TÜBİTAK KAMU KURUMLARI ARAŞTIRMA VE GELİŞTİRME PROJELERİ DESTEKLEME PROGRAMI (1007) PROJE GELİŞME RAPORU ÖZETİ 106G112 ALT PROJELER 107G021 107G022 107G023 107G024 PROJE ADI : BİTKİSEL VE HAYVANSAL ATIKLARDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ VE ENTEGRE ENERJİ ÜRETİM SİSTEMİNDE KULLANIMI (BİYOGAZ) MÜŞTERİ KURUM (LAR) : T.C. KOCAELİ BÜYÜKŞEHİR BELEDİYESİ PROJE YÜRÜTÜCÜSÜ KURUM/KURULUŞ (LAR) : TÜBİTAK MARMARA ARAŞTIRMA MERKEZİ PROJE YÜRÜTÜCÜLERİ : AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ ZİRAAT FAKÜLTESİ, KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAK., SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ ZİRAAT FAK., EGE ÜNİVERSİTESİ GÜNEŞ ENSTİTÜSÜ RAPOR NO RAPOR TARİHİ :1 : 15/10/2007 1
İÇİNDEKİLER 1. ÖZET GELİŞİM... 2 2. TAKVİM VE KAPSAM (HER MADDE İÇİN YAZIM ALANI GEREKTİĞİ KADAR UZATILABİLİR.)... 2 2.1. BU DÖNEM İÇİNDE YAPILAN İŞ PAKETLERİ ÖZET GELİŞİMİ... 2 2.2. BU DÖNEM İÇİNDE PROJE ÖNERİSİNDE ÖNGÖRÜLEN ORANDA TAMAMLANMAMIŞ İŞ PAKETLERİ VE 3. TEKNİK BÖLÜM... 7 3.1. DÖNEM İÇİNDE PROJEYLE İLGİLİ BİLİMSEL, TEKNİK VE TEKNOLOJİK GELİŞMELER VE SONUÇLARIN TARTIŞILMASI... 7 3.2. DÖNEM İÇERİSİNDE ELDE EDİLEN ÇIKTILAR VE SONUÇLARI... 15 4. EKLER... 37 EK-A. BÜTÇE TABLOLARI... 37 EK.B. TRANSFER TAKİP SİSTEMİNDEN (TTS, WEB ADRESİ: HTTP://TTS.TUBİTAK.GOV.TR) BÜTÇE RAPOR VE YARDIMCI DEFTER ÇIKTILARI... 37 EK.1. TEKNİK RAPOR-1... 37 EK.2. TEKNİK RAPOR-2... 37 EK.3. TEKNİK RAPOR-3... 37 2
1. ÖZET GELİŞİM (Bu gelişme raporu döneminden önce proje kapsamında yapılan çalışmalar ve çalışmalara ilişkin özet gelişim verilecektir. Mümkünse genel olarak maddeler halinde yazılması önerilir ) 1. Çalışma grupları arasında koordinasyon sağlanarak proje devamlılığı sağlandı. 2. Biyogaz üretim ve enerji dönüşüm teknolojileri araştırıldı. 3. Sistem simülasyonu ve entegrasyonu için çalışmalar yapıldı. Biyogaz üretim prosesinin herbir adımının ve tüm sistemin simülasyonu yapılmış ve raporlanmıştır. 4. 5. Laboratuvar ölçekli biyogaz sistemi kurulum çalışmaları başlatıldı. Yakıtlar, karakterizasyon için gerekli yerlerden temin edilerek analizlerine başlandı. Laboratuar ölçekli biyogaz tesisi için tasarım-imalat süreci başlatıldı. Proje sonuçlarının yayılımına yönelik olarak Web sitesi oluşturuldu, bir adet protatip hazırlanarak devreye alındı. 2. TAKVİM VE KAPSAM (Her madde için yazım alanı gerektiği kadar uzatılabilir.) 2.1. Bu Dönem İçinde Yapılan İş Paketleri Özet Gelişimi IP No Tamamlanma İş Paketi Adı İP Sorumlusu Kurum/Kuruluş Oranı (%) 1 Proje Yönetimi TÜBİTAK MAM 17 2 Biyogaz üretim ve enerji dönüşüm teknolojilerinin araştırılması KOU 100 2.1 Biyogaz üretim teknolojileri KOU, EGE 100 2.2 Biyogaz enerji dönüşüm teknolojileri KOU, AKD, EGE, 100 3 Sistem simülasyonu ve entegrasyonu SDÜ 75 3.1 Biyogaz üretim sistem simülasyonu SDÜ, TÜBİTAK MAM 100 3.2 Enerji Dönüşüm Sistemleri (kazan, gaz motoru ve mikro türbin) ile entegrasyonun simülasyonu SDÜ, TÜBİTAK MAM 3 50
5 Laboratuar ölçekli biyogaz sistemi çalışmaları 5.1 Yakıtların sağlanması 5.2 Yakıtların karakterizasyonu 15 Proje sonuçlarının yayılımı EGE AKD, KOU, EGE, SDÜ TÜBİTAK MAM KOU, TÜBİTAK MAM,AKD 17 50 33 17 AÇIKLAMA: (İş paketleri kapsamındaki faaliyetler ve varsa gerekli ek bilgiler) 1. Proje yönetimi 1.1. Proje yönetici/yürütücülerinin katıldığı Kocaeli Büyükşehir Belediyesi nin ev sahipliğinde proje açılış toplantısı yapıldı, 1.2. Proje kapsamında üç yeni personel görevlerine başladı, 1.3. Peryodik toplantılar düzenleyerek proje yürütücülerinin yaptığı faaliyetler takip edildi ve tartışıldı. 1.4. Mevcut teknolojiler yanında yeni gelişmeleri takip için eğitimler ve sempozyumlar takip edildi. 2. Biyogaz üretim ve enerji dönüşüm teknolojilerinin araştırılması 2.1. Türkiye deki tarımsal ve hayvansal atık potansiyeli detaylı olarak incelendi, pilot tesisin kurulacağı Kocaeli için mevcut atık durumu çıkarıldı, 2.2. Bu teknolojilerin ülkemiz tarımsal ve hayvansal kaynaklı atıklara uygulanabilirliğinin incelenmesi yapıldı, 2.3. Bu teknolojilerin ülkemizde üretilmesi, yaygınlaştırılması ve bu hususlarla ilgili kısıtların belirlendi, 2.4. Tarımsal ve hayvansal atıkların değerlendirilmesi açısından uygun teknolojiler, mevcut teknolojilerinin ve kısıtlarının durumu incelendi, 2.5. Biyogaz üretim sistemlerinin 2.5.1. Teknolojik durumu 2.5.2. Teknolojik kısıtlar 2.5.3. Sistem verimlilikleri 2.5.4. Sistemlerin avantaj ve dezavantajları 2.5.5. AR-GE alanları araştırıldı, 2.6. Üretilen gazların enerji kaynağı olarak kullanılmasının incelenmesi 2.6.1. Kazanlarda 2.6.2. İçten yanmalı motorlarda yapıldı, 3. Sistem simülasyonu ve entegrasyonu 3.1. Pilot ölçekli tesis için materyal, kapasite ve iklim verileri tespiti ile biyogaz üretim sistemi modellemesi yapıldı, 3.2. Modellemelerinin yapılabilmesi için gereken programlar satın alındı, 3.3. Biyogaz üretiminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yöntemiyle yapıldı 4
3.4. Tek kademeli sürekli beslemeli tam karışımlı tank reaktörünün (CSTR) ısı transferi modellemesi yapıldı, 3.5. Biyogaz üretiminin ADM1 modellemesi için (biyokimyasal ve fiziko-kimyasal işlemler) program üzerinde revizyonlar yoluyla modelleme adaptasyonu sağlandı, 3.6. Enerji dönüşüm sistemlerinin (gaz motoru-jeneratör grubu) modelleme ve simülasyonu yapıldı, 3.7. Biyogaz üretim sistemleri ve enerji dönüşüm sistemlerinin entegrasyonu: nesne odaklı (object oriented) modellemesi yapıldı, 3.8. Gaz-motor grubu simülasyonu yapılarak etken faktörler tespit edildi ve bu faktörlerin optimum çalışma koşulları için iyileştirme çalışmaları yapıldı. 4. Laboratuar ölçekli biyogaz sistemi çalışmaları 4.1 Laboratuar ölçekli tesisin işletmeye alınabilmesi için, boyutlarının, kapasitesinin ve hedef enerji üretiminin incelenmesi yapılarak tasarım ve imalatı tamamlandı, 4.2 Lab. ölçekli tesiste yapılacak denemelerle pilot tesis için gerekli bilgi birikimi edinildi, 4.3 Atıkların sağlanması için gerekli çalışmalar yapılarak temin yolları tespit edildi, 4.4 Analiz için TÜBİTAK MAM laboratuarına gerekli atık numuneleri sağlandı ve analizler devam etmektedir. 5. Proje sonuçlarının yayılımı 5.1. Tanıtım ve bilinçlendirme amaçlı projeye ait web sitesi kuruldu ( www.biyogaz.org.tr) ve sürekli güncellenmesi için görev paylaşımı yapıldı, 5.2. Gösteri amaçlı olan protatip reaktör işletmeye alınarak biyogazın ilk eldesi sağlandı. 5
