İçindekiler
Dergi Arşivi

Farklı Çimento Ve Betonların Karşılaştırmalı Yaşam Döngüsü Analizi ve Leed Sertifikalı Binalarda Etkilerinin Değerlendirilmesi

Begüm HACIYUSUFOĞLU/Boğaziçi Üniversitesi Sürdürülebilir Kalkınma ve Temiz Üretim Uygulama ve Araştırma Merkezi - Dr. Hatice Merve BAŞAR/Boğaziçi Üniversitesi Sürdürülebilir Kalkınma ve Temiz Üretim Uygulama ve Araştırma Merkezi - Prof. Dr. Nilgün CILIZ/Boğaziçi Üniversitesi Çevre Bilimleri Enstitüsü

 

1. Giriş

Beton, üstün mekanik ve durabilite özellikleri ile küresel anlamda en çok tercih edilen yapı malzemesidir (Meyer, 2009; Başar ve Deveci-Aksoy, 2012; Özer-Erdoğan vd., 2016). Dünyada yıllık ~25 milyar ton beton üretilmektedir (WBCSD, 2009). Sürdürülebilir kalkınma açısından, yaygın kullanım sebebiyle, betonun çevresel etkileri değerlendirilmelidir (Van den Heede ve De Belie, 2012). Beton, hacimce, çimento (~%10), ince ve kaba agrega (~%70), su (%15), hava (%0,5-8,0) ve katkı malzemesinden (<%1) oluşmaktadır (Flower ve Sanjayan, 2007). Günümüzde çimento/beton endüstrisi, doğal kaynak kullanımının azaltılması, yüksek enerji ihtiyacı, fazla atık oluşumu ve sera gazı emisyonları temelinde önemli çevresel baskılarla karşı karşıyadır (Stafford vd., 2016; Meyer, 2009; Marinkovic vd., 2017). Yapı sektörü doğal kaynak ve enerji tüketiminin %50 ve %40’ından, atık oluşumunun %50’sinden sorumludur (Oikonomou, 2005). Bunun yanısıra, çimento üretiminin dünyadaki antropojenik CO2 emisyonlarının %5-7’sine (Humphreys ve Mahasenan, 2002), endüstriyel enerji tüketiminin %12-15’ine sebep olduğu düşünülmektedir (Madlool vd., 2011). Ayrıca, 1 ton çimento klinkeri için 1,6 ton hammadde gerekirken (EIPPCB, 2013), 1 ton çimento ~1 ton CO2 emisyonuna sebebiyet vermektedir (Bilodeau ve Malhotra, 2000), bu emisyonların yarısı fosil yakıtlardan, diğer yarısı kireçtaşı kalsinasyonu kaynaklıdır (Gursel vd., 2014). Betonun çevresel etkilerini azaltmada en uygun strateji yaşam döngüsü analizidir (YDA). YDA, bir ürünün tüm yaşam döngüsü boyunca beşikten mezara yaklaşımı ile olası çevresel etkilerini belirleyen yönetim aracıdır (ISO, 2006a) ve betonların çevresel performanslarını değerlendirmede de kullanılmaktadır (Van den Heede ve De Belie, 2012; Teixeira vd. 2016). Son yıllarda çimento ve betonun çevresel etkilerini belirlemek için yoğun ilgi vardır (Huntzinger ve Eatmon, 2009; Van den Heede ve De Belie, 2012; Stafford vd., 2016) ve eko-tasarım ürünü beton tasarımı söz konusudur. Çimentoda klinker bileşenleri ve atıktan türetilmş yakıt (ATY) kullanımı ile elde edilen çevresel tasarrufları YDA ile inceleyen çalışmalar yaygınlaşmıştır (Boesch vd., 2009; Stafford vd., 2016; Güereca vd., 2015); ancak, yeni araştırmalar halen gereklidir. Ayrıca, önceki çalışmalarda doğal agregaların veya Portland çimentosunun endüstriyel yan ürün, atık veya geri dönüşüm malzemeleriyle kısmen ikamesi ile üretilen betonlar için YDA ile sürdürülebilir çözümler hedeflenmiştir (Ondova ve Estokova, 2014; Ding vd., 2016; Faleschini vd., 2014; Anastasiou vd., 2017; Kleijer vd., 2017). Bununla birlikte, söz konusu araştırmalarda yeşil betonun konvansiyonel beton ile kıyaslanması genellikle tek değişken üzerinden (agrega, çimento ikamesi) ilerlerken, çok değişkenli kombinasyonlar kısıtlıdır (Turk vd., 2015; Marinkovic vd., 2017). Ayrıca, YDA’nın küresel katkısına rağmen yerel koşullar (taşıma mesafesi), YDA sonuçlarında önemli değişimlere sebep olabilir (Anastasiou vd., 2017).

Bu çalışmada, çevre dostu klinker bileşenleri (kireçtaşı, jips), ilave çimentomsu malzemeler (uçucu kül (UK), yüksek fırın cürufu (YFC) ve atıktan türetilmiş yakıt (ATY) ile üretilen çimentolar ile agrega olarak inşaat ve hafriyat atıklarını (CDW) içeren çeşitli beton senaryoları için beşikten tesis kapısına YDA yaklaşımı karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Ayrıca, YDA ile belirlenen en iyi eko-tasarım beton ürünü, “LEED v4 yeşil bina sertifikasyon sistemi: Yeni inşaatlar ve Büyük Renovasyonlar” temelinde değerlendirilmiştir.

