Çelik ve Çevre

Günlük hayatımızda başta binalarımız, araçlarımız ve karşılaştığımız pek çok makinede karşımızda mühim bir malzeme olarak çeliği görürüz. Bu hayati malzeme pek çoğumuzun bildiği üzere demir elementi ve %0,2 – %2,1 oranında karbonun bileşiminden ortaya çıkar. Dünyanın en büyük sektörlerinden biridir çelik sektörü. WSA’nın (World Steel Association) yayınladığı verilere göre dünya çapında ham çelik üretimi 2018 yılı için 1,808.6 milyon tona ulaşarak 2017 yılına göre %4.6 oranında arttı. Türkiye WSA’nın yayınladığı 2018 ham çelik üretimi istatistiğine göre 37.3 milyon tonla dünya çapında en çok çelik üretimi yapılan 8. ülke olurken 2017 yılına kıyasla %0.6 düşüş gösterdi. Bu listeye göre ham çelik üretiminde en fazla üretim yapan 1. ülke 928.3 milyon ton ile Çin olurken onu 106.5 milyon ton ile Hindistan izledi. Japonya 104.3 milyon ton ile listeye üçüncü girerken onu 86.7 mt (milyon ton) ile Amerika Birleşik Devletleri, 72.5 mt ile Güney Kore ,71.7 mt ile Rusya ve 42.4 mt ile Almanya izledi.

Çelik, daha öncesinde de çeşitli verimsiz yöntemlerle üretilse bile 19. Yüzyılın ortalarında Bessemer Değiştirgeci’nin ortaya çıkmasıyla seri üretim materyali olarak öncesinden daha da önemli bir malzeme haline geldi. Yıllar geçtikçe ve teknoloji ilerledikçe çelik üretiminin maliyeti düşürülmesi ve kalitesinin arttırılması başarıldı. Yine de çelik üretimi hala geliştirilmesi gereken ve üzerinde çalışılan pek çok yöne sahip. Çelik üretimi endüstrisi zorunluluk derecesinde önemli bir sektör olduğu kadar karbon ayak izi, sürdürülebilirlik ve yüksek enerji tüketimi yönleriyle de bir o kadar çevre için baş ağrıtıcı bir sektör. Ancak bu durumu düzeltmek için yeni adımlar atılıyor.  

Isı: 

Bilindiği üzere demir-çelik endüstrisi yüksek miktarda ısı enerjisi açığa çıkaran bir endüstri. Bu ısının değerlendirilmesine bir örnek mekanik ve otomotiv endüstrisi için sıcak haddelenmiş çelik üreten Kuzey İtaylya’daki Ori Martin çelik tesisinde Organik Rankine çevrimi (ORC) türbinlerinin kullanılması. Kullanılan ORC sistemi ile yaz aylarında atık ısıdan enerji üreterek 700 hanenin elektrik ihtiyacını karşılar. Kış aylarında ise atık ısı yerel merkezi ısıtma ağı kullanılarak 2.000 hane ısıtılır. Bu sistem fabrikanın karbon ayakizini yılda 10.000 ton CO2 azaltmanın yanı sıra su soğutması ihtiyacını da ortadan kaldırıyor.   

Mitsubishi Heavy İndustries Grup şirketi olan Turboden tarafından kurulan ORC türbini ilk olarak termal enerjiyi mekanik enerjiye çevirir, daha sonra ise buhar türbini görevi gören bir turbo jeneratörü baz alarak çalışır ancak su yerine aşınma yapmayan, daha düşük türbin dönüş hızını ve düşük basıncı sağlayan br organik akışkanı buharlaştırır. Bu ORC turbo jeneratörü önce termal yağı kullanarak buharlaştırıcıda organik işletim akışkanını önden ısıtarak buharlaştırır ve bu buhar elektrik jeneratörüne bağlı olan türbini döndürür ve elektrik gücü elde edilir.  Egzoz buharı rejeneratörden geçerken organik akışkanı ısıtır ardından kondenserde yoğuşup, soğutma devresinde soğutulur. Son olarak organik işletim akışkanı rejeneratöre ve buharlaştırıcıya pompalanır ve kapalı devre işlemi tamamlanır.  