3. TEKNİK BÖLÜM (Her madde için yazım alanı gerektiği kadar uzatılabilir.) 3.1. Dönem İçinde Projeyle İlgili Bilimsel, Teknik ve Teknolojik Gelişmeler ve Sonuçların Tartışılması (Projeyle ilgili bilimsel, teknik ve teknolojik gelişmeler proje önerisi ile karşılaştırılarak verilmeli, elde edilen veriler ile varılan ara sonuçlar tartışılmalıdır) 4.1.1. Biyogaz Üretim ve Enerji Dönüşüm Teknolojilerinin Araştırılması İş paketi kapsamında öncelikle Türkiye nin tarımsal ve hayvansal atıkların genel potansiyeli çıkarılmıştır. Ayrıca pilot tesisin kurulacağı Kocaeli Bölgesi için özel olarak tesis kapasitesini belirleyecek atık tespiti yapılmıştır. Yapılan literatür çalışmalarının ışığında Türkiye de anaerobik biyoteknolojinin tarımsal ve hayvansal atıkların bertaraf edilerek biyogaz üretiminde yeteri kadar değerlendirilmediği açıkça görülmektedir. Atıkların yok edilmesi gereken maddeler olarak düşünülmesi yerine, hammadde olarak ele alınması daha anlamlıdır. Çiftlik tipi biyogaz tesisleri ülkemiz için büyük önem taşımaktadır. Bu durum, enerjide dışa bağımlılığın azaltılmasına, hayvancılığın teşvik edilmesine, daha yaşanılır mekanların yaratılmasına katkıda bulunacaktır. Bu konuda uygulamaya dönük araştırma geliştirme faaliyetlerine önem verilmelidir. Devletin, yenilenebilir enerji kaynaklarını kullananlara teşvik veya vergi indirimi kolaylıkları sağlaması ve özendirici olması gerekir. Bu, aynı zamanda istihdamın artmasına katkıda bulunacaktır. Arıtma tesislerinden çıkan suyun ve içerdiği besin maddelerinin tarımsal sulamada değerlendirilmesi, gittikçe ısınan ve su kaynakları azalan dünyada çok büyük önem arz etmektedir. Reaktörden çıkan gazı alınmış malzemenin gübre değeri de bulunmaktadır. Bu gübre organik tarımın gelişmesine çok büyük katkı sağlayacaktır. Anaerobik fermantasyon prosesinde hala bir çok potansiyel araştırma alanları mevcuttur. Genel olarak sülfatlı atıklarda ortaya çıkan H2S ve koku problemleri büyük ölçüde çözülmüş olup, gerekli teknolojiler mevcuttur. Fakat açığa çıkan azotun değerlendirilmesi, geri kazanılması veya atmosferik azota dönüştürülmesi konusunda maliyet düşürücü araştırmalar gereklidir. Çalışmadan elde edilen sonuçları özetlemek gerekirse; a) Yapılan literatür çalışmaları sonucunda biogaz üretim teknoloji Biyogaz üretiminde kullanılan sistemler genel olarak üç ayrı grupta incelenir. Bunlar: Kesikli fermantasyon, Beslemeli-kesikli fermantasyon ve Sürekli fermantasyon olarak belirtilmiştir. Bu teknolojilerde verimlilik bakımından en önemlisi sürekli fermantasyon olduğu anlaşılmıştır. Bu teknoloji, gelişmiş ülkelerde modern ileri teknoloji uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bunların dışında, uzun yıllardan beri kullanılan bir çok biyogaz üretim sistemleri de vardır. Özellikle kırsal kesimler için önerilen ve kısıtlı yerel olanaklarla yapılan ve kullanılan bu tür sistemler, çok değişik tipte olup genel olarak, Hareketli kubbeli, Sabit kubbeli ve Balonlu biyogaz tesisleri olarak sınıflandırılmıştır. Bunlarda da hareketli kubbeli biyogaz tesislerinin en verimli olduğu anlaşılmıştır. b) Yapılan literatür çalışmalarının çerçevesinde, biyogaz reaktörlerinin çalışma koşullarına göre belirli sıcaklık değerlerinde sabit tutulması, biyogaz üretimi açısından önemli bir faktördür. Bunun için gerekli olan ısıl enerji girdisi, sistemden elde edilen net enerjinin düşmesine neden olmaktadır. Ülkemizin özellikle güney ve batı bölgelerinde, bu enerjinin güneş enerjisi ile sağlanması sistem veriminin artmasını sağlayacaktır. Güneş enerjisi destekli biyogaz reaktörlerinin oluşturulması ve işletilmesinde karşılaşılacak sorunlar, sistem üzerinde birtakım eklemeler ve değişiklikler yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Tasarım sırasında bu sorunların göz önüne alınması, sonrasında karşılaşılabilecek sorunların çözülmesini sağlayacaktır. 6
enerjinin ve özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının her geçen gün artan önemi göz önüne alındığında, biyogaz reaktörlerinin diğer alternatif enerji kaynakları ile birlikte hibrit sistem olarak tasarlanması öncelikli hale gelmektedir. Ülkemizde oldukça geç kalınmış olan biyogaz potansiyelinin değerlendirilmesinde bu durumun dikkate alınması ve hayata geçirilmesi, biyogaz sistemlerinin yaygınlaştırılması açısından büyük önem taşımaktadır. Özellikle Ege Bölgesinde güneş enerjisinin yanı sıra, jeotermal ve rüzgar enerjisinin de önemli bir potansiyele sahip olduğu bilinmektedir. Reaktörlerin tasarımında bu potansiyelden yararlanabildiğimiz ölçüde biyogaz, ülkemizde hak ettiği konuma gelecektir. c) Biyogazın yakılarak enerjiye dönüşmesinde kazanlar, içten yanmalı motorlar, gaz türbinleri kullanılmaktadır. Kazanlardan özellikle sıvı ve gaz yakıtlı kazanların konstrüksiyonunda değişiklik yapmadan sadece yakıcılarında değişiklik yapılarak biyogaz yakılabilmektedir. Bu kazanlar, özellikle su borulu kazanlar, alevduman borulu kazanlar, özel kazanlar olabilmektedir. Ayrıca yakma teknolojilerinin geliştirilmesiyle özellikle akışkan yataklı kazanların gelişmesiyle biyogazın diğer sıvı, katı, gaz yakacaklarla beraber akışkan yataklı kazanlarda da kullanılmaktadır. Özellikle ısıtmada kullanılmak üzere sıcak su üretiminde çelik ve döküm kazanlarda biyogaz yakılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda sıvı yakıtlarla birlikte kullanılmaktadırlar. Bu durumda motorun genel verimi artırılmaktadır. Son zamanlarda biyogazın kullanımı gaz türbinlerinde de oldukça arttığı görülmüştür. d) Günümüz Türkiye sinde, bazı sanayilerde tarımsal atıklardan küçük ölçekte yararlanılmaktadır. Bununla birlikte, Türkiye de biyokütle enerjisi kullanımının önündeki mali ve teknik engeller, politika ve piyasa araçlarının yetersizliği gibi nedenlerle, biyokütle ve katı atıkla işletilen enerji tesislerine özel sektör henüz yeterli düzeyde ilgi duymamaktadır. Uygun bir politikanın geliştirilmesi de giderlerle ilgili sorunların etkilerinin hafifletilmesine yardımcı olabilir. Proje yatırım risklerinin azaltılması için kamu sektörünün uygun mali destekler geliştirmesi gerekir. Önerilebilecek potansiyel piyasa araçları şunlardır: Tarımsal yan ürünlerden daha iyi yararlanılmasına destek olan mali teşvikler (örneğin