Karbon Fiber Üretiminde Düşük Maliyetli Doğal Gazın Rekabet Avantajlarının Maksimize Edilmesi
James Fry / Uygulama Mühendisi - Harper International
Artan doğal gaz kullanımına doğru kayan günümüz enerji trendleri, karbon fiber üretim tesislerinin tasarımında dikkate alındığında, belirli koşullar çerçevesinde performans ve ekonomi açısından avantajlar doğurabilir. Elektrik arzının daha istikrarlı ve güvenilir olduğu kabul edilmekle birlikte, dünyanın çoğu bölgesinde elektrik daha pahalı bir enerji kaynağıdır.
Endüstri düşük maliyetli fiber karbon geliştirmek için çözümler geliştirme yolunda çalışırken üretim prosesi tüm yönleriyle inceleme altındadır ve doğal gaz kullanımının değerlendirilmesi ekonomi bulmacasını çözmede önemli bir rol oynayabilir. Bu makalede, iyileştirilmiş kontrol ve termal istikrara sahip gazlı ünitelere ve hibrid gaz/elektrik tasarımlarına geçişe olanak tanıyabilecek olan ve ayrıca termal dönüştürme prosesinde tüketilen sarf malzemelerinin azaltılmasına odaklanan yenilikler tartışılacaktır. Avantajları göstermek için örnek senaryolara yer verilecektir.
Bir Evrensel Tesis Örneği
Geleceğin karbon fiber tesislerinin, olası en düşük maliyetle işletilebilmeleri için baştan tasarlanmaları gerekecektir. Bugüne kadar sektör büyük oranda toplam şebeke elektriği tüketimini düşürmeye odaklanmış olsa da enerji hala toplam karbon fiber üretimi maliyetlerinin %5 ila %10’una tekabül etmektedir [1]. Olası en düşük işletme maliyetlerine ulaşmak için karbon fiber tesislerinin, belirli bir bölgede hangisi ucuz ise onu tercih etmek üzere doğal gaz veya elektrik enerjisi kullanma esnekliğine ihtiyacı olacaktır. Olayları daha da karmaşık hale getiren istikrarsız enerji piyasaları bu tercih edilen enerji kaynağının zamanla değişmesine yol açabilir. Bu yüzden ideal evrensel tesis, belirli bir hatta aynı ekipmanla ya doğal gaz ya da elektrikle çalışabilen hibrid bir tasarıma sahip olacaktır.
Bu hibrid teknolojisinin merkezinde oksidasyon fırınları yer alacaktır. Karbon fiber hattındaki tüm ünite operasyonları arasında oksidasyon sistemi, yaklaşık 1’e 4 oranında bir faktörle en çok enerjiyi tüketir. Bunun nedeni, karbonizasyon adımlarıyla ilgili olarak Poliakrilonitril (PON) oksidasyon prosesinin gerektirdiği uzun fiber oturma prosesi ve yüksek proses atmosferi takviye debileridir. Oksidasyon fırınının ısıtılması, karbon fiber hattında kullanılan enerjinin %32’si ila %40’ını tüketir [2][3]. Buradaki elektrik maliyetindeki herhangi bir düşüş, karbon fiber hattının toplam işletme giderinde büyük bir düşüş anlamına gelir.
Evrensel Teknoloji ve Pratikteki Çalışma Şekli
Oksidasyon bağlamında, iki ila dört ekipman yığını halinde yayılmış, tipik olarak dört ila sekiz termal bölge yer almaktadır. Bunu tek bir parça ekipman içerisinde dört ila on bölgeye sahip olabilecek bir karbonizasyon fırını ile karşılaştırın. Fırınlar basittir, artıklı ısıtma cihazlarını kolayca barındıracak kadar büyüktür ve fırın prosesinin düşük sıcaklıklı veya yüksek sıcaklıklı karbonizasyon proseslerinin tükettiğinden on kat fazla elektrik tükettiği dikkate alındığında (Omnia, LLC, 2012), hibrid ısıtma teknolojisinden en çok yararlanacak bileşenlerdir. Bunların hepsi bir araya geldiğinde, hibrid fırınların bir karbonizasyon fırınında o kadar da belirgin olmayan bir maliyet/avantaj analizinden geçmesini sağlar.
