Extended Exergy Accounting (EEA) Analysis Of Turkish Society- Determination Of Environmental Remediation Costs

Abstract

Bu tez çalışmasında, kaynak kullanım verimliliği yönünden incelenmek üzere Turkiye örneği ele alınmış, motod olarak Extended Exergy Accounting (EEA, Genişletilmiş Ekserji Analizi) metodu uygulanış ve ulaşılan sonuçlar sunulmuştur. İlk olarak Dr. Enrico Sciubba tarafından geliştirilerek literatüre katılan ve ekserji bazlı bir kaynak kullanım analizi metodu olan EEA metodu, bugüne kadar literatüre katılmış hiçbir metodolojinin yapısında barındırmadığı bir yenilik sunularak, ele alınan sistemin, enerji yada ağırlık birimleri ile ifade edilebilen girdilerin yanında (enerji akışları ve materyal dışında), sisteme olan ?diğer? girişlerin - kapital, iş gücü ve çevresel etki - ekserji biriminde ifade edilmesi için yeni bir hesaplama metodu sunulmuştur. Metodun arkasındaki zihniyet, sistemin tükettiği kapital, işgücü ve çevresel etkinin giderilmesi için harcanan ekserjinin üretiminde kaynak kullanıldığı ve adı geçen ekserji tüketimlerinin de sistemin toplam kaynak kullanımı içerisinde ele alınması gerektiğidir. İş gücü ve kapitalin ekserji karşılıkları olarak, bunları yaratmak için gerekli olan kaynak tüketiminin ekserji değeri belirlenmektedir. Çevresel etki olarak ise, sistemden çıkan atığın temizlenmesi için gerekli kaynak kullanımının ekserji karşılığı hesaplanır. Sonuç olarak EEA, sistemin hertürlü kaynak tüketimini tek bir birimle (ekserji) ifade ederek birim bütünlüğünün sağlanmasının yanında, bugüne kadar hiç ele alınmamış olan ek akışların da sistem ekserji dengesi içerisine katılması ile ?genişletilmiş ekserji dengesi (extended exergetic balance)? kurulmasını sağlamakta ve adından da anlaşılır şekilde, şu anda literatürde olan en ?gelişmiş? ekserji bazlı kaynak kullanım analizi metodunu sunmaktadır. Özetle, EEA metodu ile yapılan analizlerde, sistemin her safhasında kullanılan malzeme, enerji, kapital, işçilik ve çevresel etki (ele alınan sisteminin atık ve emisyonlarının izin verilen sınırlar dahilinde tutulması için yapılacak işlemler) gibi faktörlerin hepsi analize katılarak ekserji biriminde ifade edilmiş ve sistemin kaynak kullanımı değerlendirmesine katılmıştır. Bu çalışmada, sistem olarak ele alınan Türkiye, EEA metodu ile incelenmiştir. Çalışmanın amacı: eylem yapıcı birimlere, ülke içerisinde kaynak kullanım kalitesinin değerlendirilmesi ve ülkenin daha kararlı ve sürdürülebilir çizgide varlığını devam ettirmesi için en mantıklı ve faydalı müdehale noktalarının bildirilmesidir. Çalışmada yapılan uygulama özetlenecek olursa: EEA ile yapılan ülke analizlerinde mutat olduğu üzere, ele alınan ülke 7 sektörel bölüme ayrılmakta ve birbiri arasındaki ekserji alışverişleri analiz edilmektedir. Bu sektörlerin kendi içindeki ekserji akışlarının yanında çevre ile (Environment, ENV) ve diğer ülkeler (Abroad, A) ile etkileşimi de hesaplamalara dahil edilmektedir. Söz konusu 7 sektörel bölüm ve kapsadığı faliyetler şunlardır: EX (Madencilik Sektörü): Hammadde çıkarma ve işleme (Petrol ve doğal gaz çıkarma ve rafineri işlemleri dahil) CO (Dönüşüm Sektörü): Enerji üretim tesisleri (rafineriler, ısı ve elektrik üretimi) AG (Tarım Sektörü): Tarım ve hayvancılık faliyetleri IN (Endüstri Sektörü): Endüstriyel faliyet kolları (rafineriler hariç) TR (Ulaştırma Sektörü): Ulaştırma faliyetleri TE (Servis sektörü): Servis faliyetleri (otel, eğitim, danışmanlık vs. hizmetleri) DO (Hanehalkı): Ev içi kullanım ve üretime dayalı faliyetler Yukarıda özetlenen EEA metodolojisinin Türkiye uygulamasının tez içinde sunulmasının yanısıra, bugüne kadar literatürde ilk defa görülür şekilde, sektörel katı, sıvı ve gaz atıkların çevresel etki maliyetleri, EEA metodu içerinde sunulan orjinal tanım ve teori doğrultusunda hesaplanmıştır. Diğer bir değişle, bugüne kadar literatürde uygulanan: atık temizleme faliyetlerinin gerektirdiği parasal yatırımın ekserji karşılığını ?