Mathematical model proposal and cost optimization in the creation of an emission reduction roadmap for an industrial enterprise in Turkey
Türkiye'de bulunan bir endüstriyel işletme için emisyon azalttım yol haritasının oluşturulmasında matematiksel model önerisi ve maliyet optimizasyonu
- Tez No: 894801
- Danışmanlar: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Her geçen gün küresel ısınmanın etkileri daha da belirginleşmekte ve dünya genelinde iklim kriziyle mücadele kapsamında ülkeler çevresel olarak bu duruma yaklaşmaktadır. Bu mücadelede, endüstriye finansal yaptırımlar uygulanmaktadır. En iyi ve işlevsel örneklerden biri, emisyon ticaret sistemidir. Türkiye, Emisyon Ticaret Sistemi (TR ETS) kurma sürecinde olan ülkeler arasında yer almaktadır. Sınırda karbon düzenleme mekanizması (CBAM), bu sürecin hızlandırılmasına katkı sağlamaktadır. Türkiye'nin iklim kriziyle mücadeleye dahil olmasıyla birlikte, diğer ülkelerde olduğu gibi finansal yaptırımlar da endüstri üzerinde etkisini gösterecektir. Firmalar, bu finansal yaptırımlara (örneğin, olası TR ETS'ye) karşı kendilerini korumak için bireysel emisyon azaltımı yol haritası oluşturmalıdır. Bu yol haritası, firmaların çevresel etkilerini azaltmak için benimsedikleri stratejileri ve uygulamaları içermelidir. Sürdürülebilirlik odaklı teknolojilere yatırım yapmak, enerji verimliliğini artırmak, yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş yapmak gibi adımlar, bu yol haritasının bir parçası olabilir. Enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması ve çevresel etkilerin azaltılmasında süreç entegrasyonu tercih edilen bir yaklaşım türüdür. Süreç entegrasyonu türlerinden biri pinch analizdir. Pinch analizin karbon kısıtlaması dahil edilerek ulusal enerji planlamasında sık kullanılan türü ise karbon emisyonu pinch (sıkıştırma) analizi (CEPA)dir. CEPA metodolojisinde her enerji kaynağı için bir emisyon faktörü belirlenirken, her enerji talebi için emisyon limiti belirlenmektedir. Yürütülen bu çalışmada CEPA metodolojisi kullanılarak işletme özelinde (mikro ölçekte) enerji planlaması adına matematiksel model önerilmiştir. Bu çalışma kapsamında sistem geneline (işletme geneline) bir emisyon kısıttı belirlenmiş olup bu emisyon kısıt işletmenin emisyon azalttım hedefidir. Yürütülen çalışmada bir endüstriyel işletmenin emisyon azalttım hedefi doğrultusunda uygulayacağı yeşil dönüşüm yol haritasının belirlenmesi amacıyla kullanılması için matematiksel model önerilmiştir. Matematiksel modelin amaç fonksiyonu çevresel ve finansal etkileri göz önüne alarak sistem net bugünkü değerini maksimize etmektir. Matematiksel modele 7 farklı yeşil dönüşüm önerisi dahil edilmiştir. Bu öneriler; çatı güneş enerjisi santrali, arazi güneş enerjisi santrali, rüzgar enerjisi santrali, ısı pompası, atık ısı geri kazanımı, doğalgazdan biokütleye geçişte biokütle santrali ve kömürden biokütleye geçişte biokütle santralidir. Matematiksel modelin karar değişkeleri olan bu dönüşüm önerilerinin kapasiteleri çalışmanın önemli yan çıktısıdır ve yol haritasının yapısını oluşturmaktadır. Matematiksel modele teknik, regülasyon ve emisyon kısıtları eklenmiştir. Teknik kısıtlar işletmenin gerekli buhar ihtiyacı, santral kurulumuna elverişli çatı alanı ve kömür tüketiminin varlığı kısıtlarıdır. Regülasyonel kısıtlar ise yenilenebilir yatırımları için sözleşme gücü ve elektriğin bedelsiz satışı kısıtlarıdır. Çalışmanın en önemli kısıttı olan emisyon kısıttı ile emisyon hedefine bağlı kalınmıştır. Matematiksel modele TR ETS maliyeti finansal parametre olarak dahil edilmiştir. TR ETS karbon fiyatı tahmini ayrı bir çalışma olarak yürütülmüş olup TR ETS karbon fiyatına etki edebilecek arz-talep tarafı parametreler incelenmiştir. TR ETS'nin olası aşamaları ve ücretsiz tahsis azalttım oranı 3 farklı senaryoda incelenmiştir. 2030 yılında senaryo 1 de ücretsiz tahsisin %90, senaryo 2 de %80 ve senaryo 3 de ise %70 olacağı varsayılarak senaryolar oluşturulmuştur. 