Katı ve Sıvı Biyokütle (Biyodizel) Üretiminde Enerji Bilançolarının Karşılaştırılması

Transkript

1 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale 103 Katı ve Sıvı Biyokütle (Biyodizel) Üretiminde Bilançolarının Karşılaştırılması Mustafa Acaroğlu (1) Selçuk Üniversitesi Kampüs / Konya ÖZET Tarımsal üretimin ülkeden ülkeye, bir ülke içinde bölgeden bölgeye olmak üzere, o bölgenin ekolojisine, ürün desenine, sosyal yaşam standardına ve bölgenin tarımsal ürün pazarına göre kendine özgü özellikleri farklılık gösterebilmektedir. Tarımsal üretimde en önemli kriterin verim artışı yanında maliyetlerin azaltılması düşünülürse, tarımda en pahalı girdilerden birisi bu amaca yönelik tarımsal mekanizasyondur faaliyetleridir. Bir tarımsal işletmenin mekanizasyon faaliyetleri genelde enerji bilançoları ile yorumlanabilmektedir. Bu çalışmada, Türkiye de üretimi yapılan katı biyokütle kaynağı olarak Miscanthus x giganteus, sıvı biyokütle (biyodizel) kaynağı olarak aspir yağının enerji bilançoları ortaya konmuştur. Gerek Miscanthus x giganteus gerekse aspir önemli biyokütle kaynağı olan bitkilerdir. Yapılan deneysel çalışmada Miscanthus x giganteusun enerji tüketimi MJ/kg, aspirde ise 76,678 MJ/kg olarak bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Biyokütle, biyodizel, enerji, enerji bilançoları Comparison Energy Balances In Energy Production From Solid And Biodiesel ABSTRACT It is very important to reduce the energy production balances in agricultural sector while increasing yield. Agricultural mechanization is one of the most expensive inputs for agricultural production with respect to both cost and energy. The level of agricultural mechanization activities in any agricultural production facility is characterized by its energy balance. Energy balance is the comparison of energy inputs and outputs the ratio of energy output over energy input (O/I) In this study energy balance in Miscanthus x giganteus and Safflower which is the properties of fuel and adaptation aspect was suitable production in Turkey, has been calculated. Keywords: biomass, biodiesel, energy, energy balances GİRİŞ Tarımsal üretimin ülkeden ülkeye, bir ülke içinde bölgeden bölgeye olmak üzere, o bölgenin ekolojisine, ürün desenine, sosyal yaşam standardına ve bölgenin tarımsal ürün pazarına göre kendine özgü özellikleri farklılık gösterebilmektedir. Tarımsal üretimde en önemli kriterin verim artışı yanında maliyetlerin azaltılması düşünülürse, tarımda en pahalı girdilerden birisi bu amaca yönelik tarımsal mekanizasyondur faaliyetleridir. Bir tarımsal işletmenin mekanizasyon faaliyetleri genelde enerji bilançoları ile yorumlanabilmektedir. bilançosu ise bir sistemin veya bir tarımsal işletmenin girdi ve çıktıları arasındaki ilişkilerin enerji birimleri yönüyle sayısal olarak karşılaştırılmasıdır. Bir sistemin veya işletmenin organizasyonu elementlerinin yapısı, birbirleri ile olan ilişkileri, bunların hedef ve amacına göre düzenlenmektedir. Sistem açık veya kapalı olabilir. Kapalı sistemde tüm elementler birbiri ile bağlantılıdır. Açık sistemde ise uç elementler ile çevre arasında bir ilişki mevcuttur. analizlerde önemli bir