direkt ödenekler, krediler ve/veya sübvansiyonlar); Tarımsal atıkların çöp yerlerine depolanmasını veya tarımsal atıkların çevre dostu olmayan şekilde kullanılmasını caydırıcı çevre vergileri ve cezalar; Biyokütle kaynaklarından üretilen elektrik, ısı ve/veya nakliye yakıtlarının vergilendirilmesinde muafiyetler tanınması veya vergi düzeyinin düşürülmesi; Özel krediler, tesis ilk çalıştırma sübvansiyonları ve/veya ödenekler gibi enerji yatırımlarıyla ilişkili mali destek mekanizmaları. Tarımsal atıklardan yararlanılması için uygun politikaların formüle edilip uygulanmasında devletin rolü çok önemlidir. Özel politika ve yönetmelikler tavsiye edilirken, bakanlıklar arası (örneğin tarım, enerji ve çevre bakanlıkları arasında) koordinasyon ve işbirliğinin geliştirilmesi ve bu konularda etkinlik ve etkililiğin sağlanması da önemlidir. Politika ve uygulamadaki başarılar önemli bir sonuç alınmasını sağlayabilir: Gerekli fonları harekete geçirme kapasitesine sahip özel sektör biyokütle ve yenilenebilir diğer enerji kaynaklarının geliştirilmesine katılım konusunda teşvik edilmelidir. 3.1.2. Sistem Simülasyonu ve Entegrasyonu İş Paketi 3 kapsamındaki biyogaz üretim sistemini simülasyonu için en güncel programlar ve modeller kullanılmıştır. 7
Bu programlar ve modeller farklı sistemler için (Piston akımlı veya 2 kademeli anaerobik fermentörler için) geliştirilmiş olup tek kademeli sürekli beslemeli tam karışımlı sistemler için adaptasyonu yapılmıştır. Örneğin ADM1 modeli anaerobik ayrıştırmada kullanılan en güncel model olmasına rağmen bu model aktif çamur sistemleri için geliştirilmiş olup organik madde içeriği yüksek olan hayvansal ve bitkisel atıklar için modifikasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. 3.1.2.1 Biyogaz Üretiminin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) Yöntemi İle Modellenmesi I. Fermentör İçinde Sıcaklık Dağılımı Fermantör içinde sıcaklık dağılımları incelendiğinde, fermentör tabanında sıcaklıkların diğer bölgelere göre daha yüksek olduğu gözlemlenmektedir. Karıştırıcı etkisinden dolayı materyal sıcaklıkların fermentörün orta bölgelerinde daha az olduğu bulunmuştur. Sıcaklık dağılımlarının hız profillerine bağlı olarak ta oluştuğu söylenebilir. Fermentörde materyal giriş kütle debisi arttıkça fermentör içerisindeki materyalin ortalama sıcaklık değerleri azalmıştır. II. Fermentör İçinde Materyal Akış Hız Dağılımları Fermentör içinde materyal akış hız dağılımları incelendiğinde, kullanılan her iki karıştırıcının materyal akışına olan etkisi açık bir şekilde görülmektedir. Sunulan simülasyon sonuçları düşeyde duran büyük karıştırıcı devri 20 d/d ve yatayda duran mikser tipi karıştırıcının devrinin 200 d/d olduğu durumda elde edilmiştir. Materyal akış hızları karıştırıcılarında etkisiyle oluşan türbülanstan dolayı karıştırıcılara yakın olan bölgelerde daha da artmaktadır. Fermentör içinde daha yüksek noktalarda materyal akış hızlarının azaldığı gözlemlenmiştir. Fermentör içerisinde karıştırıcıların karıştırma özelliğinden dolayı vortekslerin oluşabildiği ve bu bölgelerde materyalin akış hızlarının çok daha az olduğu söylenebilir. III. Fermentör İçinde C6H 12O6 ve CH4 Dağılımları Fermentör içerisinde similasyon sonucu veriler incelendiğinde, organik materyalin (C6H 12O6) konsantrasyonu fermentöre giriş kısmında en yüksek değerde olduğu ve girişten uzaklaştıkça azaldığı gözlemlenmektedir. Organik materyal konsantrasyonu girişten belli bir uzaklıktan sonra değişmediği belirlenmiştir. Bunun nedeni kimyasal reaksiyonun girişten çıkışa doğru kademeli olarak gelişme göstermesinden dolayıdır. Dağılımlar incelendiğinde CH4 ve CO2 dağılımlarının benzerlik gösterdiği gözlemlenmiştir. Ancak metan değerlerinin karbondioksitin değerlerinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir, çünkü metan reaksiyonun ana ürünüdür. Örneğin, materyal giriş kütle debisi 0.275 kg/s olduğunda ve materyal giriş sıcaklıklarında (25, 32 ve 35 oc) elde edilen değerlerin ortalamaları alındığında CO2 ve CH4 için elde edilen mimimum ve maximum molar konsantrasyonları değerleri sırası 9.46 10-5 1.76 10-4 ve 2.1 102 3.98 10-2 kmol/m3 arasında bulunmuştur. Metan ve karbondioksit konsantrasyonları girişten çıkışa doğru arttığı gözlenmiştir. Materyal giriş kütle debisine bağlı olarak üretilen metan miktarının arttığı belirlenmiştir. Her bir giriş kütle debisinde farklı sıcaklıklarda elde edilen metan üretim değerlerinin ortalamaları alındığında; 0.175, 0.275 ve 0.375 kg/s debileri için üretilen ortalama metan miktarları sırası ile 344.8, 843.8 ve 1558.4 m3/gün olduğu hesaplanmıştır. Biyogaz içerisindeki metan üzdesi %52 ve yoğunluğu 0.6679 kg/m3 olarak kabul edildiğinde, toplam üretilen biyogaz miktarları, 663.08, 1622.69 ve 2996.92 m 3 biyogaz /gün olarak bulunmuştur. Bu değerler literatür verileri ile uyuşum içindedir Benzer bir şekilde, Wu ve ark, (2004) dikdörtgen kesitli yatay, torağa gömülü ve piston akımlı (plug flow) anaerobik reaktöründe biyogaz üretiminin simülasyonu için hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelini oluşturmuşlardır. 8
Reaktör hacmi yaklaşık olarak 1593 m3 tür. Kararlı akış koşullarında simülasyonlar yürütülmüştür. Model sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deneysel olarak ölçülen biyogaz miktarı 1274 m3/gün iken model sonucunda hesaplanan biyogaz miktarı ise 1270 m3/gün dür. Tahmin hatası ise %5.25 tir.bu aşamada yapılan simülasyonlar ön çalışma niteliğinde olup modelin geçerliliği ve kalibrasyonu ancak projenin ilerleyen aşamalarında ilgili değerlerin alınması ile mümkündür. 