Yenilenebilir Biyoyakıtlar Prof.Dr. Göksel N. Demirer Orta Doğu Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Yenilenebilir Enerji Yönetimi ve Hukuku Sertifika Programı İstanbul Institute 6Mayıs 2012 Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul
Tükenmekte olan Ham Petrol Kaynakları ve Artmakta Olan Talep Bulunan Petrol Rezervleri Petrol Talebi Petrol, Doğalgaz ve Kömür Üretim Profilleri
21. Yüzyılın Sonuna Kadar Olan Ham Petrol İhtiyacı (Günümüzdeki tüketim hızı baz alınmıştır) İhtiyaç her 25 yılda iki katına çıkmaktadır
Dünya Enerji Arzı Doğal Gaz: 40 yıl (Kaynak: Energy Information Administration (EIA), DOE, USA/ Oil & Gas Journal) Kömür: 180 yıl (Kaynak: Energy Information Administration (EIA), DOE, USA) Petrol: 30 yıl (Kaynak: Energy Information Administration (EIA), DOE, USA/World Petroleum Assessment, US Geological Survey)
Diğer Yandan Çeşitli Tür T r ve Ölçeklerdeki Çevre Sorunları
Dünyanın n En Büyük B k 40 Ekonomisine Sahip Ülke için i in Gayri Safi Milli Hasıla ve Enerji Verimliliği İlişkisi US Olmak İstediğimiz Yer
BİYOENERJİ Biyokütle enerjisi (biyoenerji) güneş, rüzgar, hidrolik enerji, jeotermal enerji, vb. gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından birisidir. Biyoenerjinin üretildiği çeşitli biyolojik kaynakların tümüne genel anlamda biyokütle denir. Dünya üzerinde yer alan biyokütlenin yaklaşık %90 ı ormanlarda bulunmaktadır ve bunlardan elde edilecek enerji sayesinde iklim değişimi, çölleşme, erozyon gibi problemleri azaltıp sürdürülebir enerji eldesi ve ekosistemlerin korunmasını birlikte sağlama potansiyeli söz konusudur. Her yıl 150 milyar ton biyokütle üretilmekte, bunun ancak %10 u ticari olarak kullanılmaktadır.
Önemli biyokütle kaynakları arasında: odun (enerji ormanları, çeşitli ağaçlar), yağlı tohum bitkileri (kolza, ayçiçek, soya v.b), karbonhidrat bitkileri (patates, buğday, mısır, pancar, enginar, v.b.), elyaf bitkileri (keten, kenaf, kenevir, sorgum, miskantus, v.b.), protein bitkileri (bezelye, fasulye, buğday v.b.), bitkisel artıklar (dal, sap, saman, kök, kabuk, v.b.), hayvansal atıklar, kentsel ve endüstriyel atıklar yer alır. Biyokütle kaynakları çeşitli teknolojileri kapsamında değerlendirilerek, mevcut yakıtlara alternatif çok sayıda katı, sıvı ve gaz yakıta (biyoyakıt) dönüştürülebilmektedir.
Son yıllarda, biyokütlenin doğrudan yakılmasının yanı sıra, hidroliz, fermantasyon, gazlaştırma, sentezeme ve piroliz gibi dönüştürme teknolojileri de öne çıkmaktadır. Söz konusu yöntemler ile sıvı biyoyakıt, sentetik yakıt ve gaz biyoyakıt üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Biyokütleden çeşitli dönüştürme teknolojileri ile elde edilebilecek yakıt türleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Biyokütleden Elde Edilebilecek Yakıt Türleri
Uluslararası Enerji Ajansı nın tahminlerine göre yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik miktarı 2008-2035 yılları arasında üç katına çıkacaktır. Biyoyakıt üretiminin de aynı dönemde dört kat artacağı öngörülmektedir (IEA, 2010). Dolayısıyla, yenilenebilir kaynaklardan biyoenerji/biyo-yakıt üretiminin küresel ölçekteki önemi önümüzdeki dönemde hızla artmaya devam edecektir.
Neden Biyo-Yakıtlar? Fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılması Arz güvenliği Sürdürülebilirlik Sera Gazı Emisyonlarında Azalma Bölgesel (Kırsal) Kalkınma
ÖRNEK ÇALIŞMA 1 ANAEROBİK BİYOTEKNOLOJİ İLE ATIKLARDAN BİYO-ENERJİ VE BİYO-ÜRÜN ELDESİ: ŞEKER PANCARI İŞLEME ENDÜSTRİSİNDEN BİR ÖRNEK
BİYOGAZ Biyogaz, hayvansal, bitkisel ve diğer organik maddelerin oksijensiz ortamda ayrışması sonucu ortaya çıkan bir gaz karışımıdır. Biyogaz üretiminde hayvansal, bitkisel artıklar ve diğer organik atıklar kullanılabilir. Oksijensiz ortamlarda bulunan organik maddeler içindeki yağ, protein ve karbonhidrat gibi kompleks maddeler, hidroliz sürecinde şekerlere, amino asitlere ve yağ asitlerine çevrilir. Bu ürünler sonraki aşamada asidojenler tarafından bozunarak uçucu yağ asitleri, CO2 ve hidrojene dönüştürülür. Son aşamada bu ürünler metanojenler tarafından metan gazına çevrilir. Bu süreç sindirici adı verilen oksijensiz ortamda organik maddenin bozunumu ile veya doğal olarak evsel organik atıkların depolandığı düzenli çöp depolama alanlarında oluşmaktadır. Biyokütle-biyogaz projeleri, sadece enerji üretimi değil, aynı zamanda atık yönetimi açısından da kritik öneme sahiptir. Örneğin organik atıklardan (tarımsal, hayvansal, evsel ve endüstriyel) biyogaz üretimi hem önemli bir sorun olan atığın bertarafını sağlamakta, hem de yüksek kaliteli organik gübre üretimine olanak tanımaktadır.
