ÇD05 BİYODİZEL ÜRETİM VE KULLANIMI- (LİTERATÜR ÖZETİ)

Transkript

1 ÇD05 BİYODİZEL ÜRETİM VE KULLANIMI- (LİTERATÜR ÖZETİ) Kadim Ceylan Kimya Mühendisliği Bölümü, İnönü Üniversitesi, 44069, Malatya ÖZET Petrole dayalı enerji kullanımından kaynaklanan risklerin son yıllarda önemli ölçüde artması nedeniyle alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi yolunda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Biyokütle, biyobenzin (ethanol) ve biyodizel en önemli alternatif enerji kaynaklarından olup yenilenebilir, geri dönüşümlü, çevreyi kirletmeyen enerji kaynaklarıdır. Günümüzde özellikle biyodizel üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Biyodizel, bitkisel veya hayvansal yağların bir katalizör eşliğinde kısa zincirli primer veya sekonder bir alkol ile reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve gerek içten yanmalı motorlarda gerekse kazanlarda yakıt olarak kullanılanılabilen bir üründür. Güncel literatürde verilen çalışmalarda biyodizel üretiminde kullanılan hammaddeler, bunların üretim için hazırlanması, proses şartları, ham ürün saflaştırılması gibi temel üretim basamaklarında büyük bir çeşitlilik vardır. Burada sunulan bu çalışmada, biyodizel üretiminde kullanılan hammaddeler, üretim yöntemleri, verim, ürün özellikleri ve kalitesini etkiyen parametreler hakkında özet bir bilgi sunulmuştur. (Anahtar Kelimeler: biyokütle, biyodizel, üretim, çevre, emisyon) 1. GİRİŞ İnsanoğlu enerji ihtiyacının karşılanmasında öncelikle odun ve diğer organik atıkları kullanmıştır. Zamanla enerji ihtiyacı arttıkça kömür, petrol, hidroenerji, doğal gaz ve nükleer enerjiyi de kullanmaya başlamıştır yılı kayıtlarına göre dünya enerji kullanımının %39 petrol, %23 ü kömür, %22 doğal gaz, %7 hidroelektrik %7 nükleer enerji kaynaklıdır yılı için de bu oranlar yaklaşık aynı kalmıştır. [1-3]. Buna göre günümüzde dünya enerji ihtiyacının %80 den fazlası fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Ancak fosil yakıtların da miktarları sınırlıdır ve ayrıca kullanımı dolayısıyla hem çevreyi hem de atmosferi temizlenemez bir şekilde kirletmektedirler lı yıllarda Nükleer enerji temiz ve temel bir çözüm olarak kabul edilmiş ancak kısa bir süre sonra nükleer atıkların da önemli bir çevre sorunu kaynağı olduğu görülmüştür [4-5]. Bununla birlikte dünyada nükleer enerji santrallarının kurulmasında büyük hız ve önem verilmiştir yılı verilerine göre dünyada 33 ülkede lisans almış 439 nükleer enerji santralının bulunduğu ifade edilmektedir. Bu santraların kapasitesi 350GW civarında olup toplam enerji üretiminin yaklaşık %10 kadarlık bir bölümünü temsil etmektedir [2, 5, 6]. Enerji ihtiyacının karşılanmasında yenilenebilir enerjilerin payı (biyokütle ve hidroelektrik hariç) %1 civarındadır. Günümüzde hızla artan enerji ihtiyacının karşılanmasında yenilenebilir enerjiler içerisinde hidroenerjinin yani su enerjisinin önemli bir yeri vardır. Yapılan değerlendirmelere göre gerek dünyada gerekse ülkemizde hidroelektrik enerjisi potansiyelinin ancak yarıdan daha az bir kısmı kullanılmaktadır [5, 7]. Diğer çok önemli bir enerji kaynağı biyokütle olup yenilenebilir enerji kaynakları içinde oldukça büyük bir teknik potansiyele sahiptir. Biyokütle, biyolojik yöntemler, termal yöntemler veya kimyasal yöntemler kullanılarak biyoyakıtlara dönüştürülebilmekte katı, sıvı veya gaz halinde kullanılabilir [8, 9]. Biyokütle enerjisi kullanımı büyük ölçüde yerel durum arzettiğinden kesin ticari kayıtları bulunmamaktadır. Bununla birlikte dünya enerji ihtiyacının karşılanmasında yaklaşık %14 gibi yüksek bir paya sahip olduğu değerlendirilmektedir [6-

