Bursa İli Karacabey İlçesinde Örnek Bir Biyogaz Tesisinin Kurulabilirliği İçin Tarımsal ve Gıda Artıklarının Enerji Potansiyeli

Transkript

1 Bursa İli Karacabey İlçesinde Örnek Bir Biyogaz Tesisinin Kurulabilirliği İçin Tarımsal ve Gıda Artıklarının Enerji Potansiyeli Yahya ULUSOY 1, Halil ÜNAL 2, Kamil ALİBAŞ 2 1 Uludağ Universitesi, Teknik Bilimler MYO, Tarım Alet ve Makinaları Programı, Bursa 2 Uludağ Universitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Bursa yahyau@uludag.edu.tr Özet: Biyogaz teknolojisi uzun süredir bilinmesine rağmen son yıllarda gerek çevresel faktörlerin ve gerekse fosil yakıt rezervlerinin hızla tükenmeye başlaması ve bunun sonucunda fiyatlarının artması alternatif enerji kaynağı olan biyogazın önemini artırmıştır. Organik atıkların hemen hemen tüm çeşitleri biyogaz hammaddesi olarak kullanılabilmektedir. Bunlar içerisinde en önemlileri hayvansal, bitkisel ve agro-endüstriyel biyokütle atıklarıdır. Bursa ili hayvansal, bitkisel ve agro endüstriyel atık potansiyeli bakımından Marmara Bölgesinde ve Türkiye genelinde önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmanın amacı, Bursa ili Merkez ve Karacabey ilçe sınırları içerisinde bulunan bir süt sığırcılığı işletmesine ait gübre, mısır silajı ve yeşil artıklar ile iki gıda firmasının organik atıklarından domates ve bezelye posalarının biyogaza dönüştürülme potansiyeli değerlendirmektir. Ayrıca, bölgemizde kurulması amaçlanan örnek bir biyogaz tesisine altyapı oluşturacak modern bir tesisin Almanya daki modellerinden birinin karşılaştırması verilmiştir. Anahtar kelimeler: Biyogaz, tarımsal organik atıklar, enerji tarımı The Energy Potential of the Agricultural and Food Wastes for the Feasibility of a Sample Biogas Plant in Karacabey-Bursa Abstract: Although biogas technolgy has been known for a long time, but in recent years the interest in it has significantly increased, especially due to the higher costs and the rapid depletion of fossil fuels as well as their environmental considerations. Almost all types of the organic wastes can be used as a raw material for digestion. The most important wastes are animal wastes, vegetable and agri industrial wastes. Bursa has an important role in Marmara Region and Turkey in terms of potential of animal, vegetable and agri industrial wastes. The main objective of the present study is to investigate the biogas conversion potential of manure, corn silage and green wastes and organic wastes of two different food industry such as tomato and pea in Bursa and Karacabey region. In addition, comparison of a modern biogas plant which will be basis for the sample biogas plant projected to be built in Bursa province with one of the model plant in Germany was made. Keywords: Biogas, Agricultural organic waste, Energy farming. GİRİŞ Dünya nüfusunun hızlı bir şekilde artmaya devam etmesi, sanayileşmenin yeni boyutlar kazanması ve insanoğlunun geleneksel yaşam şartlarından kurtularak yaşama standardını yükseltmek istemesi, enerji ihtiyacını hızlı bir şekilde artırmaktadır. Bu nedenle, yeni enerji kaynaklarının bulunması, enerji teknolojisinin geliştirilmesi gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde çalışmaların yoğunlaştığı alanlar olmuştur. Bugün dünyada nükleer