Biyodizelin Dizel Santrallerde Kullanım Analizi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Biyodizelin Santrallerde Kullanım Analizi İ. Işıklı 1,*, E. Açıkkalp 1, H. Yamık 1, M. Kurban 1 1 Bilecik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilecik/Türkiye, * idil.isikli@bilecik.edu.tr Analysis of Biodiesel Usage in Diesel Power Plants Abstract In recent years, the studies on alternative energy sources have gained importance. In parallel with the world, studies of alternative energy sources picked up speed in our country. Biodiesel comes at the top of this alternative energy sources. Biodiesel, commonly referred to methyl esters of vegetable oil, is a carbon benign alternative to fossil diesel that is manufactured from vegetable oils (typically soybean, rapeseed, and sunflower) recycled cooking oils, or animal fats released as a result of short-chain reaction of alcohol with a catalyst. Biodiesel, as well as being an alternative fuel to fossil fuels holding face extinction today, is more sensitive to the environment because it is a low-emission fuel. But besides, direct use of vegetable oils as fuel encountered negativity due to their high viscosity. In this study, biodiesel fuels and diesel power plants are shortly introduced, and then two different types of biodiesel fuel are analyzed in the use of diesel power plants, and are compared with diesel fuel in terms of their emissions and efficiency. Emission and efficiency results are given in tables. Keywords Biodiesel, Diesel Fuel, Diesel Engine, Energy Analysis, Efficiency. I. GİRİŞ Son yıllarda enerji üzerine yapılan çalışmaların sayısı giderek artmaktadır. Özellikle, günümüzde fosil yakıtların tükenme tehlikesinden ve çevreye olan zararlarından dolayı, alternatif enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmalar önem ve büyük bir ivme kazanmıştır. Ülkemizde de alternatif enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmaların sayısında önemli bir artış görülmektedir. Biyodizel, fosil yakıtlara alternatif olarak ele alınan yakıtların başında gelmektedir. Biyodizel, hayvansal veya bitkisel yağlar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilebilen, toksin olmayan, doğada kolay bozunabilen çevreci bir yakıttır ve geleneksel dizel motorlarda bazı modifikasyonlarla veya modifikasyona gerek kalmadan kullanılabilmektedir [1]. Literatürde dizel motorlarda biyodizelin kullanımı ile ilgili birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda kısa süreli motor testlerinde olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Uzun süreli motor testlerinde ise biyodizel yakıtın atomizasyonunun kötüleşmesine, eksik yanmaya, enjektörlerin tıkanmasına, segmanlarda karbon birikintisine, yağlama yağının bozulmasına, enjektör ucunda karbonizasyona, segman yapışmasına, soğukta ilk hareket zorluğuna, alev sönmesine, tutuşma gecikmesine ve gom oluşmasına yol açtığı görülmüştür [2]. Bu çalışmada, biyodizel yakıtın kullanım analizi yapılarak literatürden elde edilen emisyon değerleri, yakıt ve hava kütlesi kullanılarak dizel ve soya yağı katkılı metil ester ile genetiği değiştirilmiş yüksek oleikli