çevresel etki maliyeti? olarak kabul eden pratik fakat sentetik ve metodun doğasını yansıtmayan yaklaşımın dışına çıkarak, çevresel etki maliyetleri, gerçek sistemler ele alınarak, EEA içerisinde sunulan orjinal tanımına uygun olarak hesaplanmıştır. Çevresel etkinin ekserjetik maliyetinin hesaplanmasında ele alınan sistemlerin ticari olarak aktif, teknik olarak bilinen ve yaygınlıkla kullanılan sistemler olmasına dikkat edilmiştir. Bu amaçla, 1) günümüzde atık su ve katı atık islahı için sıklıkla kullanılan ve atıktan, yaklaşık 98% saflıkta metan oranına sahip olan -bir nevi doğal gaz alternatifi- bir tür yakıt (biyogaz) ürtilmesini sağlayan anaerobik çürütme (anaerobic digestion) prosesi 2) dönüştürülebilir atıklar için geridönüşüm tabanlı sistem seçimleri yapılmış ve bu çalışma dahilinde analiz edilmiştir. Katı atık söz konusu olduğunda, atık türlerinin atık kompozisyonu içindeki oranları değişmekle beraber, DO, IN ve TE Sektörlerin katı atık bileşiminin ayni maddelerden oluştuğu göz önüne alınarak aynı proses zinciri içinde atık giderimi incelenmiştir. Özetle: atığın organik kısmı anaerobik çürütme prosesine tabi tutularak elde edilen biyogaz bir kojenerasyon tesisinde yakıt olarak kullanılmış ve elektrik ve ısı üretilmiştir. Inorganik kısım ise olabilecek maksimum oranda geridönüşüme uğradıktan sonra, geridönüşümsüz kısım yakma tesinde yakılarak ısı ve elektrik üretilmiştir. Geridönüsüm işlemleri sırasında oluşan artık kısım, düzenli depolama yapılmıştır. EX Sektör atığı, doğadan gelip tekrar depolama yolu ile doğaya terk edildiğinden incelenmemiştir. CO Sektör atığı içerisinde de yukarıda sayılan sektörlerin atık bileşiminde bulunan maddeler olduğundan yukarıda özetlenen atık giderimi sistemlerine ek olarak, rafineri atıkları için IGCC (integrated gasification combined cycle, entegre gazlaştırma kombine çevrim) sistemi ile enerji üretimi yapılmıştır. AG Sectör katı atığı olarak ele alınan hayvan ve bitki artıkları, anaerobik çürütme prosesinden geçirilmiş, oluşan biyogaz enerji üretiminde kullanılmıştır. TR Sektör atığı, tamamen farklı bir bileşime sahip olduğundan, sektöre özel bir yaklaşımla, taşıtların parçalanmasından sonra geri dönüşüm prosesi yapılmış, atık lastikler ise yakılarak ısı ve elektrik üretiminde değerlendirilmiştir. Geri dönüşüm işlemi artıkları ve yanmadan arta kalan kül, düzenli depolama ile yok edilmiştir. TR Sektör atığı olarak, sadece kara yolu atıkları incelemeye alınmıştır. Türkiyedeki ulaştırma sisteminin ne derece kara yoluna dayandığı dikkate alınırsa atığın büyük kısmının kara yolu taşıtlarından üretilmesini beklemek mantıklıdır. Ayrıca diğer ulaştırma motlarının ürettiği atık üzerine veri yoktur. Gaz emisyonlar için, güvenli ve düzenli bir veri analizinin ulaşılabilir olduğu CO2, CH4 ve N2O gazları ve bunların giderilmesi ele alınmıştır. Zaten kendisi bir yakıt olarak kullanılabilir olan CH4 enerji üretiminde değerlendirilerek, bu sistemin EEA analizi sunulmuştur. CO2 giderimi için CO2'nun Ca ile reaksiyonu sonucu CaCO3 üretimine dayanan bir sistemden faydalanılmıştır. N2O için ise N2O'nun yüksek sıcaklıkta dekompozisyonuna dayanan bir sistem incelenmiştir. Sıvı atıklar için ise, Türkiye'nin DO Sektörü tarafından üretilen evsel sıvı atık ele alınmıştır. Türkiye'ye özgü datalar incilendiğinde, atığın bir kısmının hiç işlem görmediği, bir kısmının ise çeşitli kademelerde arıtma proseslerine uğradıktan sonra ?arıtma çamuru? oluştuğu ve bu çamurun düzenli depolama ile gömüldüğü bilinmektedir. Bu çalışmada hem hiç proses görmemiş atık suyun hem de üretilen çamurun anaerobik çürütülmesi yolu ile bertarafının çevresel etki maliyetleri bulunmuştur. Diğer sektörel atıklar için de, çevresel etki maliyetinin evsel sıvı atık ile aynı olduğu kabul edilerek diğer sektörler için işlem yapılmıştır. Bu yaklaşımın gerekliliği, her sektörlerün atık su bileşimlerine ait bir veri kaynağının Türkiye için olmaması ve bu derece ayrıntılı bir analizin zaman ve hacim olarak sınırlı böylesi bir tez çalışması içinde mümkün olmadığı göz önüne alınarak açıklanabilir. Diğer bir çevresel etki ekserji maliyeti araştırması, sektörlerden atmosfere deşarj edilen ısının giderimi için yapılmıştır. Söz konusu ısı, en büyük oranda