enerjinin yanı sıra yeni ve temiz enerji kaynakları olarak adlandırılan jeotermal, güneş, rüzgar ve biyogaz enerjileri son yıllarda üzerinde en çok durulan ve araştırılan konuları oluşturmaktadır. Hayvansal ve bitkisel gıda artıklarının temiz enerji olarak geri dönüşümü çevre kirliliği ve enerji kaynaklarının geliştirilmesi açısından önemlidir (Sözer ve Yaldız, 2006). Elde edilen bu temiz enerji, gıda artıklarının oksijensiz ortamda metan gazına dönüşümü ile mümkündür. Geriye kalan kısım ise zenginleştirilmiş bir gübre kaynağı olmaktadır. 109

2 Fosil enerji kaynaklarının (petrol, kömür, doğalgaz vb.) tükenebilir olması, yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının (rüzgâr, güneş, hidrolik, jeotermal, vb.) ilk yatırım değerlerinin fazla olması özellikle kırsal bölgelerde yenilenebilir enerji kaynağı olarak biyogazın değerlendirilmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. Bitkisel, hayvansal ve kentsel organik atıkların anaerobik fermantasyonu sonucu elde edilen biyogaz, içeriğindeki metan gazından dolayı yanabilme özelliğine sahiptir. Biyogaz, fosil yakıtlardan farklı olarak karbondioksit emisyonunun ve sera etkisinin azaltılmasına katkıda bulunmaktadır. Biyogaz üretiminin başarılı olması ph derecesi, sıcaklık, karıştırma gibi fermantasyon koşullarına bağlıdır (Gülen ve Arslan, 2005). Diğer taraftan, biyogaz üretiminin ekonomik uygunluğunu belirleyen birçok faktör vardır. En önemli faktörlerden biri kullanılacak olan atıkların ekonomik değerleri ve bu atıkların biyogaz verimlilikleridir. Ayrıca bölgesel olarak kullanılan diğer enerji kaynaklarının miktarları ve maliyetleri biyogaz üretim ekonomisini etkileyen faktörlerden bir tanesidir. Seçilen teknoloji yatırım maliyetlerini etkilediği gibi üretim verimliliğini dolayısı ile maliyetleri belirleyen unsurdur. Kırsal kesimlerde, köylerde kurulacak biyogaz tesisleri hayvansal atıkların daha sağlıklı bir şekilde değerlendirilmesini sağladığı gibi yemek pişirme, ısınma, aydınlatma gibi kullanım alanlarının daha ekonomik bir şekilde değerlendirilmesini sağlayabil-mektedir (Dalgıç, 2004). Ayrıca, bu çalışmanın da temelini oluşturan tarıma dayalı sanayi kesimlerinde ise organik kaynaklı artıkların doğaya verebileceği çevresel zararların önlenmesinin yanı sıra enerji ihtiyaçlarının karşılanmasına da belirli oranlarda katkıda bulunabilmektedir. Tarıma dayalı endüstriyel atıkların değerlendirilmesine ilişkin algoritma Şekil 1 de verilmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde önemli bir yer tutan hayvansal ve bitkisel atık kullanımı sürdürülebilir kalkınma modelleri içerisinde çevre ve enerji optimizasyonu bakımından önem kazanmaktadır. Yaygın olarak kullanılan diğer arıtma yöntemlerine göre daha az enerji ve besin gerektirmesi, daha düşük işletme maliyetine sahip olması, mevsimsel işletim olanağı sunması ve üretilen metan gazının ısı ve elektrik enerjisi üretiminde kullanılması anaerobik yöntemleri daha çekici kılmaktadır. Anaerobik arıtma sonucu elde edilen metan gazı biyogaz olarak kazanlarda yakılmakla buhar üretiminde veya gaz motorlarında yakılarak elektrik üretiminde kullanılabilmektedir. Gerek Avrupa Birliği ülkeleri gerekse diğer ülkelerde hayvansal atıklardan biyogaz üreten tesisler fizibil olarak