nokta da sistem sınırlarının tam ve doğru olarak tanımlanmasıdır. Bir sistem nesnel (objektif), zaman ve hacim yönüyle sınırlandırılabilir. Nesnel sınırlamada materyal, enerji veya bilgi dikkate alınmaktadır. Zaman yönüyle sınırlamada zaman aralıkları belirlenmekte ve bulunan girdi ve çıktı değerleri (Örneğin bir veya birkaç vejetasyon devresi) kaydedilmektedir. Hacim (yer) yönüyle sınırlamada sistemin veya alt sistemlerin boyutu dikkate alınmaktadır. (Örneğin Avrupa kıtası, Türkiye, İç Anadolu bölgesi, Konya nın Meram ilçesi gibi). Tarımsal işletmelerde günümüze kadar yapılan enerji bilançolarında ekonomik değerlendirmelerin yapıldığı söylenebilir. Günümüzde ise enerji bilançolarında çevreyle ilişkisi ve çevreye olan etkisi de değerlendirilmektedir. Ekoenerjetik Yaklaşım: Ekolojinin esas görevinin, insanların sağlıklı yaşaması için gerekli doğal koşulların sürekliliğinin nasıl sağlanacağını belirlemek olduğu ekosistemciler tarafından vurgulanmaktadır. Ekoenerjetik yaklaşım ODUM tarafından doğru tanımlanmıştır. Karşılaştırma büyüklüğü olarak yalnız güneş enerjisi dikkate alınmaktadır. Diğer tüm enerji

2 104 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale girdileri örneğin rüzgar, yağmur, toprak oluşum prosesi veya fosil enerji kaynaklarının transformasyonu ekosistemin bir formudur ve depolanan güneş enerjisini göstermektedir. Bu yaklaşımda 2 önemli parametre vardır. Bunlar dönüşüm oranı (EDO) ve Depolanan güneş enerjisi (DGE) dir. Dönüşüm Oranı (EDO) bir diğer enerji formunun üretilmesinde gerekli olan primer enerji formundaki biçimidir. EDO enerji kaynaklarından üretilen birim Joule başına Güneş si Eşdeğeri Joule değerini (GEE.J/J) vermektedir. Depolanan Güneş si (DGE) EDO nın sonucu ve fiziksel enerji içeriğidir. Ekonomik Yaklaşım: Ekonomik enerji analizleri yaklaşımında ise genellikle fosil enerji girdileri dikkate alınmaktadır. Günümüzde biyokütle enerjisi çok belirgin avantajlar gösteren bir enerji kaynağı olduğu için yaygın olarak tercih edilmektedir. Yeni tarımsal prosesler nerede geliştirilmelidir? Hangi bölge, işyeri ve lokasyon olarak daha çekici bir potansiyel göstermektedir? Bu, minimum fiyatta tarımsal hammaddenin geniş miktarlarda üretiminin yapılabilir olacağı bölgelerin başlangıçtaki tanımıdır. Tarımsal hammaddelerin maliyet fiyatının hesaplanması, üretim ölçeği ile tarımsal hammaddelerin maliyet fiyatı arasındaki ilişkinin belirlenmesi yönüyle önemlidir. Tarımsal sektörde biyoenerji açısından düşünülmesi gereken en önemli kriter Çıktı/Girdi (O/I) oranıdır. Biyoenerjiyi pazarlayabilmek için minimum masraf zorunludur. BİYOKÜTLE ENERJİSİ Biyokütle biyolojik kökenli fosil olmayan organik madde kütlesidir. Ana bileşenleri karbonhidrat bileşikleri olan bitkisel veya hayvansal kökenli tüm doğal maddeler biyokütle enerji kaynağı, bu kaynaklardan elde edilen enerji ise biyokütle enerjisi olarak tanımlanır. Doğal ve yapay yakıt elde etmek için, önemli miktarda hammadde kaynağı olan ve belirli dönemlerde hızlı büyüyen bitkilerin, alternatif enerji kaynaklarının (güneş, rüzgar vb) üretimine ENERJİ TARIMI denir. Bu işi yapan işletmelere de enerji işletmeleri veya enerji çiftlikleri