BİYOGAZ Biyogaz üç aşamalı anaerobik biyolojik bozunma isimli biyokimyasal bir işlem sonucu oluşur. (1) Hidroliz: kompleks organik maddelerin çözünmüş organik bileşiklere dönüşümü; (2) Asetojenesis: çözünmüş organik maddelerinden uçucu yağ asitlerinin (ağırlıklı olarak asetik, propiyonik ve bütrik asitler) oluşumu; ve (3) Metanojenesis: uçucu yağ asitlerinin metan ve karbondioksite çevrimi olarak özetlenebilir. H 2, CO 2 METANOJENESİS KARMAŞIK ORGANIK BİLEŞİKLER (Karbohidratlar, Proteinler, Lipidler, vd..) 1 HİDROLİZ BASİT ORGANİK BİLEŞİKLER (Şekerler, Aminoasitler, Peptidler, vd.) 1 ASİDOJENESİS UZUN ZİNCİRLİ YAĞ ASİTLERİ (Propiyonat, Bütrat, vb.) 2 3 CH 4, CO 2 ASETOJENESİS ASETOJENESİS 4 5 ASETAT METANOJENESİS BİYOGAZ Metanojenik Bakteri
Anaerobik Bozundurma ve Biyogaz Eldesinin Avantajları Evsel, tarımsal, agro-endüstriyel, vb. pekçok organik atığın çevreye kontrolsüzce verilmesi kaynaklı yüzey/yeraltı sularının kontaminasyonu, sera gazı emisyonları kaynaklı küresel ısınmanın artması, koku problemi ve ilgili insan sağlığı sorunlarının azaltılması/önlenmesi, Organik atıkların atmosferik karbon miktarında net bir artışa yol açmadan biyogaz, toprak iyileştiricisi, fiber ve gübre gibi satılabilir biyo-bazlı ürünlere çevirebilmesi,
Ortaya çıkan biyogaz, fosil yakıtlardan elde edilecek enerjinin yerine bir alternatif sunduğu için atmosferdeki toplam karbon dioksit miktarının ve iklim değişikliği tehlikesinin azaltılması, Yüksek yükleme hızları ve düşük reaktör hacim gereksinimleri, Patojen giderimi Mevsimsel/dönemsel işletilebilme olanağı
Anaerobik Bozundurmaya Tabi Tutulabilen Atık Türleri Arıtma Tesisi Çamurları Tarımsal atık ve artıklar Evsel Organik Katı Atıklar Endüstriyel Atıklar Anaerobik Bozunma ve Enerji Kalorifik değeri daha düşük olmakla birlikte, anaerobik bozunma sürecinde oluşan biyogaz, doğal gaza benzerlik gösteren bir yakıttır. Biyogaz doğal gaz için tasarlanmış her türlü uygulamada kullanılabilir. 1 m3 biyogazdan (20 MJ enerji/m3 biyogaz kabulü ile): Sadece elektrik: 1,7 kwh elektrik (%30 dönüşüm verimi kabulü ile), Sadece ısı: 2,5 kwh ısı (%70 dönüşüm verimi kabulü ile), Kombine ısı ve enerji: 1,7 kwh elektrik ve 2 kwh ısı elde edilebilir.
Anaerobik Bozundurma ve Sera Gazı Azaltımı ABD denin Kalifornia Eyaletinde 400 süt ineği bulunan bir çiftlikte yapılan bir çalışmanın sonuçlarına göre, çiflikte ortaya çıkan hayvansal atıkların üstü açık bir havuzda depolanmasına (referans sistem) göre anaerobik olarak bozundurulması ve biyogazın enerji eldesinde kullanımı, toplam Küresel Isınma Potansiyelini (GWP) CO2-eşdeğeri bazında % 79 oranında azaltmıştır. Anaerobik Bozundurma ve Organik Tarım Anaerobik Bozundurma organik maddelerin oksijensiz ortamda bakteriyel fermentasyonudur. Bu süreçte karbon içeren tüm bitkisel ve hayvansal maddeleri kapsayan bu organik maddeler biyogaz, fiber ve katı/sıvı gübreye dönüşür. Anaerobik Bozundurma sürecinde işlenen organik maddelerin her hangi bir toksik, tehlikeli, vb. atık ve patojen içermediği durumlarda, elde edilen toprak iyileştiricisi, fiber ve gübre organik tarım uygulamalarında kullanılabilir.
ÇEŞİTLİ ATIKLARIN BİR TONU İÇİN BİYOGAZ ÜRETİM POTANSİYELLERİ VE ENERJİ EŞDEĞERLERİ Atık 1 ton/gün atığın üretilmesi için gereken hayvan sayısı Katı Madde İçeriği (%) Biyogaz Verimi (m3/ton atık) Enerji Değeri (MJ/m3 biyogaz) Sığır 20-40 12 25 23-25 Domuz 250-300 9 26 21-25 Yumurta Tavuğu 8000-9000 30 90-150 23-27 Et Tavuğu 10000-15000 60 50-100 21-23 Gıda Sektörü Atıkları - 15 46 21-25 MJ=Megajoule
Bir Yakıt Olarak Biyogaz Bu tablodaki veriler göz önüne alındığında: - Enerji değeri bazında biyogazın sıvılaştırılmış propan gazı (LPG) ve kerosin ile eşdeğer bir yakıt olduğu, -Tezeğe göre 4,5, odun kömürüne göre 1,6 ve oduna göre 2,25 defa daha fazla ısı ürettiği görülecektir.