 

2. Yöntem

2.1. Yaşam Döngüsü Analizi (YDA) Yaklaşımı

2.1.1. Amaç ve Kapsam

Amaç ülkemizdeki çeşitli çimento ve hazır beton reçetelerine ait çevresel performansların değerlendirilmesi için “beşikten tesis kapısına” karşılaştırmalı bir YDA yaklaşımı geliştirmektir. Beton üretim senaryoları Tablo 1’de verilmiştir. Söz konusu senaryolarda katı yakıt taşınması, kaynak korunumu ile kazanılan çevresel tasarruflara göre baskın kaldığı için kapsam dışı bırakılmıştır (Şahin, 2015).

 

Tablo 1. Beton Üretimi İçin Seçilen Senaryolar

Senaryo 1

Portland çimentosu (CEM I) ve doğal agrega (DA) içeren hazır beton

Senaryo 2

ATY ile üretilen CEM I çimentosu ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 3

ATY ile üretilen katkılı çimento (CEM II) ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 4

CEM I çimentosu, UK ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 5

ATY ile üretilen CEM II çimentosu, YFC ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 6

CEM I çimentosu, CDW, UK ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 7

ATY ile üretilen CEM I çimentosu, CDW, UK ve doğal agrega içeren hazır beton

Senaryo 8

ATY ile üretilen CEM II çimentosu, CDW, YFC ve doğal agrega içeren hazır beton

İşlevsel birim agrega, bağlayıcı ve yakıt kombinasyonu ile oluşan 1 m3 beton ve 1 ton çimento olarak seçilmiş; iki alt sistemli (çimento üretimi ve beton karma) beton üretiminde sistem sınırı ise “beşikten tesis kapısına” kadar belirlenmiş, ISO 14025: Tip III Çevresel Ürün Beyanı (EPD) ile uyumlu Ürün Kategori Kuralları (PCR) temelinde kurulmuştur (Şekil 1).

Şekil 1: Çalışma Kapsamında Ele Alınan Sistem Sınırları

Çimento üretimi 4 kısımdan oluşur: hammaddenin çıkarılması, farin hazırlama, fırında klinkerin yanması ve son öğütme. Farin hazırlama kırma, homojenleştirme, kireçtaşı ve kilin öğütülmesini de içerir. Farin, yarı çimento olan klinker üretimi için ön ısıtıcıya ve döner fırına beslenir. Farin kalsinasyonu çimmento üretimindeki ana prosestir. Döner fırın için gereken yüksek sıcaklık kömür, petrokok, doğal gaz ve ATY ile sağlanır. Bu yüzden, kömür ve ATY hazırlama, klinkerin yanma fazında diğer alt-prosestir. Son aşama, çimentonun değirmenlerde jips, tüf gibi puzzolanik bileşenlerle öğütülmesidir. Üretilen çimento silolarda depolanır. Hazır beton üretiminde ise belli miktarlarda agrega (kum, çakıl), çimento, su ve kimyasal katkılar santral mikserine beslenir. Üretilen beton transmikserlerle istenilen yere ulaştırılır. 

2.1.2. Çimento ve Beton Üretim Senaryoları İçin Yaşam Döngüsü Envanter Analizi

Çimento/beton üretim için gerekli girdiler ve çıktılar (Tablo 2 ve 4) İstanbul’daki çimento ve beton fabrikasından alınmıştır. Çimento/beton üretiminde elektrik tüketen aşamalar kırma, öğütme, presleme, kömür ve ATY hazırlama, klinker yakma, beton karma, kompresör ve ay dınlatmadır. Çimento fırınında hammadde kalsinasyonunda termal enerji kullanılmakta olup, bu enerjinin %21’i ATY’den sağlanmaktadır. Kullanılan ATY miktarı, 1 ton klinker başına 31 kg kömür ve 33 kg fosil yakıta denk gelmektedir. Diğer yandan, çimento üretimindeki emisyonlar; CO2, NO, NO2, uçucu organik bileşikler (VOC)/ toplam hidrokarbon, ağır metal, HCl, HF, dioksin/furan ve partiküler madde (PM)’dir. Çimentonun %23’ü kireçtaşı da içeren klinker bileşenleri olup kireçtaşı ile benzer kimyasal kompozisyon gösteren endüstriyel atık oranı %10’dur. Geri kalan bileşenler jips, tüf ve diğer endstriyel atıklardır. Tüf, YDA’da kapsam dışı bırakılmıştır. Böylece, klinker bileşeni olarak kullanılan endüstriyel atık oranı toplam klinkerin %15’i ve toplam hammaddenin %4’üdür. Ayrıca, betonda çimento ikamesi olarak %12 UK ve %30 YFC, doğal agrega (DA) ikamesi olarak %20 geri dönüşüm agregası (CDW) kullanılmıştır. Kimayasal katkı %1’den az olduğu için de emisyon ve enerji tüketimine çok katkısı olmadığından, YDA çalışmasına katılmamışlardır (Şahin, 2015).

