Biyokütle’den Biyoenerji Üretimi - Dr. Mustafa Tolay - MAKALE

Biyokütle’den Biyoenerji Üretimi -  Dr. Mustafa Tolay

Özet

Tarım atıkları, orman atıkları ve enerji bitkileri olarak adlandırılan biyokütle kaynaklarının oldukça geniş kullanımı vardır. Bunlardan organik atıklar gübre, ormancılık ve orman endüstrisinden ağaç atıkları, gıda ve kağıt endüstrisi kalıntıları, belediyelerin yeşil kalıntıları, kanalizasyon çamuru, yıllık kısa rotasyonlu ağaçlıklar (okaliptüs, kavak, söğüt), çayır, şeker bitkileri (şeker kamışı, pancar, süpürge darısı), nişasta mahsülleri (mısır, buğday) ve yağlı mahsüller (zeytin, soya, ayçiçeği, yağ şalgamı, palmiye yağı) atıkları olarak sınıflanabilir. Biyokütle tabanlı bu malzemeler, hem doğrudan biyokütle, hem de biyoyakıt olarak enerji üretimi amaçlı kullanılmaktadır. Ağaç ve diğer tarımsal kalıntılar, endüstride buhar ve elektrik üretmek üzere kojenerasyon santralı yakıtı olarak yakılmakta ve ayrıca mesken ve ticari bina ısıtması amacıyla da kullanılmaktadır. Modern biyokütle enerjisi kullanımına geçilmesi ülke ekonomisi ve çevre kirliliğini önleme açısından önem taşımaktadır.

Birçok ülke bugün kendi ekolojik koşullarına göre en uygun ve en ekonomik tarımsal ürünlerden enerji bitkisi olarak alternatif enerji kaynağı sağlamaktadırlar. Türkiye de tarımsal potansiyeli ile, ekolojik tarımsal yapıya sahip ülkeler arasındadır. Türkiye’de enerji ormancılığı yönünden ekonomik değeri yüksek ve hızlı büyüyen yerli ağaç türleri arasında, akkavak, titrek kavak, kızılağaç, kızılçam, meşe, dişbudak, fıstık çamı, karaçam, sedir ve servi ağalarını saymak mümkündür. Burada kavak, söğüt gibi oldukça fazla su isteyen ağaçların yanı sıra, oldukça kurak alanlarda yetişebilecek ağaçlara da önem verilmesi gerekmektedir. Enerji tarımı üretimine yönelik olarak, gerek Avrupa’da gerek ülkemizde modern biyokütle çevrim teknolojilerinin de kullanıldığı, çalışmalar küçük ölçekli olarak uzun yıllar önce başlamıştır. Bunlara örnek olarak mischantus ve tatlı sorgum, arundo donax bitkileri üzerinde yapılan çalışmalar gösterilebilir. Enerji tarımında ülkemizde henüz çok tanınmayan dünya da ise yavaş yavaş yaygınlaşmaya başlayan C4 enerji bitkileri arasında en çok yetiştiriciliği yapılan Fil Çimeni (Miscanthus), Tatlı Sorgum (Sweet sorghum), Dallı Darı (Switchgrass) 'dır. Biyokütle kaynakları olarak biyokütle, enerji bitkileri, enerji ormanları ve bunlardan türetilen yakıtların kullanılması ile ayrıca, hava kirliliğinden büyük ölçüde etkilenen bir çok şehirde, kükürt dioksit ve benzeri zararlı gazların büyük ölçüde azalacağı da açıktır.

Bu çalışmada, genel biyokütle ve gazlaştırma bilgisi verilmeye çalışıldıktan sonra farklı enerji tarımı bitkilerinin gazlaştırma metodu ile değerlendirilerek syngaz üretimi ve syngazdan da elektrik ve ısı enerjisi üretim metodları farklı örnekleri içeren gazlaştırma teknolojileri tanıtılmaya çalışılacaktır. Gazlaştırma metodu ile biyokütleden ve enerji bitkilerinden enerji üretimi İspanya, İtalya, İsviçre, Japonya, Almanya, A.B.D. gibi ülkelerde kullanılan sistemlerdir. Avrupa’da uzun yıllardan beri çalıştırılan farklı güçlerdeki biyokütle yataklı gazlaştırıcı tesisleri örnek olarak gösterilebilir. İspanya, İtalya, Fransa ve Bulgaristan’da çalıştırılan akışkan yataklı gazlaştırıcılarla biyokütle 5MWe güçlü gazlaştırıcılar enerji bitkileri için teknolojik ve ekonomik biçimde tasarlanarak bu çalışmada tanıtılacaktır.

Anahtar Kelimeler: Biyokütle, enerji tarımı, yenilenebilir enerji, gazlaştırma, enerji üretimi, fizibilite.
ÜLKEMİZİN ORMAN VE TARIMSAL BİYOKÜTLE POTANSİYELİ

Giriş

Büyütmek için resme tıklayınT.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığına bağlı olan Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü hazırlamış olduğu “Türkiye’nin Biyokütle Enerji Potansiyeli Atlası”’nda biyokütle tanımlaması aşağıdaki gibi tanımlamıştır:

“Hızlı bir artış gösteren nüfus ve sanayileşme enerji ihtiyacını da beraberinde getirmiştir. Enerjinin çevresel kirliliğe yol açmadan sürdürülebilir olarak sağlanabilmesi için kullanılacak kaynakların başında ise biyokütle enerjisi gelmektedir. Biyokütle enerjisi tükenmez bir kaynak olması, her yerde elde edilebilmesi, özellikle kırsal alanlar için sosyo-ekonomik gelişmelere yardımcı olması nedeniyle uygun ve önemli bir enerji kaynağı olarak görülmektedir.

Biyokütle için mısır, buğday gibi özel olarak yetiştirilen bitkiler, otlar, yosunlar, denizdeki algleri, hayvan dışkıları, gübre ve sanayi atıkları, evlerden atılan tüm organik çöpler (meyve ve sebze artıkları) kaynak oluşturmaktadır. Petrol, kömür, doğal gaz gibi tükenmekte olan enerji kaynaklarının kısıtlı olması, ayrıca bunların çevre kirliliği oluşturması nedeni ile, biyokütle kullanımı enerji sorununu çözmek için giderek önem kazanmaktadır. Bitkilerin ve canlı organizmaların kökeni olarak ortaya çıkan biyokütle, genelde güneş enerjisinin fotosentez yardımıyla depolayan bitkisel organizmalar olarak adlandırılır. Biyokütle, bir türe veya çeşitli türlerden oluşan bir topluma ait yaşayan organizmaların belirli bir zamanda sahip olduğu toplam kütle olarak da tanımlanabilir.

Fotosentez yoluyla enerji kaynağı olan organik maddeler sentezleşirken tüm canlıların solunumu için gerekli olan oksijeni de atmosfere verir. Üretilen organik maddelerin yakılması sonucu ortaya çıkan karbondioksit ise, daha önce bu maddelerin oluşması sırasında atmosferden alınmış olduğundan, biyokütleden enerji elde edilmesi sırasında çevre, CO2 salımı açısından korunmuş olacaktır. Bitkiler yalnız besin kaynağı değil, aynı zamanda çevre dostu tükenmez enerji kaynaklarıdır.
Bitkilerin toprak altında milyonlarca yıl kalmasıyla oluşan fosil yakıtlar, aslında yukarıda tanımlanan biyokütle ile aynı özellikleri taşımalarına karşın yer altındaki sıcaklık ve basınçla değişime uğradıklarından, yakıldıklarında havaya birçok zararlı madde atarlar. Ayrıca, milyonlarca yılda oluşan bu birikimin kısa süre içinde yakılması havada ki karbondioksit dengesinin bozulmasına yol açar ve bu da küresel ısınmaya neden olur.”

Türkiye’nin enerji tüketim hızı, enerji üretim hızından daha fazladır. Bu da, Türkiye’yi bir enerji ithalatçısı yapmaktadır. Enerji, ekonomik ve sosyal gelişim için gerekli olup, Türkiye’deki yaşam kalitesinin arttırılması için şarttır. Türkiye’deki başlıca enerji kaynakları linyit, su, jeotermal, rüzgar, güneş ve biyokütle enerjisidir. Biyokütle doğrudan yakılarak veya çeşitli süreçlerle yakıt kalitesi arttırılıp, mevcut yakıtlara eşdeğer özelliklerde alternatif biyoyakıtlar (kolay taşınabilir, depolanabilir ve kullanılabilir yakıtlar) elde edilerek enerji teknolojisinde değerlendirilebilir. Atık biyokütle (tahıl kalıntıları, orman ve orman endüstrisi atıkları, hayvan dışkıları, vs.) geleneksel olarak dünyanın birçok yerinde yemek pişirmede ya da ısınmada doğrudan kullanılmaktadır. Dünya enerji tüketiminin yaklaşık % 15’i, gelişmekte olan ülkelerde ise enerji tüketiminin yaklaşık % 43’ü biyokütleden sağlanmaktadır (Başçetinçelik ve ark. 2003, 2005). Hayvan atıkları, zirai kalıntılar ve meyve çekirdekleri gibi biyokütle kaynakları yakıt olarak doğrudan kullanılabilecekleri gibi biyogaz, biyokarbon ve biyodizel üretimi için de oldukça elverişli ve yüksek potansiyele sahip ürünlerdir.