Dögüsel (Dairesel) Ekonomi: 

Döngüsel ekonomi (circular economy) endüstriyel iktisatta yeniden dönüşümü esas alan bir kavram. Ürünler tasarlanırken ve üretilirken yeniden kullanılabilme ve geri dönüştürme amacıyla yola çıkılır. Yani olabildiğince az atık, minimum kayıp niyetiyle tasarlanmış bir üretim sistemi. Başlarda döngüsel ekonomi kavramı öncelik olarak atık yönetimi ve geri dönüşüm odaklıysa da şimdi yeni nesil döngüsel ekonomi düşüncesi daha geniş bir çerçevede üretimden tüketime kaynak verimliliğinin bütün yönlerini kapsıyor. Kısıtlı ham maddeye sahibiz ancak nüfus dolayısıyla tüketim de gün geçtikçe artıyor. Ekonomistler, bilim insanları ve mühendislerin de günümüzde en temel hedeflerinden biri bu duruma çözümler üretmek. İşte bu çözümler, geri dönüştürülebilir ürünler, enerji verimliliği, yeniden üretim, atıkların değerlendirilmesi ve çevreci ekonomi planları döngüsel ekonominin bileşenleri. Henüz bu çözümler ve döngüsel ekonomi ne derece gerekli olsa da yeterince uygulanmıyor ve yaygın değil. Örneğin; yeniden üretimin yüksek bir potansiyeli olmasına rağmen şu anda yeniden üretilen ürünler Avrupa’nın üretiminin aşağı yukarı %2’si kadar. Döngüsel ekonomi daha başlangıç aşamasında olsa bile dünyamızın geleceği için zorunlu hale gelmiş durumda.  

Çelik endüstrisi, çeliğin kendisinin geri dönüştürülebilirliği ve defalarca kullanılabilme özelliği nedeniyle daha temiz ve sürdürülebilir bir geleceğe katkı sağlayabiliyor. Endüstri, hurda çeliği, çelik yapım işleminde ek bir eleman olarak kullanarak, hiçbir hurdanın boşa harcanmadığı dairesel bir halka oluşturarak kullanmaya çalışıyor. Ancak çelik üretimi esnasında toz, hadde tufalı ve parçacıklar şeklinde epeyce atık madde üretilmektedir. Yan ürün geri dönüşüm çözümleri ile atık üretim malzemeleri de kullanışlı ve karlı bir kaynağa dönüşebiliyor. Ayrıca çelik çubukların soğutulması için kullanılan su da kimi tesislerde bir su geri dönüşüm devresi ile donatılarak sürdürülebilirliğe katkı sağlanıyor. Bu konuda bir başka örnek de toz konusunda. Üretilen her metrik ton çelik için 10 ila 25 kilogram toz birikiyor ve bu da atmosfere egzoz havası yoluyla girer. Bu toz birikimine karşılık önlem olarak güvenilir bir tozsuzlaştırma sistemi hem işletme maliyetini düşürmeye hem de sürdürülebilirliğe etki eder.  

Döngüsel ekonominin en zorlayıcı yanı ise üreticileri ikna etmek. Çünkü bunun için onları kullanılmış ürünleri geri toplamaya, bileşenlerden ayırmaya ve tekrar kullanmaya ikna etmek gerekli. Döngüsel ekonomi hakkında Dünya Çelik Birliği(Worldsteel Association) bir farkındalık oluşturmak için 2018 yılının Eylül ayının 10’unda Brüksel’de bir konferans düzenledi. Bu konferansta Worldsteel genel müdürü Edwin Basson’ın şu ifadesi ise döngüsel ekonominin ve çeliğin zamanla ilerleyeceği yol hakkında oldukça dikkat çekici ve önemliydi: “Kendi içinde geri dönüşüm oldukça zahmetli bir süreç ve mutlaka bu konuya girmemize gerek yok- Asıl mesele, yeniden üretimi teşvik etmek için önümüzde aşmamız gereken daha uzun bir yol varken hala geri dönüşümü teşvik etmek için yasal düzeyde daha çok şey yapılmasıdır.” Bu yaklaşıma göre bu mevzuda yeni düzenlemeler gerekeceğe benziyor. 