 

Tablo 2. Üç Farklı Senaryo İle 1 Ton Çimento Üretimi İçin Girdiler ve Çıktılar

Senaryolar

CEM I

CEM I + ATY

CEM II + ATY

Birim

Girdiler

Boksit

7,2

7,2

6,1

kg

Kil

455

455

389

kg

Elektrik Enerjisi

402,984

402,984

366,768

MJ

Jips [Atık gerikazanımı]

-

-

3,6

kg

Jips

42,2

42,2

32,8

kg

Demir cevheri (%56,86)

1,36

1,36

1,15

kg

Linyit (Ecoinvent)

54,5

44,7

37,8

kg

Linyit Türkiye

61,8

43,3

36,6

kg

Kireçtaşı

1492,93

1492,93

1297,80

kg

Kireçtaşı [Atık gerikazanımı]

-

-

27,8

kg

Doğal gaz Türkiye

0,259

0,519

0,440

kg

Petrokok

5,020

3,057

2,587

kg

ATY

-

39,146

33,15

kg

Çıktılar

Çimento (CEM I 42,5)

1.000

1.000

-

kg

Çimento (CEM II 42,5)

-

-

1.000

kg

Karbon dioksit

822,86

746,00

630,70

kg

Karbon monoksit

0,4597

0,2886

0,2442

kg

Toz

1,177

1,177

1,177

kg

Havaya ağır metal emisyonu

1,456E-5

1,46E-5

1,23E-5

kg

Nitrojen dioksit

1,0758

1,208

1,022

kg

Nitrojen oksitler

0,6663

0,7484

0,6332

kg

VOC

0,297

0,270

0,241

kg

HCl

0,0101

0,0099

0,0090

kg

HF

0,00027

0,00026

0,00024

kg

Dioksin/Furan

3,19E-12

3,00E-12

2,81E-12

kg

YDA hesaplamaları için beton üretim varsayımları Tablo 3’te, 1 m3 hazır beton üretiminde farklı üretim senaryoları için girdiler ve çıktılar Tablo 4’te verilmiştir.

 

Tablo 3. YDA Hesaplamaları İçin Hazır Beton Üretim Varsayımları

Girdi verileri

Çimento türü

Klinker bileşenleri ve çimentomsu maddeler

Beton türleri

Elektrik şebekesi

Varsayımlar

CEM I ve CEM II

Kireçtaşı, UK, YFC

C25/30 ve C25/30 (katkılı)

EU 25+3 teknoloji şebekesi

Hammaddelerin Taşınma Bilgisi

Çimento hammaddeleri ? çimento fabrikası

Jips ? çimento fabrikası

Kireçtaşı benzeri end. atık ? çimento fabr.

Jips benzeri end. atık ? çimento fabr.

Çmento ? Beton santrali

İnce agrega ? Beton santrali

Kaba agrega ? Beton santrali

UK ? Beton santrali

YFC ? Beton santrali

CDW tasnif tesisi-çimento fabr. mesafe

Taşıma Durum

Dizel tahrikli, Euro 3, kargo

Mesafe (km)

4,5

100

20

30

0,5

30

30

120

190

90

Üretim teknolojisi alternatifleri

Çimento hammaddeleri ön homojenizasyon

Çimento hammaddeleri öğütme

Çimento farini homojenizasyon

Klinker prosesi

Klinker presleme

Çimento öğütme

Beton fabrikasında kesikli yükleme

Beton fabrikası toz kontrolü

Seçilen teknoloji türü

Kuru, ham depolama, ön karıştırma

Kuru, ham öğütme, dikey değirmen

Kuru, farin harmanlama, depolama

Ön ısıtıcı/ön kalsinasyon fırını

Merdaneli pres

Bilyalı değirmen

Santral mikserine yükleme

Filtre

2.2. Yeni İnşaatlar ve Büyük Renovasyonlar için LEED v4

Bu çalışmada, eko-tasarım betonun yeşil bina sertifikasyon sistemi etkileri ABD Yeşil Bina Konseyi’nce keşfedilen “Enerji ve Çevre Tasarımında Öncülük (LEED) v4 puanlama sistemi”ndeki iki kategoriye göre değerlendirilmiştir: Malzeme ve Kaynaklar, İnovasyon. YDA, binanın çevresel etkilerini gösteren en yaygın yaklaşımdır. LEED v4 kredileri ise YDA ile etki azaltımına yönelik spesifik yöntemler tanımlar (USGBC, 2015; Alshamrani vd., 2014; Lemay ve Peng, 2014). Çevresel etki azaltımında mevcut krediler düşünülerek, “Yeni İnşaatlar ve Büyük Renovasyonlar için LEED BD+C” puanlama sistemi seçilmiştir. 

3. Bulgular ve Tartışma

3.1. Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA) Sonuçları

Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA), GaBi 6.0 yazılımı (PE Intern. AG, Stuttgart Ünv., Almanya) ve CML 2001-Nisan 2013’teki orta-nokta etki kategorisi temelinde ISO 14040: 2006 ve ISO 14044:2006 ile uyumlu gerçekleştirilmiştir. CML 2001, Leiden Ünv. Çevre Bilimleri Enstitüsü (Hollanda)’nce geliştirilen bir YDEA yöntemidir. Beton için PCR’ler dikkate alınarak, çalışma kapsamında yedi çevresel etki kategorisi incelenmiştir: Küresel Isınma (GWP100), Asidifikasyon Potansiyeli (AP), Fotokimyasal Ozon Oluşum Potansiyeli (POCP), Kaynakların Abiyotik Tükenmesi (Element) (ADP_E), ADP (fosil yakıt (ADP_FF)), Ötrofi-kasyon (EP) ve İnsan Toksisitesi (HTP). Çimento üretimi yoğun CO2 emisyonu sebebiyle öncelik GWP olmuştur. Çimento/beton için normalizasyon da yapılmıştır. 