denir. Örneğin Danimarka, İsveç, ABD Ülkelerinde bulunan enerji çiftlikleri bunlara örnektir. Biyokütle hammaddelerin üretilerek enerjisinden faydalanmada değişik yolların aranması ve bulunmasında bir çok prosese başvurulmaktadır. Bunlar fiziksel, termokimyasal ve biyolojik proseslerdir. Günümüzde tercih edilen işlem proses seviyeleri şimdi daha belirginleşmiş ve gelecekte de geliştirilmesi mümkün olacak proseslerdir. Biyokütle katı yakıt formları, Kuru Madde (KM) verimleri, enerji verimleri, hasat yöntemleri, hazırlama formları ve bunların özellikleri Çizelge 1 de tanımlanmıştır. Ekolojik değerlendirme yöntemlerinde ise yetiştirme, hasat, depolama, hazırlama (işleme), kullanım ve artık kısımların düzeltilmesi gibi komple analizler gereklidir. Bu değerlerle ilgili yapılacak olan çalışma ve araştırmalarda eğer daha genel fikirler elde edilmek isteniyorsa, az sayıda parametre (özel parametre) ve alet, cihaz kullanılmalıdır. ve CO 2 denge hesaplaması (Çizelge 2) katı biyokütle enerjisi için belirgin avantajlar göstermektedir. Form Sap Yakıt Çizelge 1. Bitkisel Katı Yakıtların Hazırlanma Yöntemleri. Verimi Hasat Yöntemleri Hazırlama GJ/ha. Formu Verim t/ha (KM) Hububat- Tüm Bitkiler Tarla Kıyıcıları Makinaları Silaj Makinaları Kendi yürür Kompakt Rulo Makinaları Saman Miscanthus Tarla Kıyıcıları Silaj Makinası KY Kompakt Rulo Formu Hububat Samanı 5 71 Makinası Silaj Makinası KY Kompakt Rulo Odun Artık Odun Diskli Helezonî Formu Hızlı Büyüyen Ağaçlar Tamburlu Kıyıcı gelişmiş Hasat mak. Biçerdöver ve kesme Kıyma üniteli Kıyılmış Pelet Kıyılmış Pelet Pelet İnce veya Kaba Tane Formu İnce tane form Kaba tane formu Gözlemler Yıllık hasat edilebilir, iş makinası kullanımı yüksek Yıllık hasat, dikim için yüksek masraf, az iş makinası ile etki Yıllık Artık Maddelerin Toplanması Orman bakımında ve hasadındaki artıklar 3-6 yıl gibi kısa sürede hasat, az iş makinası kullanımı

3 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale 105 Çizelge 2. Net Ürün Eldesi ve Biyoyakıt Üretimi İçin ve CO 2 Dengesi. Tahmini Verim Dengesi CO 2 Dengesi Net Verim CO 2 azalımı Sistem KM t/ha. yıl Çıktı/Girdi Çıktı/Girdi GJ/ha. yıl t/ha. yıl MJ/MJ MJ/MJ Kolza yağı, yarı rafine 2.7 (Çekirdek) (Saman) Şeker Sorghumdan Etanol 15 (Sorghum) Hububatı Miscanthus (Kurutmasız) 14.4(ort.20 yıl) Odun (Kırpıntı) 12 (ort.20 yıl) Tahıl Samanı Kıymık, Odun Artığı Çizelge 3 de Biyokütle hammadde üretimi için ekolojik kriterler değerlendirilmiştir. Çizelge 4 ve Çizelge 5 de depolama, bakım ve enerjik kullanımla ilgili daha ileri karşılaştırma verilmiştir. Burada referans olarak fosil yakıtın alındığı bir karşılaştırma verilmiştir. Çizelge 3. Biyokütle Üretimi İçin Ekolojik Kriterlerin Değerlendirilmesi Kriter Orman Kolza Tahılı Miscanthus Artığı Saman Sudan Erozyon + + o o ++ Toprak Sıkışması o o o + + Humus Muhafazası Sıvı Gübre Olarak Verilebilmesi + + o o -- Birim Başına N İhtiyacı o o Yağmur Suyu İle Besin Kaybı o o Pestisit Kullanımında Risk Yabani Ota Dayanıklılık o Spesifik Su Tüketimi - o o - - Taşımada Trafik Uygunluğu o + o + + (++): Çok uygun (+): Uygun (o): Orta (-): Olumsuz (--): Çok olumsuz. Çizelge 4. Biyoyakıtlarda Hasat Sonrası Çevresel Değerlerin Görünüşü Katı Biyokütle Yakıtları için Hasat Sonrası Değerler Hububatı Miscanthus Ağaç,Odun Yongası Saman Fungus Gelişimi o Bakım ve Yanma Riski - - o -- Depolama Toz Emisyonu o o + o CO - - o - k Kullanım (Emisyon) C n H m - - o - NO x - o + o SO Partikül o o + - Klor İçeriği CO 2 -Dengesi Kül Miktarı o Külün Kullanımı o k Kullanım (Artıklar) Cüruf Miktarı o