2 2 12]. Hem enerji temininindeki güvencenin artırılması ve hızla artan enerji ihtiyacının karşılanması, hem de çevrenin korunması çok önemli bir sorun olarak önümüzdedir. Bu sorunun çözümü için yapılması gerekenler iki temel basamak halinde özetlenebilir. Çözüm basamaklarından birincisi, mevcut enerji kullanımında tasarrufa ve enerji verimliliğine gerekli önemi vermektir [5]. İkincisi ise yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji üretime katkısını artırmaktır. Avrupa Birliği ülkelerinin ortak politikası olarak 2005 yılından itibaren %2 den başlayarak her yıl artan oranlarda petrodizele biyodizel katılması zorunlu hale getirilmiştir. Yıllara göre bazı Avrupa ülkelerindeki biyodizel üretimi Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Bazı Avrupa ülkelerindeki biyodizel üretimi (ton) [1]. Ülke x Almanya Fransa İtalya Avusturya İngiltere x: tahmin değerler ABD de 2004 yılında 25 milyon galon biyodizel satılmışken, 2005 yılında 75 milyon galon satılmıştır [13] yılı verilerine göre Türkiye'de biyodizel üretimi 400 bin ton civarında olup bu değer yıldan yıla artmaktadır. Dünyada toplam biyodizel üretiminin değişimi Şekil 1. de temsil edilmiştir [8]. Bu çalışmada, biyodizel üretiminde kullanılan hammaddeler, üretim yöntemleri, verim, ürün özellikleri ve kalitesini etkiyen parametreler hakkında özet bir bilgi sunulmuştur Ton Yıllar Şekil 1. Dünya toplam biyodizel üretimi [8]. 2. BİYODİZEL ve ÖZELLİKLERİ Biyodizel, bitkisel veya hayvansal yağların kısa zincirli bir alkol ile reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve yakıt olarak kullanılan bir üründür [13-17]. Yeşil Dizel olarak da isimlendirilmektedir. Günümüzde üretim ve kullanımı test edilip onaylanmıştır. Biyodizel petrodizel ile karıştırılarak kullanılabildiği gibi tek başına da yakıt olarak kullanılabilir, performansı 2 Nolu dizele yaklaşık eşdeğerdir. Bulutlanma noktası (CP) ve akma noktasının (PP) nisbeten yüksek olması soğukta kullanımını sınırlamaktadır. Bu dezavantajı gidermek için biyodizel üretiminde metil alkol yerine dallanmış kısa zincirli alkollerin, özellikle 2

3 3 izopropil alkolün, kullanılması önerilmektedir [14]. Biyodizelin bir üstünlüğü de yağlayıcı özelliğindedir ve katkı gerektirmez. Biyodizel için birçok avantaj sayılabilir. En önemli avantajı, dışa bağımlı olmadan üretebilecek bir yakıt olması ve yabancı kaynaklı petrole bağımlılığı azaltmasıdır. Petrol dizeli ile de her oranda karıştırılarak da kullanılabilir. Bu özellik petrol kaynaklı dizelin bazı özellikler yönünden kalitesini yükseltir, dolaysıyla motorun ömrünü uzatır [8, 18-20]. Bu özellikler dışında tarımsal yönden, çevre ve sağlık açısından sağladığı faydalar nedeniyle birçok üstünlükleri vardır [1, 17]. Biyodizelin en önemli dezavantaji ise şimdilik üretim maliyetinin petrol dizelinden yüksek olmasıdır. Ayrıca depolama süresi daha kısadır, oksitlenebilir ve düşük sıcaklıklarda akıcılığı azalır. NOx emisyonu petrodizelden daha fazladır [6, 8]. Bazı eski araçlardaki hortum, conta vb parçaların yapımında kullanılan doğal kauçuklar, butil polimerleri ve bazı elastomerler biodizel ile parçalanabildiğinden bu araçlarda biyodizel kullanımı uygun değildir. Birçok firma yeni model üretilen araçlarında biyodizel kullanılabilirliğini garanti etmektedirler [8, 13]. 