KÜÇÜK ÖLÇEKLİ BİYOGAZ REAKTÖR TİPLERİ Sabit Kubbeli Reaktör Çin Tipi
Yüzer (Hareketli) Kubbeli Reaktör Hint Tipi
Balon Tipi Reaktör
BİYOGAZ İLE ÇALIŞAN EV ALET VE GEREÇLERİ Lambalar Ocaklar Fırınlar Sobalar Jeneratörler Motorlar
AVUSTURALYA DAN BİR ÖRNEK ÇALIŞMA: Tesisin Tasarım Detayları: Hidrolik Bekletme Süresi: 20 gün Organik Atık Yükü: 260 kg/gün Biyogaz Üretimi: 8 m3/gün (45 kwh/gün) Gübre Üretimi: 42 kg/gün Şekil: Silindir; Reaktör Hacmi: 9 m3; Çap: 2.2 m; Yükseklik: 2.4 m Elde edilen biyogaz ile neler yapılabileceği aşağıdaki örneklerle daha iyi anlaşılabilir: 1 m3 biyogazdan elde edilen enerji: 60-100 watt lık bir ampulü 6 saat yakmak için gerekli enerjiye, 5-6 kişilik bir ailenin 3 öğün yemek pişirmek için gereksinim duyduğu enerjiye, 0,7 kg ham petrole 1 beygir gücü kapasiteli motoru 2 saat çalıştırmak için gereken enerjiye ve 1,25 KWh elektrik enerjisine denktir.
BİYOGAZ TESİSİ MALİYET ÖRNEKLERİ: HİNDİSTAN Geri Ödeme Süresi
Bir Biyogaz Projesini Yürütmeye Karar Vermeden Önce Sorulması Gereken Bazı Sorular: Projenin gerçekleştirilmesi düşünülen yörede üretilen atık/artıkların içerik ve miktarı nedir? Bu atık/artıklardan hangileri biyogaz eldesi için uygundur? Bunlar biyogaz tesisine nasıl ulaştırılacak? Eğer tesisin kurulması düşünülen yörede ortaya çıkan atık/artıklar, yeterli düzeyde bir enerji, ürün ya da gelir eldesi için yeterli değil ise, birden fazla yerleşim yeri ya da çifliğin atık/artıklarını işleyebilecek bir tesisin işletimi olası mı? Ne tür bir reaktör tipi kullanılması gerekir? Biyogaz tesisinin ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri ne kadar olacak? İşletimi yürütecek personelin eğitimi nasıl sağlanacak?
Tesisin işletimi kapsamında elde edilecek fayda/gelir, yapılacak ilk yatırım maliyetini ne kadar sürede amorti edebilecek? Elde edilecek biyogaz ne için kullanılacak? Öngörülen bu kullanım(lar) için ek bir yatırım gerekecek mi? Kullanılmayacaksa, satışı olası mı? Biyogaz dışında ortaya çıkacak diğer ürünler (fiber, toprak iyileştiricisi ve gübre) nasıl kullanılacak? Kullanılmayacaksa, satışı olası mı? Aşağıdaki konulardaki gerekli danışmanlık hizmetleri nasıl sağlanacak? Uygun atık/artık türlerinin belirlenmesi Bunların karakterizasyonu ve kompozisyonlarının belirlenmesi Uygun atık/artıkların hangi bileşim ve katı madde içeriği ile reaktöre verileceğinin belirlenmesi Laboratuar ölçekli biyogaz üretim potansiyellerinin belirlenmesi Uygun reaktör türünün belirlenmesi Tesisin projelendirilmesi Tesisin inşası Tesisin işletmeye alınması Tesisi işletecek personelin eğitimi
Ülkemizde çeşitli sektörlerden üretilen organik atıklar Organik Atık Türü Organik evsel katı atık 10,9 Miktar (milyon ton/yıl) Bitkisel artık 50,0-65,2 Hayvansal atıklar 11,1* Peynir Üretimi 2,8 Zeytin/Zeytinyağı üretimi 875.621 m 3 Süt ve Süt Ürünleri (peynir dışında)? Dondurulmuş Meyve-Sebze? Nişasta ve Nişasta Bazlı Şekerler Üretimi? Şeker Üretimi? Mezbahalar? Distile Alkollü İçkiler? TOPLAM 75 +? * kuru madde cinsinden, bu miktara karşılık gelen hacmin 50-60 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir.
ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümünde Yürütülen Çeşitli Projelerde Biyogaz Üretim Verimleri Belirlenen Atık ve Atıksular Zeytinyağı üretimi atıksuları Toplam Gaz Üretimi (ml) Toplam Gaz Üretimi (ml) 700 600 500 400 300 200 100 0 800 600 400 200 0 Kontrol 2765 mg/l KOI 8295 mg/l KOI 13825 mg/l KOI 27650 mg/l KOI 0 10 20 30 40 50 Kontrol 5525 mg/l KOI 11050 mg/l KOI 22100 mg/l KOI Zaman (gün) Peynir üretimi kaynaklı atıksular 0 10 20 30 40 50 60 70 Zaman (gün) Cumulative gas production (ml) 2500 2000 1500 1000 500 0 Toplam Gaz Üretimi (ml) Tavuk (broiler) ve sığır gübresi Set 3 COD=53,500 m g/l no B M 35 o C una cclim ated 1500 1250 1000 750 500 250 0 Kontrol 1262 mg/l KOI 3785 mg/l KOI 6708 mg/l KOI 12617 mg/l KOI 17633 mg/l KOI Time (days) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Zaman (gün) control 100B:0C 75B:25C 50B:50C 25B:75C 0B:100C 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 Tavuk üretme çiftliğiatıkları Cumulative gas production (ml) 400 300 200 100 0 0 1 0 2 0 3 0 Gaz Üretimi (ml) 150 100 50 Malt viski atıksuyu TIM E (days) Mezbaha atıksuyu 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Zaman (gün) Kontrol 167 mg KOI 134 mg KOI 100 mg KOI 67 mg KOI Gaz üretimi (ml) Ayçiçek yağı üretimi atıksuları 140 120 100 80 60 40 20 KONTROL 4600 mg KOI/L 0 0 10 20 30 40 50 60 ZAMAN (gün) Top la m G a z Ü re tim i ( m L ) 1400 1200 1000 800 600 400 200 Bahçe Atıkları Kontrol 2,276 gr kuru yaprak 4,552 gr kuru yaprak 6,828 gr kuru yaprak 0 0 5 10 15 20 25 30 Zaman (gün) Kümülatif Gaz Üretimi (ml) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Yemekhane Atıkları Kontrol 4993 mg/l COD 14987 mg/l COD 29955 mg/l COD 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 Zaman (Gün)