CO2 ve Hava Kirliliği: 

2017’de ortalama olarak, üretilen her ton çelik için 1.83 ton CO2 salındı. Çelik endüstrisi, küresel fosil yakıt kullanımında doğrudan emisyonlarının %7 ila %9’unu oluşturuyor. Entegre çelik üretimi için sera gazı emisyonlarının birincil kaynakları şu şekilde; yüksek fırın sobası (%43), çeşitli yanma kaynakları ve proses gazları (%30), diğer işlem birimleri (%15) ve elektrik kullanımından kaynaklanan dolaylı emisyon (%12). CO2 salınımını azaltmak için kimi kâğıt üzerinde kimi teoride pek çok yöntem bulunuyor. Bazıları şöyle:    

İndirgeyici madde olarak Hidrojen: Demir cevherinin redüksiyonunda(indirgenmesinde) karbon yerine hidrojen kullanır böylece CO2 oluşumunu engeller ve bunun yerine H20 (su) üretir. 

Karbon Yakalama ve Depolama (CCS): Yakalanıp depolanabilen temiz ve konsantre bir CO2 akımı oluşturur. Bu süreç, çelik tesislerinin yakalama teknolojisi ile güçlendirilmesini ve taşıma ağlarının geliştirilmesini ve depolama alanlarına erişilmesini gerektirir. 

Karbon Yakalama ve Kullanımı (CCU): Kimyasal gaz için yakıt veya girdi malzemesi üretmek üzere mevcut işlemlerden elde edilen yardımcı ürün gazlarının bileşenlerini kullanır. 

Bir indirgeyici madde olarak biyokütle: Biyokütle indirgeyici olarak (karbon) kullanılabilir. Örneğin: kömür veya syngas. Ancak üretim tesisine yakın olması ve ekonomik olarak baktığımızda uygun şartları sağlaması ve yeterli miktarda elde edilebilmesi gerekli. 

Elektroliz: Demir cevherinin elektrik kullanımını azaltır. 

 Akıllı Sistemler: 

Dördüncü sanayi devrimi başka bir deyişle endüstri 4.0 diğer pek çok sektörü olduğu gibi çelik üretim sektörünü de etkiliyor. Geleneksel üretim ortamlarının yüksek oranda otomatik “akıllı” tesislere dönüştürmek hedeflenirken, dijitalleştirmeyle çelik üretim sürecinin farklı parçalarının tam potansiyeliyle etkileşimde bulunmaları sağlanıyor. Dijitalleştirilmiş bir tesisin üretim yönetimi sistemleri, her bir akıllı bileşeni izlemek için sensör teknolojisini, dijital üretim planlama araçlarını ve karmaşık yapay zekâ güdümlü diyagnostikleri kullanır. Gelecekte bu sistemlerin daha da gelişerek ve yaygınlaşarak hem mühendisliğin amaçlarından biri olan hem de dünyamızın geleceği için gerekli olan en az ham madde ve enerji kullanarak maksimum çeliği elde etmeyi sağlaması planlanıyor.  

Akıllı sistemler ve dijitalleşme, örneğin büyük veriler, malzemelerin izlenebilirliğini artırarak ve bir ürünün tüm yaşam döngüsünü yöneterek dairesel bir ekonomiye geçişi destekliyor.  

Kaynakça ve İleri Okuma: 

https://www.turboden.com.tr

https://www.forbes.com/sites/mitsubishiheavyindustries/2018/12/11/these-innovative-technologies-are-making-the-steel-industry-more-efficient/#2c018e4eb861

https://www.worldsteel.org/media-centre/blog/2018/circular-economy-implications-steel-industry.html

https://www.worldsteel.org/publications/position-papers/steel-s-contribution-to-a-low-carbon-future.html

http://pubs.sciepub.com/materials/6/1/2/