çalışmakta ve kısa sürede yapılan yatırımı geri öder hale gelmişlerdir (Akinbami ve ark., 2001). Gıda Atıklarının Toplanması Gıda Atıklarının Taşınması Biyogaz Üretimi Biyogazın Depolanması Artıkların Depolanması Biyogazın Kullanımı Artıkların Değerlendirilmesi Şekil 1. Tarıma dayalı endüstriyel atıkların biyogaz amaçlı kullanım şeması Bu çalışmada, Bursa ili Merkez ve Karacabey ilçe sınırları içerisinde bulunan bir süt sığırcılığı işletmesine ait gübre ile iki adet gıda sanayisinin organik atıklarının (domates, bezelye posası, mısır silajı ve yeşil artıklar) biyogaza dönüştürülerek bu gazdan elde edilecek ısı ve elektrik üretimi değerlendirilmiştir. Ayrıca, bölgemizde kurulması amaçlanan örnek bir biyogaz tesisine altyapı oluşturacak modern bir tesisin Almanya da kurulmuş olan modellerinden birinin karşılaştırması verilmiştir. Bursa İlindeki Bazı Hayvansal, Bitkisel ve Endüstriyel Atık Miktarları Bursa ilinde özellikle Karacabey ve Mustafakemalpaşa ilçelerinde gerek tarıma dayalı çalışan konserve fabrikaları ve gerekse büyük ölçekli süt sığırcılığı yaygın olarak yapılmaktadır. Bu bölgede büyük ölçekli başta domates salçası ve bezelye konservesi olmak üzere 10 un üzerinde fabrika bulunmaktadır. Bu fabrikaların atık miktarları incelendiğinde dönemsel olmakla birlikte yoğun posa ve atık çıkmaktadır. Yapılan anket çalışması 110

3 sonucunda her fabrikadan ortalama bin ton atığın çıktığı, bunun da küçük bir kısmının bölgedeki çiftliklerde hayvan yemi olarak değerlendirildiği, kalan kısmının ise çöplüklere atıldığı veya yerel ayıklama bölgelerinde bırakıldığı gözlenmiştir (Anonim 2005 ve 2008). Domates atıklarının hasat dönemindeki hava sıcaklığından dolayı kötü koku yaydığı ve bunun hayvan sütünü bile etkilediği, bezelye atıklarının ise parça büyüklüğü ve lif yapısından dolayı hayvan yemi olarak pek tercih edilmediği gözlenmektedir. Pazar değerleri ise yaklaşık taşıma ücretinin biraz üzerinde olduğu görülmektedir. Çizelge 1 de, Bursa il ve ilçelerindeki mevcut yem bitkileri üretimi ve değerlendirilebilen sanayi atıklarının 2006 yılı envanteri verilmektedir (Anonim, 2007). Endüstriyel bu ürünler tarladan hasat edildikten sonra belirlenen ayıklama yerinde ön işleme tabi tutularak tane ürünler sap ve bitki artıklarından ayıklanmaktadır. Ayıklama sonrası kalan bu bitki artıkları bölgedeki çiftçiler tarafından değerlendirilebilecek miktarı alındıktan sonra geriye kalan kısmı çöplüklere atılmakta veya bırakıldığı yerde çevre kirliliğine neden olunmaktadır. Yapılan anket çalışması ve Bursa İl Tarım Müdürlüğü verileri karşılaştırıldığında, envantere giren ve değerlendirilebilen miktarın, gerçek değerlerine göre çok az olduğu (%10 gibi) görülmektedir. Bölgede süt sığırcılığının yoğun ve büyük ölçekli olarak yapıldığı büyük çiftlikler vardır. Ayrıca bölgede koperatifleşme de yaygındır. Koperatifleşmenin giderek dahada yaygınlaşması, gelecek dönemde hayvan gübresi ve hayvansal atıkların bertarafını da gündeme getirecektir. Kyoto protokolünün Ülkemiz tarafından da imzalanması ve AB kriterleri uygulamasının devreye girmesiyle birlikte, çiftçiler bu atıklarını depolamakta güçlük çekmekte, hatta nasıl değerlendirilmesi gerektiğini bilmemektedirler. Bunun sonucunda çiftçiler depolayamadıkları ve bertaraf