3. BİYODİZEL ÜRETİM YÖNTEMLERİ 3.1. Biyodizel Üretiminde Kullanılan Hammaddeler Her türlü yağlı tohumdan elde edilen bitkisel yağlar (soya yağı, pamuk yağı, kanola yağı, aspir, palm yağı, ayçiçek yağı, atık veya kullanılmış yemeklik yağlar vb ), hayvansal yağlar (mezbaha yağları, balık yağı, tavuk yağı gibi) ve lipit içeriği bakımından zengin algler kullanılabilir [11, 12, 21-25]. Buna ilaveten mikrobial yağlar da biyodizel üretimi için bir potansiyel olarak görülmektedir [26]. Biyodizelin bileşimi ve özellikleri üretimde kullanılan hammaddelere bağlı olarak kısmen değişir. Biyodizel üretiminde kullanılan çeşitli yağların ortalama yapısal bileşimi Çizelge 2 da verilmiştir. Çizelge 2. Biyodizel üretiminde kullanılan bazı yağların ortalama yapısal bileşimi [13]. Bileşen Kanola Ayçiçeği Mısır Zeytın Soya 3 Fıstık Pamuk Domuz yağı Sığır yağı Doymuş yağlar Tek çiftbağlı yağ Çok çiftbağlı yağ Palm Hindista n Cevizi Yağların doymuşluk oranı biyodizelin düşük sıcaklık özelliklerini (CP ve PP), doymamışlık oranı ise oksitlenmeye dayanım özelliklerini etkilemektedir. Son geliştirilen standartlar bazı bitkisel yağların tek başlarına biyodizel üretiminde kullanılmasını zorlaştırmaktadır Biyodizel üretiminde uygulanan yöntemler Günümüzde biyodizel üretiminde uygulanan yöntemler esas olarak 4 grupta incelenebilir [16, 27]. Bunlar; bitkisel yağın petrol dizeli ile karıştırma yöntemi, mikro emülsiyon yöntemi, termal kraking yöntemi, transesterifikasyon ve interesterifikasyon yöntemleridir. Bu yöntemlerin uygulanmasında proses şartları bakımından oldukça farklılıklar da vardır [16, 23, 27]. Doğrudan kullanım veya petrol dizeli ile karıştırma ve mikroemülsiyon yöntemleri hem yeterli görülmemiş hem de fazla pratik bulunmamıştır [1]. Termal kraking veya piroliz yönteminde ise bitkisel veya hayvansal yağlar SiO 2 /Al 2 O 3 katalizör üzerinde 450 o C de termal

4 4 parçalanmaya uğratılarak biyodizel ve biyogaz üretilmektedir. Elde edilen biyodizel başlıca doymuş, doymamış, ve aromatik yapılı hidrokarbonlar ile karboksilik asitler karışımıdır. Transesterifikasyon yönteminde bitkisel veya hayvansal yağların küçük primer veya sekonder monohidrik alkoller ile alkali, asidik veya enzimatik katalizör ile ester ve gliserin oluşturmak üzere tepkimesidir. Ticari üretim amaçlı olarak günümüzde yaygın olarak uygulanan yöntem alkali katalizlenmiş transestrerifikasyon yöntemidir [28]. Alkali katalizörler olarak genellikle NaOH veya KOH; asit katalizör olarak H 2 SO 4 veya HCl; biyokatalizör olarak ise lipaz enzimleri kullanılmaktadır. Ayrıca çeşitli katalizörler de deneme safhasındadır [29-31]. Katalizör miktarı genel olarak %0.5-1 (w/w) civarındadır [15]. Reaksiyon tamamlandıktan sonra iki ana ürün gliserin ve biyodizeldir. Transesterifikasyon