3.1.1. Çimento Üretim Senaryoları için Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA) Sonuçları

Farklı çimento üretim senaryoları için karakterizasyon sonuçları Tablo 5’te verilmiştir. Klinker üetimindeki yüksek enerji tüketimi GWP ile ilgili çevresel etkinin ana kaynağıdır. Fosil yakıt yerine ATY kullanımı, CO2 salınımına paralel olarak, GWP’de %3, ADP_FF’de %10,5 azalma sağlamıştır. Ancak, ATY’nin kimyasal kompozisyonu kaynaklı NOx emisyon-ları nedeniyle AP ve EP’de %17,5 artış gözlenmiştir. Ayrıca, HTP %9,8 ve POCP %11 azalmıştır. CEM II’nin daha çevre dostu olduğu saptanmıştır. GWP, ADP_E, ADP_FF, AP, EP, HTP ve POCP’nin %17, %22, %26%, %5%, %4,5, %15,5 ve %20 azaldığı gözlenmiştir. 1 kg klinkerin kireçtaşı ile ikamesi kalsinasyon prosesine girecek yakıt ve hammadde tüketimini düşürmesi sebebiyle 0,9 kg CO2-eşd./t-çimento azaltımına sebep olur. 1 kg enerji girdisinin ATY ile ikamesi edilmesi ile de karbon ayakizinde 0,6 kg CO2 eşd./t-çimento düşüş sağlanır. Bu yüzden, klinker ikamesi ile kazanılan olası çevresel tasarrufların yakıt ikamesi ile elde edilen tasarruflara nazaran çok daha önemli olduğu söylenebilir. 

Tablo 4. 1 m3 Hazır Beton Üretiminde Farklı Üretim Senaryoları İçin Girdiler ve Çıktılar

Senaryolar

Sce1

Sce2

Sce3

Sce4

Sce5

Sce6

Sce7

Sce8

Birim

CEM I + DA

CEM I + ATY + DA

CEM II + DA + ATY

CEM I + UK + DA

CEM II + ATY + YFC + DA

CEM I + UK + CDW + DA

CEM I + ATY + CDW + UK + DA

CEM II + ATY + YFC + CDW + DA

Girdiler

YFC [Atık gerikazanımı]

-

-

-

-

95

-

-

95

kg

Çimento (CEM I 42,5)

276

276

-

243

-

243

243

-

kg

Çimento (CEM II 42,5)

-

-

315

-

220

-

-

220

kg

Hafriyat ve İnşaat Atıkları

-

-

-

-

-

144

144

166

kg

Elektrik enerjisi

17,7192

17,7148

17,6112

17,5500

17,5212

17,5500

17,6897

17,5176

MJ

UK [Atık gerikazanımı]

-

-

-

33

-

33

33

-

kg

Çakıl

722

722

832

885

840

578

578

666

kg

Kum

1.200

1.200

1.060

990

1.027

1.200

1.200

1.060

kg

Su

178

178

183

178

179

178

178

179

kg

Çıktılar

Hazır beton

2.365

2.365

2.365

2.365

2.365

2.365

2.365

2.365

kg

Toz (> PM10)

0,0648

0,0648

0,0648

0,0648

0,0648

0,0648

0,0648

0,0648

kg

Toz (PM2.5 - PM10)

0,0246

0,0246

0,0246

0,0246

0,0246

0,0246

0,0246

0,0246

kg

Toz (PM2.5)

0,0234

0,0234

0,0234

0,0234

0,0234

0,0234

0,0234

0,0234

kg

Tablo 6. Farklı Beton Üretim Senaryoları İçin Karakterizasyon Sonuçları

Kategori

Birim

Sce1

Sce2

Sce3

Sce4

Sce5

Sce6

Sce7

Sce8

CEM I + DA

CEM I + ATY + DA

CEM II + DA + ATY

CEM I + UK + DA

CEM II + ATY + YFC + DA

CEM I + UK + CDW + DA

CEM I + ATY + CDW + UK + DA

CEM II + ATY + YFC + CDW + DA

ADP_E

kg Sb eşd.

0,00045

0,00045

0,00040

0,00040

0,00029

0,00040

0,00039

0,00028

ADP_FF

MJ

847,4

739,1

739,8

774,1

572,4

767,7

672,3

560,3

AP

kg SO2 eşd.

0,166

0,186

0,179

0,151

0,133

0,152

0,169

0,133

EP

kg PO4 eşd.

0,042

0,047

0,046

0,038

0,034

0,039

0,043

0,034

GWP100

kg CO2 eşd.

261,8

254,8

247,9

232,6

176,7

232,1

225,9

175,7

HTP

kg DCB eşd.

5,514

5,378

5,561

5,461

4,950

5,055

4,936

4,186

POCP

kg Etilen eşd.

0,013

0,012

0,012

0,010

0,005

0,009

0,008

0,005

Tablo 5. Farklı Çimento Üretim Senaryoları İçin Karakterizasyon Sonuçları

Kategori

Birim

CEM I

CEM I + ATY

CEM II + ATY

ADP_E

kg Sb-eşd.

0,0015

0,0015

0,0012

ADP_FF

MJ

2.518

2.125

1.862

AP

kg SO2-eşd.

0,550

0,622

0,525

EP

kg PO4-eşd.

0,141

0,160

0,135

GWP100

kg CO2-eşd.

907,2

881,8

750,5

HTP

kg DCB-eşd.

7,681

7,191

6,487

POCP

kg Etilen-eşd.