Biyokütle kaynakları, çevrim teknikleri ve elde edilen ürünler Şekil.1’de özetlenmiştir.

Biyokütle kaynakları, çevrim teknikleri ve elde edilen ürünler
Şekil.1 Biyokütle kaynakları, çevrim teknikleri ve elde edilen ürünler (Biomass for Power Generation and CHP - International Energy Agency https://www.iea.org/publications/.../essentials3.pdf)

Dünyada Biyokütle Kullanımı

Brezilya biyokütlenin geniş çapta kullanılması yönünden dünyadaki en iyi örneklerden biridir. Bu ülkede yaklaşık 5 milyon taşıt, 1989’dan beri yakıt olarak benzin yerine şeker kamışı veya benzeri ürünlerden elde edilen saf biyoetanol, yine birçok araç da benzin/etanol karışımını kullanmaktadır. Ülke ekonomisine büyük katkı yapan bu program için yatırım ise sadece 6.97 milyar dolar olup, üretim maliyeti 1979’dan beri hala her yıl yaklaşık %4 dolayında düşmektedir. Şeker üretimi için sonrasında geri kalan biyokütle artık posası da enerji üretim kaynağı olarak kullanılabilir. Hindistan’da halen çeşitli büyüklükte bir milyondan fazla biyogaz üretim tesisi bulunmaktadır. Çin’de 1 milyarın üzerindeki nüfusun büyük çoğunluğu yakıt olarak biyokütle kullanmakta olup daha çok yemek pişirmek ve aydınlanmak için kullanılan biyogaz üretimi için 5 milyondan fazla küçük tesis yaklaşık 25 milyon insan tarafından işletilmektedir. Sayıları 10.000 dolayında olan orta ve büyük ölçekli tesislerden üretilen biyogaz ise elektrik üretimi ve büyük fabrikaların enerji gereksinimi için kullanılmaktadır. Çin’de büyüklüğü 10 kW ve üzeri olan yüzlerce biyogaz üretim tesisi bulunmaktadır. İsveç, enerjisinin %16’sı gibi büyük bir kısmını biyokütleden elde etmektedir. Avusturya’da irili ufaklı biyokütle ile çalışan enerji üretim sisteminin toplam gücü 1200 MW ulaşmıştır. Bu ülke de enerjisinin %13’ünü biyokütleden sağlamaktadır. ABD’de biyoenerji kaynaklı elektrik üretim gücü 9000 MW’tı geçmiş durumda olup, bu ülke de toplam enerjinin %4’ünü biyokütleden sağlamaktadır.

Türkiye’de Biyokütle Kullanımı

Türkiye’de klasik biyokütle, yani odun ve tezek, enerji üretiminde önemli bir orana sahiptir. Ancak, son yıllarda azalan ormanlar ve hayvancılıkta görülen gerileme ile doğal gaz ve kömür gibi ithal ürünlerin artması bu oranları azaltmaktadır. Yaklaşık 129 Milyon TEP olan 2015 yılı Türkiye birincil enerji arzının yaklaşık 3 Milyon TEP’lük kısmı (%2,3) biyokütle ve atıklardan sağlanmıştır
Modern biyokütle enerjisi kullanımına geçilmesi ülke ekonomisi ve çevre kirliliği açısından önem taşımaktadır. Birçok ülke bugün kendi ekolojik koşullarına göre en uygun ve en ekonomik tarımsal ürünlerden alternatif enerji kaynağı sağlamaktadırlar. Türkiye de bu potansiyeli ile, ekolojik yapıya sahip ülkeler arasındadır. Türkiye’de enerji ormancılığı yönünden ekonomik değeri yüksek ve hızlı büyüyen yerli ağaç türleri arasında, akkavak, titrek kavak, kızılağaç, kızılçam, meşe, dişbudak, fıstık çamı, karaçam, sedir ve servi ağaçlarını saymak mümkündür. Türkiye ortamında yetişecek yabancı kökenli ağaçlar arasında ise akoliptüs, papulus euramericana, pinus pinaster, acacia cynophilla gibi türleri saymak mümkündür. Burada kavak, söğüt gibi oldukça fazla su isteyen ağaçların yanı sıra, oldukça kurak alanlarda yetişebilecek ağaçlara da önem verilmesi gerekmektedir. Enerji üretimine yönelik olarak, modern biyokütle çevrim teknolojilerinin de kullanıldığı, çalışmalar küçük ölçekli olarak 1993 yıllarından sonra başlamıştır. Bunlara örnek olarak mischantus ve tatlı sorgum gibi enerji bitkileri üzerinde yapılan çalışmalar gösterilebilir. Ayrıca, hava kirliliğinden büyük ölçüde etkilenen birçok şehirde, biyokütle ve bunlardan türetilen yakıtların kullanılması ile kükürt dioksit ve benzeri zararlı gazların büyük ölçüde azalacağı da açıktır. Bu kapsamda 10.01.2008 tarihli ve 00158 sayılı yazıya istinaden Tarım ve Köyişleri Bakanlığı Tarımsal Araştırmalar Genel Müdürlüğü tarafından “Enerji Bitkileri Tarımı Araştırma Merkezi” kurulmuş ve ülke genelinde araştırma ve temel projeler yürütmekle görevlendirilmiş ve 2010 yılına kadar bu enstitünün alt yapısının bu konuda tamamlanarak faaliyete geçtiği belirtilmiştir.

Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığına bağlı olan Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü uzun yıllar süren bir çalışma sonucu Türkiye’nin biyokütle enerji üretim kapasitesini belirlemiş ve yayınlamıştır. Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü “Türkiye’nin Biyokütle Enerji Potansiyeli Atlası” nı hazırlamış ve “www.bepa.yegm.gov.tr” başlıklı web sitesinde yayınlamıştır.

Odunsu Biyokütle

Odun mükemmel bir biyokütle kaynağıdır. Odun doğrudan yakılarak kullanılabildiği gibi çeşitli işlemler sonucunda pellet, briket haline getirilerek de konutlarda ve iş yerlerinde ısıtma amacıyla kullanılabilmektedir. Odun tek başına ya da kömür ve diğer biyokütle yakıtlarıyla birlikte kalorifer kazanlarında, elektrik santrallarında ve gazlaştırma kazanlarında yakıt olarak kullanılabilir. Modern teknolojiler odundan daha fazla enerji almamızı mümkün kılmaktadır. Geleceğin teknolojileri ise odun artıklarının işlenerek içten yanmalı motorlarda, yakıt hücrelerinde ya da doğalgaz tesislerinde kullanılmak üzere yapay gaz üretilmesine olanak sağlamaktadır. En nihayetinde daha gelişmiş yakıt üretim teknolojileriyle, odunda bulunan selülozik maddelerden biyobenzin, biyomotorin gibi çeşitli sıvı yakıtlar üretilebilmektedir.

Orman Ürünlerinin Özellikleri

Odun diğer yakıtlara göre daha kısa zamanda yanma ve çabuk ısı verme özellikleriyle üstünlük taşımaktadır. 1 kg taş kömürü veya linyit için 15-17 m3, 1 kg iyi kurutulmuş odun için ise 7-9 m3 havaya ihtiyaç vardır. Yanma sonunda, odunun bıraktığı kül miktarı daha az olup ağırlığının %3’ü kadardır. Bu değer linyit için %15-25, kok ve antrasit için %5’tir. Ağaç türü, özgül ağırlığı, rutubet, kül ve ekstratif madde miktarları kalori değerine etki eden etmenlerdir. Yanma sonucunda oluşan ısının bir kısmı odun içerisindeki suyun buharlaşmasına harcandığı için, rutubet miktarının artmasıyla kalori değeri azalmaktadır. Ağaçların gövde odun kalori değerleri ortalaması yaklaşık 5.000 kCal/kg, yapraklı ağaçların ise 4.660 kCal/kg.dır. Ağaç türleri arasında en yüksek kalori değeri 5.274 kCal/kg ile sarıçama aittir. Yapraklı ağaçlarda ise en yüksek değer 4.894 kCal/kg ile okaliptusun, en düşük değer ise 4.500 kCal/kg ile çınarındır. Dal odunda iğne yapraklı ağaçlarda ortalama kalori değeri 5.018 kCal/kg, yapraklılarda 4.620 kCal/kg olup iğne yapraklı ağaçların dal odunlarının kalori değeri yapraklı ağaçlardan %8 daha fazladır. İğne yapraklı ağaçların ortalama dal odun kalori değerlerinin gövde odunu ortalamasından daha fazla olduğu, yapraklılarda ise bu iki değer arasında fazla bir fark olmadığı görülmektedir. Gövde kabuk kalori değerleri iğne yapraklı ağaçlarda 5.300-4.400 kCal/kg, yapraklı ağaçlarda ise 5.200-3.300 kCal/kg arasında değişmekte olup, iğne yapraklı ağaçlarda ortalama değer 4.850, yapraklı ağaçlarda ise 4.250 kCal/kg’dır.