ELDE EDİLEN BAZI ÖNEMLİ SONUÇLAR: Atık/Atıksu KOİ Giderim Verimi Metan Üretim Verimi (%) Zeytin işleme atıksuyu 85-96 57 m3 metan/ m3 atıksu Tavuk besleme çiftliği atığı 67-73 69-73 m3 metan/ m3 atık Mezbaha atıksuları 75 480-670 ml CH 4 /gr KOİ Kağıt Endüstrisi atıksuyu 93 (+ %54 AOX) - Peynir atıksuyunun 95-97 453 30 ml CH 4 /gr KOİ (peyniraltı suyu) Tekstil Atıksuyu 80 (+ %59 renk) - Malt Viski Atıksuyu 96 -
ÖRNEK ÇALIŞMA 2 ZEYTİNYAĞI ÜRETİMİ ATIKLARINDAN BİYOGAZ ELDESİ
BİYOHİDROJEN Güvenli olarak ve çok az enerji kaybı ile taşınabilen, her yerde (sanayide, evlerde ve taşıtlarda) kullanılabilen, tükenmez, temiz, kolaylıkla ısı, elektrik ve mekanik enerjiye dönüşebilen, karbon içermeyen, hidrojenin geleceğin yakıtı olduğu söylenebilir Hidrojen bir doğal yakıt olmayıp, birincil enerji kaynaklarından yararlanılarak su, fosil yakıtlar ve biyokütle gibi değişik hammaddelerden üretilebilen sentetik bir yakıttır.
Teorik olarak karbonhidratlar, yağlar ve proteinler bakımından zengin herhangi bir organik madde fermentatif biyohidrojen uretimi icin olası bir substrat olarak değerlendirilebilir. Bununla birlikte yapılan calışmaların gosterdiği gibi fermentatif işlem sırasında hidrojenin ana kaynağı karbonhidratlardır. Farklı substratların hidrojen üretim potansiyelleri karşılaştırıldığında, karbonhidrat bakımından zengin atıkların hidrojen üretim potansiyellerinin, yağ ve protein bakımından zengin atıklardan elde edilen değerden 20 kat yüksek olduğu bulunmuştur. Fermentatif biyohidrojen üretimi için uygun substratın seçiminde yüksek karbonhidrat iceriğinin yanısıra karşılanması gereken en önemli ölçüt kolay elde edilebilir oluşu, düşük maliyeti ve yüksek biyolojik parçalanabilirliğidir. Biyohidrojen üretimi için kolayca kullanılabilen başlıca biyokütle kaynakları: Enerji Bitkileri Lignoselülozik Atık ve Kalıntılar Atıklar ve atıksulardır.
Enerji Bitkileri Enerji bitkileri yüksek şeker ve/veya karbonhidrat içeriği ve düşük lignin iceriğinden dolayı hidrojen uretimi için uygundur. Fermentatif hidrojen uretiminde kullanılan enerji bitkileri kimyasal iceriklerine göre şöyle sıralanabilir: şeker esaslı bitkiler (orneğin tatlı sorghum, şeker kamışı ve şeker pancarı), nişasta esaslı bitkiler (orneğin mısır ve buğday), otsu bitkiler (orneğin cim ve kuru ot) ve odunsu bitkiler (orneğin Miscanthus ve kavak) Bazı ülkelerde çok büyük tarımsal alanlar biyoyakıt uretimi icin hammadde endustrisine dönüştürüldüğünden, enerji bitkilerinin kullanımı üzerinde tartışmalar söz konusudur.
Lignoselulozik Atık ve Kalıntılar Lignoselulozik kalıntılar, şeker kamışı ve tatlı sorghum kuspesi, mısır ve buğday sapı vb. gibi tarımsal kalıntılar ve ağaç kırpıntıları gibi orman kalıntılarını icerir. Enerji bitkilerinin kullanımına kıyaslandığı zaman, şeker ve nişastalı bitkilerin hasat edilmesi ve işlenmesinden sonra kalan kalıntıların (gıda endustrisi zincirinde daha ileri işlenemeyen) işlenmesi ekonomik ve cevresel surdurulebilirlik bazında çok daha uygundur. Bol ve hemen hemen sıfır maliyetli olmasına karşın, tarımsal ve orman kalıntıları kolaylıkla fermente olabilen serbest şeker icermezler, kuvvetli bir şekilde lignine bağlı karmaşık karbonhidrat polimerleri (seluloz ve hemiseluloz) içerirler. Bu yüzden lignoselulozik kalıntıların hidrojene biyodönüşümü birçok durumda kolay değildir. Selulotik mikroorganizmalar kullanıldığı durumda bile, kalıntıların delignifikasyonu icin bazı ön arıtım yöntemleri kullanılmalıdır. Ancak önarıtım ile selüloz ve hemiseluloz yapılarının serbest kalması sağlanabilir, böylece şekerlerin salınımı ve tüketimi mümkün olabilir. Bu amaçla çeşitli fizikokimyasal (asit, alkali, oksidatif) ve biyolojik (enzimatik hidroliz) önarıtım yöntemleri kullanılmaktadır.