0,058

0,053

0,047

3.1.1.1. Çimento Üretim Senaryoları için Normalizasyon Sonuçları

Normalizasyonun amacı, analiz edilen ürün sisteminin farklı çevresel etkileri ortak bir referansa göre ifade etmektir. Her bir etki kategorisinin YDEA sonuçlarının referans değere bölünmesi ile hesaplanır. Bu değer toplam çevresel etkileri AB25+3 için yıllık etki kategorisi temelinde yansıtmaktadır (Monterio ve Freire, 2011). Normalizasyon sonuçları birimsizdir. Çalışmada, AB25+3, 2000 yılı. CML, IPCC, ReCiPe (kişi eşdeğeri) yöntemi seçilmiştir. Farklı çimento üretim senaryoları normalizasyon sonuçları Şekil 2’de verilmiştir. Çimento üretim senaryolarının normalizasyon sonuçları her şartta ADP_E’nin GWP’yi aştığını ve klinker ikamesinin önemini göstermiştir; ADP_E, GWP ve ADP_FF’nin %22, %17 ve %26 azaldığını ortaya koymuştur. AP normalizasyon sonuçlarına bakıldığında, NOx emisyonlarının kontrol edilmesi için yakıt kompozisyonunun ayarlanması gerektiği gözlenmiştir. Enerji ve hammadde ihtiyacınn azalması sebebiyle de aynı çimento karışımında ATY kullanılması durumunda AP %13 artmış, klinker ikamesi ile de %4,5 azalmıştır.

 

Şekil 2. Farklı Çimento Üretim Senaryolarının Normalizasyon Sonuçları

3.1.2. Beton Üretim Senaryoları için Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA) Sonuçları

Beton üretim senaryoları için YDEA karakterizasyon sonuçları Tablo 6’da verilmiştir. Sce1 (Referans) toplam 261,8 kg of CO2-eşd. ile en yüksek GWP’ye sebep olmuştur. ATY’ nin etkisi (Sce2) ADP_FF, GWP, HTP ve POCP’de %13, %3, %3 ve %8 azalmaya, AP ve EP’de %11 artışa sebep olmuştur, ADP_E ise değişmemiştir. AP ve EP’deki artış ATY’nin kimyasal kompozisyonundan kaynaklı NOx emisyonları sebebiyle gözlen-miştir. Klinker oranlarındaki azalma (Sce3 vs Sce1), ADP_E, GWP ve ADP_FF’de %11, %5 ve %13 katkı sağlamıştır. Ancak, aynı basınç dayanımını (C25/30) sağlamak için daha fazla katkılı çimento gerekmiştir. Sce3’teki CEM II artışı AP ve EP’de %8 artışa sebep olmuş, HTP ve POCP hemen hemen değişmemiştir. Diğer taraftan, klinker bileşenlerindeki azalmanın (Sce3) ATY kullanımına göre (Sce2) GWP temelinde %2 tasarruf sağladığı saptanmıştır. %15 klinker ikamesi 1 m3 betonda GWP’nin 7 kg CO2-eşd. oranında azaldığını, %21 enerji girdisinin ATY ile ikamesinin ise karbon ayak izinde 7 kg düşüşe sebep olduğunu göstermiştir. Sce3’teki toplam tasarruf 14 kg CO2-eşd. olmuştur. 1 kg UK ikamesi GWP’de 0,4 kg CO2-eşd.’lik azalma sağlamıştır. UK’nın çimento yerine %12’lik ikamesinin (Sce4 vs Sce1) GWP ve ADP_E’yi %11, ADP_FF ve AP’yi %9, EP’yi %9,5, HTP’yi %1 ve POCP’yi %23 azalttığı görülmüştür. 1 kg YFC ikamesi ise GWP’de 0,7 kg CO2-eşd.’lik azalma sağlamıştır. YFC’nin çimento yerine %30’luk ikamesi ile (Sce5 vs Sce3) GWP, ADP_E, ADP_FF, AP, EP, HTP ve POCP’de sırasıyla %26, %27,5, %23, %26, %26, %11 ve %58 kazanç elde edilmiştir. Ayrıca, Sce5’in Sce1’e göre ADP_E’de %36, ADP_FF’de %32,5, AP’de %20, EP’de %19, HTP’de %10 ve POCP’de %61,5 tasarruf sağlamıştır. %20 CDW ikamesinin HTP dışındaki diğer çevresel etki kategorleri üzerindeki katkısı, ilave bertaraf faaliyetleri nedeniyle daha az olmuştur. CDW ile kazanılan çevresel tasarruflar ve bertarafın olumsuz etkisi birbirini dengelemiştir. Ancak, doğal agregaların çıkarılması sırasndaki toz emisyonları sebebiyle HTP’de önemli kazanımlar mevcuttur. Sce5 ve Sce8 karşılaştırıldığında, HTP’nin %155 azaldığı gözlenmiştir. Ayrıca, %20 CDW ikamesi ADP_E ve ADP_FF’de %3,5 ve %2 kazanım sağlamış olup atık ve arazi yönetiminde önemli ilerlemeleer kaydedilmiştir. Sce8’de 166 kg/m3 beton CDW, Sce6 ve Sce7’de 144 kg/m3 beton CDW kullanılarak düzenli depolamaya gitmesi önlenmiştir. Enerji girdisi yerine ATY ikamesi, CEM I miktarının azalması ve CDW ile kireçtaşı ve YFC içeren çimentomsu malzemelerin artan miktarı düşünüldüğünde, 1 m3 Sce8 betonunda GWP’nin Sce1’e göre %33 daha az olduğu saptanmıştır. %30 YFC ve %20 CDW içeren Sce8’in en iyi çevresel etkileri gösterdiği ve bunu Sce5’in takip ettiği görülmüştür. Ayıca, 1 kg clinker ve ATY ikamesinin 0,2 ve 0,6 kg CO2-eşd. azaltımına, 1 kg UK ve YFC’nin ise 0,4 ve 0,7 kg CO2-eşd. azaltımına katkı sağladığı tespit edilmiştir. Tüm çevresel performanslar değerlendirildiğinde, enerjinin ATY ile ikamesi, beton reçetesi iyileştirmeleri ve bileşen seçimi, GWP’nin azalmasını sağlamıştır. 