4 106 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale Çizelge 5. Biyoyakıtlarda Hasat Sonrası Çevresel Değerlerin Görünüşü Kolza Kolza Metil Tessol- NADI Yağı Esteri RME (Doğal Diesel) İşlem Süresince Yan Ürünler Ve Emisyon Suyu Kirletme Riski Biyolojik Azalım Patlama Riski (Yanma Noktası) o - Egsoz Gazından Çıkan Koku CO 2 Dengesi k Olarak Kullanımda Emisyonlar Etanol Partikül NO x - o o + CO + + o + C n H m SO Aldehit - o -- - Aromatikler o PAH MATERYAL ve METOD Bu çalışmada katı biyokütle yakıtlarından bir C4 enerji bitkisi olan Miscanthus x giganteus, biyodizele hammadde teşkil eden aspir sıvı biyoyakıt kaynağı olarak seçilmiştir. Denemeler Konya da yürütülmüştür. Bu çalışmada rizom çoğaltma ve köklendirme yöntemiyle elde edilmiş çok yıllık bir C 4 enerji bitkisi olan Miscanthus sinensis Giganteus materyal olarak kullanılmıştır. Deneme lokasyonu (alanı) olarak Konya ( N, E) Selçuk Üniversitesi Kampüs arazisi seçilmiştir. Yıllık ortalama sıcaklık 10.5 o C, yıllık yağış 316 mm, ortalama oransal nem % 61 dir. Toprak yapısı kumlu killi tın dır. Toprağın ph değeri 7.5 dur. Miscanthus sinensis in dikimi Mayıs ayında gerçekleştirilmiştir. Gübreleme, No (0 kg N/ha), N 1 (50 kg N/ha), N 2 (100 kg N/ha), N 3 (150 kg N/ha), N 4 (200 kg N/ha) olmak üzere 5 gübre normunda gerçekleştirilmiştir. Gübre tarlaya her üç yılda da makina ile verilmiştir. Gübreleme zamanı her üç yılda da Mayıs ayının ikinci haftasıdır. Her üç yetiştirme yılında da yabancı ot mücadelesinde başarı sağlamak için mekanik mücadele yöntemi seçilmiştir. İkinci deneme yılında bitki deneme alanlarını iyice kapattığından yabancı otların çıkması ve gelişimi engellenmiştir. Hasat, biçme makinası ile yapılmıştır. Hasat zamanı olarak her üç yılda da sonbahar sonu (Kasım sonu) seçilmiştir. Miscanthus x giganteusun tarımında kullanılan alet ve makinalar ve özellikleri Çizelge 6 da verilmiştir. Çizelge 6. Miscanthus tarımında kullanılan makinalar ve özellikleri Tarımsal İşlem İş başarısı Özellikler h/ha Traktör -- Ne = 41.0 kw, G = 1800 kg, 550 h/yıl Toprak işleme (Pulluk) gövdeli, B= 0.90 m, S = 0.50 ha/h, a max = 0.20 m, G= 313 kg, V= 6.5 km/h, k= 0.80 İkileme (diskli tırmık) diskli, B= 2.97 m, D=460x4 mm, G= 490 kg, V= 5.0 km/h, S= 1.46 ha/h Dikim 335 Gübreleme B= 10 m, V= 7.0 km/h, S= 4.55 ha/h, G= 84.5 kg, k=0.65 Mekanik mücadele Hasat makinası 1.25 B= 1.5 m, S= 0.80 ha/h, G= 95 kg, V= 5.6 km/h Taşıma G=3.5 ton bir dingilli G= 1050 kg Aspir için Konya bölgesinde çiftçiler tarafından 35 ha ekim yapılmıştır. Miscanthus ve Aspir de Bilançosu Gerek Miscanthus x giganteus gerekse aspirin enerji bilançolarının hesaplanmasında parametreler Çizelge 7 de verilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan enerji eşdeğerleri ise Çizelge 8 de verilmiştir.