3.1.2.2 Tek Kademeli Sürekli Beslemeli Tam Karışımlı Tank Rektörünün (CSTR) Isı Transferi Modellemesi Oluşturulan model, güneşten kazanılan enerjiyi, fermentörlerin duvar, zemin ve örtüsünden meydana gelen ısı kayıplarını ve fermentörü belirli bir sıcaklıkta tutmak için gerekli olan ısı enerjisini tahmin edebilmektedir. Oluşturulan model günlük, aylık ve yıllık olarak, fermentörü belirli sıcaklıkta tutmak için gerekli olan enerji hesaplamasında kullanılmasına rağmen bu çalışmada herhangi bir ay içinde günlük enerji ihtiyacının hesaplamasında kullanılmıştır. Biyogaz tesisinde paralel olarak bağlı iki fermentör olup hesaplamalar sadece bir fermentör için yapılacaktır. Şekil 1 de Fermentör duvarından, örtüden ve zeminden meydana gelen kondüksiyon ile ısı kayıplarını ay içinde günün bir fonksiyonu olarak vermektedir Ay içinde gün kavramı, örneğin Şubat ayı için yaklaşık olarak 5.5 kw/gün lük bir kayıp bulunmaktadır ve bu değer Şubat ayına ait tüm günler için geçerli olmaktadır şeklinde açıklanabilir. Şekil 1 den de anlaşılacağı üzere, ısı kayıpları kış aylarında en yüksek değerini (Şubat ayında 5.60 kw/gün), yaz aylarında (Ağustos ayında 1.38k kw/gün) en düşük değerini almaktadır. Fermentörden meydana gelen kayıplar, yapı malzemesinin, sıcaklığın, yüzey alanın fonksiyonu olarak değişmektedir. Bu nedenle özellikle yapı ve yalıtım malzemesinin özellikleri meydana gelen ısı kayıplarını değiştirmektedir. Kocaeli iline ait iklim ve konum bilgilerinden yararlanarak fermentörlerin güneşten kazanabileceği ısı enerjisinin aylara göre değişimi Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2 den de anlaşılacağı üzere, güneşten kazanılan ısı enerjisi yaz aylarında en yüksek değerini (Haziran ayında 4.91 kw/gün), kış aylarında (Aralık ayında 1.10 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 isa n M ay H ıs az i Te ran m m A uz gu sto s Ey lü l Ek im K as ım A ra lık t ar t N M ba Şu ca k 0.0 O Isı Kayıpları (Qfloor +Qwall+Qcover ), kw/gün kw/gün) en düşük değerini almaktadır. Ay içinde gün Şekil 1. Fermentör duvarı, örtüsü ve zemininden meydana gelen ısı kayıplarının aylara göre değişimi. Fermentöre giren atık karışımını sabit fermentör sıcaklığına getirmek için gerekli ısı enerjisi miktarının aylara göre değişimi Şekil 3 te verilmiştir. Bu enerji değerinin hesaplanmasında akış değeri veya günlük yükleme miktarı, materyal özgül ısı kapasitesi ve materyal sıcaklığını (verilen aya ait dış hava 9
sıcaklığı) fermentör sıcaklığı olan 35 C ye getirmek için gerekli olan enerji üzerinden hesaplama yapılmıştır. Enerji bütçesinde en yüksek değere sahip olan bu değer, kış aylarında en yüksek değerini (Ocak ayında 26.00 kw/gün), yaz aylarında (Ağustos ayında 17.06 kw/gün) en düşük değerini almaktadır. Fermentörler içinde bulunan ısı değiştiriciler tarafından fermentöre aktarılan ısı enerjisinin (Qheating) aylara göre değişimi Şekil 4 te verilmektedir. Qheating net olarak biyogaz tesisinde materyali sabit fermentasyon sıcaklığında tutmak için gerekli olan enerji değeridir. Qheating değerinin Qmanure_in değerinden farkı, sadece kayıp ve kazanılan ısı enerjisidir. Qheating değeri, kış aylarında en yüksek değerini (Ocak ayında 30.10 kw/gün), yaz aylarında (Ağustos ayında 14.29 kw/gün) en düşük değerini almaktadır. Sonuç olarak, fermentörlerin işletilmesinde düşük enerji gereksinimi Haziran, Temmuz ve Ağustos aylarında meydana geleceği tahmin edilmektedir. Bu aylar için ortalama enerji gereksinimi 15.31 kw/gün olarak belirlenmiştir. Yüksek enerji gereksinimleri ise Kasım ayından başlayarak Mart ayına kadar devam etmektedir. Bu aylar için ortalama enerji gereksinimi 27.88 kw/gün olarak belirlenmiştir. Bu rakamların iki ile çarpılması ile toplam enerji gereksinmeleri bulunabilir. Benzer bir şekilde, Gebremedhin ve ark. (2005) piston akımlı (Plug Flow) anaerobik reaktörler için kapsamlı ısı transferi modeli geliştirmişlerdir. Geliştirilen bu model, yine New York ta iki farklı noktada bulunan iki piston akımlı anaerobik reaktörler ile karşılaştırılmıştır. Model sonuçları ile deneysel sonuçlar reaktörlerin ihtiyaç duyduğu enerji açısında karşılaştırılmıştır. 5/3/04 ile 7/5/04 tarihleri arasında yapılan model sonuçları ile deneysel sonuçların karşılaştırılmasında, tahmin hatasının %0.29 ile %4.14 arasında değiştiği belirlenmiştir. Kurulması düşünülen sisteme ait ön bilgiler doğrultusunda ısı bütçesi oluşturulmuştur. Sistemle ilgili bilgilerin değişmesi durumunda yapılan hesaplamalarında değişeceği açıktır. Bu nedenle projenin ilerleyen aşamalarında hesaplamalar 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 ay ıs az ir Te an m m A uz gu sto s Ey lü l Ek im K as ım A ra lık H n M t ar isa N t ba M O ca k 0.0 Şu Güneşten kazanılan ısı enerjisi (Qsolar ), kw/gün tekrar yapılacaktır Ay içinde gün Şekil 2. Güneşten kazanılan ısı enerjisinin aylara göre değişimi. 10
30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 Aralık Kasım Ekim Eylül Agustos Haziran Mayıs Nisan Mart Şubat 0.0 Temmuz 5.0 Ocak Fermentöre giren biyogaz atık karışımını vvv sabit fermentör sıcaklığına getirmek için ddd gerekli ısı enerjisi (Q manure_in ), kw/gün Ay içinde gün 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 Aralık Kasım Ekim Eylül Agustos Temmuz Mayıs Nisan Mart Şubat 0.0 Haziran 5.0 Ocak aylara göre değişimi. Fermentörler içinde bulunan ısı değiştiriciler tarafından fermentöre aktarılan ısı enerjisi, s (Qheating ), kw/gün Şekil 3. Fermentöre giren atık karışımını sabit fermentör sıcaklığına getirmek için gerekli ısı enerjisinin Ay içinde gün Şekil 4. Fermentörler içinde bulunan ısı değiştiriciler tarafından fermentöre aktarılan ısı enerjisinin aylara göre değişimi. 3.1.2.3 Biyogaz Üretiminin ADM1 Modellemesi (Biyokimyasal ve Fiziko-Kimyasal İşlemler) Pilot ölçekli biyogaz tesisinde kullanılacak olan fermentörlerde biyogaz üretimin modellemesi için ADM1 modeli uygulanmıştır. Hayvan gübresi ve bitkisel atıklar 1:1 oranında karıştırılarak fermentörlere besleme yapılmıştır. ADM1 modeli, karışımın protein, lipit, karbonhidrat ve inert kısımlarına bağlı olarak değiştirilmesine rağmen, kinetik, biyokimyasal ve fiziksel parametreler modelde tanımlandığı gibi kalmıştır. Fermentörlerden elde edilebilecek biyogaz (metan, karbondioksit ve hidrojen ) miktarı verilen materyal özellikleri ve hacimsel debi koşullarında elde edilmiştir. Hesaplama sonucunda, elde edilen günlük metan miktarı 540 m3 tür. İşlem süresince, fermentörlerde ph kontrolü yapılmamıştır. Modelleme çalışması süresince, fermentöre giriş yapan hammadde karakteristiğinin çok önemli olduğu belirlenmiştir. Bu nokta özellikle modelleme çalışmalarında önemli hale gelmektedir. Hammadde karışımının direk olarak fiziksel ve kimyasal özelliklerini analiz etmektense, hammadde bileşenlerinin ayrı ayrı kimyasal ve fiziksel özelikleri tespit edilip karışım oranındaki yüzdelerine göre karışımın kimyasal ve fiziksel özellikleri belirlenmelidir. ADM1 modeli çok kapsamlı bir model olup, bitkisel ve hayvansal materyalin kofermentasyonunun optimizasyonunda kullanılabilir. 11