3.1.2.1. Beton Üretim Senaryoları için Normalizasyon Sonuçları

Çalışmada, AB25+3, 2000 yılı. CML, IPCC, ReCiPe (kişi eşdeğeri) yöntemi seçilmiş olup beton üretim senaryoları normalizasyon sonuçları Şekil 3’te verilmiştir. Çevresel etkisi en fazla olan kategoriler ADP_E, GWP ve ADP_FF olmuştur. Ayrıca, Sce2’nin GWP ve ADP_FF’si Sce1’e göre %3 ve %13 tasarruf sağlarken ADP_E değişmemiştir. Ek olarak, Sce3 ADP_E, ADP_FF ve GWP’de %10, %13 ve %11 fayda sağlamış, AP artmıştır. Bu nedenle, ATY kompozisyonu çok iyi tanımlanmalıdır. Sce4 ve Sce5 azalan çimento miktarı sebebiyle ek çevresel iyileştirme sağlamıştır. Sce1 ile kıyaslandığında, UK ilavesi Sce4’ün ADP_E, ADP_FF ve GWP’sinde %11, %9 ve %11 fayda sağlamıştır. YFC kullanımına ilişkin net kazanç için Sce5 ve Sce3 karşılaştırılabilir. ADP_E, ADP_FF ve GWP temelinde; Sce5 Sce3’e göre %26, %20 ve %27 ek azaltım tsağlamıştır. Her şartta Sce4 ve Sce5, Sce2 ve Sce3’e göre daha iyi performans göstermiştir. Diğer taraftan, Sce6 ve Sce4’ün benzer çevresel tasarruf sergilediği saptanmıştır. Sce6’da Sce1’e göre ADP_E, ADP_FF ve GWP’de %12, %9 ve %8 azalma görülmüştür. Ayrıca, Sce7 ADP_E, ADP_FF ve GWP’de %12, %21 ve %11 düşüş sağla-mıştır. Sce8’in en iyi çevresel peformansı gösterdiği ve ADP_E, ADP_FF ve GWP’de %38, %34 ve %24 azalma sağladığı tespit edilmiştir, Sce8’i Sce5 takip etmiştir.

 

Şekil 3. Beton Üretim Senaryolarının Normalize Edilmiş Potansiyel Çevresel Etkileri

 

3.2. Farklı Beton Türlerinin LEED v4 Sertifika Sistemi Üzerinde Etkisi

Farklı çimento/beton üretim senaryoları içerisinde en iyi çevresel tasarruf sağlayan betonlar Sce5 ve Sce8’dir (Şekil 3). Bu nedenle, Sce8 eko-tasarım ürünü beton LEED v4 yeşil bina sınıflandırma sistemine göre değerlendirilmiştir (USGBC, 2015). 

3.2.1. Malzemeler ve Kaynaklar Kredi Kategorisi

3.2.1.1. Bina Yaşam Döngüsü Etki Azaltımı

Sce8’in binanın yaşam döngüsü etkisini azaltması sebebiyle bu kategoride 3 puan kazanılabilir. Sce8 eko-tasarım ürünü beton ADP_E, ADP_FF, GWP, AP, EP ve POCP etki kategorilerinde %38, %34, %37, %20, %20 ve %56 azaltım sağlamıştır. Ancak, kesin değerlendirme için, söz konusu bina için bu etkileri içerecek YDA uygulanması gereklidir. 

3.2.1.2. Yapı Ürünü Bilgilendirme ve Optimizasyon-EPD

Bu seçenek için etkileri EPD, kurumsal sürdürülebilirlik raporları veya sağlık ürün beyanları ile belirtilen 20 farklı kalıcı ürünün binada kullanılması gereklidir. LEED v4’te payanda duvarı, taşıyıcı duvar, kolon, kiriş ve plaka gibi beton ürünleri farklı ürünler olarak düşünülebilir. Eğer yayınlamış EPD’ler mevcut ise bu krediden 1 puan alınabilir. 

3.2.1.3. Yapı Ürün Bilgilendirme ve Optimizasyon-Hammadde Satınalma

Eğer hammadde tedarikçilerinde agrega ocağının yeri, arazi kullanımı, çevresel etki bilgilerini içeren rapor mevcut ise, bu krediden 1 puan alınabilir. Diğer seçenek ise binalarda kullanılan tüm ürünlerin hammadde kaynakları için ocaktan çıkarım temelinde maliyet olarak %25 iyileştirme sağlanmasıdır. Sce8 eko-tasarım ürünü betonda UK, YFC ve CDW’nin geri dönüşüm malzemeleri olmaları sebebiyle, 1 puan alınması mümkündür. Ayrıca, betonun genellikle yerel olarak 160 km saha sınırları içerisinde üretilmesi ek puanlar getirebilir. 