Lignoselülozik atıkların H2 üretim hızları ve verimleri
Atıklar ve Atıksular Biyohidrojen üretimi için bir atık/atıksuyun yüksek derişimde parçalanabilir organik bileşik içermesi, şeker ve karbonhidratlar gibi kolaylıkla fermente olabilen bileşiklerin yüksek oranda bulunması ve mikrobiyal aktiviteye inhibitör olabilen bileşiklerin düşük derişimde bulunması gerekir. Gıda endüstrisinden gelen atıksular bu üç ölçütü sağlamaktadır. Herhangi bir ön arıtım uygulamaksızın gıda endustrisi atıklarından oldukca yüksek hidrojen verimleri elde edilmiştir. Mutfak, gıda işleme ve kentsel atıklar, karbonhidratlara ek olarak oldukça yüksek derişimde protein ve yağa sahiptirler, bu yüzden bu atıkların hidrojene dönüşüm verimliliği, karbonhidrat esaslı atıklardan elde edilen değerden önemli ölçüde düşüktür. Yapılan çalışmalar bu durumu proteinin biyoparçalanması ile oluşan azotun hidrojeni tüketip amonyum oluşturmasına bağlamıştır. Gıda atıkları yüksek enerji içeriğine ve biyolojik parçalanabilirliğine sahiptir. İçerikleri mikrobiyal gelişim için uygun olup, % 85 95 VS ve % 75 85 nem icerir. Endüstri ve evsel kaynaklı gıda atıkları yüksek seviyede karbonhidrat ve protein içerir. Bu kapsamda patates ve elma işleyen endüstriyel atıksular, melas, peynir ve süt işleyen endüstriyel atıksular ve nişasta atıksuları düşünülebilir.
Evsel ve evsel nitelikli endüstriyel atıksuların arıtımında oluşan biyolojik kökenli atık çamurların bertarafı büyük sorun teşkil etmektedir. Atık aktif çamur polisakkaritler ve proteinlerce zengindir. Bu yuzden de hidrojen uretimi icin potansiyel substratdır. Fermentatif hidrojen üretiminde evsel nitelikli gıda atıkları ile arıtma çamurlarının birlikte çürütüldüğüçalışmalar da mevcuttur. Fermentatif hidrojen uretiminde uygun substrat olcutlerini sağlayan diğer bir atık tipi de hayvansal atıklardır. Biyohidrojen üretilebilecek özel bir atık tipi de biyodizel üretim endüstrisinden kaynaklanan ham gliseroldur.
Çeşitli atıkların H2 üretim hızları ve verimleri
Karanlık Fermantasyon ile Biyohidrojen Üretimi Bu işlemde saf veya karışık mikrobiyal topluluk tarafından anaerobik ortamda karmaşık organik polimerler (protein ve polisakkaritler gibi) fermentatif bakteri (a) ile monomerlere hidrolizlenir, fermentatif bakteriler monomerleri duşuk molekul ağırlıklı organik asitler alkol karışımlarına fermente eder. Fermentasyon ürünleri asetogenesis olarak isimlendirilen işlem ile zorunlu hidrojen üreten asetojenik bakteri (b) tarafından asetik asit ve hidrojene daha ileri oksitlenir. Asetogenesis ayrıca asetojenler ve homoasetojenler (c) tarafından hidrojen ve karbon dioksitden asetat uretimini de kapsar. Hidrojen üreten asetojenik bakteri (b) hidrojenotrofik metanojenler (d) ile buyur. Son olarak asetoclastik metanojenler (e) asetatı metan ve karbon diokside dönüştürür.
Karanlık fermantasyon ile H2 üretimi karanlıkta büyüyen anaerobik bakteriler ile gerçekleştirilir. Fermantasyon reaksiyonları mezofilik (25 40ºC), termofilik (40 65ºC), aşırı termofilik (65 80ºC) ve hiper termofilik (>80ºC) üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleşebilir. Anaerobik fermantasyonda üretilen gaz H2, CO2, CH4, CO ve bazı hidrojen sülfitlerin karışımıdır. Bu yüzden yüksek saflıkta hidrojen elde etmek için ayırma aşaması gereklidir. Karanlık fermantasyon prosesleri için hidrojenin kısmi basıncı önemli bir faktördür, hidrojen basıncı arttıkça hidrojen üretimini azaltır. Bu nedenle sistemde üreyen H2 sürekli olarak uzaklaştırılmalıdır.
Foto Fermantasyon ile Biyohidrojen Üretimi Fotosentetik bakteriler güneş enerjisi ve organik asitleri nitrogenaz aktivitesi ile hidrojene dönüştürme kapasitesine sahiptir. Moleküler hidrojen üreten fotosentetik mikroorganizma güneş enerjisi varlığında indirgenmiş bileşikleri (organik asitleri), azotun yetersiz olduğu şartlar altında nitrojenaz ile katalizler. Bu mikroorganizmalar elektron vericisi olarak asetik asit gibi basit organik asitleri kullanabilirler. Bu elektronlar, ATP formunda enerji kullanan ferredoksin ile nitrojenaza taşınır. Azot mevcut olmadığı zaman, nitrojenaz enzimi protonu hidrojen gazına indirgeyebilir. Bu prosesin avantajları oksijen prosesi inhibe etmemesi ve foto bakterilerin çok farklı koşullarda kullanılabilmesidir. Dezavantajları ise nitrogenaz enzim aktivitesinin yavaş olması, hidrojenin tekrar oksidasyonunun gerekiyor olması, güneş enerjisi dönüşüm verimliliğinin düşük olması, büyük alanları kaplayacak foto biyoreaktörlerin gerekmesidir.
HİDROJEN ENERJİSİNİN ÇEVRESEL YÖNÜ Hidrojen kullanımı çok temiz bir yakıttır. Hidrojenin yanması veya yakıt hücresinde tüketilmesi sonucu son ürün olarak sadece su üretilir. Yanma yüksek sıcaklıkta olursa havadaki azot ve oksijenden NOx oluşabilir. Ancak bu sorun diğer yakıtlarla aynıdır ve kontrol edilebilir. Diğer yakıtların aksine hidrojen elementlerden üretilen kirletici içermez. Bu nedenle de SO2, CO, CO2, uçucu organik kimyasallar oluşmaz. Aşağıdaki Tabloda farklı enerji sistemlerinden üretilen kirleticilerin miktarları görülmektedir.