Tipik bir oksidasyon fırını bölgesinde, havayı bir dizi elektrikli ısıtma elemanı boyunca üfleyerek sirkülasyon havasının sıcaklığını artıran bir sirkülasyon fanı bulunmaktadır. Bu ısıtma elemanlarına sağlanan elektrik, fiber işleme odasının içinde yönteme özgü bir sıcaklığı muhafaza eden bir sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilir. Hibrid bir fırında, elektrikli elemanlarla seri bağlı, gazla çalışan dolaylı bir ısı eşanjörünün ilave edilmesi söz konusu olacaktır. Şekil 1’de gösterildiği gibi ilk sıcaklık kontrol cihazı (elektrikli elemanlar) ayar noktası, manuel olarak ikinci sıcaklık kontrol cihazından (gazla çalışan ısı eşanjörü) daha düşük bir değere ayarlanabilir. Bu sayede, sirkülasyon havasını gerekli proses sıcaklığına çıkarmak için ilk ısıtıcı belirli bir miktarda enerji sağlayabilir, ikinci ısıtıcı ise işi bitirebilir. Gaza ihtiyaç olmayan hallerde (elektrikle ısıtma daha ucuz olduğunda) gazlı ısıtıcı sıfıra ayarlanabilir ve tüm işi elektrikli elemanlar yapabilir. Elektriğe ihtiyaç olmayan hallerde (gazlı ısıtma daha ucuz olduğunda) ise elektrikli ısıtıcı sıfıra ayarlanabilir ve tüm işi gaz yapabilir. Isıtma kaynağında bir tür kombinasyona ihtiyaç olduğunda (örneğin; elektrik şirketi pik yaz günlerinde tüketimin düşürülmesini talep ettiğinde) ise yük iki ısıtıcı tarafından paylaşılabilir. Fırının ilk çalıştırmada olabildiğince hızlı ısıtılması gerektiğinde her iki ısıtıcı %100 verime ayarlanarak tek tek yapabileceklerinden çok daha hızlı bir ısıtma elde edilebilir.
Enerji Üretimi ve Tüketimindeki Trendler Genel Bakış
Enerji endüstrisine yönelik tahmin, son yıllardaki tahminlere kıyasla günümüzde çok farklıdır. Yeni dinamikler, piyasada kısmen yeni arz keşiflerinden ve ayrıca talepteki genel bir düşüşten kaynaklanan aşırı arz tarafından etkilenmektedir. Bu kuvvetler global pazardaki enerji dinamiklerini büyük oranda değiştirmiştir. Bu jeopolitik paradigma kaymalarından faydalanmak, şirketlere gelecek açısından sağlam stratejik avantajlar sağlayabilir.
Doğal Gazdaki Son Gelişmeler
Doğal olarak oluşan gaz antik çağlardan bu yana biliniyor olsa da ticari olarak kullanımı görece yakın bir geçmişe uzanır. Günümüzde doğal gaz, dünyanın enerji tedarikinde hayati bir bileşendir. ABD’yi örnek olarak alırsak, doğal gaz şu anda konutlar ve ticari müşteriler tarafından tüketilen enerjinin yarısından fazlasını ve ABD endüstrisi tarafından kullanılan enerjinin yaklaşık %41’ini ağlamaktadır.[5]
Kuzey Amerika’da ve diğer yerlerde, son keşifler enerji uzmanlarını ve politika yapıcılarını geniş bir yelpazedeki hedeflerin peşinden gitmek için ana etken olarak doğal gaza odaklanmaya yöneltmiştir (enerji fiyatındaki ani yükselmelerin etkisini hafifletme, yabancı petrole bağımlılığı azaltma, sera ayarlanabilir ve tüm işi gaz yapabilir. Isıtma kaynağında bir tür kombinasyona ihtiyaç olduğunda (örneğin; elektrik şirketi pik yaz günlerinde tüketimin düşürülmesini talep ettiğinde) ise yük iki ısıtıcı tarafından paylaşılabilir. Fırının ilk çalıştırmada olabildiğince hızlı ısıtılması gerektiğinde her iki ısıtıcı %100 verime ayarlanarak tek tek yapabileceklerinden çok daha hızlı bir ısıtma elde edilebilir. Elimizde bilgi olduğu için ABD’yi örnek olarak kullanmaya devam edersek, Enerji Bilgi Dairesi’ne (EIA) göre ABD’nin net doğal gaz ithalatı 2014 yılında sekiz yıllık bir gerilemeyi sürdürerek %9 düşmüştü. ABD kuru doğal gaz üretimi rekor yüksek seviyelere ulaştığı için düşen iç fiyatlar, bunun doğal gaz ithalatlarının yerini almasına yardımcı olmuştur. Net doğalgaz ithalatları (ithalatlar eksi ihracatlar) 2014’te toplam 33,16 milyar metreküp olarak gerçekleşmiştir ve bu değer 1987’den beri görülen en düşük seviyedir. Rafine edilerek benzin veya mazota dönüştürülen ham petrol neredeyse tüm otomobillere ve kamyonlara yakıt sağlamaktadır. Elektrik üretimindeki hakim yakıt olarak ise kömür kullanılmaktadır. Ancak, sera gazları çevremizi değiştirmeye devam ettikçe, düşük karbon ekonomisine geçişe yönelik bir yol haritası çıkarılması Kuzey Amerika’da ve dünyanın dört bir yanında çok hızlı ilerleyecektir. Bu dönüşüm, ekonomimizi ve bildiğimiz hizmet altyapısını kökünden değiştirecektir. Piyasa devasa tedarik rezervleriyle hala büyük oranda parçalı ve az gelişmiş olduğu için, eşitsiz bir gelişime sahne olacak bir gelecek, uygulama ve yeni politika uygulamaları önümüzdeki yıllarda piyasayı tanımlayacaktır.