3.1.2.5 Biyogaz Üretim Sistemleri ve Enerji Dönüşüm Sistemlerinin Entegrasyonu: Nesne Odaklı (Object Oriented) Modellemesi Pilot ölçekli biyogaz üretim ve enerji dönüşüm teknolojilerinin entegrasyonu IPSEpro Nesne Odaklı modelleme tekniğini kullanarak yapılmıştır. Model sonuçları, sürekli yüklemenin yapıldığı biyogaz sistemi için geçerli olup, biyogaz fermentörlerinin ilk yüklemesinde meydana gelen süreçi kapsamamaktadır. Sistemi oluşturan her bir birim IPSEpro ortamında modeli oluşturulup her bir ünite arasında bağlantılar gerçekleştirilmiştir. Eklerde bulunan çizelgelerde IPSEpro modelinin her bir Birim, Bağlantı ve Genel tanımlayıcılar için çıktı değerleri verilmiştir. Bitkisel ve hayvansal kökenli olan atıklar 19 ton/gün günlük yükleme miktarında biyogaz sistemine beslenmiştir. Sistemde öngörülen toplam kuru madde oranı yaklaşık olarak %10-11 dir. Bu oranı sağlayabilmek için günde 30,64 ton su ilavesi yapılmıştır. Bu değere karşılık gelen yükleme oranı ise 2,88 kg (organik kuru madde) OKM/m3 gün dür. Bu çalışmada biyogaz fermentasyonunun mezofilik olarak gereçekleşeceği düşünüldüğünden fermentasyon sıcaklığı yaklaşık olarak 35 C olarak seçilmiştir ve sıcaklığın sistem performansı üzerine etkisi incelenmeyecektir. Fermentörlerin her biri 825 m3 hacminde olup biribirine paralel olarak bağlanmıştır. Ham materyalin nem içeriği yaş baz olarak %75, y.b. dir. Bu koşullar altında, her iki fermentörden toplam günlük 2095 m3 biyogaz elde edilmektedir. Bu gazın, % 52 metan olup %48 Karbondioksit tir. Buna göre, biyogazın 1089 m3 ü metan olup 1005.98 m3 ise karbondioksit tir. Bu hesaplamalar 1 kg kuru madde 0,44 m3 biyogaz elde edileceği esasına göre yapılmıştır. Nitekim Friedl ve ark. (2004) seri bağlı iki fermentörde (1. fermentör 450 m3 ve 2. fermentör 27 0 0 m 3) mısır, sudangrass ve çavdar karışımından oluşan materyalin havasız koşullarda biyogaz üretim özelliklerini incelemişlerdir. Araştırıcılar biyogaz üretim sisteminin nesne odaklı modelini IPSEpro ortamında oluşturmuşlardır. Araştırma sonuçları, deneysel olarak ölçülen biyogaz miktarı (450m3/gün) ile simülasyon sonucunda hesaplanan biyogaz miktarı (456m3/gün) arasında % 1,4 oranında tahmin hatası olduğunu bulmuşlardır. Yine gaz motorundan ölçülen güç (900 kwh/gün) ile simülasyon sonucunda hesaplanan güç (837 kwh/gün) arasında -%7,0 oranında tahmin hatası olduğunu bulmuşlardır. Biyogaz fermentörlerinden elde edilen metan içten yanmalı bir motor olan biyogaz motorunda yakılacaktır. Elektrik, gaz motoruna aküple bir jeneratör ile elde edilmiştir. Gaz motorunun ısıl verimi % 38,6, elekrik verimi ise % 47 olup toplam verim % 85,6 dır. Bu verilere göre, motor-jeneratör grubundan elde edilen elektrik 163,56 kw olup biogaz motor-jeneratör grubundan soğutma amaçlı alınan ısı enerjisi 166,42 kw tır. Isı değiştiricler tarafından fermentörlere aktarılan ısı enerjisi 37,87 kw iken, tesis içi ısıtma amaçlı aktarılan ısı enerjisi 128,56 kw tır. Tesiste, fermentörlerde ve ön karışım hazırlama ünitesinde bulunan karıştırıcı hareketini sağlayan motorlar ve akışkan hareketini sağlayan pompalar motorlar tarafından tahrik edilmektedir. Bunlar için gereksinim duyulan ek enerji 17,32 kw tır. Bu enerji miktarı, sistemde kullanılacak karıştırıcı ve pompa sayısına bağlı olarak değişmektedir. 12
Çizelge 1. IPSEpro modelinin özet sonuçları. Günlük yükleme miktarı (Hal atıkları+ hayvan gübresi) Günlük yükleme miktarı (su) Günlük yükleme oranı 19 ton/gün 30.64 ton/gün 2.88 kg OKM/m3 gün Toplam kuru madde 10 % Fermentasyon sıcaklığı 35 C 1650 m3 Toplam fermentör hacmi Atık materyalin Karbon içeriği 0.44143 kg/kg Atık materyalin Hidrojen içeriği 0.060332 kg/kg 0.0115636 kg/kg Atık materyalin Oksijen içeriği 0.42132 kg/kg Atık materyalin Kükürt içeriği 0.00100553 kg/kg 0.001 kg/kg 0.0633484 kg/kg Atık materyalin Azot içeriği Atık materyalin Kül içeriği Atık materyalin Klor içeriği Atık materyalin nem içeriği (y.b) 75 % Günlük biyogaz üretimi 2095.80 m 3/gün Günlük metan üretimi 1089.82 m 3/gün Günlük CO2 üretimi 1005.98 m 3/gün Kg kuru madde den üretilen biyogaz miktarı 0.44 m 3/kg OKM Biogaz motor elektrik verimi 38.60 % Biogaz motor termik verimi 47.00 % Toplam verim 85.60 % Jeneratörden elde edilen elektrik 163.56 kw/gün Biogaz motor-jeneratör grubundan soğutma amaçlı alınan ısı enerjisi 166.42 kw/gün Toplam Isı + elektrik 329.98 kw/gün 37.87 kw/gün 128.56 kw/gün Isı değiştiriciler tarafından fermentörlere aktarılan ısı enerjisi Tesis içi ısıtma amaçlı aktarılan ısı enerjisi Isı degiştirlere aktırılan ısı enerjisi/tesis içi ısıtma için aktarılan ısı enerjisi 29.45 13 %
Biogaz motordan meydana gelen ısı kayıpları 61.02 kw/gün Gereksinim duyulan ek enerji ihtiyacı (karıştırıcı ve pompalar için) 17.32 kw/gün 3.2. Dönem İçerisinde Elde Edilen Çıktılar ve Sonuçları (Her türlü test, deneme, inceleme, kritik analiz ve simülasyon, patent, tasarım, rapor, doğrulama faaliyeti sonuç raporu, seyahat raporu, yayın, kitap, prototip, teknik resim, entegre devre topografyaları, model, algoritma, yazılım, şartname, vb.) Sorumlu IP No Beklenen Elde Edilen Çıktıların Çıktılar Tanımlanması Yürütücü Kurum/Kuruluş 1 Tanıtım toplantısı yapıldı, TÜBİTAK MAM Proje tanıtımı Proje ilerleme raporları Öngörülen personel alımı Gerçekleştirilen toplantıların raporları kayıt altına alınmıştır, Yeni personel projeye adapte edilmiştir. 2.1. ve 2.2. İP leri 2 KOU 2.1 KOU, EGE Mevcut teknolojilerinin ve kısıtlarının durumu 2.2 KOU, AKD, Tarımsal ve hayvansal atıkların değerlendirilmesi EGE açısından uygun teknolojiler 3 SDÜ 3.1. ve 3.2. IP leri 3.1 SDÜ, TÜBİTAK Biyogaz üretim sistemlerinin modellenmesi ve optimum çalışma koşullarının belirlenmesi, Teknik rapor 2 de sunulmuştur. Enerji üretimi sistemlerinin modellenmesi ve optimum çalışma koşullarının belirlenmesi, her bir alt birimin teker teker ve tüm birimleri kapsayan sistemin entegre bir şekilde modellenmesi ve optimum çalışma koşullarının belirlenmesi, Teknik rapor 3 de sunulmuştur. 3.2 5 5.1 5.2 MAM SDÜ, TÜBİTAK MAM EGE AKD, KOU, EGE, SDÜ TÜBİTAK MAM Teknik rapor 1 de sunulmuştur. Teknik rapor 1 de sunulmuştur. 5.1. ve 5.2. IP leri Tarımsal ve hayvansal atıklardan biyogaz üretimi için laboratuvar ölçekli sistemler Test sonuçları ve Bilgi birikimi 14 Lab. ölçekli tesisin tasarımı tamamlanmış olup imalatı devam etmektedir TÜBİTAK MAM laboratuarlarında temin edilen atıkların analizleri yapıldı