3.2.1.4. Yapı Ürün Bilgilendirme ve Optimizasyon-Malzeme İçeriği

Malzeme kimyasının optimizasyonu ile yaşam döngüsü etkisini geliştirere kredi sağlanabilir. Alternatiflerine göre beton, en az emisyona (VOC vb.) sebep olan malzemedir. Eko-beton VOC’lerde %29 azalma sağlar, bu sayede, bu krediden 1 puan kazanılabilir. 

3.2.1.5. İnşaat ve Hafriyat Atıkları Yönetim Planlaması

Eğer otoritelere bildirilirse, CDW’nin betonda agrega olarak %50 geri kazanımı ile 1 puan, %75 geri kazanımı ile 2 puan elde edilebilir. 

3.2.2. Inovasyon Kredi Kategorisi

LEED sistemi endüstriyel yan ürün kullanımının karbon ayak izini ve doğal kaynak gereksinimini azalttığını göstermektedir. Böylece, %21 ATY, %4 endüstriyel atık içeren %23 klinker, %12 UK ve %30 YFC (çimento ikamesi) ve %20 CDW (agrega ikamesi) kullanımı eko-tasarım ürünü beton için inovasyon kredisi sağlamaktadır. Betondaki CO2 emisyonlarının 40% azalması, İnovasyon kredi kategorisinde LEED puanı almasını mümkün kılar. Eko-tasarım ürünü betondaki %37 CO2 emisyon azaltımı bu kriteri sağlaması için yeterlidir. 

3.2.3. LEED v4 Puanlama Sisteminin Genel Değerlendirmesi

Eko-tasarım ürünü betonun (Sce8) LEED v4 yeşil bina puanlama sistemi kapsamında genel değerlendirmesi Tablo 7’de verilmiştir. Toplam 9-10 kredi alınabileceği görülmektedir.

Tablo 7. Eko-Tasarım Ürünü Betonun (Sce8) LEED v4 Kredi Kategorilerine Katkısı

Malzeme & Kaynaklar Kredi Kategorisi (Toplam: 13 Puan)

Toplam

Mevcut: 8-9 Puan

Önşart

Geri dönüştürülebilir maddelerin toplanması ve depolanması

Gerekli

Kapsam dışı

Önşart

CDW yönetim planlaması

Gerekli

Düşünülmeli

Kredi

Bina Yaşam Döngüsü Etki Azaltımı

5

Olası 3 puan

Kredi

Yapı Ürün Bilgilendirme ve Optimizasyon-EPD

2

Olası 1 puan

Kredi

Yapı Ürün Bilgilendirme ve Optimizasyon-Hammadde Satınalma

2

Olası 2 puan

Kredi

Yapı Ürün Bilgilendirme ve Optimizasyon-Malzeme İçeriği

2

Olası 1 puan

Kredi

CDW yönetim planlaması

2

Olası 1 veya 2 puan

Inovasyon Kredi Kategorisi (Toplam: 6 Puan)

Toplam

Mevcut: 1 Puan

Kredi

Inovasyon

5

Olası 1 puan

Kredi

LEED akredite profesyonel

1

Kapsam dışı

4. Sonuçlar

Çimento üretim senaryolarının normalizasyon sonuçları her şartta ADP_E’nin GWP’yi aştığını göstermiştir. 1 kg klinkerin kireçtaşı ile ikamesi kalsinasyona girecek yakıt ve hammadde tüketimini düşürmesi sebebiyle 0,9 kg CO2-eşd/t-çimento azaltımına sebep olur. 1 kg enerji girdisinin ATY ile ikamesi edilmesi ile de karbon ayak izinde 0,6 kg CO2 eşd./t-çimento düşüş sağlanır. Bu yüzden, klinker ikamesi ile kazanılan olası çevresel tasarrufların yakıt ikamesi ile elde edilen tasarruflara nazaran çok daha önemli olduğu söylenebilir. YDEA sonuçları çimentoda klinker bileşenleri ve ATY, betonda çimento yerine UK ve YFC ile agrega yerine CDW kullanımının, kaynak ve emisyonlarda önemli düşüşler sağlayarak, 1 m3 betonun çevresel ayak izinde azalma sağladığı saptanmıştır. Beton üretiminde ADP_E, GWP ve ADP_FF’nin en önemli çevresel etkenler olduğu görülmüştür. Sce5 ve Sce8 ise yaşam döngüsü senaryoları içerisinde en iyi çevresel tasarrufu göstermiştir. LEED BD+C v4 sertifikasyon sistemine göre, eko-tasarım ürünü beton (Sce8) için toplam 9-10 kredi alınabilmekteir. Eko-tasarım ürünü beton binanın yaşam döngüsü etkisini azaltabilir ve hammaddelerin kaynak ve bileşimi temelinde daha iyi performans gösterebilir.

Teşekkür

Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği (TÇMB) ve ÇİMSA Eskişehir Fabrikasına teşekkürler.

 

KAYNAKÇA

  1. ISO, 2006a,b. Environmental management - LCA: ISO 14040:2006: principles and framework; ISO 14044:2006: requirements and guidelines. ISO 14040:2006, ISO, Geneva, Switzerland; 2006.

  2. ISO, 2006c. Environmental labels and declarations-Type III environmental declarations - Principles and procedures. ISO 14025:2006, ISO, Geneva, Switzerland; 2006.