ve en yüksek sıcaklıkda baca gazları yolu ile atmosfere verildiği için baca gazları ele alınmış ve ortalama baca gazı bileşimlerinden yola çıkarak, atık gazların çevre ile aynı sıcaklığa getirilmesi için kullanılan ORC (Organic Rankine Cycle) sisteminden elektrik üretilminin EEA analizi sunulmuştur. Yukarıda anlatılan çevresel etki ekserji maliyetleri ve sektörel verimler sonuç bölümünde özetlenerek sunulmuştur. Bulunan sonuçların ayrıntılı incelemesi de sonuç bölümünde görülmektedir. Sonuçlara göre EX, CO, AG, IN, TR, TE ve DO Sektörlerin EEA analizi verimleri 91%, 43%, 0,13%, 57%, 48%, 87% ve 99% olarak belirlenmiştir.

The fact that source of all activities on earth is the availability of energy and its conversion into different forms is the motivation of the use of thermodynamic methods in resource use and sustainability analysis. Exergy, by definition, does not identify the ability of humankind to exploit a resource (it is the maximum limit of utulization from the resource but impossible to realize), but is a path-independent property, serving as a metric to measure the theoretically extractable work contained in a resource. As a result, the most promising approach to adequately describe the resource potential and consumption of this potential so far has been addressed as exergy analysis in which exergy (available energy, maximum work generation limit of the resource) is regarded as utility potential of the resource and resource depletion is the lost of this potential in the course of material and energy transformations. Application of an exergy based analysis to a society and determining the use of resources in terms of exergy enable to gain a more comprehensive and deeper insight from sustainability point of view, to identify areas where large improvements are needed by applying more efficient technologies. In this thesis, a completely resource-based method of analysis, the Extended Exergy Accounting (EEA) technique, has been applied to the specific case of the Turkish society (on the basis of a 2006 database), to disclose the present situation of the resource use efficiency within the society. EEA is an exergy based method but clearly has some ?extended? abilities: EEA enables to convert the so-called ?externalities?, i.e., the immaterial/non-energetic fluxes of labour, capital and environmental remediation, into their exergetic equivalents. Hence, EEA provides a more comprehensive and deeper insight of the resource consumption and of the environmental impact. This present thesis is intended to provide support for possible structural interventions aimed at the improvement of the degree of resource consumption quality within the country. Following the routine of EEA applications, the Turkish society has been modeled as an open thermodynamic system, interacting with two ?external? systems, namely ?Environment? and ?Abroad?, and consisting itself of seven internal subsystems: Extraction-, Conversion-, Transportation-, Agricultural-, Industrial-, Tertiary- and Domestic sector. Furthermore in this thesis, the environmental remediation costs of sectoral solid waste, liquid waste, gas emissions and discharge heat are obtained in accordance with the original calculation procedure proposed by EEA, i.e., without recurring the conversion of monetary equivalent of the environmental remediation (treatment) processes into its exergetic equivalent as it has been applied so far in the literature. As a result, this thesis provides the environmental remediation cost equivalent of considered pollutants for the first time in the literature and the results have the corresponding importance. In the analysis of gas emissions, considering the wide variety of emission gases and due to lack of sufficiently disaggregated data for all types of emissions, three types of greenhouse gases (CO2, CH4, N2O) are undertaken. Thereby, computed sectoral resource consumption efficiencies are more realistic than those of societal EEA analysis applications which have been performed and presented to date in the literature.