soya yağlı metil esterin dizel santrallerde kullanımının emisyon ve verimlilik açısından karşılaştırılması amaçlanmıştır II. BİYODİZEL YAKITI Biyodizel, ayçiçek, soya, kolza (kanola) ve aspir gibi yağlı tohum bitkilerinden elde edilen yağların veya hayvansal yağların bir katalizör eşliğinde kısa zincirli bir alkol ile reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve yakıt olarak kullanılan bir üründür. Evsel kızartma yağları ve hayvansal yağlar da biyodizel hammaddesi olarak kullanılabilir [3,4]. Biyodizel üretiminde atık yağların değerlendirilmesi, hem yağların geri kazanılması hem de daha düşük emisyonlu dizel yakıt üretilmiş olması bakımından çevre sağlığına katkıda bulunmaktadır [5]. Atık bitkisel ve hayvansal yağların biyodizel hammaddesi olarak kullanılabilmesi, üretim maliyetini düşüren bir etkendir [1]. Biyodizel üretiminde kullanılacak ham yağın, rafinasyon, koku ve renk alma aşamalarından geçmesine gerek olmaması, üretim maliyetini düşüren bir başka etkendir [5]. Bitkisel yağların dizel motor yakıtı olarak ilk kez bu motorun yaratıcısı Rudolph Diesel tarafından 1900 lerde kullanıldığı bilinmektedir. Diesel, motoru, kömür tozu dahil çeşitli yakıtların kullanımına yönelik olarak tasarlamıştır. Motorun sunumu 1900 deki Dünya Fuarı'nda, yakıt olarak yerfıstığı yağı (Biyodizel) kullanılarak yapılmıştır. Ancak, petrol kökenli dizel yakıtının uzun yıllar boyunca ucuz ve bol miktarda bulunması, motorun bu yakıt ile uyum sağlayacak biçimde geliştirilmesine neden olmuştur. Zaman zaman ortaya çıkan petrol dar boğazları sırasında bitkisel yağların yakıt olarak kullanımı gündeme gelmişse de konuya ilişkin bilimsel çalışmalar 1970 lerdeki petrol krizi ile birlikte artmıştır [3]. A. Biyodizel Standartları Biyodizel, saf biyodizel ya da dizel-biyodizel karışımı şeklinde kullanılabilir [6]: B 5 : % 5 Biyodizel + % 95 Motorin B20 : % 20 Biyodizel + % 80 Motorin B50 : % 50 Biyodizel + % 50 Motorin B100 : % 100 Biyodizel B. Biyodizel Üretimi Yüksek viskozite, bitkisel yağların doğrudan yakıt olarak kullanılmasında olumsuzluklara neden olmaktadır [7]. Bu sebeple bitkisel yağlardan biyodizel elde edilmesi konusundaki çalışmaların büyük bir çoğunluğunu, yüksek viskozitenin azaltılması oluşturmaktadır [8]. Bitkisel yağların viskozitelerinin azaltılması, ısıl yöntem ve kimyasal yöntem ile sağlanabilir [1]. Kimyasal yöntem, seyreltme, mikroemülsiyon oluşturma, piroliz (ayrıştırma) ve transestrifikasyon işlemlerini içermektedir. Bu yöntemlerden en çok kullanılanı transestrifikasyon 20

2 Biyodizelin Santrallerde Kullanım Analizi yöntemidir [1]. Transestrifikasyon, bir esterin başka bir estere dönüştürülmesi işlemidir [9]. C. Biyodizel Kullanımının Avantajları yakıta alternatif olarak kullanılan biyodizelin, dizel yakıta göre birçok avantajı bulunmaktadır. Bunların başında biyodizel yakıtın yenilenebilir olması gelmektedir. Diğer avantajlar ise şu şekilde sıralanabilir [1, 5, 6, 10, 11, 12]: Doğada kolayca bozunur. Çok kısa sürede doğada %99,6 ya varan oranlarda biyolojik olarak parçalanabilen bir yakıttır. Sülfürsüz olduğundan asit yağmurlarına neden olmaz. Egzoz emisyonlarını azaltır, parlama noktası daha yüksektir, yağlayıcılık özelliği ve setan sayısı bakımından daha üstündür. motor ve yakıt sistemlerinde hemen hemen hiçbir değişiklik yapmadan kullanılabilir. Olumsuz bir toksik etkisi bulunmamaktadır. Motorun ömrünü uzatır ve bakım ihtiyacını azaltır. Motor daha az vuruntulu çalışmaktadır. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğu için petrol ambargo ve kriz risklerini azaltarak dışa bağımlılığın azalmasına sebep olur. D. Biyodizel Kullanımının Dezavantajları Biyodizel kullanımının bazı dezavantajları da şunlardır [1, 2, 5, 10, 11, 12, 13]: Maksimum %5 lik bir verim kaybına neden olurlar. Ancak aşırı yük gibi özel durumlarda belirlenebilmektedir. Biyodizelin soğuk akış özellikleri dizel yakıtlarına oranla daha kötüdür ve soğuk havalarda ilk çalıştırma esnasında sorunlara neden olabilir. Kış aylarında yakıt filtresinin ve yakıt hattı borularının tıkanmasına sebep olabilir. Havayla temas eden biyodizel, özellikle yüksek sıcaklıklarda hızla oksitlenmeye başlar, bitkisel yağların oksidatif ve ısıl polimerizasyonu enjektör üzerinde yakıt birikmesine yol açarak yanmayı kötüleştirir. Yüksek viskozite, enjektörlerin tıkanmasına, segmanlarda karbon birikintisine, yağlama yağının bozulmasına, enjeksiyon sırasında atomizasyonun bozulmasına ve yanmanın kötüleşmesine neden olur. Parlama noktasının yüksek oluşu depolama güvenliği sağlarken yanma odasında daha fazla birikintiye, enjektör ucunda karbonizasyona ve segman yapışmasına yol açar. Yüksek akma ve donma noktaları bitkisel yağların direk olarak kullanımında sorun teşkil etmektedir. III. DİZEL SANTRALLER santraller, dizel motorların güç kaynağı olarak kullanıldığı elektrik enerjisi üretme santrallerdir [15]. yakıt motorda yanar ve bu yanma eyleminin ürünleri mekanik enerji üretmek için akışkan görevi alırlar [15]. motor da mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren alternatörü sürer [15]. jeneratör sistemleri küçük ve yüksek hızlı, büyük ve düşük hızlı ve çift darbeli motorlardan oluşur [16]. Şekil 1: Jeneratör [18] Büyük ve düşük hızlı dizel motorlar küçük ve yüksek hızlı motorlara göre daha verimli ve daha uzun işletme süresine sahiptirler.ayrıca bakım onarım periyotları daha uzundur. Büyük motorlar genellikle daha pahalıdır ve ürettiği enerji ile doğru orantılı olarak daha fazla yer kaplarlar [16]. motor içindeki yakıtın hava ile kendiliğinden yanması basınç ile meydana gelir ve dizel jeneratörlerde gaz türbinlerine göre daha yüksek bir basınç söz konusudur [16]. Bu nedenle dizel jeneratörlerin yakıtı elektrik enerjisine çevirme oranı (verimi) daha yüksektir [16]. Buna karşın dizel santrallerin yaklaşık %33 lük verimle çalışması, yakıttan elde edilen enerjinin 1/3 ünün elektrik enerjisine dönüştürülmesi, dezavantajlarındandır [15]. Ancak, egzoz gazlarının geri dönüştürülmesi ve bu yolla sıcaklığın arttırılması verimi %45 lere kadar çıkartabilir [16]. Sistemde kullanılan geri dönüştürücü birimlere eklenecek olan iyileştirici düzeneklerle verim %75 ler seviyesine çıkartılabilir [16]. IV. BİYODİZELİN DİZEL SANTRALLERDE KULLANILMASI motorlarında alternatif yakıt olarak bir çok