ÖRNEK ÇALIŞMA 3 ŞEKER ENDÜSTRİSİ ATIKLARINDAN KARANLIK FERMENTASYONLA BİYO-HİDROJEN ÜRETİMİ
BİYOETANOL Biyoetanol içerisinde etil alkol bulunan şeker, şekere çevrilebilen selüloz veya nişasta gibi maddelerin fermentasyonu sonucu elde edilen alkol türüdür. Şekerden ve nişastadan biyolojik fermantasyon yoluyla biyoetanol eldesi ticari ölçekte gerçekleştirilmektedir. Biyoetanol eldesi özellikle tarımsal atığı çok fazla olan ülkelerde ekonomik olmaktadır. Uluslararası Enerji Kurumu şekerden elde edilecek etanolun dünya petrol ihtiyacının %2 sini karşılayabileceğini tahmin etmektedir.
Dünya Etanol Pazarı 2004 yılı itibarıyla toplam üretim 41 milyar litre. World Ethanol Production 40 35 30 25 % 20 15 10 5 0 Brazil U.S. China India Others
Etanol ün ABD Ekonomisine Katkısı 2007 de etanol endüstrisi 238 bin kişiye iş sağladı Ülke ekonomisine 47,6 milyar dolarlık katkı yaptı Kaynak: "Contribution of the Ethanol Industry to the Economy of the United States," LECG, LLC, Feb 2008.)
Biyoetanol üç farklı substrat grubundan fermentasyon ile üretilir: şeker etanol nişasta şeker etanol Biyoetanol üretimi şekerden değil, şeker üretimi yan ürünü olan melastan yapılır. Dolayısıyla melastan biyoetanol üretimi sınırlı düzeyde gerçekleştirilebilir. Selüloz ve hemiselüloz etanol Mısırdan öğütme ile elde edilir. Fermentasyon: maya C 6 H 12 O 6 şeker 32-35 ºC ph=5.2 2 C 2 H 5 OH etanol %10-15 saflıkta elde edilen etanol daha sonra distilasyon ile daha konsantre hale getirilir. + 2 CO 2 karbon dioksit
Mısırdan ethanol üretimi Mısırdan biyoetanol üretimi için öncelikle mısırdaki nişasta ögütme yoluyla ayrılır. Islak öğütme sonucu nişastaya ek olarak, yüksek fruktoz içeren mısır şurubu, mısır yağı ve gluten de elde edilir. Kuru öğütmede ise nişasta içeren mısır unu ve CO2 ortaya çıkar. Mısır Enzim Nişasta Şeker Mikroorganizmalar
Ticari etanol üretim süreçlerinde hala teknik iyileştirmeler (nişastayı şekere hidroliz yoluyla dönüştürecek enzim teknolojisinde, bakterilerde, su ayrıştırma metodolojisinde iyileştirmeler gibi) yapmaya yönelik araştırmalar sürmektedir. Biyokütleden elde edilen biyoetanol araçlarda benzin ile karıştırılarak veya tek başına kullanılabilir. İçten yanmalı motorlarda herhangi bir modifikasyona ihtiyaç duyulmadan %10 miktarında harmanlanarak kullanılabilmektedir Etanol daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olmasına rağmen yüksek oktan sayısı nedeniyle yüksek basınçlı motorlarda benzinden daha etkili yanar. Biyoetanol sadece ulaştırma sektöründe değil elektrik üretiminde, kojenerasyon uygulamalarında, küçük ev aletlerinde ve kimyasal madde üretiminde de kullanılabilen bir biyoyakıttır.
Etanolün ısıl değeri petrole göre daha düşüktür. Buharlaşma ısısı yüksek, buhar basıncı düşüktür. Buharlaşma ısısının yüksek oluşu motorlarda soğukta ilk hareketi zorlaştırmaktadır. Etanolün en önemli dezavantajlarından biri içinde bulunan suyun yakıt donanımı ve emme sistemi üzerindeki korozif etkisidir. Etanolün korozif özellikleri nedeni ile korozyonu önlemek için yakıt ve emme sistemi, koruyucu maddelerle kaplanmaktadır. Etanolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Kimyasal denklemi C2H3OH C/H oranı 46.07 Moleküler kütle 0.333 Özgül kütle (kg / dm3) 0.79 Isıl değeri (Mj/kg) 26.9 Buharlaşma ısısı (Mj/kg) 0.856 Adyabatik alev sıcaklığı (0C) 1924 Kaynama noktası (0C) 78.7 Donma noktası (0C) -117.7 Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) 392 Oktan sayısı 106
Gıda mı? Yakıt mı? Selülozik Biyoethanole Geçiş......ABD ve Avrupa da biyoyakıt üretimindeki hızlı artış gıda fiyatlarındaki küresel artışın en önemli nedenlerinden birisidir... (Dünya Bankası, 2008)
Gıda Biyoyakıt Krizi Gıda amaçlı kullanılabilecek olan tarımsal ürünlerin biyoyakıt üretiminde kullanılması Biyoyakıtlar için vergi indirimleri, teşvikler, vd. devlet destekleri Gıda amaçlı kulanılabilecek ürünlerin yetiştirilmesinde kullanılan tarımsal alanların biyoyakıt eldesinde kullanılan tarımsal ürünlerin yetiştirilmesi için kullanılması Enerji sektörü ile gıda sektörünün rekabet eder hale gelmesi Tarımsal kaynakların gıda üretiminden biyoyakıt üretimine kaydırılması sonucu gıda fiyatlarının artması
Bu sorunun çözülmesi için selüloz bazlı biyoetanol üretim proseslerinin geliştirilmesi üzerine yoğun çalışmalar yürütülmektedir. Gıda üretimi amaçlı kullanılmayan tarımsal ürünler (odun, bitkisel atık ve artıklar, vd.) kullanıldığı için, yukarıda bahsi geçen sorunlara yol açmamaktadır.