15 KOU, TÜBİTAK MAM, AKD Protatip reaktör işletmeye alındı ve ilk biyogaz çıkışı gözlendi Protatip Web sitesi oluşturuldu ve sürekli güncelleniyor Web sitesi 3.2.1. Proje Yönetimi 4.2.1.1. KOCAELİ Büyükşehir Belediyesi tarafından destek başvurusunda bulunulan ve TÜBİTAK Kamu Kurumları Araştırma ve Geliştirme Projelerini Destekleme Programı kapsamında desteklenen "BİTKİSEL VE HAYVANSAL ATIKLARDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ VE ENTEGRE ENERJİ ÜRETİM SİSTEMİNDE KULLANIMI (BİYOGAZ)" ProjesininTanıtım Toplantısı 25 Nisan 2007'de Kocaeli Büyükşehir Belediyesi Salonunda Kocaeli Büyükşehir Belediye Başkanı Sn. İbrahim Karaosmanoğlu, Kocaeli Üniversitesi Rektörü Sn. Prof.Dr. Sezer Şener KOMSUOĞLU, TÜBİTAK MAM Kimya Çevre Enstitüsü Müdürü Sn. Doç.Dr. Mustafa TIRIS ile proje yönetici ve yürütücü kurum yetkilileri, proje çalışanları, konuk katılımcılar ve basın mensublarının maksimum katılımıyla gerçekleştirildi. Toplantıyla ilgili yerel basında çıkan haberler aşağıdaki linklerde yer almaktadır. *** www.kocaeli.bel.tr/tr/okuma.asp?id=4442 ***www.ozgurkocaeli.com.tr/news.php?id=14265 Resim 1. Proje tanıtım toplantısı Resim 1. Proje Tanıtım Toplantısı 3.2.1.2 Proje yürütücüleri ile yapılması planlanan gelişim ve durum değerlendirme toplantıları düzenli olarak gerçekleştirildi. Bu toplantılara ait toplantı tutanakları kayıt altına alınmıştır. 3.2.1.3. Proje kapsamında TÜBİTAK MAM da işe alımı öngörülen iki adet mühendis ve bir adet teknisyen personel projeye katılmıştır. Gerekli eğitimleri kurum tarafından verilmiştir. Alınan eğitimlerin bazıları şöyledir; Havasız ortam biyogaz üretim prosesi, Biyogaz konsantrasyonu ölçüm teknikleri, Endüstriyel proseste kütle ve enerji denkliğinin kurulumu ve Baca gazında Metallerin örneklenmesi. 15
3.2.1.4. Yeni teknolojileri takip etmek adına düzenlenen eğitimler ve sempozyumlar takip edildi. Proje devamlılığı açısından önemli olan sempozyumlara katılımcı olarak iştirak edildi. Bu amaçla 4-5 Ekim 2007 tarihlerinde, Ege Üniversitesi Bioenerji Bölümü nün düzenlediği Renewable Bioenergy Alternatives for City Transport Applications isimli programa TÜBİTAK MAM proje elamanlarından Selman ÇAĞMAN ve Volkan ÇOBAN katılmıştır. 3.2.2. Literatür Çalışmaları Dünya nüfusunun her geçen gün artması, teknolojinin gelişerek insan yaşamını kolaylaştıracak ürünleri çoğaltarak kullanımını yaygınlaştırması, dünyada kişi başına düşen enerji tüketimini artırmaktadır. Bu da dünyada enerji üretiminin zorunlu olarak artmasına sebep olmaktadır. Dünya enerji ihtiyacı 2003 yılında 10.6 milyar TEP civarında olmuştur. Bu değerin yılda yaklaşık olarak %2.3 lük artışla 2010 yılında 12.4, 2020 yılında 15.4 milyar TEP olacağı tahmin edilmektedir. 2003 yılı verilerine göre dünya enerji üretiminin %86 sı fosil kökenli kaynaklardan sağlanmıştır. Enerjinin bu şekilde kullanılması durumunda mevcut petrol rezervlerinin 41, doğal gazın 62, kömürün ise 230 yıllık ömrü kaldığı tahmin edilmektedir. Fosil kökenli enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükenecek olması bu kaynakların verimli olarak kullanılmasını, diğer taraftan yenilenebilir enerji kaynaklarının daha etkin ve yaygın bir şekilde kullanılması gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından bir tanesi de biyogazdır. Biyogazın gaz motorlarında yakılarak elektrik enerjisi üretilmesi bu teknolojinin kullanımını artırmıştır. 1990 lı yıllarda biyogazdan elektrik enerjisi üretimi tüm dünyada 5000 GWh civarında iken, 2000 yılında bu değer 12048 GWh düzeyine yükselmiştir. Amerika da 4984 GWh, İngiltere de 2556 GWh, Almanya da 1683 GWh, İtalya da 566 Gwh, Fransa da 346 GWh elektrik üretildiği kayıtlara geçmiştir Biyogaz tesislerinin yoğun olarak kullanıldığı ülkelerde biyogaz tesislerinden üretilen elektrik enerjisinin en az uygulanan perakende tarifeye yakın bir fiyatla satın alınması, organik atıkların işlenmesinin yasal bir zorunluluk haline getirilmesi, biyogaz tesislerinin ve biyogaz üretiminin yaygınlaşmasına yardımcı olmaktadır. Biyogaz teknolojisinin yaygın olduğu ülkelerde her türlü organik atık bu tesislerde işlenerek hem enerji elde edilmekte, hem çevreye zarar verebilecek atıklar sterilize edilerek toprak ve su kirlenmesi engellenerek doğal denge korunmakta, hem de tesislerde çıkan atık, bitkisel üretimde gübre olarak kullanılarak değerlendirilmektedir Ülkemizde biyogaz teknolojisi sadece araştırma düzeyinde, çok kısıtlı bilgi ve teknolojiyle uygulanmaya çalışılmıştır. Bu konudaki ilk çalışmalar 1950 li yıllarda yapılmıştır. O zamanki adıyla Toprak-Su araştırma enstitülerince yapılan bir kaç pilot tesis uygun yapıda olmadığı için başarılı bir şekilde çalışmamıştır. Ülkemizde uygulamaya yönelik pratik tesislerin mevcut olmayışı, organik atıkların işlenmesi için gerekli yasal düzenlemelerin hayata geçirilememesi, biyogaz olan ilgisizliği artırmaktadır. Ülkemiz koşullarına ait bir tesis modeli geliştirilmediği ve biyogaza gereken önem verilmediği için ülkemiz bu alternatif enerji kaynağının faydalarından mahrum kalmaktadır. Türkiye de tarım sektörünün temelini oluşturan tarla bitkilerinden (buğday, arpa, tütün, pamuk, çeltik vb.) yıllık olarak 65 Mton tarımsal atık ve hayvancılık kaynaklı 160 Mton yaş gübre olmuştur. Tarımsal atıklardan hayvan besleme amacıyla kullanılamayan atıklar açık havada yakılmakta veya çürümeye terk edilmektedir. Hayvansal gübreler ise genellikle açıkta yığın halinde biriktirilmektedir. Bu durum çevre ve sağlık problemlerini ortaya çıkarmaktadır. Ülkemiz her çeşit enerji kaynağı sahip olmakla birlikte, rezervler kısıtlı olup enerjide dışa bağımlıdır ve tüketiminin %60 ı ithalatla karşılanmaktadır. Oysa, ülkemiz yüksek oranda yenilenebilir enerji (biokütle, 16