2024-2033 yılları arası için TR ETS karbon fiyat tahminleri hesaplanmıştır. TR ETS karbon fiyatı 2024 yılı senaryo 1'de 79 EUR/t-CO2e ve 2033 yılı 142 EUR/t-CO2e olarak belirlenmiştir. Senaryo 3'de ise TR ETS karbon fiyatı 2024 yılı için 82 EUR/t-CO2e olarak hesaplanmıştır. Ücretsiz tahsisat azaltım oranındaki artış TR ETS karbon fiyatının görece artmasına neden olmaktadır. Sonuçlara göre TR ETS pilot fazında AB ETS'nin pilot fazına kıyasla görece yüksek karbon fiyatlarından başlayacağı öngörülmektedir. Oluşturulan matematiksel modelde, modelleme tekniği olarak Doğrusal Olmayan Programlama'yı kullanmıştır. Matematiksel model, emisyon azaltma kısıtlaması nedeniyle doğrusal olmayan bir yapıya sahiptir. Vaka çalışmasında değerlendirilen işletmenin enerji kaynakları elektrik ve doğalgazdan oluşmaktadır. Vaka çalışmasında 3 farklı emisyon azalttım hedef senaryosu oluşturulmuştur. Bu 3 emisyon azalttım senaryosu mutlak emisyonlardan 10 yıllık hedef periyodunda %30 %42 ve %60 azalttım senaryolarıdır. Emisyon azaltım senaryoları, %30'luk emisyon azaltım senaryosu ulaşılabilir/gerçekleştirilebilir senaryo, %42'lik emsiyon azaltım senaryosu bilimsel temelli hedef belirleme kriterlerine uygun olarak iklim değişikliğini 1,5 derece ile sınırlandırma senaryosuna uygun geliştirilen senaryo ve %60'lık emisyon azaltım senaryosu ise agresif emisyon azaltım senaryosunu ifade etmektedir. Ayrıca karbon fiyatlandırmasının olduğu ve olmadığı durumlar emisyon azalttım senaryoları ile kombinasyon oluşturacak şekilde senaryo sayısı artırılmıştır. Toplamda 6 farklı senaryo vaka çalışması kapsamında oluşturulmuş ve matematiksel model yardımıyla optimize edilmiştir. Matematiksel model, optimizasyonda yatırım önerilerini geri ödeme sürelerine göre önceliklendirirken aynı zamanda yatırım önerilerinin çevresel etkilerini de değerlendirmektedir. Vaka çalışmasının sonuçlarından biri karbon fiyatlandırmasından bağımsız olarak emisyon hedefinin agresifleştirilmesi nakit akışlarını ve NPV'yi pozitif yönde etkilemesidir. %30 ve %60 emisyon azalttım senaryoları karşılaştırıldığında %30'luk hedef agresifleştirmesi ile senaryoların sistem NPV değerleri karbon fiyatlandırması olmadığında %65,8 (senaryo 1 - 3 kıyaslaması) karbon fiyatlandırması olduğunda %67,1 (senaryo 4 - 6 kıyaslaması) oranında artış göstermektedir. Senaryo sonuçlarına göre karbon fiyatlandırmasının olmadığı senaryolarda emisyon azalttım oranı artığında sistemin IRR değeri düşmektedir. Ancak karbon fiyatlandırmasının olduğu senaryolarda emisyon azalttım oranı agresifleştiğinde sistem IRR artmaktadır. Aynı emisyon azalttım hedefi incelendiğinde karbon fiyatlandırmasının olmadığı senaryo 2'nin sistem IRR değeri %41,6 iken karbon fiyatlandırmasının olduğu senaryo 5'de sistem IRR değeri %57,6 olarak hesaplanmıştır. Aynı emisyon azalttım hedefi altında karbon fiyatlandırmasının etkisi ile sistem IRR değeri %38,4 oranında artığı belirlenmiştir. Ayrıca, karbon fiyatlandırması durumu, optimizasyon sonuçlarındaki yatırım çözüm önerilerinin kombinasyonlarını değiştirmektedir. Karbon fiyatlandırması olmayan senaryolarda, kapsam 2 azaltım önerileri ön planda yer alırken, karbon fiyatlandırması olan senaryolarda kapsam 1 azaltım önerileri de optimizasyon sonuçlarında yer almaktadır. TR ETS'nin karbon fiyatlandırması uygulandığında, şirketin yeşil dönüşüm yol haritasında kapsam 1 emisyon azaltım teknolojilerine yatırım yapmanın daha fizibil olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, şirketlerin karbon fiyatlandırmasının olduğu bir ortamda, kapsamlı emisyon azaltımı sağlayan teknolojilere odaklanmalarını teşvik etmektedir. Bu bulgular, karbon fiyatlandırması politikalarının ve düzenlemelerinin etkisini göstererek, işletmelere karbon azaltma stratejilerini optimize etme konusunda rehberlik edebilir. Sonuç olarak, bu çalışma, emisyon ticaret sisteminin endüstriyel işletmeler için emisyon azaltma hedeflerinin belirlenmesi konusunda önemli bir itici güç olduğunu göstermektedir. Önerilen matematiksel modelde, sistem geneline yönelik emisyon kısıtlamalarının belirlenmesi ve aynı zamanda mikro ölçekli işletmelerin özel durumlarının dikkate alınması için CEPA yönteminin geliştirilebileceği gösterilmektedir. Bu yaklaşım, işletmelerin kendi emisyon azaltma stratejilerini belirlemelerine ve daha etkili çözümler üretmelerine yardımcı olabilir. Bu çalışmanın sonuçları, emisyon azaltma politikalarının ve uygulamalarının daha kapsamlı bir şekilde geliştirilmesi için yol gösterici olabilir.