Selüloz ve Hemiselülozun Biyoethanole Dönüştürülmesi Önarıtma (solubilizasyon, biyokütlenin biyolojik ve kimyasal bozundurmaya uygun hale getirilmesi) Hidroliz (Asidik ve enzimatik hidroliz ile glikosidik bağların parçalanması) Fermentasyon (C5 ve C6 şekerlerin etanol ve CO2 ye fermentasyonu) Distilasyon (Etanolün diğer ürünlerden ayrılması)
Biyo-Etanol Üretiminin Olumlu Çevresel Etkileri Yenilenebilir kaynaklardan üretildiği için atmosfere ek CO2 salınımı söz konusu değildir. Dolayısıyla çevreye zararlı olmayan bir enerji kaynağıdır. Etanol kullanımı sonucu oluşan eksoz emisyonlarının toksisitesi petrol kaynaklarına göre daha düşüktür. Etanol üretiminde kullanılan enerji bitkileri önemli miktarda sera gazı (GHG) absorb ederler. Etanol %35 oksijen içerdiği için birlikte kullanıldığı diğer yakıtların daha iyi yanmasına yol açarak partikül madde emisyonlarını azaltır.
Office of Science, Energy Biosciences Energy Efficiency and Renewable Energy Biomass Program National Research Initiative Biobased Products and Bioenergy Research Joint USDA-DOE Biomass Initiative
TÜRKYE DE AKARYAKIT TÜKETİM VE BİYOETANOL KURULU KAPASİTE KOMPOZSYONU Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı http://www.enerji.gov.tr/bysweb/downloadbelgeservlet;jsessionid=ac100a1530d71b0bee2c469042798179a2612f24c57e.e3mpbhetb3j0bhqsbo0?read=db&fileid=41998
Ülkemizde Petrol Ofisi tarafından mısır ve buğdaydan biyoetanol üretilerek yurtsever yakıt adı altında piyasaya verilmiştir. Bu yakıt kurşunsuz benzine %2 oranında katılarak 25-50 Milyon ABD Doları bir ithalat tasarrufu sağlanmıştır. 2007 yılında Çumra (Konya) Şeker Fabrikası bünyesinde biyoetanol üretimine geçilmiştir. Fabrika günlük, 280.000 litre ve yıllık ise 84.000.000 litre üretim kapasitesine sahiptir. Ayrıca 2001 yılında Bursa Kemalpaşa da 40.000 lt/gün kapasiteli bir biyoetanol işletmesi kurulmuştur. Biyoetanol üretimi amacıyla şeker pancarı ekimi artmıştır. 2003/30/AT sayılı AB Direktifi uyarınca, 2005 yılında %2 olarak belirlenen biyoetanolün benzindeki minimum oranının, 2006 yılında alınan karar ile 2010 yılı sonuna kadar %5 e çıkarılması öngörülmüştür. Ülkemizde biyoetanol üretiminde de teknolojik olarak bir eksiklik söz konusu olmamakla birlikte, üretim süreçlerinin iyileştirilmesi konusu dünyada da öne çıkmaktadır. Burada da, belirleyici olan bu konudaki enerji, tarım ve vergilendirme politikalarıdır.
BİYODİZEL (BİYOMOTORİN) THE USE OF VEGETABLE OILS FOR ENGINE FUELS MAY SEEM INSIGNIFICANT TODAY. BUT SUCH OILS MAY BECOME IN COURSE OF TIME AS IMPORTANT AS PETROLEUM AND COAL TAR PRODUCTS OF THE PRESENT TIME - Rudolf Diesel at the Engg Society of St. Louis, 1912
BİYODİZEL (BİYOMOTORİN) Biyodizel/biyomotorin ayçiçek, soya, kanola vb. gibi yağlı tohum bitkilerinden elde edilen yağlar veya atıkyağların bir katalizör eşliğinde kısa zincirli bir alkol ile (metanol veya etanol) reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve yakıt olarak kullanılan bir üründür. Son yıllardaki Ar-Ge çalışmalarının sonuçlarına göre deniz yosunu olarak bilinen algler de iyi bir biyodizel hammaddesidir. CH 2 -O-COR CH 2 -OH KOH, rt, 6h CH-O-COR + 3R OH 3RCOOR + CH-OH CH 2 -O-CO-R CH 2 -OH (100 kg) (10.55 kg) (.1 kg) (100 kg) (10.55 kg) Yağ Alkol KOH Biyo-dizel Gliserin
Biyokütleden dizel-tipi yakıtların üretiminde iki yol izlenmektedir; transesterifikasyon ve hidrojenleştirme yöntemi. Transesterifikasyon biyomotorin üretiminde en yaygın kullanılan yöntemdir. Günümüzde hidrojenleştirme teknolojisinin kullanımı çok kısıtlıdır ancak bu yolla elde edilen yenilenebilir yakıtın kalitesi transesterifikasyon işlemi ile elde edilenden daha yüksektir. Pekçok AB ülkesi, ABD ve Kanada nın ulusal Biyodizel programları vardır. ABD 2004 yılında 30 milyon galon biyodizel üretmiştir. Fransa dünyanın en büyük üreticisidir
Biyodizel ham bitkisel yağ değildir. Biodiesel Petroleum diesel Ayçiçek, soya, kanola vb. gibi yağlı tohum bitkilerinden elde edilen yağlar veya atık yağlardan elde edilir Gliserini yağdan uzaklaştıran bir kimyasal proses ile üretilir. B100 B20 B10 B5 B2 0 50 100 Petrol bazlı dizel ile çeşitli oranlarda karıştırılarak kullanılır. Mevcut dizel motorlar bu karışımları minimum bir modifikasyonla ya da modifikasyona ihtiyaç duymaksızın kullanabilir.