tepkimesi Şekil-2 de, şematik olarak temsil edilmiştir. CH 2 OOC R R 1 1 COOCH 3 CH OH (katalizör) 2 CH OOC R 2 + 3CH OH R COOCH CH OH 3 2 CH OOC R 2 3 R COOCH 3 3 CH OH 2 Trigliserit Metanol Yağ esterleri karışımı Gliserin Şekil 2. Transesterifikasyon tepkimesi. Transesterifikasyon tepkimesi laboratuarlarda super kritik şartlarda ve in situ şartlarda da denenmiştir. İnteresterifikayonda ise alkol yerine metil esterleri kullanılarak ester değişimi yapılmaktadır. Özellikle enzimatik tepkimelerde metanol enzimatik aktiviteyi yavaşlattığından metil alkol yerine metil asetat kullanılmaktadır [29, 31]. Üretim de basit yöntem (manüel), kesikli yöntem, sürekli yöntem veya yüksek basınçlı yöntemler kullanılabilir. Ticari biyodizel üretiminde genelde sürekli yöntem kullanılmaktadır. Gerek ham biyodizel ve gerekse ham gliserin çeşitli işlemlerden geçirilerek saflaştırılır, fazla alkol de geri kazanılır. Geri kazanılan alkol içerisinde su bulunmamalıdır. Son ürün biyodizel depoya gönderilmeden önce ilgili standartların gerektirdiği spesifikasyonları sağlamalıdır [18, 32]. Biyodizel uzun depolama süresinde oksidasyona uğrar, metal iyonları, hava ve ışık da bunu katalizler [14, 33]. Transesterleşme tepkimesinde ürün dönüşümünü etkileyen temel proses parametreleri, reaktiflerin saflık derecesi, sıcaklık, alkol/yağ oranı, katalizör, karıştırma şiddeti ve zamandır. Hammadde yani reaktifler belirli özellikleri sağlamalıdır, aksi, takdirde verim düşer. Öncelikle hem yağın, hem de alkolün çok kuru olması ve yağın serbest yağ asidi içermemesi gerekmektedir [28]. Sıcaklık olarak genellikle metanolun kaynama sıcaklığına yakın (60 o C- 70 o C) seçilir. Bazı sistemlerde reaksiyon oda sıcaklığında yürütülür. Eğer yüksek basınç ve sıcaklıkta (9000 kpa ve 240 o C) yapılırsa hem transesterleşme hem de esterleşme birlikte cereyan eder, dolaylısıyla bu şekilde uzaklaştırma gerekmez, reaksiyon süresi de kısalır [16]. Teorik alkol/yağ oranı 3/1 olmakla beraber hayvansal veya bitkisel yağların kendi esterlerine tamamen dönüştürülmesini sağlamak için teorik miktarın yaklaşık iki katı alkol kullanılır [20]. 4. BİYODİZEL EKONOMİSİ Biyodizel bugünkü haliyle üretim maliyeti yüksek olan bir yakıttır [17, 21, 34]. Yan ürünlerin satış değerleri de dikkate alınarak biodizel ekonomisiyle ilgili yapılan incelemeler, bitkisel veya hayvansal yağlardan elde edilen biyodizel maliyetinin $/l civarında olduğunu göstermiştir. Atık yağı hammadde olarak kullanan işletmelerde üretim maliyeti 4

5 5 göreceli olarak daha düşüktür. Ekonomik analizler genel olarak biyodizel maliyetindeki en büyük payın bitki tohumuna ait olduğunu göstermektedir. [15, 17, 35-38]. Biyodizel üretim tesisinin kuruluş maliyeti, esasında üretim kapasitesine önemli ölçüde bağlıdır. Düşük yatırım miktarıyla küçük ölçekli tesisler yapmak mümkündür. Hatta kırsal kesimdekiler kendi dizel ihtiyaçlarını karşılayacak büyüklükte tesisler kurabilir. Birçok ülke, özellikle gelişmiş ülkeler, enerji politikaları gereği yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım paylarını artırma çabasındadırlar. Bu nedenle teşvik ve destek programları yasalarla belirlenmiştir [19]. Ülkemizde biyodizel üretim ve kullanımıyla ilgi hususlar esas olarak 5015 sayılı Petrol Piyasası yasası ile düzenlenmiştir. Hükümet politikalarına bağlı olarak ÖTV ve KDV değerleri değişmekle beraber genellikle düşük tutulmaktadır. 