki gelmiştir ve çelik rulo sac üretiminin sistem sınırları dışında bırakılmasından dolayı bu etki kategorilerinde sonuçlar negatif olarak (olumlu etki) bulunmuştur. OTİP çevresel etki kategorisinde iki fonksiyonel birime göre de 1.tip ve 2.tip profil boru için taşıma, etki faktörlerinin en önemli bileşeni iken 3.tip profil boru için bor yağı üretimi en önemli bileşen olmuştur. Geriye kalan ATP fosil, AP, ÖP, TCETP, KIP, İTP ve FOOP çevresel etki kategorilerinde iki fonksiyonel birime göre üç profil tipi için de elektrik tüketimi etki faktörlerinin en önemli bileşeni olarak belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan Türkiye şebeke elektriği, temel enerji kaynağı olarak başta doğal gaz (%49), linyit (%21) ve taşkömürü (%7) olmak üzere fosil yakıtlara dayanamaktadır.
ATP fosil, AP, ÖP, TCETP, KIP, İTP ve FOOP çevresel etki kategorilerindeki etkiyi azaltmak amacıyla şebeke elektrik enerjisi yerine; yenilenebilir enerji kaynakları etkisine bakılmıştır.Tüm modelleme Türkiye'deki şebeke elektriği kullanılarak yapılmıştır. İlk senaryoda; yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisi; elektrik tüketiminin oluşturduğu olumsuz çevresel etkinin azaltılması için tercih edilmiştir. İkinci senaryoda ise; oluşan olumsuz etkileri azaltmak üzere tercih edilen enerji kaynağı güneş enerjisi olmuştur.
Değerler normalize edilirken şebeke elektriği baz alınmış ve şebeke elektriği kullanımının oluşturduğu değerler %100 kabul edilmiştir. Diğer iki yenilenebilir enerji kaynağının oluşturduğu etkiler bu kabule göre saptanmıştır. İki fonksiyonel birime göre üç profil boru tipi için şebeke elektriği yerine yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının çevresel etki kategorileri üzerindeki değişimleri saptanmıştır.
Şebeke elektriği, rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi kullanımı karşılaştırıldığında en az çevresel etki; rüzgar türbinlerinden elde edilen enerji kullanımında görülmüştür. Tesis şebeke elektriği yerine rüzgar enerjisi kullansa çelik profil boru üretimi esnasında oluşturduğu çevresel etkiyi azaltmış olur.

Abstract:
An increase in the population gives rise to the needs of people. In order to meet the increasing needs of human beings, production needs to be continued continuously and rapidly. The effects of production on the environment are directly affected by the increasing production amount to meet the needs.
The increase in environmental impacts also brings with it an increase in environmental pollution. Studies to reduce environmental impacts have started to be carried out by the industry. In the studies conducted, the concept of life cycle and production are brought together. Thus, the effects created by the product or service throughout the process are exposed.
The most important aspect of life cycle studies in different sectors is that it is comparable in terms of the effects it creates. Thus, life cycle studies can be used in the selection of economical, sustainable and environmentally friendly methods in production improvement studies.
Conducting a life cycle assessment study in the profile pipe production facility with different usage areas will contribute to the determination of the environmental impacts of the existing and future facilities. The aim of this study is to determine the environmental impact of the established in Turkey life cycle assessment of for three different profile pipe production facility, is to determine the path to follow in order to minimize these effects.
In the study, data were collected from a real facility producing profile pipes. This facility consists of slitting, form, welding, caliber, cutting, stacking and shipping processes. In the slitting process; sliced rolled sheets are made round by changing the cold shape between the form rollers with a series of rollers. In the welding process; the rounded sheet, heated at high frequency, is welded with the help of pressure applied on the boiling rollers and this welding process is called the high frequency induction pressure method. In the calibration process; pipe is converted into round, square or rectangular forms. In the cutting process; after the final product is cut according to the desired lengths with movable cold saws, it is automatically aligned to the stacking table and packing is made.
Transport of rolled sheets from different companies to the facility; producing lubricating oil used in production and transporting it to the facility; slitting, form, welding, calibration and cutting processes and the transportation of wastes from the facility and the management of wastes are included in the life cycle assessment in this study. In addition, no calculations have been made for the defective final product and final product shipment. During the environmental impact assessment, steel coil production is not included in the system limits. Because steel profile pipes can only be produced from steel coil sheet, it is not a situation where we can change and reduce its effect, and the factors that can be controlled are focused to optimize the investigated facility.
