Header Reklam

Biyokütle Enerjisi

05 Haziran 1994 Dergi: Haziran-1994
Biyokütle Enerjisi

1.GİRİŞ

Ana bileşenleri karbon-hidrat bileşikleri olan, bitkisel ya da hayvansal kökenli tüm doğal maddeler "Biyokütle Enerji Kaynağı", bu kaynaklardan üretilen enerji ise"Biyokütle Enerjisi" olarak tanımlanmaktadır. Bitkisel biyokütle, yeşil bitkilerin güneş enerjisini fotosentez ile doğrudan kimyasal enerjiye dönüştürerek depolaması sonucu oluşmaktadır. Diğer biyokütle kaynakları ise bitkisel biyokütleden türetilmektedir.

Biyokütle enerjisi, insanoğlunun ateşin bulunuşundan itibaren değerlendirdiği yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. İlk çağlarda, odun ve çeşitli bitkilerin yakılmasıyla elde edilen ısı enerjisi, yemek pişirme, ısınma ve çeşitli el sanatı uygulamaları amacıyla kullanılmış; bunu odunun endüstriyel amaçlı yakıt olarak tüketimi izlemiştir. Endüstriyel gelişmeler ve nüfus aıtışına paralel olarak hızla artan dünya enerji gereksinimi, 19. yüzyıl başlarından itibaren enerji yoğunluğu yüksek olan, ucuz ve bol bulunan fosil enerji kaynakları (kömür, petrol ve doğalgaz) ile karşılanmaya başlanmıştır. Ancak bu kaynakların rezervlerinin sınırlı olması ve yenilenebilir olmamaları, günümüzde yeni-yenilenebilir alternatif enerji kaynaklarının kullanımını ön plana çıkarmıştır. Özellikle ard arda yaşanan petrol krizleri sonrasında konunun önemi daha da artmıştır. Biyoteknoloji yüzyılı olarak adlandırılan 21. yüzyılda yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyokütle, enerji alanındaki en önemli seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır. Dünya teknik potansiyeli 5600 milyon TEP/yıl, mümkün potansiyeli ise 3570 milyon TEP/yıl olan biyokütle, yenilenebilir enerji kaynakları içinde enerji üretim potansiyeli en büyük enerji kaynağı olarak görülmektedir.

2. BİYOKÜTLE  ENERJİ KAYNAKLARI :

Enerji üretmek amacıyla kullanılabilecek biyokütle kaynakları;

1-        Karasal biyokütle kaynakları,

2-        Suya ait biyokütle kaynakları,

3-        Orman-tarım ile hayvan atık ve artıkları ve

4-        Endüstriyel ve şehirsel atık ve artıkları olarak sınıflandırılabilir. Ormanlar, orman dışı bitki örtüsü, şekerli bitkiler (şeker kamışı, şeker pancarı, vb.), nişastalı bitkiler (hububat, patates vb.), yağlı tohum bitkileri (ayçiçek, soya, kolza vb.) ve enerji (hidrokarbon) bitkileri (sütleğen, jojoba, vb.) en önemli karasal biyokütle kaynakları olup, bunların atık ve artıkları da (sap, saman, kabuk, vb.) ayrıca kaynak olarak kullanılmaktadır. Biyokütle kaynağı olarak oluşturulan enerji ormanları ve enerji çiftlikler ile biyokütlenin en uygun koşullarda gerçek üretimi yapılmaktadır. Hayvan dışkıları potansiyel bir biyokütle enerji kaynağı olmasına karşın, bu atıkların, ıslak, kötü kokulu ve dayanıksız olmaları; ayrıca, kolaylıkla toplanamamaları kullanımlarını sınırlamaktadır. Hayvanların yediklerinin hemen hemen tamamını sindirerek özümsemesi nedeniyle, enerji içeriği yüksek karbon bileşiklerinin dışkılarındaki derişimi çok düşük, buna karşılık enerji kaynağı olarak değerli olmayan madde derişimi oldukça yüksektir. Su bitkilerinin çok yüksek büyüme hızına sahip olmaları, biyokütle enerji kaynağı olarak kullanımlarını çekici kılmaktadır. Ayrıca, birçok ülkede, karasal biyokütle üretim alanlarının az olması veya azalacak olması su bitkilerinin önemini artırmaktadır. Bu gruba; deniz suyu; tatlı su ve acı suda yaşayan mikro ve makro deniz yosunları, bazı mikroorganizmalar, sazlık bitkileri, otlar ile çeşitli su bitkileri girmektedir. Su bitkileri arasında ise, su sümbülleri, su mercimeği ve su polipi dikkat çekmektedir. Önemli bir biyokütle enerji kaynağı olan şehirsel ve endüstriyel atık ve artıklarını, sıvı atıklar (kanalizasyon) ve katı atıklar (çöpler) olarak iki ana gruba ayırmak olasıdır. Bu atıklar çok farklı özelliklere sahip olduklarından, bunlardan enerji üretmek amacıyla uygulanan yöntemler de oldukça farklıdır. Örneğin; katı madde içeriği düşük olan atıklardan enerji üretimi, gaz yakıt (biyogaz) üretimi şeklinde olmaktadır. Diğer taraftan, evsel ve endüstriyel katı atıklar sıvı atıklara kıyasla daha önemli bir potansiyel enerji kaynağıdır. Yiyecek atıkları, kağıt, plastik, lastik, metaller, cam, seramik vb. gibi maddeler katı atıkların başlıca bileşenleridir. Bu katı atıkların bileşimi, zamana ve ortama bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Tipik olarak, gelişmiş bir ülkenin endüstriyel ve evsel katı atıklarının yaklaşık %75'i organik bazlıdır ve yanabilir özelliktedir; ayrıca, bunların çoğundan biyogaz üretmek mümkündür.