5. SONUÇ Büyük ölçüde belirli bir tek enerji kaynağı türüne bağımlı olmak bir ülke açısından son derece riskli ve tehlikelidir. Bu nedenle, mutlaka yeni enerji kaynaklarının bulunup geliştirilmelidir. Aslında petrol eşsiz bir enerji kaynağı olup tam olarak yerine geçebilecek bir enerji kaynağı yoktur. Biyodizel, petrole en yakın enerji kaynağı olup diğer yenilenebilir enerji kaynakları petrole alternatif olarak görülmemektedir. Petrol bitince ne yaparız sorusunun en uygun cevabı biyodizel olarak görülmektedir. Biyodizelin çeşitli teknik ve ekonomik yönleri hakkında, özellikle katalizör geliştirme, düşük sıcaklık özelliklerinin iyileştirilmesi, oksidatif kararlılığı artırıcı bileşenler geliştirilmesi, transesterleşme kinetiği ve mekanizması proses geliştirme, mikroalgal kültürü ve geliştirilmesi gibi konularda ileri ve spesifik araştırmalar devam etmektedir. Üretim ve kullanımı yasalarla da teşvik edilmektedir. Biyodizel sadece bilim ve mühendislik çevreleri açısından değil, tarım, çevre, ekonomik ve toplumsal politikalar açısından da çok önemlidir. Bu nedenle biyodizel üretim ve kullanımının en kısa zamanda yaygınlaştırılması temel enerji politikalarından olmalıdır. Biodizel üretimi sırasında elde edilen yan ürünlerin kullanım alanları geliştirilmelidir. Halen yurdumuzda üretilen bitkisel ve hayvansal yağlar tüketimi karşılayacak düzeyde değildir. Özellikle GAP bölgesinde kanola ekimine önem ve destek verilmesi önerilmektedir [39]. Ayrıca, lipit içeriği yüksek mikroalglerden ve organik atık sularından mikro organizmalarla biyodizel hammaddesi lipitlerin veya yağların buradan da biyodizelin üretimi mümkün görülmektedir [26]. Bu konularda detaylı çalışmalara ihtiyaç vardır. Türkiye nin elektrik üretim stratejisinde birinci öncelik hidroelektrik gücünün artırılması olarak düşünülmektedir. Aynı şekilde biyodizel üretimine çok önem verilmelidir. Ancak, nükleer enerji konusunda da daha fazla gecikmeden yatırım yapılmalıdır. 6. KAYNAKLAR [1]. Bozbaş, K., Biodiesel as an alternative motor fuel: Production and policies in the European Union, Renw. and Sustain. Energy Reviews, xx, xxx-xxx [2]. International Energy Agency, Renewables in Global Energy Supply, World Total Primary Energy Supply, (2004), [3]. California Energy Commission (CEC) Energy Technology Status Report, (Erişim tarihi: Haziran 2006) [4]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [5]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [6]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [7]. American Wind Energy Association (AWEA), (Erişim tarihi: Haziran 2006) [8]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) 5