Odunsu Biyokütle Kaynakları

Odunsu biyokütle kaynakları 6 alt bölüm altında toplanabilir:

Resim.1 Orman rehabilitasyon çalışmaları ve üretim sonucunda ortaya çıkan artıklar.

1. Orman artıkları: Ormanlarda yapılan üretim sonucu, sanayi odunu ya da yakacak odun olarak değerlendirilemeyen ve ormanda terk edilen kök, dip kütüğü, gövde ucu, tepe ve ince yan dallar, devirme ya da taşıma sırasında parçalanan ağaçlar; ormanlarda biriken kuru yapraklar, kozalaklar, küçük dallar ve dal parçacıkları; ağaçlandırma için saha temizliği, sıklık ve sırıklık bakımı gibi ormancılık uygulamaları sonucunda sahadan çıkarılan ince malzeme ile ormanda ekonomik olarak değerlendirilemeyen ağaç, ağaççık, orman gülü, sandal ağacı, kocayemiş gibi çalılar, devrikler orman artığı olarak nitelendirilmektedir. Bu artıkların enerji üretiminde kullanılabilmeleri için yapılan ön işlemler yerinde parçalanarak taşınma hacimlerinin minimum seviyeye indirilmesi, tesis sahasına gönderilmeleri, tesis sahasında bir süre güneşte serili bırakılarak kurumalarının sağlanması, gerekirse pellet presleri ile sıkıştırılarak pellet haline getirilmeleri ve depolanmaları olarak sayılabilir. (Resim.1).
Resim.1 Orman rehabilitasyon çalışmaları ve üretim sonucunda ortaya çıkan artıklar.

Resim.2 Testere artıkları ve hurda tahtalar.

2. Testere artıkları: Kent ağaçlarının budanması sırasında ortaya çıkan artıklar, marangozhane artıkları, hurda tahtalar, kereste fabrikası artıkları, testere talaşı bu bölümde yer alır. Bunlardan, ormanlardan elde edilen odundan daha değişik yöntemlerle enerji üretilir (Resim.2).

3. Kimyasal olarak geri kazanım yakıtları (siyah likör): Kağıt endüstrisinde kağıt hamuru üretiminde kullanılan kimyasallardan elde edilen yakıtlardır.
4. Tarımsal artıklar: Mısır koçanı, kesilen otlar, ekin sapları, bağ ve meyve ağaçlarının budanmasından elde edilen artıklar, potansiyel biyoenerji kaynaklarıdır. Bu artıklardan enerji üretilmesi için yapılacak ön işlemler hasat atıklarının süratle toplanması, hacimleri nakliyeye uygun hale getirildikten sonra tesis sahasına gönderilmeleri, tesis sahasına gelen artıkların bir süre güneşte serili bırakılarak kurumalarının sağlanması, bilahare pellet presleri ile sıkıştırılarak pellet haline getirilmeleri ve depolanmalarıdır.
5. Şehir ağaçları ve yeşil alan artıkları: Belediyelerin park ve bahçelerinden toplanan artıklar, kullanılmış tahta eşyalar, inşaat tahtaları biyoenerji üretme tesislerinde kullanılabilir.
6. Enerji ormanları ve enerji bitkileri: Belirli ağaçlar ve ot türleri enerji bitkileri olarak değerlendirilebilir. Enerji ormancılığında, hızlı büyüyen söğüt, kavak, yalancı akasya, okaliptüs, çınar, kızılağaç gibi ağaç türleri ve meşe yaygın olarak kullanılmaktadır.

Orman Artıklarının Kapasitesi
Türkiye’de henüz odunsu biyokütleden ticari olarak elektrik enerjisi ya da ısı enerjisi sağlayan güç üretme tesisi olmamakla birlikte bu konuda deneme çalışmaları devam etmektedir. Çaycuma’da faaliyet gösteren OYKA kağıt fabrikası, tesisin elektrik ihtiyacını karşılamak üzere 10 MW’lık bir buhar türbini kurmuştur. Sistem yakıt olarak kağıt hamuru yapımında değerlendirilemeyen odun talaşını kullanacaktır. Odunsu biyokütleden elektrik ve ısı üreten termik santraller konusunda gerek devletin gerekse özel sektörün çalışmaları yetersizdir. Endüstriyel orman ürünleri sektöründe faaliyet gösteren fabrikalar, güç üretme merkezlerinin odunsu biyokütle yakmaya uygun olmaması, çevre yönetmeliklerine uygun baca gazı değerlerini sağlayamamaları, yeterince odunsu biyokütle temin edememeleri, odunsu biyokütlenin taşınmasındaki zorluklar gibi nedenlerle elektrik enerjisi ihtiyaçlarının çoğunu doğalgazla çalışan çevrim santrallarından karşılamaktadır. Bu tür fabrikalarda odunsu biyokütleden sadece ısı enerjisi üretiminde faydalanılmaktadır.

Ülkemizde 6831 sayılı Orman Kanunu’nun 34. ve 37. maddeleri uyarınca orman artıkları çeşitli amaçlar için kullanılabilir. Bu atıklardan enerji üretimi amacı ile mutlaka faydalanılmalıdır. Son yıllardaki biyokütle çalışmalarının büyük bölümü, orman yangınlarını önleme ve orman işletme faaliyetlerinin artması nedeniyle orman artıkları üzerinde yoğunlaşmıştır. Orman Bölge Müdürlüklerinin faaliyetleri arasında ormanlarda biriken tehlikeli yakıtların ormandan uzaklaştırılması, diri örtü temizliği ve orman bakım çalışmaları önemli bir yer tutmaktadır. Orman İşletmeleri, yangın tehlikesi oluşturan orman içi artıkları daha çevreci yaklaşımlarla, değişik şekilde değerlendirebilir. Orman İşletmeleri açısından en iyi çözüm orman artıkları için bir pazarın yaratılmasıdır.

Düşünülen pazar, orman işletmelerinin, ormancılık faaliyetleri yatırım programlarında ihtiyaç duyulan genişlemeyi karşılayabilecek kadar gelir getirmelidir. Ormanlarımızda bir biyokütle projesini desteklemek için gerekli olandan çok daha fazla miktarda orman artığı bulunmaktadır. Ancak orman içi artıklarının temininin değişken olması, toplama, taşıma ve depolama maliyetleri gibi bir takım güçlükler orman içi artıklarının yakıt olarak kullanılması konusunda yapılması gereken çalışmaları geciktirmektedir. Orman artığı teminindeki değişmeler ormancılık faaliyetlerinin dönemsel yapısından, orman endüstrisi sektöründeki eğilimlerden ve ormancılık faaliyetleri için ayrılan bütçe ödeneklerinin değişmesinden kaynaklanmaktadır.

Tablo.1 Türkiye’de dönemler itibariyle odun üretimiBüyütmek için resme tıklayın

Tablo.1 Türkiye’de dönemler itibariyle odun üretimi
(OGM, 2009 ve OGM Ormancılık İstatistikleri 2015)

Tablo.1’de Türkiye’de dönemler itibariyle odun üretimi gösterilmiştir. Türkiye’deki orman endüstrisi son yıllarda yükselme eğiliminde olup sektörün talebini karşılayabilmek amacıyla endüstriyel odun üretimi son 4 yılda %35 artırılmıştır. Yakacak odun üretiminde azalma vardır. 2015 yılında yakacak odun üretimi 3,4 milyon m3’e gerilemiştir. Dikili kabuklu gövde hacmi 21,2 milyon m3’e ulaşmış ve bunlardan elde edilen endüstriyel odun üretimi 16,6 milyon m3 olmuştur. Ormanda hasat sonrası kesilen ağaçların 5,4 m3 lük kısmı endüstriyel ürün olarak değerlendirilememiştir. Bu artığın bir kısmı toprak zenginleştirme amacıyla ormanda bırakılmaktadır. Ancak önemli bir miktarı da değerlendirilemeyen artık olmaktadır. Ormanlarımızda Orman Genel Müdürlüğü’nün yakacak odun üretimi dışında; ormanların ıslahı, bakımı ve hasat sonucu oluşan üretim artıkları, orman yangınları açısından tehlike oluşturan odunsu malzemeler ve bozuk baltalık ormanların belli bir ölçüde iyileştirilerek verimli hale dönüştürülmesiyle elde edilecek emvâl; kırsal kesimde yakacak olarak değerlendirilen odunlar ve özellikle Karadeniz Bölgesinde yaygın olan Şüceyrat odun olmak üzere, yıllık kabaca 5 milyon tonluk odunsu biyokütle potansiyeli olduğu tahmin edilmektedir. Ülkemiz ormanlarının yıllık biyokütle potansiyeli grafiği Şekil.2’de verilmiştir.