hidrolik, rüzgar, güneş, jeotermal vb.) kaynaklarına sahiptir. Bu kaynakların mevcut kullanım oranı düşük olmasına rağmen, hidrolik, güneş, jeotermal ve rüzgâr kaynaklı enerji kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Biyokütleden ise sadece direkt yakma ile enerji dönüşümü yaygın olarak kullanılmaktadır. Hayvansal ve tarımsal kaynaklı atıklardan oksijensiz ortamda biyogaz üretimi ile enerji dönüşümü ise yok denecek kadar azdır. Çevresel, ekonomik ve sosyal faydalar gözetilerek oluşturulan ve konusu tarımsal ve hayvansal kaynaklı atıklardan biyogaz üretimi ve elde edilen gazın entegre enerji dönüşüm teknolojileri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Bu bağlamda TUBİTAK, tarımsal atıkların değerlendirilmesi ile ilgili kurumsal ve yönetimsel değerlendirmeler yapabilmek için, diğer proje ortakları ile birlikte işbirliği halinde çalışılmıştır. Sonuçlar Teknik Rapor 1 olarak EK 1 de sunulmuştur. Teknik Rapor 1 in içeriği aşağıdaki gibidir. 1. Türkiyedeki Tarımsal Ve Hayvansal Atık Potansiyeli 1.1 Türkiyedeki tarımsal atık potansiyeli 1.2 Türkiyedeki hayvansal atık potansiyeli 1.3 Pilot tesisin kurulacağı kocaeli ili için atık potansiyeli 2. Tarımsal Ve Hayvansal Atıklardan Enerji Üretimi İçin Kullanılan Başlıca Teknikler 2.1 Biyogaz Üretimi Anaerobik fermantasyon Biyogaz üretimiyle ilgili günümüze kadar yapılan çalışmaların irdelenmesi Biyogaz üretiminin mikrobiyolojisi Biyogaz üretiminde etkili etmenler Biyogaz tesislerinin tasarımı Biyogaz tesisinin bileşenleri Biyogaz üretim sistemlerinin sistem verimlilikleri 2.2 Diğer Teknikler 3. Direkt yakma Gazlaştırma Kompostlama Biyogaz Sistemlerinin Avantajları ve Dezavantajları 3.1 Biyogaz Sistemlerinin Avantajları 3.2 4. 5. Alternatif enerji kaynağı Fermente gübrenin yararları Çevre ve sağlık açısından yararları Ekonomik ve sosyal yararları Biyogaz Sistemlerinin Dezavantajları Biyogaz Üretim Sistemlerinin Projelenmesi Biyogaz Üretim Teknolojisindeki Gelişmeler 5.1 Anaerobik Reaktörlerin Dünya Genelinde Kullanımı 5.2. Anaerobik Reaktörlerin Türkiye deki Uygulamaları 6. Biyogaz Üretim Sistemlerinin Ar-Ge Alanlari 7. Güneş Enerjisi Destekli Biyogaz Reaktörleri 17
8. Üretilen Biyogazin Enerji Kaynaği Olarak Kullanimi 8.1 Kazanlarda Kullanılmasi 8.2 Biyogazın Içten Yanmalı Motorlarda Ve Türbinlerde Kullanılması 8.3 Biyogaz Tesislerinde Kojenerasyon Yöntemiyle Elektrik Ve Isi Enerjisi Üretimi 9. Biyogaz Üretim Teknolojilerinin Ülkemizde Üretilmesi Ve Yayginlaştirilmasi ve Bununla Ilgili Kisitlarin Belirlenmesi 9.1 Biyogaz Ünitelerinin Kurulabileceği Yerler 9.2 Biyogaz Ünitelerinin Tarimsal Üretime Entegrasyonu 9.3 Türkiye de Biyogaz Teknolojisi Geliştirilmesi 9.4 Yenilenebilir Enerji Politikalari Ve Piyasa Araçlari 9.5 Yenilenebilir Enerji Araştirma Ve Geliştirme Teşvikleri 9.6 Tarimsal Atik Kullanimini Etkileyen Engeller Kurumsal, Yasal Ve Idari Engeller 3.2.3 Sistem Simülasyonu ve Entegrasyonu Biyogazın enerji dönüşümü için modelleme ve simülasyon çalışmaları yapılarak çalışmalar için en güncel programlar ve modeller tahsis edildi ve kullanıldı. Proje kapsamında belirtilen biyogaz tesisinin özellikleri, kullanılacak olan materyalin özellikleri ve iklim verileri doğrultusunda modeller oluşturulmuştur. Gerçekleştirilen çalışmalara ait detay bilgiler düzenlenen raporlarda mevcuttur. Biyogaz üretim sistemlerinin modellemesi birkaç farklı modellemeyi içermektedir. İlk model Biyogaz Üretiminin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemi ile Modellenmesi dir. Bu model FLUENT programını kullanarak oluşturulmuştur. Fermentörlerin içinde meydana gelen, sıcaklık, karıştırmadan dolayı meydana gelen hız profilleri ve reaksiyonlardan dolayı meydana gelen konsantrasyon profilleri incelenip simülasyonlar yapılmıştır. İkinci model Tek Kademeli Sürekli Beslemeli Tam Karışımlı Tank Rektörünün (CSTR) Isı Transferi Modellemesi dir. Bu model fermentörlerin kazandığı ve kaybettiği ısı enerjisinin hesaplanması için kapsamlı bir ısı transferi modeli oluşturulmuş ve FORTRAN programında yazılan bir program ile simülasyonlar yapılmıştır. Üçüncü model ise Biyogaz Üretiminin ADM1 Modellemesi (Biyokimyasal ve Fiziko-Kimyasal İşlemler) dir. Bu model, ADM1 modelini kullanarak yapılmıştır. Bu modelde fermentörlerin içinde meydana gelen biyokimyasal ve fiziko-kimyasal işlemler tanımlanmakta ve simülasyonlar yapılmıştır. Bu modeller Teknik Rapor 2 olarak Ekte 2 sunulmuştur. Teknik Rapor 2 in içeriği aşağıdaki gibidir. 1. Giriş 1.1 Kocaeli Belediyesi Pilot Ölçekli Biyogaz Tesisi İle İlgili Bilgiler 1.2 Biyogaz Tesisi Modelleme ve Simülasyon Çalışması İçin Genel Bilgiler Kocaeli ne ait iklim ve yer bilgileri Tesiste kullanılacak hammadde ile ilgili bilgiler: Biyogaz tesisinde kullanılacak sistem ve sistemi oluşturan alt birimler ile ilgili bilgiler Biyogaz tesisinin işletilmesi ile ilgili bilgiler 18
2. Biyogaz Üretiminin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (Cfd) Yöntemi İle Modellenmesi 2.1 Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği 2.2 Matematiksel Modelin Geliştirilmesi Kütle korunumu denkliği Momentum korunumu denkliği Türbülans modeli (Standart k- ε modeli) Enerji denklemi Kütle taşınım denklikleri Kimyasal reaksiyon denklemleri Reaksiyon oranlarının modellenmesi 2.3. Modellenen Biyogaz Fermantörünün Geometrisi 2.4 Sonuçlar Fermentör İçinde Sıcaklık Dağılımları Fermentör İçinde Materyal Akış Hız Dağılımları Fermentör İçinde C6H 12O6 ve CH4 Dağılımları 3. Tek Kademeli Sürekli Beslemeli Tam Karışımlı Tank Rektörünün (Cstr) Isı Transferi Modellemesi 3.1 Isı Transferi Modeli Güneş ışınımı Biyogaz materyali akışından dolayı ısı kaybı Dış hava ile fermentör örtü malzemesi arasındaki ısı değişimi Fermentör duvarlarından meydana gelen ısı kaybı Fermentör zemininden meydana gelen ısı kaybı 3.2. Model Giriş Parametreleri ve Çözümleme 3.3. Sonuçlar 4. Biyogaz Üretiminin Adm1 Modellemesi (Biyokimyasal Ve Fiziko-Kimyasal İşlemler) 4.1. Havasız Ayrışmanın Aşamaları ADM1 parametre ve değişken tanımları Dinamik durum değişkenleri Oran denklem matrisi 4.2. Tek Kademeli Sürekli Beslemeli Tam Karışımlı Tank Reaktörünün (CSTR) Modellenmesi Sıvı faz denklemleri Gaz fazı denklemleri Proses oranları: Prosesin engellenmesi: Su fazı eşitlikleri Gaz fazı eşitlikleri Cebirsel eşitlikler 4.3. Model Eşitlikleri 4.4. ADM1 Değerlendirme (BENCHMARK) Modeli Parametreleri 4.5. Pilot Ölçekli Biyogaz Tesisinde ADM1 Modelinin Adaptasyonu Değiştirilmiş (modified) ADM1 modeli Biyogaz fermentörlerinin işletilmesi ve ADM1 modelinde tasarlanması Giriş akış karakterinin belirlenmesi (Influent characterization): Pilot biyogaz tesisi için ADM1 simülasyonları 4.6. Sonuçlar 19