3. BİYOKÜTLEDEN ENERJİ ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ :

Biyokütlenin enerji üretmek amacıyla kullanımı sırasında, kaynağın cinsine bağlı olarak, enerji üretiminde karşılaşılan sorunlar farklılıklar göstermektedir. Günümüzde bu amaçla geliştirilmiş olan teknolojilerin önemli bir kısmı ekonomik açıdan uygulanabilir olmakla birlikte, az bir kısmı ise henüz araştırma aşamasındadır. Biyokütlenin enerji üretmek amacıyla kullanımını sağlamak üzere geliştirilen teknolojileri aşağıdaki şekilde sınıflandırmak mümkündür :

1- Biyokütlenin doğrudan yakılmasını hedefleyen teknolojiler,

2- Biyokimyasal dönüşüm teknolojileri ve

3- Termokimyasal dönüşüm teknolojileri.

Yukarıdaki teknolojilerden biri seçilirken, biyokütlenin bileşimi, yoğunluğu, nem içeriği, ısıl değeri, fiziksel şekli ve bıraktığı kül miktarı gibi çeşitli özellikleri gözönünde bulundurulmalıdır.

3.1. Biyokütlenin Doğrudan Yakılmasını Hedefleyen Teknolojiler :

Biyokütlenin doğrudan yakılmasında; odun, mangal kömürü, bitki kabukları, talaş, yonga, sap, saman, ot ve/veya dışkı enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu kaynaklar, dünyanın özellikle kırsal kesimlerinde ısınma ve pişirme amacıyla yaygın olarak değerlendirilmektedir. Biyokütleyi doğrudan yakarak endüstriyel amaçlı ısı üretiminde, fosil yakıtların yakılmasından daha farklı teknolojik sorunlarla karşılaşılmaktadır. Biyokütleye yakılmadan önce; kurutma, ufalama ve fiziksel şekillendirme gibi bazı ön işlemler uygulanmaktadır. Teorik olarak, doğrudan yakma, biyokütleden en etkin enerji üretim yöntemi olarak kabul edilmektedir; çünkü, bu yöntem hiçbir dönüşüm süreci içermediğinden herhangi bir dönüşüm kaybı söz konusu değildir.

Biyokütle kaynağının doğrudan yakılabilmesi için ısıl değerinin; içerdiği nemi buharlaştırabilecek, yanma gazlarının sıcaklığını belli bir düzeyde tutabilecek ve yanmayı sürdürebilecek kadar yüksek olması gerekmektedir. Biyokütlenin nem içeriği, yanma verimini etkileyen en önemli faktördür. Örneğin; nem içeriği %65 olan bir biyokütlenin yanma verimi yaklaşık %25'dir; bu durumda yakıtın, tüm yüksek nem içerikli biyokütle kaynaklarına uygulandığı gibi, yakılmadan önce mutlaka kurutulması gerekmektedir. Prensipleri çok iyi bilinen yanma ile biyokütlenin enerji içeriğinin %80'inden fazlasını kazanabilecek yakma sistemi tasarımları mümkündür. Biyokütlenin yakılacağı kazan veya fırın seçiminde, yakıtın sahip olduğu özelliklerin yanısıra, yakma işleminin boyutu ve üretilen enerjinin ne amaçla kullanılacağı da önemli rol oynamaktadır. Kullanılan başlıca yakma sistemlerine; su ceketli yakıcılar (evsel amaçlı kullanımlar için), yüksek basınçlı kızgın buhar üreticileri (elektrik üretimi için), siklon fırınlar ve akışkan yataklı yakıcılar (tanecik boyutu küçük biyokütle kaynakları için) örnek olarak verilebilir.