5 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale 107 Çizelge 7. Parametrelerin tanımlanması Parametre Tanımlama Birim Direkt enerji Diesel yakıtı girdisi MJ ha -1 yıl girdisi (E d ) İndirekt enerji Makina + Tohum + MJ ha -1 yıl girdisi (E i ) gübreleme + ilaçlama Toplam E T = E d + E i MJ ha -1 yıl girdisi (E T ) çıktısı Biyokütlenin hasadı MJ ha -1 yıl (EO) Çıktı/Girdi oranı EO/E T --- (OI) Net Oranı (NER) NER=EO-Et/E t Hesaplamalarda toprak işleme, ekim, gübreleme, sulama, hasat, taşıma, v.b safhalarında kullanılan tüm girdilerin enerji bilançosu oluşturulmuştur.. Makine yapım enerjileri hesaplanmıştır. Çizelge 8. eşdeğerleri Birimi Eşdeğeri Diesel yakıtı MJ l Gübre (N) MJ kg Depolama MJ kg Briketleme MJ kg Sulama MJ m Taşıma MJ t -1 km Makine MJ kg İşgücü MJ h Miscanthus(Hu) MJ kg Aspir tohumu MJ kg SONUÇLAR ve TARTIŞMA Miscanthus x giganteus ve aspirin biyokütle enerji kaynağı olarak kullanılmasındaki işlemler ve yapılan hesaplamalarda elde edilen sonuçlar Çizelge 9- Çizelge 15 de verilmiştir. Çizelge 9. Miscanthus tarımında alet-makinaların yapım enerjileri a Tarımsal İşlem İş başarısı h/ha Makine yapım enerjisi (MJ/kg) a Traktör Toprak işleme-pulluk İkileme-diskli tırmık Dikim Gübreleme Mekanik mücadele Hasat makinası Taşıma Çizelge 10. Miscanthus x giganteus tarımında enerji girdileri (N=100 kg/ha normunda) Girdileri MJ/ha % Yakıt-yağ enerjisi Makina si İşgücü enerjisi Gübreleme si Sulama Depolama Briketleme Toplam Çizelge 11. Miscanthus x giganteus tarımında enerji verimi ve tüketimi N verimi (MJ/ha) O/I tüketim (MJ/kg) Çizelge 12. Aspir tarımında kullanılan alet makinaların yapım enerjileri Tarımsal işlemler (h/ha) Traktör Alet-ekipman Yakıt yağ İşgücü Toplam si si enerjisi si Toprak işleme pulluk İkileme diskli tırmık Ekim Gübreleme Hasat (Biçerdöver) Toplam

6 108 Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale Çizelge 13. Aspir tarımında enerji girdisi Girdileri MJ/ha % Yakıt Yağ Traktör si Makina si İş gücü enerjisi Gübreleme enerjisi Tohum enerjisi Proses-ekstraksiyon Proses- rafine Toplam Çizelge 14. Aspir tarımında enerji çıktıları Çıktısı MJ/kg MJ/ha Aspir yağı (Rafine) Aspir sapı Aspir yağı üretim artıkları Toplam Çizelge 15. Aspir tarımında enerji verimi ve tüketimi Verimi (MJ/ha) O/I Tüketimi (MJ/kg) Miscanthus x giganteus ta yakıt yağ enerjisi toplam enerjisi girdilerinin % 4.29, aspirde ise % ünü oluşturmaktadır. Miscanthusta özellikle hasat sonrası işlemlerde briketleme aşaması toplam enerji tüketiminin %55 ini oluşturmaktadır. Aspir tarımında ise hasat sonrası işlemler