edemedikleri tarımsal ve hayvansal atıklarını kaçak yollarla çevreye atmaktalar veya denetimlerde cezayi müeyyidelerle karşı karşıya kalmaktadırlar. Çizelge 1. Bursa ilinin 2006 yılı bazı yem bitkileri üretim ve gıda endüstrisi atık miktarları İlçeler Yem Bitkileri Gıda Endüstrisi Atıkları (Posa) Mısır Buğday Yonca Sorgum Araka Pancar Elma Domates Arpa Arpa Yulaf Fiğ Sudan otu Merkez Büyükorhan Gemlik Gürsu Harmancık İnegöl İznik Karacabey Keles Kestel Mudanya M.Kemalpaşa Orhaneli Orhangazi Yenişehir Toplam Ara Toplam Genel Toplam

4 Tesis sayısı EEG 1nci revizyon EEG 2nci revizyon EEG Tesis sayısı Kurulu elektrik kapasitesi (MW el) Kurulu elektrik gücü (MWel) Tahmini 0 Şekil 2. Almanya daki biyogaz tesis sayıları ve kurulu elektrik üretim kapasiteleri Bölgede süt sığırcılığı ile birlikte, mısır slajı talebinin artması, ikinci ürün yetiştirilmesini de gündeme getirecektir. Bölge topraklarının daha verimli kullanılması ile ortaya çıkacak olan bitkisel kaynaklı mısır slajı gibi ürünlerin Alman çiftçi birliklerinde örnekleri görülen biyogaz tesislerinin bölgemizde de yaygınlaştırılması kaçınılmaz hale gelecektir. Biyogaz Üretiminde Almanya Örneği ve Biyogazın Üretimin Aşamaları Gelişmiş veya biyogazın yaygın olarak kullanıldığı ülkelerden biri olan Almanya ve diğer gelişmiş Avrupa ülkelerinde tarımsal ve endüstriyel organik atıkların ve enerji tarımının yaygınlaştığı görülmektedir. Almanya daki biyogaz tesis sayıları ve kurulu elektrik üretim kapasiteleri Şekil 2 de verilmiştir (Plöchl and Heiermann, 2006; FNR, 2009) verilerine göre, tesis sayısı 3711 ve kurulu elektrik kapasitesi ise 1270 MW dır. Bu değerler Almanya da yenilenebilir enerji kaynağı olan biyogaza verilen önemi göstermektedir. Gelişmekte olan ülkelerde biyogaz üretecinin tasarımı iki farklı şekilde yapılmaktadır. Eldeki atıklar başlangıç olarak alınmakta ve bundan elde edilen biyogaz miktarı bulunarak kullanım alanları bulunmaktadır (Yaldız, 2007). İkinci durumda ise talep edilen biyogaz ihtiyacına göre tasarım gerçekleştirilmektedir. Şekil 3 te akış şeması verililen bir üretim sisteminin aşamaları ve kullanım alanları verilmiştir. Tasarımda üreteç ölçülerinin bağımlı olduğu parametreler: Uygun hammadde miktarı, Hammaddenin cinsi ve özellikleri, Isıtma ihtiyaçları, Karıştırma ihtiyaçları, Üreteç için kullanılacak malzemenin cinsi, şeklinde sıralanabilir. Hammaddenin miktarının tespiti ve özelliklerinin belirlenmesinden sonra üreteç çeşidinin belirlenmesi gerekir. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli unsur; en yüksek verimliliğin en uygun maliyete ve kolay bir uygulama sistemine sahip olan üretecin bulunmasıdır (Ulusoy, 2006). Kırsal kesimlerde ağırlıklı olarak yarı kesikli dikey üreteçler kullanılmaktadır. Bu üreteçlerde günlük besleme yapılmaktadır. Bu üreteçlerin kullanılabilmesi için hergün üretecin kapasitesine göre besleme yapılması gerekir. Günlük besleme sağlanamıyorsa, kesikli üreteçler kullanılabilir. Bu üreteçlerde ilk dolumdan sonra tekrar besleme yapılmaz ve biyogaz üretiminin sonuna kadar beklenir. Biyogaz üretimi durduktan sonra üreteç boşaltılır ve temizlenir. Temizlendikten sonra yeni bir üretim için üreteç doldurulur. Ortam sıcaklığının istenilen düzeyde tutulabilmesi için güneş enerjisinden yararlanılabilir. 112