3.2. Biyokimyasal Dönüşüm Teknolojileri : Biyokütlenin, anaerobik koşullarda mikroorganizmalar yardımıyla enzimatik olarak parçalanmasıyla çeşitli yakıtlar üretilmektedir. Biyokimyasal dönüşüm teknolojileri ile elde edilen en önemli yakıtlar, biyogaz, etanol ve hidrojendir. Biyokütlenin, anaerobik bir ortamda mikrobiyolojik olarak bozundurul-ması (biyometanlaştırma) ile biyogaz üretilmektedir. Biyogaz, yaklaşık %60-70 metan, %30 karbondioksit ve çok düşük oranlarda hidrojen ve hidrojen sülfür içeren; enerji içeriği ise 20-26 MJ/m3 arasında değişen yanıcı bir gaz karışımıdır. Biyogazın bileşimi, biyokütlenin özellikleri ile üretim koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Biyokütlenin organik madde ve nem içeriğinin yüksek olması, en uygun karbon/azot oranına sahip olması ve mikrobiyolojik dönüşüme direnç göstermemesi istenmektedir. Biyogaz üretimi; sıvılaştırma, asit-lendirme ve metan üretimi olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmektedir. Biyometanlaştırma, çeşitli mikroorganizmanın ortak etkisi ile gerçekleştirilmektedir; tek bir bakterinin biyokütle kaynağını parçalayarak biyogaz üretimini gerçekleştirmesi mümkün değildir. Örneğin; polisakkarid, protein, lipid gibi biyolojik polimer grubu bileşiklerinin biyogaza dönüştürülmeden önce küçük moleküllü bileşiklere parçalanması gerekmektedir. Özellikle, selüloz ve hemi-selüloz gibi bazı polisakkaridlerin parçalanması, liflerdeki ligninin maddeyi enzimatik parçalanmaya karşı dayanıklı kılması nedeniyle çok zordur. Biyolojik polimerlerden elde edilen basit bileşikler daha sonraki aşamada, asetik, laktik ve butrik asit gibi çeşitli organik asitlere; etanol ve hidrojene dönüşmektedir. Bu bileşikler ise "metanojenik bakteriler" yardımıyla metana dönüştürülmektedir. Bu bakteriler, karbondioksit ile hidrojenin tepkimesiyle ve asetik asitin dekarboksilasyonu ile metan üreten bakteriler olmak üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Biyometanlaştırmayı etkileyen diğer parametreler; sıcaklık, besin ortamı, inhibitör ve toksik maddeler, pH ve yükleme hızıdır. Biyogaz üretiminin başarılı olmasının en önemli şartı, ortamın anaerobik olmasıdır. Biyogaz; pişirme, aydınlatma, ısıtma ve motor yakıtı olarak kullanılmaktadır. Anaerobik koşullarda fotosentetik olan ve olmayan bazı bakteriler yardımıyla biyokütle parçalanarak hidrojen gazı oluşmaktadır. Yüksek ısıl değere sahip, çevre dostu hidrojenin, yakın gelecekte enerji alanında kullanımının yaygınlaşacağı, depolama ve taşımadaki sorunların çözüleceği ve özellikle tanıtlar için ideal bir yakıt olduğuna inanılmaktadır. Biyokimyasal dönüşüm teknolojisi uygulamalarında, hidrojen ve metanın birlikte elde edildiği sistemler de bulunmaktadır. Etanol; şekerli, nişastalı ve lignoselülozik biyokütle kaynaklarından anaerobik fermantasyon yöntemi ile üretilmektedir. Şekerli ve nişastalı kaynaklardan etanol üretim teknolojisi çok gelişmiş olup, araştırma ve geliştirme çalışmaları, çeşitli yeni enerji bitkilerinin, orman ve tarım atık ve artıklarının lignoselülozik fermantasyonunu ile yakıt alkolü üretimine yönelmiştir. Tatlı süpürge darısı, etanol üretimi için üzerinde en çok durulan bitkidir. Etanol doğrudan veya b ne katılarak (% 10-20 oranında) kullanılmaktadır.