Şekil.2 Türkiye Ormanları Yıllık Biyokütle Potansiyeli Grafiği (OGM, 2009). http://uludaglarenerji.com.tr/img/PeletveElektrikUretimi.pdfBüyütmek için resme tıklayın

Şekil.2 Türkiye Ormanları Yıllık Biyokütle Potansiyeli Grafiği (OGM, 2009). http://uludaglarenerji.com.tr/img/PeletveElektrikUretimi.pdf

Türkiye’de Tarımsal Biyokütle Potansiyeli

Türkiye'de değerlendirilemeyen birçok tarım atığı bulunmaktadır. Bunun başlıca nedenleri arasında, dağınık şekilde bulunan bu atıkların taşıma ve işçilik maliyetleri gelmektedir. Tarımsal atıklar 3 grupta incelenebilir:

1. Bitkisel üretim sonucunda arta kalan atıklar
2. Hayvansal üretim sonucunda arta kalan atıklar
3. Tarım ürünlerinin işlenmesi sonucunda çığa çıkan atıklar

Türkiye’nin toplam tarımsal alanı yaklaşık 26.350 milyon hektardır. Bunun %38,4’ü ekili alan, % 44,1’i orman, %10,4’ü nadas alanı, %7,1 meyve ve sebze ekili alandır. Tahıllar, yağlı tohumlar ve yumrulu ürünler Türkiye’de en yaygın ürünlerdir. Tahıllar Türkiye’nin orta, doğu ve güney bölgelerinde yaygın olarak yetiştirilmektedir. Ayçiçeği, Trakya’da yaygındır. Pamuk ve mısır ise güney, güney batı ve güney doğu Anadolu bölgelerinde ve Ege bölgesinde yaygın olarak yetiştirilmektedir. Yumrulu bitkiler Marmara (patates) ve İç Anadolu (patates ve şeker pancarı) bölgelerinde yaygındır. Tahminen en yüksek atık miktarı buğday ve arpa yetiştiriciliğinden açığa çıkmaktadır. Bununla birlikte, mısır ve pamuk yetiştiriciliğinden de önemli miktarda atık oluşmaktadır. Türkiye’de yıllık toplam tarımsal atık miktarı yaklaşık olarak 50-65 Mtep‘dir. Atıklar tarımsal üretimden sonra tarlada bırakılır. Tahıl samanı çeşitli amaçlar için, örneğin hayvan yemi ve hayvan altlığı olarak, kullanılır. Endüstriyel tarımsal ürünlerin üretiminden kalan başlıca atıklar tarlaya bırakılır. Bunlar; pamuk sapı, mısır sapı, ayçiçeği sapı, saman ve tütün sapı vb atıklardır.

Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığına bağlı olan Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü tarafından hazırlanan “Türkiye’nin Biyokütle Enerji Potansiyeli Atlası” na Türkiye’nin toplam tarımsal biyokütle atık enerji potansiyeli 20.307.000 TEP/yıl olarak belirlenmiştir. Bu haritaya göre toplam tarımsal biyokütle potansiyeli Tablo.2’dedir. Tarla ürünlerinin atıklarının toplam ısıl değeri yaklaşık olarak 228 PJ olup, toplam ısıl değer içerisinde payı en fazla olan temel ürünler sırasıyla mısır %33,4, buğday %27,6 ve pamuk %18,1’dir.

Tablo.2 Türkiye Tarımsal Biyokütle Potansiyeli (www.bepa.yegm.gov.tr, 2015)

Enerji Bitkileri

Biyokütle kaynakları olarak organik artıklar, enerji bitkileri, enerji ormanları ve bunlardan türetilen yakıtların kullanılması ile ayrıca, hava kirliliğinden büyük ölçüde etkilenen birçok şehirde, kükürt dioksit ve benzeri zararlı gazların büyük ölçüde azalacağı da açıktır. Bu çerçevede biyokütle, birincil enerji kaynakları arasında çevre kirliliği oluşturmayan alternatif yakıt olarak görülmektedir.

Belirli ağaçlar ve ot türleri enerji bitkileri olarak değerlendirilebilir. Enerji ormancılığında, hızlı büyüyen söğüt, kavak, yalancı akasya, okaliptüs, çınar, kızılağaç gibi ağaç türleri ve meşe yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda, özellikle Avrupa Topluluğu ülkelerinde, hızlı büyüyen bazı bitkilerden enerji sağlamak için son derece yoğun çalışma sürmektedir. Enerji tarımı üretimine yönelik olarak, gerek Avrupa’da gerek ülkemizde modern biyokütle çevrim teknolojilerinin de kullanıldığı, çalışmalar küçük ölçekli olarak uzun yıllar önce başlamıştır. Bunlara örnek olarak mischantus ve tatlı sorgum, arundo donax bitkileri üzerinde yapılan çalışmalar gösterilebilir. Enerji tarımında ülkemizde henüz çok tanınmayan dünya da ise yavaş yavaş yaygınlaşmaya başlayan C4 enerji bitkileri arasında en çok yetiştiriciliği yapılan Fil Çimeni (Miscanthus), Tatlı Sorgum (Sweet sorghum), Dallı Darı (Switchgrass)'dır. Bu bitkiler arasında, Sweet Sorghum (Tatlı Sorgum) en umut verici bulunmuştur. Yapılan ön denemelerden elde edilen sonuçlara göre, Türkiye'de diğer yakıt kaynaklarından çok daha ekonomik olarak, ülkenin tüm enerjisini bu bitkiden elde etmek mümkündür. Özellikle tatlı sorgum çeşitli iklim şartlarında yetiştirilebilmesi, özel bir toprak isteğinin bulunmaması ve 4.000-4.200 kcal/kg kalorifik değere sahip olması bakımından yurdumuz açısından ümit vaat eden bir enerji bitkisi olarak görülmektedir (Resim.3). Başta orman ve tarım atıkları olmak üzere ayrıca tatlı sorgum ve benzeri enerji bitkilerinin enerjiye dönüştürülmesi için önerilen teknolojiler ile ülkemiz koşullarında yapılacak yatırımların fizibil olduğu görülmektedir. Bugünkü ekonomik koşullarda bu tür yatırımları geri ödeme süresi dört veya beş yıl olarak saptanmıştır.

Resim.3 Enerji bitkileri ve odunsu biyokütleler.

Tatlı sorgum ve benzeri enerji bitkilerinin enerji kaynağı olarak kullanılması durumunda getireceği faydalar aşağıda şöyle açıklanabilir: Isıl değerleri 4.000 kCal/kg civarındadır. Gazlaştırıldığında atmosfere kükürt dioksit ve azot oksitler gibi zararlı gazlar vermez. Özellikle tatlı sorgumda, bitki içinde yaklaşık % 15 civarında şeker bulunmakta olup, bu da daha verimli gazlaşmasını sağlamaktadır. Katı yakıt olarak maliyeti, yerli linyit ve ithal kömürlerden çok daha düşüktür. Kül miktarı (%2) çok düşüktür. Temiz syngaz yakıt elde etmek mümkündür. Enerji bitkilerinin yaygın olarak kullanılması durumunda, özellikle kırsal kesimde büyük bir iş potansiyeli yaratılacaktır. Ülkemiz enerji konusunda kesinlikle dışa bağımlı olmayacaktır. Hava kirliliği azalacaktır. Tarımın gelişmesine ve erozyonun engellenmesine neden olacaktır.

Enerji bitkilerinin yetiştirilmesi için gerekli şartlar ve avantajları ise aşağıdaki şekilde özetlemek mümkündür: 1-Özel bir toprak ihtiyacı yoktur ve hemen her bölgede yetişebilir. Güney bölgelerde senede iki defa mahsul almak mümkündür. 2- Hızlı büyüyen bu bitkinin yetişme süresi üç aydır. (Örneğin tatlı sorgum haftada yaklaşık 40-60 cm büyümekte olup, üç ay içinde boyları 3-3,5 metreye ulaşmaktadır). 3-Özellikle tatlı sorgum mısıra benzemekle beraber, su ve gübre ihtiyacı mısırın yarısı kadardır. 4- İkincil ürün olarak birçok bölgede yetiştirmek mümkündür.

Biyokütleden Enerji Üreten Sistemler

Ahşap atıklarından veya benzeri biyokütleden en kolay yöntemle biyoenerji kaynağı oluşturmanın yolu pellet üretmektir. Ülkemizde pellet üretimi yapan tesis sayısı çok azdır. Fakat Avrupa’da ise pellet üretimi gün geçtikçe artmaktadır ve büyük bir endüstri ve ticaret kolu olmuştur.