Özet (Çeviri)
Global warming is showing its effect day by day. While countries approach combating the climate crisis from an environmental perspective, this tackling the climate crisis is reflected in the industry as a financial sanction. The best and most functional example of these financial sanctions is the emissions trading system. Turkey is one of the nations that is probably going to set up an Emissions Trading System (TR ETS). The Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) accelerates this process. As a result of Turkey's struggle with the climate crisis, financial sanctions will be reflected on the industry as in other countries. Self-protection of companies against these financial sanctions (e.g. possible TR ETS) is through creating an individual emission reduction roadmap. Process integration is a preferred approach to use energy sources more efficiently and reduce environmental impacts. One of the types of process integration is pinch analysis. Carbon emission pinch analysis (CEPA) is frequently used type of pinch analysis in national energy planning by including emission constraints. In the CEPA methodology, an emission factor is determined for each energy source, while an emission limit is determined for each energy sink. In this study, a mathematical model has been proposed for enterprise-specific (micro scale) energy planning using CEPA methodology. Within the context of this study, a system-wide (enterprise-wide) emission constraint has been determined, and this emission constraint is the emission reduction target of the company. In this study, a mathematical model is proposed to be used in order to determine the green transformation roadmap that an industrial enterprise will implement in line with its emission reduction target. The objective function of the mathematical model is to maximize the net present value of the system by considering the environmental and financial effects. Seven different green transformation proposals are included in the mathematical model. These proposals are; rooftop solar power plant, land solar power plant, wind power plant, heat pump, waste heat recovery system, biomass power plant in the transition from natural gas to biomass and biomass power plant in the transition from coal to biomass. The capacities of these transformation proposals, which are the decision variables of the mathematical model, are an important side output of the study and constitute the structure of the roadmap. Technical, regulation and emission constraints were added to the mathematical model. Technical constraints are the required steam requirement of the enterprise, the roof area suitable for power plant installation and the presence of coal consumption. Regulation constraints are the electricity contract power and free sale of electricity constraints for renewable investments. It was ensured that the emission target was achieved thanks to the emission constraint, which is the most important constrain of the study. The cost of the TR ETS is included in the mathematical model as a financial parameter. TR ETS carbon price estimation was carried out as a separate study and supply-demand side parameters that could affect the TR ETS carbon price were examined. Possible phases of TR ETS and free allocation reduction ratio are examined in 3 different scenarios. Scenarios were created assuming that free allocation would be 90% in scenario 1, 80% in scenario 2 and 70% in scenario 3 in 2030. TR ETS carbon price estimates for the years 2024-2033 have been calculated. The TR ETS carbon price has been determined as 79 - 82 EUR/t-CO2e in 2024 and 142 EUR/t-CO2e in 2033. According to the results, it is predicted that the TR ETS will start at relatively high prices in the pilot phase compared to the pilot phase of the EU ETS. The mathematical model used the Nonlinear Programming as the modeling technique. Mathematical model is non-linear due to emission reduction constrain. In the case study, the energy sources of the company consist of electricity and natural gas. In the case study, 3 different