bitkisel yağ kullanılmaktadır [7]. Biyodizel, saf biyodizel (%100) veya belirli oranlarda (%5, %20, %50) dizel-biyodizel karşımı şeklinde kullanılabilir [6]. Bitkisel yağların doğrudan dizel yakıtı olarak kullanımlarını olumsuz yönde etkileyen başlıca faktör yüksek viskoziteleridir [17]. Bitkisel yağların yüksek viskozitesi, püskürtme işlemini olumsuz etkileyeceğinden yakıtın atomizasyonu kötüleşecek ve hava ile bitkisel yağın düzgünce karışmaması eksik yanmaya yol açacaktır [2]. Tamamlanmayan yanma ise yanma odasında birikmelere, enjektörlerde koklaşma ve tıkanmalara, ayrıca yağlama yağına bulaşmaya ve yağlama yağında kalınlaşma ile jelleşmeye neden olmaktadır [17]. Biyodizel yakıtların parlama noktalarının yüksek olması, uçuculuk özelliğinin az olduğunu gösterir; bu ise yanma odasında daha fazla birikintiye, enjektör ucunda karbonizasyona ve segman yapışmasına yol açar [2]. Ayrıca, yüksek viskozite ve düşük uçuculuk özelliklerinden dolayı bitkisel yağların kullanımında soğukta ilk hareket zorluğu, alev sönmesi ve tutuşma gecikmesi gibi sorunlarla da karşılaşılmaktadır [2]. Bu nedenlerden dolayı bitkisel yağların yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir [1]. Bitkisel yağların yakıt özelliklerini iyileştirmek için geliştirilmiş çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar ön ısıtma, diğer yakıtlar ile karıştırma (seyreltme), esterleştirme ve ısıl parçalamadır (proliz). 21

3 İ. Işıklı, E. Açıkkalp, H. Yamık, M. Kurban motorlarda biyodizel yakıtların kullanımı, genel olarak performans değerlerinde önemli değisimler olmadan, emisyon değerleri açısından olumlu sonuçlar vermektedir [5]. Biyodizel yakıtların emisyonları ile ilgili olarak yapılan çalışmalar, biyodizel kullanımı ile genel olarak güç, moment, yakıt tüketimi gibi performans değerlerinde önemli değişimler oluşmadan, CO, duman, yanmamış hidrokarbon emisyonlarında önemli miktarlarda azalmalar olabileceğini, ancak bunun yanında, NO x ve CO 2 emisyonlarında ise bu azalmalara oranla daha küçük olsa da artış yönünde değişiklikler olabileceğini, O 2 emisyonunun artabileceğini ortaya koymaktadır [5]. Yapılan çalışmalarda biyodizel, dizel karışımının motor performansı, emisyon değerleri ve maliyet bakımından optimum oranın B20 olduğu görülmüştür [3]. V. UYGULAMA Bu bölümde, biyodizel yakıt olarak Soya Yağı Katkılı Metil Ester (SME) ve Genetiği Değiştirilmiş Yüksek Oleikli Soya Yağlı Metil Ester (HOME) alınarak dizel jeneratörlerde kullanılması durumunda emisyon ve verim açısından dizel yakıtla karşılaştırması yapılmaktadır. yakıt olarak kullanılmıştır. Ele alınan bu üç yakıtın bazı özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 2 de ise bu yakıtların motor testi sonuçlarının bir kısmı gösterilmektedir. Tablo 1: Yakıtların Bazı Özellikleri [14] Özellikler SME HOME Karbon (%) 86,66 77,00 77,00 Hidrojen (%) 12,98 12,18 12,20 Oksijen (%) - 10,82 10,80 C/H Oranı 6,676 6,322 6,322 Tipik Formül C1 4,01 H 25,00 C 18,74H 34, 51O 2 Alt Isıl Değer (kj/kg) Ortalama Molekül Ağırlığı Setan Numarası (ASTM D613) C 18,92 H 35,73 O ,14 291,73 295,25 42,2 50,4 51,5 Özgül Ağırlık 0,8559 0,8796 0,8750 Kinematik