Orman ve tarımsal atıklardan enerji elde etmede kullanılan yöntemler başlıca 3 kategoride toplanabilmektedir. Bu ısıl yöntemler sırası ile yanma, piroliz ve gazlaştırmadır. Üç yöntemde de atıklar kontrollü şekilde ısıl işleme tabii tutularak yakıta dönüştürülürler. Yakma işlemi klasik olarak çok eskidir. Hava kirliliği sorunları konusunda ve düşük enerji verimliliği nedeni ile istenmemektedir. Pirolizde, atığın termal degredasyonu havasız ortamda gerçekleştirilerek kok, piroliz petrolü ve syngaz oluşturulur. Gazlaştırmada hidrokarbonların parçalanarak syngaz oluşturması, ortamdaki oksijenin dikkatle kontrolü ile sağlanır. Piroliz, gazlaştırmadaki ilk aşamayı oluşturur. Gazlaştırma sonucu elde edilen syngaz enerji üretimi için kullanılabilir.

Bir biyokütle enerji sisteminin ilk kurulum maliyeti, yakıt besleme ve depolama sistemleri nedeniyle fosil yakıtlı bir sistemden %50 daha fazla olmaktadır. Günümüzde ülkemizde üretimi yapılabilen akışkan yataklı 10 MWe net elektrik üretimi yapabilen ve ilave ısı üretebilen buhar türbinli bir biyokütle enerji üretim tesisi 15 milyon USD fiyatına inşa edilebilmektedir. Ayrıca bu tesisin fazla buhar üretiminden Organik Rankin Çevrimi ile (ORC) ilave elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Benzer kapasitede bir tesis gazlaştırma teknolojisi ile de daha yüksek verimle inşa edilebilmektedir. Odunsu biyokütleyi etkili bir şekilde yakan mevcut ve yeni teknolojilerle, odun yakma, odun gazlaştırma, kojenerasyon ve kullanılan yakıta bağlı olarak ortak yakma şeklinde değişik yakma biçimleri uygulanabilir.

Şekil 3Büyütmek için resme tıklayın

Şekil.3 Briketlenmiş Tarımsal Atık ve Briketleme Makinası

Yakıt Hazırlama
Orman ve tarım atıklarından elektrik enerjisi elde etmek yapılacak ön işlemler atıkların araziden toplanması, belirli boyuta kesilmesi, elenmesi ve depolanmasıdır. Depolamanın enerji tesisinin hemen yanında veya sürekli besleyebilecek uzaklıklarda olmasında yarar vardır. Bu ön işlemlerden sonra atıklar enerji tesisine tercihan kuru olarak sevk edilir. Birçok durumda malzemenin boyutu daha küçük tercih edildiğinden 2. aşama kırıcıya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu süreç kurutulmuş besleme malzemesine uygulanır ve çıktı malzeme boyutu yaklaşık 0,5-10 mm civarına getirilir. Eğer kuru olmayan malzeme var ise biyokütle kurutulur ve gerçek nem içeriği kurutmadan önce %40-50, kurutmadan sonra %10-15 olabilir. Motor egzoz gazından elde edilen atık ısı kurutucularda kullanılabilir. Tarımsal atığın ön kurutması arazide veya depolama alanı içerisinde meydana gelebilir. Bir miktar tarımsal atığın, tanecik boyutları istenen özelliklerin altında olabilir. Bu özellikteki tarımsal atıklar pelletleme veya briketleme makinalarında pellet veya briket haline getirilebilir (Şekil 3 ve 4).

Pelletleme tesisi akış şemasıBüyütmek için resme tıklayın

Şekil.4 Pelletleme tesisi akış şeması

Odunsu Biyokütlenin Üretim ve Taşınma Maliyeti

Enerji üretiminde odunsu biyokütle kullanan bir tesis yapmadan ya da tasarlamadan önce kullanıcı kitlesi ve odunsu biyokütlenin tedarik edileceği bölgenin biyokütle kaynakları çok iyi araştırılmalıdır. Taşıma maliyetleri odunsu biyokütlenin diğer yakıtlara göre avantajlarını sınırlayabilir. Tomruk üretim artıkları ve orman bakım çalışmaları sonucunda çıkan artıklar bulundukları yerde yongalanır. Odun yongalarının taşıma sırasında neminin %50-70 olduğu kabul edilerek, odun yongalarının karayolu taşımacılığıyla bir santrala naklinin 50 km, pellet üretim tesisine naklinin ise 100 km’nin üzerine çıkması durumunda taşımanın ekonomik olmadığı belirtilmektedir. Odun yongasının bu mesafelerden daha uzak yere taşınması durumunda maliyet yükselmektedir. Pellet üretim tesisinden pelletin son kullanım yerine en ekonomik taşınma mesafesi 100 km, yakacak odunun son tüketim yerine ekonomik taşıma mesafesi ise 20 km olarak kabul edilmektedir. Yapılan bazı çalışmalarda yaş odun parçalarının veya orman atıklarının alış maliyetinin üzerine taşıma ve diğer giderler ilave edilmesi ile birlikte satışı yurt içinde 30-40 Euro/ton arasında olduğu kabul edilmektedir. Tomruk üretimi sırasında ortaya çıkan artıklardan elde edilen yonga, enerji ormancılığından üretilen ya da diğer ağaç türlerinden elde edilen yongaya göre en uygun maliyete sahiptir. Odun yongasının veya benzeri orman atıklarının taşınması, kırma ve benzeri işlemlerden geçirilmesi, kurutulması, pellet yapılması ve daha sonra depolanması, paketlenmesi ve tekrar taşınması, pazarlama faaliyetleri gibi giderler ilavesi ile satış bedeli Avupa ülkelerinde kış aylarında 100-120/ton Euro’yu bulmaktadır. Bu fiyat aralığı yaz aylarında biraz aşağı düşebilmektedir. En yüksek maliyet 50 km taşıma mesafesinden sonra ortaya çıkmaktadır.

Biyokütle Yakma ve Gazlaştırma Teknolojileri Arasındaki Farklar

Biyokütle yakma ve gazlaştırma teknolojileri arasındaki farklar Tablo.3’de verilmiştir.

Tablo.3 Biyokütle Yakma ve Gazlaştırma Teknolojileri Arasındaki FarklarBüyütmek için resme tıklayın

DOĞRUDAN YAKMA

Kurutulmuş orman ve tarım atıklarını doğrudan yakarak ısı enerjisi elde etmek mümkündür. Elde edilen ısı, buhar kazanlarında suyun buhara dönüştürülmesi ve elektrik jeneratörlerinin çalıştırması için kullanılabileceği gibi, ısıtma, işletme buharı ve sıcak su elde etme amaçları ile de kullanılabilir. Diğer bir yakma metodu ise tarımsal atıkların kömür gibi fosil yakıtlarla karıştırılarak yakılması ve elektrik üretimi için termik santrallarda kullanılmasıdır. Ancak orman ve tarım atıklarının düşük kalori değerleri, nakliye ve depolama güçlükleri, yakıt kalitesindeki değişkenlikler, yüksek nem oranı, baca gazı çevre problemleri ve direkt yakma tesislerinin düşük verimlilikleri gibi nedenlerden dolayı pek verimli olmamaktadır ve tercih edilmemektedir. Biyokütle yakma sistemlerinin performansını etkileyen en önemli faktörler, kullanılan yanma sisteminin türüne bağlı olarak mühendislik tasarımı ve etkili verim kontrolleridir. Kurumsal ve ticari ısıtma sistemleri doğrudan yakma ve iki aşamalı yakma olmak üzere başlıca iki sistem kullanır. Doğrudan yakma sisteminde kazan geniş hacimli tek bir yanma odasından ibarettir. Yanma odası içinde odunsu materyal yandığı zaman ortaya çıkan sıcak gazlar, doğrudan üst tarafta yer alan ısı değiştirme kanallarına doğru yükselir. Sıcak gazlar ısılarını, kazanı çevreleyen gömleğin içinde bulunan suya aktararak suyu ısıtır. Isınan su binaların ısınmasında ya da başka işlemlerde kullanılır. Basit olmalarından dolayı kurulum maliyetleri yüksek değildir. Orman veya tarım işletmeleri ya da orman endüstrisi alanında faaliyet gösteren şirketler, kendi biyokütle artıklarını yakarak elektrik ve ısı üretimini sağlayabilirler. Odun, özellikle yaş yonga (ıslak bazda %45-50 nemli) olmak üzere, değişik biçimlerde enerji tesisinin yakınındaki bir toplama merkezine nakledilir ya da depolanır. Odun yongaları helezon burgu ya da taşıma bantları yardımıyla, bir yakıcıya gönderilir. Odun yongalarının yanması sonucunda ortaya çıkan ısıyla su buharlaştırılır ve kızgın buharının türbini döndürmesiyle elektrik üretilir. Buharın fazlası tesisteki başka işlerde, örneğin yonga kurutma fırınlarında, sıcak su ise borular yardımıyla taşınarak binaların ısıtılması ve temiz sıcak su temininde değerlendirilerek sistemin toplam verimi yükseltilir. İki yanma odalı sistemlerde yanmaz maddeden astarlı ayrı bir yanma odası ve kazanla bağlantıyı sağlayan yanmaz maddeden kısa bir patlama borusu vardır. İlk yanma odasında yakıt ısıtılır, basınçlı hava üflenerek besleme yapılır. Sıcak gazlar yakıcıdan patlama borusu içinden geçerek doğrudan ikinci yanma odasına gelir. İki odalı sistem nemli ve kuru yakıtın her ikisini de yakabilir. Doğrudan yakma sistemi ile elektrik üretiminin şematik gösterimi Şekil.5’de verilmiştir. Akışkan yataklı yakma sistemleri de oldukça verimli yanma sağlayan sistemler olarak endüstride sunulmaktadır.