Percentage distribution of electricity consumption was the same according to the functional unit of one ton and one meter profile pipe production. In both functional units, the most energy was consumed in the welding process; this process was followed by slitting, form, caliber and cutting processes, respectively. For the production of one ton of profile pipes and for the production of one meter of profile pipes, the highest energy consumption was seen in the second type of pipe. The reason for this is that the type 2 profile pipe has twice the wall thickness of the type 1 pipe and the type 3 pipe pipe. There was a difference in terms of energy consumption between the production of the first type and the third type of pipe pipes with the same wall thicknesses. Because the type 3 profile pipe is produced from galvanized sheet that is processed more easily, and this type 1 profile consumes less energy than the pipe.
Life cycle evaluation for three different pipe types was made in this study. All three profile pipes are 40 mm wide, 40 mm high and 6 meters long. Firstly, two different sheets were preferred in order to compare the environmental effects of profile pipes produced from different sheets. While the 1st and 2nd profile pipes are produced from black material; Type 3 profile pipe is made of galvanized sheet, which is almost ready-to-use material. Secondly, two different wall thickness sheets were chosen in order to examine the effects on the environment of the profile pipes having different wall thickness. While the wall thickness of type 1 and 3 profile pipes is 1.5 mm, the wall thickness of type 2 profile pipes is 3 mm.
In the study, two different functional units were determined. The first of these; It was chosen as one ton production of 40 mm * 40 mm, 1.50 mm and 3 mm wall thickness and 6 meters long profile pipe. The second is; It is chosen as one meter length production from profile pipe measuring 40 mm * 40 mm, having a wall thickness of 1.50 mm and 3 mm.
In accordance with the purpose and scope of the study, the categories of effects are Abiotic Depletion Potential elements (ADP-elements), Abiotic Depletion Potential fossil (ADP-fossil), Acidification Potential (AP), Eutrophication Potential (EP), Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential (FAETP), Global Warming. Potential (GWP), Human Toxicity Potential (HTP), Ozone Depletion Potential (ODP), Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) and Terrestrial Ecotoxicity Potential (TETP).
On the literature searches, profile pipe production stage; it has a negative impact on the environment than raw material supply, transportation, installation, use and maintenance stages. This was found to be due to the fact that raw material and energy input are higher than other stages in the production phase. For this reason, we focused only on the profile pipe production phase in our study.
Percentage distribution of electricity consumption was the same according to the functional unit of one ton and one meter profile pipe production. In both functional units, the most energy was consumed in the welding process; this process was followed by slitting, form, caliber and cutting processes, respectively. For the production of one ton of profile pipes and for the production of one meter of profile pipes, the highest energy consumption was observed in the second type of pipe. The reason for this is that the type 2 profile pipe has twice the wall thickness of the type 1 pipe and the type 3 pipe pipe. There was a difference in terms of energy consumption between the production of the first type and the third type of pipe pipes with the same,wall thicknesses. Because the third type of pipe is produced from galvanized sheet which is processed more easily, and therefore the third type of pipe caused less energy than the first type of pipe.
While comparing the values of the three profile pipe types; The impact values of the first type of profile pipe are 100% accepted, the other two types of profile pipe values are normalized accordingly. According to profile pipe production for two functional units, scrap waste recycling was determined as the most important component of impact factors in the ADP element and TETP environmental impact categories for all three types of profiles. There was a negative effect in these two impact categories from scrap waste recycling, and the results were negative (positive effect) in these impact categories due to the exclusion of steel production outside the system boundaries.
According to the two functional units in the ODP environmental impact category, the transportation for the type 1 and type 2 pipe was the most important component of the impact factors, while the production of lubricating oil for the type 3 profile pipe was the most important component. Electricity consumption has been determined as the most important component of impact factors for the three profile types according to the two functional units in the remaining ADP fossil, AP, EP, FAETP, GWP, HTP and POCP categories. The Turkish power production relies on fossil fuels, mainly natural gas (49 %), lignite (21 %) and hard coal (7 %), as main energy source.
In order to reduce the impact in ADP fossil, AP, EP, FAETP, GWP, HTP and POCP environmental impact categories; renewable energy sources effect was examined. All modeling was done using mains electricity in Turkey.
In the first scenario; wind energy, one of the renewable energy sources; it has been preferred to reduce the negative environmental impact of electricity consumption. In the second scenario; the preferred energy source to reduce the negative effects was solar energy.
While the values were normalized, mains electricity was taken as basis and the values created by the use of mains electricity were accepted as 100%. The effects of the other two renewable energy sources have been determined according to this acceptance. According to two functional units, the changes in the environmental impact categories of renewable energy sources were determined instead of mains electricity for three profile pipe types.
Between using grid electricity, wind energy and solar energy; minimum environmental impact has been observed in the energy use from wind turbines. The renewable energy source that creates the least environmental impact after wind energy was solar energy. As a result of the scenario of using three different energy sources, it has been determined that production with wind energy will have less impact on the environment. For this reason; if the facility uses wind energy instead of grid electricity, it reduces the environmental impact it creates during the production of steel profile pipes.