Teorik Vaka İncelemesi
Hibrid Oksidasyon Teknolojisinin İşletme Gideri Üzerindeki
Etkileri:
Bu bölümde, üç karbon fiber hattına ve farklı oksidasyon enerjisi kaynaklarının işletme giderleri (OpEx) üzerindeki etkisine dair teorik bir analizi ele alacağız.
Hat 1 – 3 metre – Mevcut endüstri standardı üretim ölçeği
Hat 2 – 4 metre – Sıradaki üretim ölçeği
Hat 3 – 5 metre – Gelecek üretim ölçeği
Bu hatlara enerji sağlamaya dönük iki farklı yöntemi gözden geçireceğiz.
Senaryo 1 – Elektrikle Oksidasyon
Senaryo 2 – Gazla Oksidasyon
Bu proses parametreleri, üç hattımızdaki oksidasyon sistemlerini ısıtmak suretiyle tüketilmesi beklenen enerjiyi öngörmek için Harper’ın standart proses modellerinde girdi olarak kullanılmıştı. Elimizde bilgi olduğu için ABD’yi örnek olarak kullanırsak, bu enerji tüketimi değerleri, ABD Enerji Bilgi Dairesi’nin Kısa Süreli Enerji Görünümü’nden elde edilen hem gaz hem de elektriğin Endüstriyel Sektör maliyetleriyle çarpılmıştır.[9] Sonuçlar Şekil 2’de gösterilmiştir.
Dünyanın diğer kısımlarında, doğal gaz ve elektrikle ısıtma maliyet açısından birbirine çok daha yakındır. Elektrik şebekesindeki talep düşük olduğu için oksidasyon fırınlarını doğal gaz yerine elektrikle ısıtmanın esasen daha ucuz olduğu pik dışı zamanlar gibi zamanlar bile vardır.
Gazla Çalışan Düşük Sıcaklıklı Karbonizasyonun İşletme Giderleri Üzerindeki Etkileri
Sorunun karmaşıklığını göstermek için şimdi gazlı veya elektrikli bir düşük sıcaklıklı (LT) karbonizasyon fırını seçmenin etkisini değerlendireceğiz. Proses sıcaklığı arttıkça gazla ısıtmanın verimi düşer [10]. Elektrik ve gaz enerjisi tüketimini modellerken oldukça tipik bir bölge sayısı ve sıcaklık profili varsayılmıştır. Şekil 4, 2014 elektrik şebekesi maliyetleriyle LT fırını ısıtmak için oluşan maliyeti göstermektedir. Şekil 5, aynı hesaplamanın sonuçlarını bu defa 2008 elektik şebekesi maliyetleri kullanılarak göstermektedir.
2008’de, düşük sıcaklıklı karbonizasyon fırınını elektrikle ısıtmak, gazla ısıtmaktan daha ucuz olabilirdi. O yıl bir anomali söz konusuydu ve piyasadaki güçler, Amerika Birleşik Devletleri’nde doğal gazın fiyatını geçici olarak şişiriyordu. Bu analizin amacı, doğal gazın genellikle elektrikten daha ucuz olduğu Amerika Birleşik Devletleri gibi bölgelerde bile tercihin her zaman belirgin olmadığını göstermektir. Burada ısıtma kaynağı tercihi aşağıdaki gibi olabilir:
İyi – Elektrikli Fırınlar, Gazlı LT
Daha İyi – Gazlı Fırınlar, Gazlı LT
En İyi – Hibrid Fırınlar, Gazlı LT
Gazlı ısıtma ile elektrikli ısıtmanın karşılaştırıldığı bu iyi/daha iyi/en iyi senaryosu, doğal gazın tutarlı bir biçimde daha düşük maliyetli enerji kaynağı olduğu bölgeler için geçerlidir. Dünyanın diğer kısımlarında durum farklı olabilir. Bu yüzden, hibrid bir tesis tasarımı evrensel düzeyde idealdir.
Diğer Hususlar Güvenilirlik
Hibrid oksidasyon sisteminde, artıklı ısıtma kaynakları daha büyük güvenilirlik yaratabilir. Elektrikli ısıtma elemanları ve gazla çalışan ısı eşanjörleri, ya tümüyle elektrikli ya da tümüyle gazlı ısıtmayı kullanmak amacıyla tam ısıtma yüküne göre boyutlandırılabilir. Böylece artıklılık üzerinden basit güvenilirliğe ulaşılabilir. Bir ısıtma kaynağı başarısız olursa, diğeri; arızalı ünitenin değiştirilebileceğiçalışma süresinin sonuna kadar sistemi çalışır durumda tutabilir.