Vizkozite (40 0 C de: mm 2 /s) 2,8911 4,5926 4,87 Analiz No I II III Tablo 2: Motor Testinden Elde Edilen Veriler [14] Yakıtlar m fuel kg/s m air kg/s T ex K T cw K 0, , ,15 355,92 0, , ,77 355,92 0, , ,22 355,92 I SME 0, , ,11 355,92 II SME 0, , ,77 357,55 III SME 0, , ,33 355,92 I HOME 0, , ,55 356,33 II HOME 0, , ,88 355,92 III HOME 0, , ,33 355,92 Yakıtlar SME HOME Tablo 3: Emisyon Ölçümü Sonuçları [14] Emisyonlar Analizler (g/kwh) I II III O 2 289, , ,9159 CO 2 613, , ,7142 CO 1, , , NO x 7, , , HC 0, , , O 2 299, , ,1529 CO 2 623, , ,7134 CO 1, , , NO x 8, , , HC 0, , , O 2 297, , ,4398 CO 2 615, , ,6467 CO 1, , , NO x 8, , , HC 0, , , Tablo 3 ten, SME ve HOME yakıtları için her bir gazın her bir deneydeki emisyon sonucu alınıp Tablo 2 deki ilgili m fuel ve m air toplamına bölünüp, tüm sonuçların ortalaması alınarak birim emisyon değerleri hesaplanmıştır. Birim emisyon değerleri m fuel =0,203 kg/s ve m air =9,327 kg/s toplamı ile çarpılarak emisyon değerlerinin gösterildiği Tablo 4 oluşturuldu., SME ve HOME yakıtları için ayrı ayrı kütleleri ve Tablo 1 den alınan alt ısıl değerleri çarpılarak her birinin yakıt enerjisi akımı hesaplandı. No. 2 yakıtı için sabit motor gücü (Ẇ diesel=3945,74 kw ) altında verim hesaplanmıştır. Ƞ m = Ẇ m /Q (1) Ƞg = 0,96 (2) Ẇ g = Ƞg * Ẇ m (3) 22

4 Biyodizelin Santrallerde Kullanım Analizi Tablo 4: Hesaplanan Emisyon Değerleri Yakıtlar Emisyonlar Analizler (kg/kwh) O 2 40, CO 2 88, CO 0, NO x 1, HC 0, O 2 43, CO 2 89, SME CO 0, NO x 1, HC 0, O 2 43, CO 2 87, HOME CO 0, NO x 1, HC 0, Genel yük durumu altında dizel yakıt kullanılan motorun verimi sabit tutularak bu verimi karşılayacak şekilde SME ve HOME yakıtlarından ne kadar elektrik enerjisi üretilebileceği hesaplanarak Tablo 5 oluşturulmuştur. Tablo 5: Genel Yük Durumunda Hesaplanan Güç ve Verim Değerleri Yakıtlar Q (kw) Ƞ m (%) Ẇ m (kw) Ẇ g (kw) 8610, , ,9104 SME 7588, , ,1872 HOME 7652, , ,5168 Aşırı yük durumunda %5 lik bir verim kaybı varsayılarak SME ve HOME yakıtlarının kullanıldığı motorlar için elde edilen yeni sabit verim değeri ile ne kadar elektrik enerjisi üretildiği hesaplanarak Tablo 6 daki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 6: Aşırı Yük Durumunda Hesaplanan Güç ve Verim Değerleri Yakıtlar Q (kw) Ƞ m (%) Ẇ m (kw) Ẇ g (kw) 8610, , ,9104 SME 7588,749 43,7 3316, ,6288 HOME 7652,897 43,7 3344, ,5472 VI. SONUÇ Bu çalışmada, ele alınan iki farklı biyodizel yakıtın dizel santrallerde kullanımının emisyon ve verim açısından değerlendirilmesinde şu sonuçlar bulunmuştur: HOME yakıtları, emisyon analizlerinde dizel yakıta göre CO değerleri %15,03, CO 2 değerleri %0,45 ve HC değerleri %37,12 düşük ölçülmüştür. Emisyon çıktılarında sadece %7,55 oranında NO x değeri artışı görülmüştür. SME yakıtlarında ise dizel yakıta göre CO değerleri %1,14 ve HC değerleri %35,4 düşük ölçülmüştür. CO 2 değerlerinde %0,85 ve NO x değerlerinde %12,94 lük artış meydana gelmiştir. CO nun düşük olması, hava fazlalık katsayısı (HFK) nın dizel yakıtına göre yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. NO x emisyonlarının düşüklüğü ise SME ve HOME un düşük ısıl değerler ve kötü