6 6 [9]. Özçimen, D., Karaosmanoglu, F., Production and characterization of bio-oil and biochar from rapeseed cake, Renewable Energy, 29, [10]. Karaosmanoglu, F, "Biobriquetting of Rapeseed, Energy Sources, 22, [11]. Kim, S., Dale, B.E., Life cycle assessment of various cropping systems utilized for producing biofuels, Biomass and Bioenergy, 29, [12]. Tsai, W-T., Lin, C-C., Yeh C-W., 2005, An analysis of biodiesel fuel from waste, edible oil in Taiwan, Renw. and Sustain. Energy Reviews, xx, xxx-xxx [13]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [14]. Knothe, G., Dependence of biodiesel fuel properties on the structure of fatty acid alkyl esters, Fuel Processing Technology, 86, [15]. Barnwal, B.K., Sharma, M.P Prospects of biodiesel production from vegetable oils in India, Renw. and Sustain. Energy Reviews, 9, [16]. Ma, F., Hanna, M. A., Biodiesel production: a review, Bioresource Technology, 70, [17]. Cohen, M., Mazzola, F. M., 2004 A reason to be optimistic about biodiesel:seed meal as a valuable soil amendment, TRENDS in Biotechnology, 22(5), [18]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [19]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) [20]. Gerpen, J. V., Biodiesel processing and production, Fuel Processing Technology, 86, [21]. Haas, J. M, Improving the economics of biodiesel production through the use of low value lipids as feedstocks, Fuel Processing Technology, 86, [22]. Salis, A., Pinna, M., Monduzzi, M., Biodiesel production from triolein and short chain alcohols through biocatalysis, Journal of Biotechnology, 119, [23]. Miao, X., Wu, Q Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil, Bioresource Technology, 97, [24]. Ghadge, S.V., Raheman, H., Biodiesel production from mahua (Madhuca indica) oil having high free fatty acids, Bioresource Technology, 97, [25]. Noureddini, H., Gao, X., Philkana, R.S., Immobilized Pseudomonas cepacia lipase for biodiesel fuel production, Bioresource Technology, 96, [26]. Xue, F., Zhang, X., Luo, H., Tan, T., A new method for preparing raw material for biodiesel production, Process Biochemistry, 41, [27]. Karaosmanoglu, F., Vegetable Oil Fuels, Energy Sources, 21, [28]. Zullaikah, S., Lai, C-C., Vali, S.R., Ju, Y-H., A two-step acid-catalyzed process for the production, Bioresource Technology, 96, [29]. Du, W., Xu, Y., Liu, D., Zeng, J., Comparative study on lipase-catalyzed transformation of soybean oil, J. Molecular Catal. B: Enzymatic, 30, [30]. Bournay, L., Casanave, D., Delfort, B., Hillion, G., Chodorge, J.A., New heterogeneous process for biodiesel production, Catalysis Today, 106, [31]. Du, W., Xu, Y-Y., Liu, D-H, Study on acyl migration in immobilized lipozyme, J. Molecular Catal. B: Enzymatic, 37, [32]. Canakci, M., The potential of restaurant waste lipids as biodiesel feedstocks, Bioresource Technology, 98, [33]. Leung, D.Y.C., Koo, B.C.P., Guo Y., Degradation of biodiesel under different storage conditions, Bioresource Technology, 97, [34]. Wassell, C.S., Dittmer, T.P., Are subsidies for biodiesel economically efficient?, Energy Policy, xx, xxx-xxx [35]. Demirbaş, A., Biodiesel production via non-catalytic SCF method, Energy Conversion and Management, 47,

7 7 [36]. Doradoa, M.P., Cruza, F., Palomara, J.M., Lopez, F.J., An approach to the economics of two vegetableoil-based biofuels, Renewable Energy, [37]. Ryan, L., Convery, F., Ferreira, S., Stimulating the use of biofuels in the European Union, Energy Policy, 34(17), [38]. Bender, M., Economic feasibility review for community-scale farmer cooperatives for biodiesel, Bioresource Technology, 70, [39]. (Erişim tarihi: Haziran 2006) 7