Doğrudan yakma sistemi ile buhar türbinli elektrik üretiminin şematik gösterimi

GAZLAŞTIRMA TEKNOLOJİSİ

Katı atıkları gazlaştırmak için öncelikle uygun tane boyutuna ve daha sonra pellet haline getirmek gerekmektedir. Katı atıkları gazlaştırma işlemi birkaç basamakta oluşur. Katı atıktaki suyun uzaklaştırılması ise ön hazırlık işlemleri sırasında yapılır. Veya pellet haline gelen ve genellikle %10-15 su içeren katı atık gazlaştırıcı içerisinde suyunu buhar fazına geçirir. Bu kuruma işleminden sonra piroliz, indirgenme, yanma ve benzeri reaksiyonlarına uğrar. İçerisinde % 35'den daha fazla su bulunan katı atık termokimyasal dönüşümle elektrik üretimi için uygun değildir. Gazlaştırma için %8-15 arası nem oranı uygun olup, 3-5 cm arası parça boyutu ideal olarak kabul edilir. Katı atık içerisindeki su gazlaştırma reaksiyonlarından biri olan su buharı reaksiyonuna gerekli olan su buharını üretmek üzere kullanılır ve bu reaksiyon oldukça önemlidir. Gazlaştırma işleminin başlayabilmesi için katı atık içerisindeki karbon elementinin bir kısmı yakılarak gazlaştırıcının önce suyun buhar fazına geçmesi, sonra piroliz fazına ulaşması ve daha sonrada gazlaşma reaksiyon sıcaklıklarına yükselmesini sağlanmaktadır. Gazlaştırıcı içerisinde oluşan reaksiyonlarını sırası ile aşağıdaki şekilde inceleyebiliriz; Kuruma; Suyun Buharlaşması, Piroliz, İndirgeme (Gazlaştırma), Yanma Reaksiyonları. Gazlaştırılma potansiyelinin kullanılabilmesi çok sayıda teknoloji geliştirilmiş olup, bunlardan en yaygın olanlar aşağıda sıralandığı gibidir:

-Sabit Yataklı gazlaştırma
-Akışkan yataklı gazlaştırma
-İndirekt(dolaylı)gazlaştırma
-Hızlı akışkanlı gazlaştırma

Genel olarak, bir oksitleyici ile karbon içeren malzemenin (biyokütle) gazlaştırılarak, gaz halindeki ürüne (yanıcı gaz, CO, H2, CO2, CH4, N2 karışımı) dönüşümü olarak tanımlanabilir. Gazlaşma ile 1000 ˚C sıcaklıkta syngaz üretir. Sıcak ham syngaz soğutma ve termal değerlendirme ve gaz yıkamanın gerçekleştirildiği gaz temizleme sistemine yönlendirilir. Genel olarak tesise ortalama 3000 kcal/kg ısıl güçte biyokütle verilmektedir. Biyokütle gazlaştırma teknolojisi isteğe göre 1 MWe’den 20 MWe üretimine kadar elektrik enerjisi üretebilecek farklı boyutta gazlaştırıcılara sahiptir. Tesisten üretilen syngazın ısıl değeri hava ile çalışan diğer akışkan yataklı gazlaştırıcılarda olduğu gibi 900-1200 kcal/Nm3 tür. Gerekirse gaz motoruna ileve sıvı veya gaz yakıt (doğal gaz) verilmektedir. Üretilen syngazın bileşimi genel olarak CO (%16-20), H2 (%5-15), CO2, (%10-15), CH4 (%3-5) ve N2 (%50-55) den oluşur (Tolay vça, 2010).

Sabit yataklı yukarı veya aşağı akışlı gazlaştırıcılar yanı sıra akışkan yataklı gazlaştırıcılarda yaygın olarak biyokütle gazlaştırılmasında kullanılmaktadır. Akışkan yataklı gazlaştırıcıların katı atık gazlaştırılmasında uygulandığı bir çok sisteme ilave olarak kullanılan plazma teknolojisi ileri düzeyde tehlikeli atık bertarafı için önem arz etmektedir. Evsel ve endüstriyel atıkların bertaraf edilirken elektrik ve ısı enerjisi üretildiği çevre dostu gazlaştırma tesisleri akışkan yatak teknolojisi ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Akışkan yataklı gazlaştırıcılar genellikle sabit yataklı gazlaştırıcılara göre daha yüksek güçlerde ve daha yüksek verimle kullanılırlar. Akışkan yataklı gazlaştırıcıları tarım ve odunsu endüstrisi atıkları için de örnek olarak gösterilebilir. Tarımsal atıkların gazlaştırılmasında kullanılan en verimli akışkan yataklı gazlaştırıcılardan birisi İspanya’da Madrid yakınlarında Movialsa 5,9 MWe, Bulgaristan Karlova’da 5,0 MWe, Hırvatistan’da 1,2 MWe gücünde EQTEC akışkan yataklı gazlaştırıcıları uzun yıllardan beri başarı ile çalıştırılmaktadır. Tarımsal atıkların enerji üretiminde en uygun olarak kullanıldığı ülkelerden birisi İspanya’dır. Avrupa Birliği adına önemli ve örnek bir yenilenebilir enerji merkezi İspanya’da Madrid yakınlarında Movialsa 5,9 MWe EQTEC akışkan yataklı gazlaştırıcısı 50.000 saat sürekli çalışma referansına sahip olup üç adet gaz motoru ile yüksek verimde çalışmaktadır. Bu tesis hammadde olarak tarım atıkları kullanmaktadır. Ayrıca İngiltere’de dört ayrı tesiste toplam 30 MWe atıktan enerji tesisi kurulacaktır. Polonya’da ise atıktan sentetik gaz ve bu gazdan da sentetik doğalgaz üreten tesisler devreye girecektir. EQTEC Iberia Firmasının aynı teknolojisi Avrupa’nın farklı ülkelerinde 1MWe ve 10 MWe güçlerinde biyokütle gazlaştırılması için çalışmaktadır (Şekil.6).

Syngaz

EQTEC Iberia teknolojisi ile üretilen sentez gazı (Syngas) 4 ila 6 MJ / Nm3 arasında bir ısıtma değerine sahiptir ve içten yanmalı motorlar ile elektrik üretmek için yakıt olarak kullanılır. Sentez gazı gaz motorlarında enerji üretimi için kullanılmadan önce gaz temizleme sisteminde temizlenmeli ve şartlandırılmalıdır. EQTEC Iberia özel bir syngaz temizleme teknolojisi geliştirmiştir. Syngaz temel olarak H2, CO, CH4, CO2, C2Hn, H2O, N2 gazlarının karışımından ve bir miktar katran karışımından oluşan bir gazdır. Bu EQTEC gazlaştırıcıları ile biyokütleden yaklaşık % 95 oranında (Tablo 1) karbon/gaz dönüşümü elde etmek mümkündür. Yukarıda tarif edilen EQTEC gazlaştırma teknolojisi akış şemasına göre (Şekil 2), en fazla % 35 gaz motoru verimi ile 1 MWe ve 25 MWe'lik aralığında toplam tesis verimi % 75'e verimlerle elektrik ve ısı enerjisi üretmek mümkündür. Bu teknolojinin çevre emisyon seviyeleri diğer teknolojilere göre daha düşük olup Avrupa Birliği çevre standartlarının altındadır.

EQTEC gazlaştırıcısı sentez gazı (Syngas) bileşimi ve özellikleri yakıt olarak kullanılan biyokütle tipine bağlıdır. Tipik ısıl değerleri 4,5-5,5 MJ AID / Nm3 olup syngaz kompozisyonu Tablo.4’de verildiği gibidir:

Tablo.4 EQTEC Gazlaştırıcısı Sentez gazı Kompozisyonu.Büyütmek için resme tıklayın

Tablo.4 EQTEC Gazlaştırıcısı Sentez gazı Kompozisyonu.