3.3. Termokimyasal Dönüşüm Teknolojileri : Biyokütleden, termokimyasal dönüşüm teknolojileri uygulanarak enerji içeriği yüksek katı, sıvı ve gaz yakıtlar üretilmektedir. Bu teknolojiler, özellikle, ısıl değeri düşük, nem içeriği yüksek biyokütle kaynaklarından yüksek ısıl değerli yakıtlar eldesi amacıyla uygulanmaktadır. Termal dönüştürme süreçleri sonucu elde edilen yakıtların, taşınması, dağıtımı ve yakılması biyokütle kaynağına kıyasla daha kolaydır; ayrıca, yüksek verimle, külsüz ve çevreye daha az zarar vererek yanmaları da diğer önemli üstünlükleridir. Uygulanmakta olan başlıca termokimyasal dönüşüm teknolojileri şunlardır :

1- Karbonizasyon ve piroliz,

2- Hava veya oksijen atmosferinde gazlaştırma,

3- Su veya su buharı atmosferinde gazlaştırma ve

4- Hidrojen katkılı termal işlemler. Biyokütlenin, hava veya herhangi bir reaktanın olmadığı bir ortamda termal bozundurulması sonucu katı, sıvı ve gaz yakıtlar üretilebilir. Termal bozundurma, katı ürün verimi yüksek olacak şekilde gerçekleştirilirse karbonizasyon; sıvı ve gaz ürün verimi yüksek olacak şekilde gerçekleştirilirse piroliz olarak adlandırılmaktadır. Termal bozundurma sonucu oluşan karbonmonoksit ve hidrojen, piroliz gazının ana bileşenleridir; ayrıca, çalışma koşullarına ve biyokütlenin nem içeriğine bağlı olarak değişen oranlarda metan ve karbondioksit de bulunabilmektedir. Piroliz işlemi, yüksek sıcaklık ve basınçta çeşitli katalizörlerin varlığında gerçekleştirilerek, biyokütleden yüksek verimle sıvı ürünler (yakıt yağı) elde edilebilmektedir. Karbonizasyonun ana ürünü ise "char" olarak adlandırılan karbon içeriği yüksek katı yakıttır. Biyokütle, yanma için gerekli teorik oksijen miktarından daha az hava veya oksijen varlığında gazlaştırılabilir. Gaz ürün bileşimi, biyokütlenin özelliklerine ve çalışma koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Gazlaştırma oksijen atmosferinde gerçekleştirilirse, elde edilen gaz ürünün (CO+C02+H2+CH4+H20) ısıl değeri (11-19 MJ/m3), hava atmosferinde gazlaştırma ile elde edilen gaz ürünün (CO+C02+H2+CH4+N2+H20) ısıl değerinin (4-8 MJ/m3) yaklaşık iki katıdır. Su veya su buharı ortamında gazlaştırma ve hidrojen katkılı termal süreçler, biyokütlenin niteliğine bağlı olarak, sınırlı uygulama alanı bulmaktadır. Tüm termal dönüşüm işlemleri sonucu elde edilen gaz ürün karışımlarından, çeşitli süreçler yardımıyla petrol ürünlerine alternatif sıvı yakıtlar da üretilebilmektedir. Bu yakıtlara örnek olarak, Fischer-Tropsch benzini, Fischer-Tropsch dizel yakıtı, gazyağı ve alkoller verilebilir.

4. SONUÇ : Günümüzde yoğun olarak kullanılan fosil enerji kaynaklarının giderek azalması ve bu yakıtların yarattığı çevre kirliliğinin tehdit edici boyutlara ulaşması, yeni-temiz-yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıma sunulmasını zorunlu kılmaktadır. Yeni enerji teknolojileri içerisinde, biyokütle enerjisi önemli bir paya sahiptir. Özellikle, tarımsal potansiyeli yüksek, gelişmekte olan ve enerji gereksiniminin çok büyük bir bölümünü dışalım yoluyla karşılayan ülkemizde bu enerji çeşidi en önemli seçeneklerden biri olarak görülmektedir.

KAYNAKLAR

1-        White, L.P. and Plaskett, L.G., Biomass as Fuel, Academic Press, London, 1981.

2-        Klass, D.L. (e.d.), Biomass as a Nonfossil Fuel Source, ACS Symposium Series, Washington, D.C. 1981.

3-        Raymond, W.F. and Larvor, P., AJternative Uses For Agricultural Surpluses, Elsevier Applied Science, London. 1986.

4-        Campbell, I., Biomass, Catalysts and Liquid Fuels, Technomic Pub. Co. Inc., Lancaster, 1983.

5-        Elliott, T.P., An Overviewon Biomass Energy, Proceedings of the 1st World Renewable Energy Congress, Vol. 3, pp. 1807-1811, Pergamon Press, Oxford, 1990.

6-        Mitchell, C.P., Developments in the Production and Supply of Wood for Energy, Proceedings of the 2nd World Renewable Energy Congress, Vol. 3, pp. 1256-1264, Pergamon Press, Oxford, 1992 .

7-        Bridgwater, A.V. and Double, J.M., Production Costs of Liquid Fuels from Biomass, Fuel, Vol. 70, pp. 1209-1220, 1991.

 

Prof. Dr. Sadriye KÜÇÜKBAYRAK

Doç. Dr. Filiz KARAOSMANOĞLU

Yard. Doç. Dr. Ayşegül Ersoy MERİÇBOYU



Slider Altına