atomizasyon özellikleri ve yanma hızının dizel yakıtına göre düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Efektif verim, motordan alınan enerjinin, motorun o anda tükettiği yakıtın enerjisine oranıdır. yakıtla çalışan motorun verimi sabit tutulduğunda, SME yakıtının kullanıldığı santralde dizel yakıta göre elektrik enerjisi üretiminde %11,53 lük; aşırı yük durumunda %5 lik verim kaybı varsayıldığında ise %15,95 lik düşüş görülmektedir. HOME yakıtı kullanılan santralde ise genel yük durumunda %10,78, aşırı yük durumunda %15,24 daha az elektrik enerjisi üretilmektedir. Elde edilen biyodizel yakıtların fiziksel ve kimyasal özellikleri dizel yakıt özelliklerine yakın olması nedeni ile performans değerleri de dizel yakıta yakındır. Kirletici emisyon konsantrasyonları bakımından yağ esterlerinin emisyonları dizel yakıta göre daha düşük değerdedir. Bu nedenle, biyodizel, dizel yakıttan daha avantajlıdır ve çevre dostudur. KAYNAKLAR [1] E. Alptekin, M. Çanakçı, Biyodizel ve Türkiye deki Durumu, Mühendis ve Makine, Cilt:47, Sayı:561, s , [2] C. Haşimoğlu, Düşük Isı Kayıplı Bir Motorunda Biyodizel Kullanımının Performans Ve Emisyon Parametrelerine Etkisi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, [3] E. Dobrucalı, Biyodizelin Bir Gemi Motorunun Performansına Olan Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, [4] İnternet, [5] İ. Tillem, Motorlar İçin Alternatif Yakıt Olarak Biyodizel Üretimi ve Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Universitesi, [6] T. Ölçüm, Biyodizel Teknolojisi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, [7] Ş. Altun, M.A. Gür, Bitkisel Yağların Alternatif Yakıt Olarak Motorlarında Kullanılması, HR. Ü. Z. F. Dergisi, 2005, 9(3): [8] C. Haşimoğlu, Y. İçingür, İ. Özsert, Turbo Şarjlı Bir Motorda Yakıt Olarak Biyodizel Kullanılmasının Motor Performans ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 23, No 1, ,2008. [9] Y. Abalı, R. Gümüş, S. Vatansever, N. Ersöz, Türk Kahvesi Telvesinden Biyodizel Üretimi, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu 2009-Diyarbakır. [10] F. Karaosmanoğlu, Türkiye İçin Çevre Dostu-Yenilenebilir Bir Yakıt Adayı: Biyomotorin, Ekojenerasyon Dünyası-Kojenerasyon Dergisi, ICC Özel Sayısı, 10, 50-56, İstanbul, Nisan [11] K. Bozbas, Biodiesel as an Alternative Motor Fuel: Production and Policies in the European Union, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) [12] C. İlkılıç, Biyodizel Yakıtın Motoru Performansına Etkileri, Mühendis ve Makine, Cilt:48, Sayı:565, s [13] Ders Notu, MEGEP (Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi), Motorlu Taşıtlar Teknolojisi, Alternatif Motorlar ve Yakıtlar, Ankara, [14] H. Çalışkan, İçten Yanmalı Motorlarda Ekserji Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, [15] B. Urazel, Performans Analysis of Biodiesel Fuelled Diesel Generators and Gas Turbines, Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, 2008 [16] Internet, m,

5 İ. Işıklı, E. Açıkkalp, H. Yamık, M. Kurban [17] O. Oztürk, Motorlarında Karışımsız Olarak Kullanılan Biyodizellerin Motor Performansına Olan Etkilerinin Araştırılması [18] Internet,