emission reduction target scenarios were created. These 3 emission target scenarios are 30%, 42% and 60% reduction scenarios from absolute emissions in the 10-year target period. In addition, the number of scenarios has been increased in a way to create a combination with emission target scenarios, with and without carbon pricing. A total of 6 different scenarios were created within the scope of the case study and optimized with the help of a mathematical model. While the mathematical model prioritizes investment proposals according to payback periods in optimization, it also evaluates the environmental impact of investment proposals. One of the results of the case study is that the aggressiveness of the emissions target, regardless of carbon pricing, has a positive impact on cash flows and NPV. When 30% and 60% emission reduction scenarios are compared, with 30% target increasing, the system NPV values of the scenarios increase by 65,8% without carbon pricing (scenario 1 - 3 comparison) and increase by 67,1% with carbon pricing (scenario 4 - 6 comparison). According to the scenario results, the increase in the emission reduction rate decreases the IRR rate of the system in scenarios with no carbon pricing. However, in scenarios with carbon pricing, the system IRR increases when the emission reduction rate becomes aggressive. When the same emission reduction target is examined, the system IRR value of scenario 2 without carbon pricing is 41,6%, while the system IRR value is 57,6% in scenario 5 with carbon pricing. Under the same emission reduction target, the IRR of the system increases by 38,4% with the effect of carbon pricing (scenario 2 - 5 comparison). Also, the combination of investment proposals in the optimization results varies depending on whether there is carbon pricing or not. Investment combinations of scenarios without carbon pricing focus on scope 2 reduction technologies. The investment combinations of scenarios with carbon pricing include scope 2 and scope 1 emission reduction technologies. It has been determined that if TR ETS applies carbon pricing, it is more feasible for the company to invest in scope 1 emission reduction technologies in its green transformation roadmap. Finally, the results of this study show that the emissions trading system provides a driving force for industrial enterprises to set emissions reduction targets. In the mathematical model proposed in this study, determining the emission constraint for the whole system and working specifically for the micro-scale enterprise show that the CEPA method can be improved.
Benzer Tezler
- Proje hızlandırma için çok amaçlı bir model önerisi
A multi goal model proposal for project accelaration
MELİS MİNE ŞENER AVŞAR
Doktora
Türkçe
2018
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMİH ÖNÜT
- Müşteri memnuniyet endeks hesaplaması için model önerisi: Bir yerel yönetim uygulaması
Model proposal for customer satisfaction index calculation: A local government application
ADNAN AKTEPE
Doktora
Türkçe
2015
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiGazi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLAL TOKLU
DOÇ. DR. SÜLEYMAN ERSÖZ
- Çok amaçlı çok periyotlu çok ürünlü kapalı devre tedarik zinciri yönetimi için bir bulanık model önerisi
A fuzzy model proposal for multi-objective multi-period multi-product closed-loop supply chain management
SEMA AKIN
- Çok amaçlı konteyner yükleme ve araç rotalama problemlerinin çözümü için genetik algoritma yaklaşımı: porselen sektöründe karar destek sistemi önerisi
Genetic algorithm approach to the solution of multi-purpose container loading and vehicle routing problems: Decision support system proposal in porcelain sector
ELİF GÜLER ERMUTAF
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDumlupınar ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DURMUŞ ÖZDEMİR
- Çoklu cevap yüzeylerinin optimizasyonu için doğrusal olmayan bir model önerisi ve ekmek üretim sürecine uygulanması
A non-linear model proposal for multi-response surface optimization and application to bread making process
ALİ İHSAN BOYACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN EVREN