5 Şekil 3. Biyogazın üretim aşamaları ve kullanım alanları Bu sistemlerde güneş enerjisi hem karışım suyunun istenilen düzeye getirilmesinde kullanılır, hem de sera etkisinin olduğu üsten kapalı tasarımlarda ısı kayıplarının azaltılmasında kullanılabilir. Ülkemizde, 70 li yıllardan günümüze kadar biyogaz tesislerini incelediğimizde örnek olarak Çin tipi diyebileceğimiz basit ve tropikal bölgelerde çalışabilecek, gübre olgunlaştırma amaçlı ve biyogaz üretim verimi düşük tesisler olduğunu görmekteyiz (Alibaş, 2004). Türkiye nin konumu düşünüldüğünde, yaz aylarının sıcak ve basit yapıdaki bu reaktörlerdeki reaksiyon için kısmen uygun olduğunu, fakat tüm yıl ve profesyonel anlamdaki tesisler düşünüldüğünde ise böyle tesislerin çalışmadığı ve boş beton yığını olarak kaldıkları gözlenmektedir (Ulusoy ve ark., 2006). Profesyonel anlamda ekonomik bir tesisin yapısı düşünüldüğünde; Türkiye nin şartlarına en uygun biyogaz tesisinin Almanya ve Danimarka daki gibi Avrupa Birliği normalarına uygun olarak kurulan ve çalıştırılan tesislerin olduğu görülmektedir. Yukarıda da açıklandığı gibi bir biyogaz tesisisinde kullanılabilecek hammaddeler ve bunlardan üretilebilecek biyogaz miktarları ve metan oranları Şekil 4 te verilmiştir. Almanya şartlarında ekonomik ve verimli olarak çalışabilen ve bu ülkeye göre küçük, Türkiye şartlarına göre ise orta veya büyük ölçekli sayılabilecek bir tesisin boyut ve özellikleri incelendiğinde Çizelge 2 de verilen değerleri almak gerekmektedir (Karakuz, 2007). Çizelge 2. Almanya dan örnek bir tesisin özellikleri Parametre Özellik Tesis gücü (Jeneratör gücü) Dozajlama ünitesi Reaktör Kapasitesi (2x2700 m 3 ) Reaksiyon süresi 500 kw 150 m m 3 40 Gün Hammadde Mısır silajı ve hayvan gübresi Mısır slajının özellikleri Kuru madde oranı Organik kuru madde oranı % 23 % 80 Yarı katı hayvan gübresinin özellikleri Kuru madde oranı Organik kuru madde oranı Toplam hammadde Kuru madde oranı Biyogaz üretimi Metan oranı (CH 4 ) Elektrik üretimi (net) Isı üretimi (net) % 8 % ton/yıl % 11 2 Milyon m 3 /yıl %55 ~ 3.65 milyon kwh/yıl ~ 2.93 milyon kwh/yıl Örnek Bir Biyogazın Tesisinde Üretimin Değerlendirilmesi Avrupa normlarına uygun ve Türkiye de işletilebilecek bir biyogaz tesisinin Bursa ili Karacabey ilçesi sınırları içerisinde yapılabilirliği için eldeki veriler değerlendirilmiştir (Çizelge 3). Burada, atık materyaller 113

6 Biyogaz üretimi (m3/ton) Metan içeriği (%) Mısır silajı %52 %54 %52 %55 Ot silajı Çavdar silajı (tüm bitki) Sudan otu Hayvan pancarı Tatlı sorgum Şeker pancarı %51 %54 %53 %54 Tavuk gübresi Pancar yaprakları Posa %72 Domuz gübresi Sığır gübresi Sulu sığır gübresi Şekil 4. Çeşitli hammaddelerin biyogaz verimleri ve metan içerikleri Çizelgede görüldüğü gibi, beş farklı kaynaktan elde edilebilecek toplam 104 bin ton tarımsal ve hayvansal atıktan ortalama 6.76 milyon m 3 biyogaz ve bundan da milyon kwh elektrik ve milyon kwh ısı üretimi gerçekleştirebilecek bir potansiyel elde edilebilmektedir. SONUÇ Ülkelerin artan nüfus ve gelişen teknolojilerine bağlı olarak enerjiye olan ihtiyaçları her geçen gün artmaktadır. Gelecekte görülecek çevresel problemler sadece tabii kaynakların tükenmesinden değil, aynı zamanda bu kaynakların nasıl tüketildiği ile de