Entegre Biyokütle Gazlaştırma Santrali’nde (IBGPP) (Şekil.6) biyokütle sentez gazına dönüştürülür, Bu gaz, belirli bir ısı değerine sahiptir ve şartlandırılmış bir kez, içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılır. Bu motorlar, bir alternatör hareket elektrik üreten ve aynı zamanda motor soğutma devresine gelen egzost gazları ve sıcak su/buhar biçiminde ısı üretir. Bu ısı ısıtma/soğutma amaçlı sıcak su, buhar ya da soğuk su üretmek için kullanılabilir. Sistemin elektrik verimi % 28 - % 35 arasında değerler ulaşır ve toplam verimlilik% 75'tir.

Gazlaştırma sistemine giriş yapan malzemeler biyokütle ile akışkanlaşma ve gazlaştırma sağlayan havadır. Sistemde ayrıca proses suyu kullanılır. Sistemden çıkan maddeler ise proses suyu, kül ve kuru gaz bulunmaktadır. Proses suyu soğutmada kullanılır ve tekrar soğutularak geri gönderilir. Gazlaştırma teknolojisi çevresel özellikleri şöyle özetlenebilir;

-Syngaz ile üretimi gazlaştırma teknolojisi çevre açısından en temiz ve çevre dostu teknoloji sağlar. SO2 ve NOx problemleri yaratmaz,

-CO2 gazlarının salınımı konusunda yenilenebilir kaynaklar kullanıldığı ve yenilenebilir enerji üretildiği için Kyoto Protokolü çerçevesinde uzun vadede gazlaştırma en uygun teknolojidir, yakma sistemlerinde olduğu gibi fazla yakma havası kullanmaz,

-Çevreye zarar veren çok farklı katı atıkların ortadan kaldırılması yine gazlaştırma ile mümkündür,

-Gazlaştırmada oluşan kül çimento fabrikalarında veya asfalt üretiminde kullanılır,

-Gazlaştırma tesislerinde fazla su ihtiyacı ve su kirliliği sorun yoktur.

Biyokütle’den Enerji ve Sentetik Doğal Gaz Üreten Tesisler: Uzun yıllardır atıklardan ve fosil yakıtlardan temiz enerjiler ve temiz kimyasal maddeler üretimi üzerinde gerek yurt içinde gerekse yurt dışında araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Özellikle son yıllarda atıkların hem bertaraf edilmesi hemde temiz enerjiye dönüştürülmesi konusunda birçok tesis kurulumu ve patentli teknolojiler oluşturulmuştur. Son yapılan çalışmalar Avrupa Birliği ve diğer ülke kuruluşları tarafından kabul görmektedir. Bu konuda teknoloji grupları (EQTEC Iberia, EQTEC PLC/UK, EBIOSS, China Energy Group) her türlü evsel atıktan, tehlikeli atıktan, biyokütle olarak kabul edilen orman ve tarım atıklarından önce gazlaştırma yöntemiyle sentetik yanıcı gaz ve bu gazdan da doğal gaz üretmeyi endüstriyel ve ticari boyutta başardı. Daha önce kuruluşu yapılan tesisler sentetik yanıcı gazdan sadece enerji üretebiliyordu. Ayrıca geçtiğimiz aylarda da İngiltere'de dört ayrı tesiste atıktan enerji üretimi konusunda toplam 30 MWe gücünde tesis kurulum anlaşması yapılmıştır.

Avrupa Birliği'nin almış olduğu kararla bu yüksek teknolojileri içeren tesislerin ilki Polonya'da kurulacak. POLYGEN konsorsiyumunun parçası olan EQTEC Iberia'nın (EBIOSS Energy) Polonya'daki atık gazlaştırma tesisi inşası için InnoEnergy EIT İnceleme Komitesi (Avrupa İnovasyon ve Teknoloji Enstitüsü) tarafından onay aldığını duyurmuştur. Avrupa Birliği'nin onayı, sentetik doğalgaz (SNG), atık çamuru, katı şehir atıkları (MSW) ve biyokütle gibi alternatif yakıtlardan gelen elektriği ve ısıyı üretmek için bir tesis inşa etmenin ilk adımıdır. Komşu belediyelerin dairesel ekonomisine tesiste enerji talepleri için kullanılacak olan enerjide üretilen atığın dönüştürülmesi. Proje çevresel sürdürülebilirliği ve yerel ekonominin gelişimini teşvik edecektir. POLYGEN konsorsiyumu Polonya'da tesisi kuracak ve tasarımı, inşası ve işletmeye alınması bu yıl başlayacak. Tesisi kuracak olan konsorsiyum, kendi alanlarında lider olan yedi Avrupalı çok özel şirket tarafından oluşturuldu: Rafako, Tauron, Exergon ve IChPW (Polonya), Atmostat ve CEA (Fransa) ve EQTEC Iberia (İspanya).

EQTEC Biyokütle Gazlaştırma Teknolojisi: Akış ŞemasıBüyütmek için resme tıklayın

Şekil.6 EQTEC Biyokütle Gazlaştırma Teknolojisi: Akış Şeması.

Bu çalışmanın amacı, Türkiye'de alternatif ve yenilenebilir yakıt olarak temiz enerji tarımsal ve orman esaslı biyokütle atıklarının ve enerji bitkilerinin enerjiye dönüşüm olasılığını belirlemektir. Bitki atıkları değerlendirilmesini araştırmak için tarımsal atık ve orman atıklarının (özellikle mısır, pamuk, ayçiçeği, zeytin ağacı, buğday, çam, meşe vb atıkların), ülkenin yoğun enerji ihtiyacına yenilenebilir enerji kaynakları olarak cevap vermek üzere çalışma yapılmıştır. Bu nedenle, bu çalışmada, sırayla biyokütle yenilenebilir enerji potansiyeli ve sistemin maliyetinin hesaplanması, biyokütlenin gazlaştırma tesisinde syngaza dönüştürülmesi bilgileri sunulmuştur. Türkiye'de gazlaştırma ile biyokütleden syngaz üretim tesislerinin geliştirilmesi, sürdürülebilir rekabet gücüne sahip ekonomik ve çevre dostu tesislerin kurulmasının önemi vurgulanmaya çalışılmıştır. Farklı kapasitelerde biyokütle kullanarak farklı kombinasyonda gazlaştırma/enerji üretim tesislerinin ekonomik analizleri yapılarak fizibiliteleri karşılaştırılmaya çalışılmıştır.

Fizibilite çalışmaları için, dört farklı tip enerji üretim tesis kombinasyonu farklı biyokütle besleme miktarına göre yapılmıştır.

Farklı dört tesis elektrik üretim kombinasyonu aşağıdaki gibidir:

A- GE + Buhar Üretimi - BIGCC Santrali
B- GE + Buhar Üretimi - BIGCC Santrali + Biyokütle Hazırlama
C- GE + ORC + Buhar Üretimi - BIGCC Santrali
D- GE + ORC + Buhar Üretimi - BIGCC Santrali + Biyokütle Hazırlama

(GE: General Electric Jenbechar Gas Engine, ORC: Organic Rankine Cycle, BIGCC: Biomass Integrated Gasification Combine Cycle)

SONUÇLAR

Ülkemizde çok önemli ithalat giderlerini oluşturan doğalgaz ve petrole bağlı dışa bağımlılığı azaltmak, çevre kirliliğinin önlenmesine bir nebze de olsa katkıda bulunmak, üretimdeki en önemli gider kalemlerinden olan enerji giderini azaltarak, ürün maliyetini düşürmek hedeflenmektedir. Bunun için ülke olarak alternatif enerji kaynaklarına yönelmemiz, bu konularda temel araştırmalar yürütülmesi gerekmektedir. Tarım ve orman atıkları gibi biyokütle kaynaklarının enerji kaynağı olarak kullanılması durumunda getireceği faydalar aşağıda şöyle açıklanabilir: Isıl değerleri 4000 kilo kalori bulunmaktadır. Biyokütle gazlaştırıldığında atmosfere kükürt dioksit ve azot oksitler gibi zararlı gazlar vermez. Bitki yetişmesi sırasında havadan aldığı karbondioksiti, yandığında geri verdiğinden, küresel ısınmaya neden olan karbondioksit miktarını arttırmaz. Havadaki karbondioksit miktarını etkilemeyen dünyadaki tek yakıttır. Özellikle enerji bitkileri, bitki içinde yaklaşık % 15 civarında şeker bulunmakta olup, bu da daha verimli gazlaşmasını sağlamaktadır. Katı yakıt olarak maliyeti, yerli linyit ve ithal kömürlerden çok daha düşüktür. Kül miktarı çok düşüktür. Temiz syngaz yakıt elde etmek mümkündür. Ayrıca biyokütle kaynağı olarak tatlı sorgum gibi enerji bitkilerinin yaygın olarak kullanılması durumunda, özellikle kırsal kesimde büyük bir iş potansiyeli yaratılacaktır. Ülkemiz enerji konusunda kesinlikle dışa bağımlı olmayacaktır. Hava kirliliği azalacaktır. Tarımın gelişmesine ve erozyonun engellenmesine neden olacaktır.