ÖZELLİKLER Biyodizel orta uzunlukta C16-C18 yağ asidi zincirlerini içeren metil veya etil ester tipi bir yakıttır. Oksijene zincir yapısı biyodizeli, petrol kökenli motorinden ayırır. Biyodizel: Çevre dostu Yenilenebilir hammaddelerden elde edilebilen Atık bitkisel ve hayvansal yağlardan üretilebilen Biyolojik olarak hızlı ve kolay bozunabilen Kanserojenik madde ve kükürt içermeyen Yüksek alevlenme noktası ile kolay depolanabilir, taşınabilir ve kullanılabilir Motor ömrünü uzatan Kara ve deniz taşımacılığında kullanılabilen Isıtma sistemleri ve jeneratörlerde kullanıma uygun Stratejik özelliklere sahip (dışa bağımlılığı azaltan) Mevcut Diesel motorlarında hiçbir tasarım değişikliği gerektirmeden kullanılabilen Ticari başarıyı yakalamış bir yeşil yakıttır.
AB ve ABD de Biyo-dizel standardları belirlenmiştir...
ISIL DEĞER Petrol bazlı dizel Biyodizel (soya bazlı) 130,500 BTU/gallon 128,000 BTU/gallon ENERJİ VERİMİ B20 biyodizelin enerji verimi petrol bazlı dizele göre % 92-98,5 arasında bulunmuştur. (Cummins truck engine, SRI Study). Farklı motor devirleri için biyodizelin ve petrol bazlı dizelin enerji verimleri % (-7)-(13) arasında değilmiştir. (Volvo marine engine, 110 HP, Tennessee Study ) YAKIT TÜKETİM DEĞERLERİ Petrol bazlı dizel 0.43 lb/hp-hr B20 0.44 B100 0.50
EKSOZ EMİSYONLARI CO2 EMİSYONLARI Hidrokarbonlar: -%100 CO: -%50 NOx: +%13 Partikül Madde: -%30 Sülfat: -%100 Ozon oluşturma potansiyeli: -%50 Formaldehit ve asetaldehit: -%30 Deneyler Cummins n14 diesel truck motorunda Teksas, ABD de gerçekleştirildi. Sonuçlar petrol bazlı dizel emisyon değerlerine göre değişimi göstermektedir. Karbon Ticareti Potansiyeli Sera Gazı (GHG) Emisyonlarında azalma 1 Ton biyo-dizel yaklaşık olarak 3 ton CO 2 esalınımını önler 1 Ton CO 2 e Emisyon azaltım sertifikasının değeri: ~5 ABD Doları Bu da biyodizel kullanımında 75 sent/litre ek gelir demektir
Çeşitli AB Ülkelerinde Biyodizele Verilen Devlet Desteği Country Diesel Price Duty on Diesel Total cost Subsidy given net of duty Diesel Price of biodiesel on biodiesel $/MT $/MT $/MT $/MT $/MT Austria 584 353 936 1,090 431 Finland 581 433 1,014 1,090 625 France 541 486 1,027 1,090 490 Germany 517 588 1,104 1,065 607 Greece 591 306 897 1,090 Not Known Ireland 502 525 1,027 1,065 Not Known Italy 627 504 1,130 1,065 598 Portugal 536 374 910 1,065 374 Spain 544 366 910 1,065 579 Sweden 718 435 1,153 1,090 511 U.K. 385 1,060 1,445 1,090 205
ABD deki ticari biyodizel üretim tesisleri ABD deki biyodizel satış noktaları
Ülkemizde 2003 yılında 5015 Sayılı Petrol Piyasası Kanunu nda biyodizelin ÖTV dışında tutulması nedeniyle yatırımlar dünyaya paralel biçimde hızla artmıştır. Ancak söz konusu muafiyetin 2006 yılında kaldırılması sonrasında üretim maliyetleri zaten yüksek olan biyodizel için konan bu ÖTV, üreticileri sıkıntıya sokmuştur. Yağlı tohum fiyatlarındaki artışla ÖTV birleşince birçok üretici biyodizel üretemez hale gelmiştir. Mevcut durumda 50 civarındaki lisanslı biyodizel üretim tesisinin yıllık 2 milyon ton a varan kurulu kapasitesinin büyük bir bölümü atıl bir durumda beklemektedir. İlgili uzmanlar, ülkemizde biyodizel teknolojileri konusunda herhangi bir teknoloji eksikliğinin olmadığını, biyodizel üretiminin durma nedeninin vergilendirme politikalarıyla ilgili olduğunu vurgulamaktadır. Bu konuda sağlıklı bir tarım ve vergilendirme politikasının tesisi, ülke çıkarları ve yapılan yatırımların boşa gitmemesi açısından önem taşımaktadır. Biyodizel, esas olarak, atık yağdan üretildiğinde, atık bertarafında da hizmet ettiği için iki ayrı kazanıma yol açmaktadır. Bu süreçteki kazanımlar açık olarak ortaya koyulur ise atıklardan biyodizel ve diğer biyoyakıtların üretiminde yeni bir açılım sağlanabilir.
TÜRKİYE DE AKARYAKIT TÜKETİM VE BİYODİZEL KURULU KAPASİTE KOMPOZSYONU Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı http://www.enerji.gov.tr/bysweb/downloadbelgeservlet;jsessionid=ac100a1530d7917e96501bee4ab1ae52f6ba8c93bc00.e3mpbhetb3j0bx0mci0?read=db&fileid=42001
TEŞEKKÜRLER Prof.Dr. Göksel G N. Demirer ODTÜ Çevre Mühendisligi M BölümüB Tel: 312 210 58 67 e.posta: goksel@metu.edu.tr