ilgilidir. Fosil enerji kaynaklarının tükeneceği gerçeği, yenilebilir enerji kaynaklarının artan önemini vurgulamaktadır. Türkiye nin elektrik üretiminin yaklaşık %30 u fosil kaynaklara, % 48 i ise dışa bağımlı olan doğalgazdan üretildiği unutulmamalıdır. Türkiye de tarımsal ve endüstriyel organik atıklar halâ yeterince değerlendirilememekte ve bunun yanı sıra Çizelge 3.Mısır silajı, domates, bezelye ve yeşil atıklar ile süt sığırı gübresinden elde edilebilecek biyogaz üretimi ve bundan üretilebilecek elektrik-ısı miktarları Materyal Posa Biyogaz üretim Biyogaz Elektrik üretimi Isı üretimi miktarı miktarı üretimi x1.75 x1.68 (t) (m 3 /ton) (m 3 ) (kwh) (kwh) Mısır slajı Domates atığı Bezelye atığı Yeşil atıklar Sığır gübresi (2000) Toplam

7 tarımsal alanlar ve tarımsal üretim arttırılamamakta ve üretilen ürünlerin pazar sorunları vardır. Tarımsal, hayvansal ve endüstriyel atıklardan biyogaz üretilmesi ekonomiye katkı sağlamasının yanı sıra hem çevre kirliliğinin azaltılmasını hem de çevre dostu enerji üretimini sağlayacaktır. Ayrıca süreç sonucu elde edilen gübre, kimyasal gübre ihtiyacının azaltılması açısından da önemlidir. Biyogaz üretimi ile atıklar kontrollü ve uygun koşullarda depolanacaktır. Sonuçta bütün bu çevresel sorunların çözümüne de katkıda bulunacaktır. LİTERATÜR LİSTESİ Akinbami J.F.K., M.O. Ilori, T.O. Oyebisi, I.O. Akinwumi and O. Adeoti, Biogas Energy Use in Nigeria: Current Status, Future Prospects and Policy İmplications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5: Alibaş, K Biyogaz Üretimi ve Sistemleri. Biyoenerji, Biyolojik Olarak Yenilenebilir Enerji Kaynakları Senpozyumu Ekim 2004 Ege Üniversitesi Bildiri Kitabı Üniversiteliler Ofset Bornova-İzmir, s Anonim, Türkiye'de Domates Salçası Üretimi. Filehttp://www1.gantep.edu.tr/~dalgic/biogas.htm=Articl e&sid=2550. Anonim, Yılı Bursa İli Tarım Faliyetleri Raporu. Bursa İl Tarım Müdürlüğü. Anonim, Türkiye'de Salça Üretimi. Gidasanayii.com/Modules.Php?Name=News&File=Article &Sid= Anonim, Türkiye Tarım İstatistikleri, Gov.Tr/Veribilgi.Do, Dalgıç, A. Ç Biyogaz Uygulamaları. gantep.edu.tr/~dalgic/biogas.htm FNR, Biogas an introduction. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR), Agency for Renewable Resources e.v. (FNR), FNR Bioenergy Consulting Service, Hofplatz , Germany, Gülen J. ve H. Arslan, Biyogaz. Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Sigma, 4, Karakuz, S Enerji Krizleri Açısından Biyogaz. Biyoyakıt Dünyası, Nisan 2007/09, Sayı: 4, Issn: , s Plöchl M. and M. Heiermann, Biogas Farming in Central and Northern Europe: A Strategy for Developing Countries?. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Invited Overview No. 8. Vol. VIII. March. Sözer S., O. Yaldız, Sığır Gübresi Ve Peynir Altı Suyu Karışımlarından Biyogaz Üretimi Üzerine Bir Araştırma, Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 19(2): , Antalya. Ulusoy, Y., H. Ünal ve K. Alibaş, Biyogaz Üretim Prosesi. Biyoyakıt Dünyası, Ağustos 2006/08 Sayı:1, ISSN: , s Ulusoy, Y İsveç ten Biyogaz Üretim Prosesi ve Kalmar dan Örnek Bir Tesis. Biyoyakıt Dünyası, 2006/9 Sayı: /2, ISSN: , s.60-63, Ankara Yaldız, O Biyogaz Teknolojisi ve Türkiye Açısından İrdelenmesi, Biyoyakıt Dünyası, Nisan 2007/09, Issn: , s. 8-14, Ankara. 115