  3. Alshamrani, O.S., Galal, K., Alkass, S., 2014. Integrated LCA-LEED sustainability assessment model for structure and envelope systems of school buildings. Building and Environ., 80, 61-70.

  4. Anastasiou, E.K., Liapis, A., Papachristoforou, M., 2017. LCA of Concrete Products for Special Applications Containing EAF Slag, Procedia Environ. Sci., 38, 469-476.

  5. Başar, H.M., Deveci Aksoy, N., 2012. The Effect of Waste Foundry Sand (WFS) as Partial Replacement of Sand on the Mechanical, Leaching and Micro-structural Characteristics of Ready-Mixed Concrete, Constr Build Mater, 35, 508-515.

  6. Boesch, M.E., Koehler, A., Hellweg, S., 2009. Model for cradle-to-gate life cycle assessment of clinker production, Environ. Sci. Technol., 43, 7578-7583.

  7. Ding, T., Xiao, J., Tam, V.W.Y., 2016. A closed-loop life cycle assessment of recycled aggregate concrete utilization in China, Waste Manag., 56, 367-375.

  8. EIPPCB. 2013. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC): JRC Reference Reports BAT Reference Document for the Production of Cement, Lime and MgO; EIPPCB: Sevilla.

  9. Faleschini, F., De Marzi, P., Pellegrino, D., 2014. Recycled concrete containing EAF slag: environmental assessment through LCA. Euro. J. Environ. Civil Eng. 18(9), 1009-1024.

  10. Flower, D.J.M., Sanjayan, J.G., 2007. Green house gas emissions due to concrete manufacture, Int. J. Life Cycle Assess. 12, 282-288.

  11. GaBi 6.0 software system for life cycle engineering, 2015. PE Intern AG, Stuttgart Unv., Germany.

  12. Güereca, L.P., Torres, N., Juárez-López, C.R. 2015. The co-processing of municipal waste in a cement kiln in Mexico. A life-cycle assessment approach, J. Clean Prod., 107, 741-748.

  13. Gursel, A.P., Masanet, E., Horvath, A., Stadel, A., 2014. Life cycle inventory analysis of concrete production: a critical review. Cem & Conr Comp. 51, 38-48.

  14. Humphreys, K., Mahasenan, M., 2002. Toward a sustainable cement industry. Substudy 8: climate change. Geneva: WBCSD.

  15. Huntzinger, D.N., Eatmon, T.D. 2009. A life-cycle assessment of Portland cement manufacturing: comparing the traditional process with alternative technologies, J Clean. Prod., 17, 668-675.

  16. Kleijer, A.L., Lasvaux, S., Citherlet, S., Viviani, M. 2017. Product-specific LCA of ready mix concrete: Comparison between recycled and ordinary concrete, Res., Cons. Recycl, 122, 210-218.

  17. Lemay, L. and Peng, T., 2014. Concrete’s Contribution to LEED v4. National Ready Mixed Concrete Association (NRMCA) Concrete Sustainability Report, Maryland.

  18. Madlool, N.A., Saidur, R., Hossain, M.S., Rahim, N.A., 2011. A critical review on energy use and savings in the cement industries. Renew. Sustain. Energy Rev., 15, 2042-2060.

  19. Marinkovic, S., Dragas, J., Ignjatovic, I. Tosic, N. 2017. Environmental assessment of green concretes for structural use, J. Clean. Prod., 154, 633-649.

  20. Meyer, C., 2009. The greening of the concrete industry. Cem & Concr Compos. 31, 601-605.

  21. Monterio, H., Freire, F., 2011. Environ. Life-Cycle Impacts of a Single-family House in Portugal: Assessing Alternative Exterior Walls with two methods. Gazi Univ. J. of Sci., 24(3), 527-534.

  22. Oikonomou, N.D., 2005. Recycled concrete aggregates. Cem & Concr Compos. 27, 315-318.

  23. Ondova, M., Estokova, A., 2014. LCA and multi-criteria analysis of fly ash concrete pavements. Int. J. Environ. Chem. Ecol. Geol. Geophys. Eng. 8, 313-318.

  24. Özer-Erdoğan, P., Başar, H.M., Erden, İ., Tolun, L., 2016. Beneficial Use of Marine Dredged Materials as a Fine Aggregate in Ready-Mixed Concrete: Turkey Example, Constr Build Mater, 124, 690-704.

  25. Stafford, F.N., Raupp-Pereira, F., Labrincha, J.A., Hotza, D., 2016. Life cycle assessment of the production of cement: A Brazilian case study, J. Clean Prod., 137, 1293-1299.

  26. Şahin, B., 2015. LCA of different cement concrete and their impacts on LEED certificated buildings, MSc Thesis, Institute of Environmental Sciences, Boğaziçi University, Istanbul.

  27. Turk, J., Cotic, Z., Mladenovic, A., Šajna, A., 2015. Environmental evaluation of green concretes versus conventional concrete by means of LCA. Waste Manag., 5, 194-205.

  28. USGBC, 2015. http://www.usgbc.org/credits/new-construction/v4 LEED BD+C v4 categories.

  29. Van den Heede, P., De Belie, N., 2012. Environmental impact and LCA of traditional and “green” concretes: Literature review and theoretical calculations, Cem & Conc Comp., 34, 431-442.

  30. WBCSD, 2009. The Cement Sustainability Initiative: Recycling Concrete Report, 42 pages, World Business Council for Sustainable Development, Geneva, Switzerland.