Enerji dönüşüm sistemleri ve entegrasyonu çalışması için geliştirilen model Enerji Dönüşüm Sistemlerinin (Gaz Motoru-Jeneratör Grubu) Modelleme ve Simülasyonu dir ve HYSYS programı kullanarak geliştirilmiştir. Bu modelde, gaz motorunun farklı metan yükleme oranlarında motorun performansına olan etkileri incelenmiştir. Son olarak biyogaz üretim ve enerji dönüşüm sistemlerinin entegrasyonu için Biyogaz Üretim Sistemleri ve Enerji Üretim Sisteminin Entegrasyonu: Nesne Odaklı (Object Oriented) Modellemesi çalışması yapılmıştır. Bu çalışma IPSEpro modelleme ortamında yapılmış olup, her iki sistemin entegrasyonunu sağlamaktadır. Bu modeller Teknik Rapor 3 olarak Ekte 3 sunulmuştur. Teknik Rapor 3 nin içeriği aşağıdaki gibidir. 1. Enerji Dönüşüm Sistemlerinin (Gaz Motoru-Jeneratör Grubu) Modelleme Ve Simülasyonu 1.1. Giriş 1.2. Motor-Jeneratör Grubu Modellemesi Kütle ve enerji denklikleri Gaz motoru-jeneratör grubu simülasyonu Biyogazdaki metan oranı Biyogaz debisinin etkisi Yakıt hava oranı (l) etkisi Motor içindeki yanma oranının etkisi 1.3. Sonuçlar 2. Biyogaz Üretim Sistemleri Ve Enerji Dönüşüm Sistemlerinin Entegrasyonu: Nesne Odaklı (Object Orıented) Modellemesi 2.1. IPSEpro modelleme aracı hakkında genel bilgiler 2.2. IPSEpro biyogaz üretimi ve entegre enerji sistemi 2.3. Biyogaz üretim ve entegre enerji sistemi için IPSEpro tanımları 2.4. Biyogaz üretim ve enerji dönüşüm sistemlerinin bileşenlerinin IPSEpro modelleme ortamında modellerinin oluşturulması Ön karışım hazırlama ünitesi Biyogaz Fermentörü H 2S ayırma ünitesi Gaz motoru Isı değiştirici Karışım odası Akış ayırıcılar Motorlar Pompalar Isı havuzu (gaz motorundan elde edilen ısı enerjisinin kullanıldığı nokta) 2.5. IPSEpro model giriş verileri 2.6. IPSEpro model sonuçları 2.7. Entegre biyogaz ve enerji üretiminde etkili faktörler ve sistem optimizas yonu Yükleme oranı (YO) Hammadde özgül metan üretim oranı (Mokm) Üreteç özgül metan üretim oranı (Mv) Kuru madde oranının proses tasarımına ve biyogaz performansına etkisi Yükleme oranının biyogaz sisteminin performansına etkisi Hammadde içeriğinin biyogaz sisteminin performansına etkisi 20
3.2.4 Laboratuvar Ölçekli Biyogaz Sistemi Çalışmaları 3.2.4.1. Laboratuar Ölçekli Tesis ve Çalışma Prensibi Tarımsal atıkların biyogaz teknolojisiyle değerlendirilmesine yönelik yapılacak çalışmada öncelikle bu denemelerin yapılacağı deney setinin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Deney setinin toplam 1 m3 hacme sahip olması ve geometrik olarak pilot tesisle aynı şekilde olması göz önünde tutularak tasarımı yapılmıştır. Deney setinin imalinde paslanmaz çelik malzeme kullanılmıştır. Üretecin ısıtılmasını sağlayan su cebinin bulunduğu yüzeyler ısı izolasyonu için cam yünü ile kaplanarak dışına koruyucu bir sac giydirilmiştir. Tüm sistem bir platform üzerine monte edilmiştir. Platformun istenildiğinde rahatça hareket ettirilebilmesi ve taşınabilmesi için hareketli olması sağlanmıştır. Bu amaçla platforma 4 adet tekerlek takılmıştır. Deney setinde öncelikle hammadde olarak kullanılacak materyallerin, yani tarımsal atıkların biyogaz üretecinde kullanılabilmesi için özelliklerine bağlı olarak boyutlarının küçültülmesi gerekmektedir. Bu amaçla laboratuar sistemi yakıt hazırlama tankı adı verilen düzenek yapılmıştır. Bu düzenekte biri kıyıcı bıçaklı helezonlu parçalayıcı, diğeri çelik bıçaklı öğütücü olmak üzere iki adet parçalama ekipmanı bulunmaktadır. Bu ekipmanlar sayesinde her türlü tarımsal atık materyalin parçalanması sağlanabilecektir. Öğütme ve parçalama işlemi tamamlanan materyal hazırlama tankı içerisine alınacak, burada içerisine su ilave edilerek kuru madde, organik kuru madde oranı istenen seviye getirildikten sonra ve tank içerisindeki bir karıştırıcı ile karıştırılarak homojen hale gelmesi sağlanacaktır. Daha sonra yakıt hazırlama tankı içerisindeki çamur pompası ile materyal yükleme borusu yardımıyla üretece yüklenecektir. Laboratuar tipi biyogaz reaktörü, pilot tesisin geometrisi gibi dikey silindirik olarak yapılmıştır. Biyogaz reaktörü, fermantasyon kanalı prensibine göre çalışan fermantasyon odası, sistemi ısıtmak için kullanılan sıcak suyun dolaştığı su cebi, 2 adet mekanik karıştırıcı ve yükleme-boşalma ağızlarından oluşmaktadır. Üretecin ısıtılması üretecin alt ve yan duvarında oluşturulan bir su cebi yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Burada bulunan su, rezistanslar yardımıyla ısıtılmakta ve bir dijital termostat yardımıyla sıcaklığın kontrolü sağlanmaktadır. Üretecin içerisinde materyalin karıştırılması sağlayacak 2 adet karıştırıcı bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi üretecin yan duvarına monte edilmiş mikser tip karıştırıcı diğeri reaktörün merkezinden kaçık bir şekilde yerleştirilmiş parmaklı tip karıştırıcıdır. Karıştırıcıların görevi materyalin reaktör içerisinde homojen kalmasını sağlamak ve çökelmeyi engellemektir. Reaktörün çalışma hacmi tarımsal atıkla doldurulduktan sonra, günlük olarak yüklenen miktar kadar atık, boşaltma ağzından fermente olarak dışarıya çıkacaktır. Dışarıya çıkan bu materyal boşaltma ağzının altına girebilen bir taşıma arabasına alınarak sistemden uzaklaştırılacaktır. Oluşan biyogaz üretecin üst kısmından alınarak basınç dengeleyiciye gönderilecektir. Böylece biyogazın üretece geri dönmesi engellenmiş olacaktır. Su kapanından çıkan biyogaz bir esnek boru vasıtasıyla balon tipi bir depoya alınacaktır. Balon tipi depodan alınan biyogaz bir gaz analiz cihazından geçirilerek içeriği saptanacaktır. Analizi yapılan biyogaz bir debimetreden geçirilerek günlük üretilen gaz miktarı saptanacaktır. Sistemin şematik resmi aşağıda görülmektedir. Sistemdeki otomasyon ekipmanları yardımıyla sıcaklığın kontrolü, karıştırıcıların devri ve karıştırma süreleri, ayarlanabilecektir. Platform üzerinde bulunan bir pano ve bu panoda bulunan bir ekran sayesinde tüm sistem kontrol edilebilecektir. Denemede elde edilen verilerin alınması ve depolanması sağlanacaktır. Bu sistem sayesinde günlük üretilen biyogaz miktarı, biyogazın içeriği hem tespit edilecek hem de kayıt altında tutulacaktır. Elde edilen veriler stabil hale geldikten sonra deneme parametreleri değiştirilerek denemeler devam ettirilecektir 21
. Şekil 5. Laboratuar ölçekli tesisin taslak resmi 22