Günlük İşletme
Elektrik hizmeti şirketleri çoğunlukla müşteri sözleşmelerini, yaz aylarında gün ortasında olduğu gibi pik talep zamanlarındaki yüksek tüketimden dolayı pahalı cezalar uygulanacak şekilde yapılandırır. Bunu önlemek için, etkin bir şekilde ritm düşürebilen tesisler çoğunlukla bu zamanlarda üretimlerini
düşürür. Örneğin; endüstriyel gaz santralleri için yaz mevsiminde gün ortası saatlerde kriyojenik hava ayırma ünitelerinin çıkışını düşürmek yaygın bir uygulamadır. Çalışma süresi boyunca, hat hızını düşürme gibi bir çıkışı azaltma işleminin süre/sıcaklık yöntemini değiştirerek fiber ürününü bozabileceği karbon fiber hatlarında bu bir seçenek değildir. Çalışma süresi boyunca elektrik tüketimini düşürmenin tek yolu, pik saatlerde yükün bir kısmını yardımcı bir ısıtma yöntemine (doğal gaz) yönlendirmek olacaktır.
Yüksek Sıcaklıklı ve Ultra Yüksek Sıcaklıklı Fırınlar
Burada bir karbon fiber hattındaki son termal işleme adımları olan yüksek sıcaklık (HT) ve ultra yüksek sıcaklık (UHT) tartışılmamaktadır. Bu prosesler, 1200°C ila 2800°C arasında çalışır. Proses sıcaklığı arttıkça doğal gazın verimi düşer. Bu yüzden doğal gaz genellikle oksidasyon fırınları (250°C) açısından anlamlıdır ve LT fırın (800°C) için anlamlı olabilir fakat, HT ve UHT fırınlar için kesinlikle uygulanabilir bir opsiyon değildir. Bu proseslerde tercih edilen teknoloji elektrikli ısıtmadır.
Özet
Doğal gaz, dünyanın enerji altyapısında artan oranda hayati bir rol oynayacaktır. Yeni ortaya çıkan doğal gaz arzlarına sahip ülkelerdeki politika yapıcılar bu arzın genişlemesini desteklediği için endüstri, altyapıya yaptığı yatırımlara devam etmektedir. Bu, endüstriyel kullanıcılar için, tüm kategorilerde
elektrikten önemli oranda daha düşük olacak şekilde, daha düşük gaz fiyatı uygulama trendinin sürdürülmesini sağlayacaktır. Karbon fiber oksidasyon fırınları ve düşük sıcaklıklı fırın teknolojisi yoğun düzeyde enerji kullandıkları için gazla çalışan teknolojiler, yatırım kararlarını geleceğe de emin bir şekilde taşıyacaktır. Harper International, piyasanın ihtiyaçları için en verimli ve etkin enerji kullanım senaryosunun benimsenmesinde, gazlı, elektrikli ve hibrid fırın teknolojilerindeki derin uzmanlığıyla en ön saftadır.
Kaynakça
1. Alexander Coker, J. G. (2011). Carbon Fiber PERP 2011S9. White Plains NY: CHEMSYSTEMS
2. Warren, C. D. (2010, June 9). Low Cost Carbon Fiber Overview. Oak Ridge, Tennessee, USA: Oak Ridge National Laboratory / US Department of Energy
3. Stry, B. (2013). How Mass Automotive Use Will Affect The Way Carbon Fiber Producers Must Think About Their Facility’s Carbon Footprint. GoCarbonFiber. Seattle.
4. Omnia, LLC. (2012). Assessment of Carbon Fiber Manufacturing Costs. INVEST in Iceland.
5. A Brief History of Natural Gas. (2012). Retrieved June 29, 2014, from American Public Gas Association: http://www.apga.org/i4a/pages/index.cfm?pageid=3329
6. Energy, U. D. (2015, June 9). Short Term Energy Outlook. Retrieved June 25, 2015, from US Energy Information Administration: http://www.eia.gov/forecasts/steo/
tables/?tableNumber=8#
7. Conti, J. J., Paul, D. H., James, R. D., Sam, A. N., Michael, S., James, T. T., et al. (2015). Annual Energy Outlook 2015. Washington, DC: US Energy Information Administration.
8. Pascual, C. (2013). Global Energy Outlook. Atlantic Council Energy and Economic Summit (p. 18). Istanbul: The Atlantic Council.
9. Energy, 2015
10. Reed, R. J. (1986). North American Combustion Handbook. Cleveland, OH: North American Mfg. Co.