Biyokütle ve atıklardan enerji üretimi konusunda lider kuruluş olan EQTEC gazlaştırma ve enerji üretim teknolojisi en önemli sonuçları şöyle özetlenebilir:
-EQTEC gazlaştırıcıları yüksek gazlaştırıcı verimi sağlayan, yüksek verimle elektrik üreten teknolojiye sahiptir.
-EQTEC gazlaştırıcıları sadece biyokütle değil benzeri atkıları da kullanarak güç ve ısı üretimi sağlayan kojenerasyon tesisleridir.
-TOLAY Enerji, VERCO SL ve EQTEC Iberia birlikte biyokütle ve katı atıkların gazlaştırması için ticari ölçekte verimli ve kanıtlanmış teknoloji sunan bir konumdadır.
Tasarım kriterleri ile EQTEC gazlaştırıcıları biyokütle gazlaştırma ile elde edilen syngazdan elektrik ve ısı üretimi için fizibil tesisler kurmaktadır.
Biyokütlenin fiziksel özellikleri, ısıl değerleri, analiz değerleri göz önüne alınmış ve farklı güçlere göre fizibilite çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmada, aynı zamanda bir pellet üretmek üzere biyokütle briketleme makinesi da gerekirse fizibilite çalışmalarında hesaba katılmıştır. Ayrıca, Patentli EQTEC Iberia akışkan yataklı gazlaştırma sistemi ile kombine ısı ve güç üretimi ile kullanarak 1 den 10 MWe kadar farklı güç üretim kapasitelerinin ekonomik analizi Türkiye şartları için hesaplanmış ve sistemler tasarlanmıştır.
Yatırım dahil fizibilite çalışmaları, duyarlılık analizlerii, net bugünkü değeri, karlılık iç verim oranı gibi ekonomik analiz sonuçları bu yatırımların fizibl hale getirmekte geri ödeme süresi 5 MWe gücündeki bir tesis için 5 yıl ve 10 MWe bir tesis için 4 yıldır. Biyokütle gazlaştırma elektrik ve ısı üretim tesisi, Türkiye koşullarında yatırım için oldukça makul olarak görülmektedir.
Bu çalışmada, genel biyokütle ve gazlaştırma bilgisi verilmeye çalışıldıktan sonra farklı enerji tarımı bitkilerinin gazlaştırma metodu ile değerlendirilerek syngaz üretimi ve syngazdan da elektrik ve ısı enerjisi üretim metodları farklı örnekleri içeren pellet üretme, yakma ve gazlaştırma teknolojileri tanıtılmaya çalışılmıştır. Gazlaştırma metodu ile biyokütleden ve enerji bitkilerinden enerji üretimi İspanya, İtalya, İsviçre, Japonya, Almanya, A.B.D. gibi ülkelerde kullanılan sistemlerdir. Avrupa’da uzun yıllardan beri çalıştırılan farklı güçlerdeki biyokütle yataklı gazlaştırıcı tesisleri örnek olarak gösterilebilir. İspanya, İtalya, Fransa ve Bulgaristan’da çalıştırılan akışkan yataklı gazlaştırıcılarla biyokütle için teknolojik ve ekonomik biçimde bu çalışmada tanıtılmıştır. Bu çalışmada biyokütlenin yakma veya gazlaştırılarak enerjiye dönüştürülmesi için önerilen teknolojiler ile ülkemiz koşullarında yapılacak yatırımların fizibil olduğu görülmüştür. Bugünkü ekonomik koşullarda bu tür yatırımları geri ödeme süresi dört veya beş yıl olarak saptanmıştır.

Bu çalışmadan elde edilecek sonuçlar, temiz ve düşük maliyetli enerji elde etmek amacıyla endüstride kullanılabilecektir. Daha önce yapılan çalışmalardan elde edilen olumlu sonuçlar tarım ve enerji sektöründe faaliyet gösteren bazı firmaların şimdiden ilgisini çekmiş ve çeşitli taleplerin gelmesini sağlamıştır. Bu ve benzeri çalışmalardan elde edilecek bilgi ve deneyimle biyokütle ve enerji bitkilerinin daha geniş ölçekte üretilmesi ve enerji santrallerinde yakıt olarak kullanılması mümkün olabilecektir.

Kaynaklar

1) Ar, F. Figen (Editör), “Biyoyakıtlar”, Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi, Ankara, 2010.

2) Bascetincelik A. Ozturk, H.H., Karaca, C., Kacira M., Ekinci K., 2003, “Exploitation of Agricultural Residues in Turkey”, LIFE-03.TCY/TR/000061.

3) Başçetinçelik A., Karaca, C, Öztürk, H.H., Kaçıra, M., ve K. Ekinci, E., 2005. “Regional Distribution of Agricultural Biomass Potential in Turkey”, Proceedings of the 9th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture & 27th International Conference of CIGR Section IV: The Efficient Use of Electricity and Renewable Energy Sources in Agriculture, September, 27-29, İzmir-TURKEY, 2005.

4) Ekinci, K., 2005, “Türkiye'de Tarımsal Atıkların Değerlendirilmesi”, TÜBİTAK, 25 Kasım 2005, Kavaklıdere, Ankara.

5) Karaca, C., 2009, “Energy Conversion Possibilities of Agricultural Industry Wastes in Çukurova Region, PhD Thesis, Çukurova University, Adana, 2009. (in Turkish).

6) Güler, C., Akgül, M., 2002, "Bazı Odunsu ve Otsu Bitkilerin Enerji Üretiminde Kullanılması", Harran Ünv. Müh. Fak. GAP IV. Mühendislik Kongresi (Uluslararası katılımlı), Bildiriler Kitabı, Cilt II, s. 1653-1658, 6-8 Haziran 2002, Şanlıurfa.

7) Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK), 2010, Bitkisel Üretim İstatistikleri 2009. www.tüik.gov.tr.

8) Tolay, M., 2007, “An Agricultural and Forest Waste’s Recycling Methods: Gasification of Solid Waste’, Recycling Magazine , Issue 3, July 2007, Istanbul. (in Turkish).

9) Tolay, M., Baileys, R., Waterschoot, A., 2010, “Drying and Gasification Technologies for Industrial Wastewater Sludge”, 12th Industrial Pollution Control Symposium, EKK 2010, June 16-18 2010, ITU, Istanbul-Turkey (in Turkish).

10) Tolay, M., Karaca, C, Terzioğlu, F., 2010: “Feasibility Study of Energy Production Processes from Agricultural Waste in GAP Region/Turkey”, UNDP GAP.

11) Koopmans, A., Koppejan, J., 1997, Agricultural and Forest Residue; Generation, Utulization and Availability. RWEDP; www.rwedp.org. Pp:21

12) Gärtner, S., 2008, “Final Report on Technical Data, Costs and Life Cycle Inventories of Biomass CHP Plants”, IFEU, IER-RS 1a D13.2, New Energy Externalities Developments for Sustainability; Project no: 502687, 9 April 2008.

13) US-EPA, 2007, “Biomass Combined Heat and Power Catalog Technologies”, USAEPA CHP, Sept. 2007, USA, www.epa.org/chp.

14) IEA, “Biomass for Power generation and CHP”, IEA Energy Technology Essential, January 2007, www.iea.org/techno/essentials3.pdf.

15) Ünlü, Namık, “Biyoyakıtlardan Elektrik Üretim Teknolojileri ve Ekonomisi”, 2. Ulusal Biyoyakıtlar Sempozyumu, Samsun, 27-30 Eylül 2016.

16) www.eqtec.es, www.eqtecplc.com, www.ebioss.com 

17) www.bepa.yegm.gov.tr

TOLAY Energy Consulting
19 Mayıs Mah. Halaskargazi Cad, Feza Apt. No: 192, D:8,
Şişli / İstanbul / Turkiye.
Phone: + 90 (0212) 232 83 88
Phone:(GSM): + 90 (0532) 368 69 19
Phone:(GSM): + 39 (0333) 105 26 35
e-mail: Bu e-Posta adresi istenmeyen posta engelleyicileri tarafından korunuyor. Görüntülemek için JavaScript etkinleştirilmelidir., Bu e-Posta adresi istenmeyen posta engelleyicileri tarafından korunuyor. Görüntülemek için JavaScript etkinleştirilmelidir.
e-mail:
web: www.mustafatolay.academia.edu
https://independent.academia.edu/MustafaTolay
https://www.researchgate.net/profile/Mustafa_Tolay2

VERDANOCO SYNERGY Ltd. Co.
Teknopark Istanbul
Sanayi Mah. Teknopark Bulvarı, No: 1 / 9A Pendik İstanbul
Email: Bu e-Posta adresi istenmeyen posta engelleyicileri tarafından korunuyor. Görüntülemek için JavaScript etkinleştirilmelidir.
Web: www.verdanovosynergy.com