olan ekstraksiyon ve rafine prosesleri toplamı ancak %28.99 unu oluşturmaktadır. Aspir tarımında en büyük girdi % 53 lük bir oranla gübreleme aşamasında görülmektedir. Miscanthus ve aspirde enerji çıktı/girdi oranı (O/I) ortalama arasındadır. Ancak biyokütle enerjisinin değerlendirilmesinde kullanılacak hammaddenin farklığı enerji bilançolarının dağılımını oldukça fazla etkileyebilmektedir. Bu yüzden enerji bilançoların oluşturulması ve biyokütleden enerji üretiminin karşılaştırılmasında katı-katı, sıvı-sıvı kaynakların karşılaştırılması daha somut değerler verecektir. Yinede biyokütleden enerji üretimi geleneksel tarıma göre daha avantajlı gözükmektedir. Buğday tarımında O/I 5, arpada 4, çavdarda ise yine 4-5 arasında gözükmektedir. Kanola tarımında bu değer ise ortalama 8 net olarak 6 gözükmektedir. KAYNAKLAR Acaroğlu, M., Tarımsal Üretimde Bilançoları-I. Selçuk_Teknik Online Dergisi, Vol. 2, Number 2, Acaroğlu, M Alternatif Kaynakları, Atlas Yayın Dağıtım, İstanbul. Acaroğlu, M., Ünaldi,M., Progress In Biomass And Bioenergy Research, Chapter "The Energy Balance And Fuel Properties Of Biodiesel", Nova Publısher, 2006 (in pres), USA. Acaroğlu, M, Aksoy,A.Ş.,2005. The Cultivation And Energy Balance Of Miscanthus X Giganteus Production In Turkey, Biomass and Bioenergy, 29, 1, 42-48, 2005 Akdeniz, C., Acaroğlu, M., Hepbaşlı, A., Cotton Stalk As A Potential Energy Source In Turkey, Energy Sources,,, 0-0, 2003 Diepenbrock, W., Pelzer, W., Radtke, J., 1995, Energiebilanz im Ackerbaubetrieb. KTBL- Arbeitspapier 211. Landwirtschaftsverlag. Münster-Hiltrup. Duke, J.A., 1983, Handbook of Energy Crops (unpublished). Fluck, R.C.,1992. Energy analysis for agricultural system. Energy in Farm Production, Energy in World Agriculture, Vol. 6, ed. Fluck, R.C., pp Amsterdam: Elsevier. (2004) Kaltschmitt, M., Reinhardt, G.A., Nachwachsende Energieträger - Grundlagen, Verfahren, ökologische Bilanzierung. Braunschweig. Ortiz-Canavate, J., Hernanz, J.L., Energy for Biological Systems. Energy Analysis and Saving, CIGR Handbook of Agricultural Engineering, pp.13-42, ASAE, USA. Öztürk, Ö, Aspir Tarımının Önemi ve Orta Anadolu Şartlarında Yetiştirme İmkanları, Konya Ticaret Borsası, April 2004, Year: 7, N. 17, pp (Turkish), Konya, Turkey. Smil, V., Energy analysis and agriculture. An Application to U.S. Corn Production, Westview Press Boulder, Colorado Von Oheimb, R., Indirekter Energieeinsatz im agrarischen erzeugerbereich in der BRD. In: KTBL (Hrsg.): Energie und Agrarwirtschaft. KTBL-Schrift 320, Landwirtschaftsverlag. Münster-Hiltrup,