ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇAY FABRİKASI ATIĞININ PİROLİZİ VE PİROLİZ ÜRÜNLERİNİN İNCELENMESİ Behiye Elif TİFTİK KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2006 Her hakkı saklıdır
ÖZET Yüksek Lisans Tezi ÇAY FABRİKASI ATIĞININ PİROLİZİ VE PİROLİZ ÜRÜNLERİNİN İNCELENMESİ Behiye Elif TİFTİK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. Taner TOĞRUL Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan çay fabrikası atığının pirolizi üzerine sıcaklık (300-900 C), ısıtma hızı (10, 50, 90 C/dk), parçacık boyutu (elekaltı-75, 75-250, 250-500 µm) ve piroliz süresinin (40, 60, 80 dk) etkileri incelenmiştir. Çalışmada, bu dört işletme parametresinden üçü sabit tutularak piroliz işlemi gerçekleştirilmiş ve değişen parametrenin ürün verimine ve dağılımına etkisi araştırılmıştır. Sonuçta; sıcaklık değişiminin katı, sıvı ve gaz ürün verimini önemli oranda etkilediği; ancak ısıtma hızı, parçacık boyutu ve piroliz süresinin değişiminin ürün verimini çok fazla etkilemediği görülmüştür. Sıcaklığın artışıyla katı ürün verimi sürekli azalırken, sıvı ürün verimi 550 C ye kadar artmış bu sıcaklıktan sonra ise azalmıştır. Gaz ürün verimi ve gaz ürün içindeki H 2 ise sıcaklık artışıyla sürekli olarak artmıştır. Çay fabrikası atığı için, maksimum sıvı ürün verimi 550 C sıcaklıkta, 50 C/dk ısıtma hızında, 250-500 µm parçacık boyutunda ve 60 dk piroliz süresinde %56.0 olarak elde edilmiş ve bu koşulların, sıvı ürün verimi için optimum olduğu görülmüştür. Maksimum gaz ürün verimi ise 900 C sıcaklıkta, 50 C/dk ısıtma hızında, 250-500 µm parçacık boyutunda ve 60 dk piroliz süresinde %27.8 olarak elde edilmiştir. Gaz ürün içindeki H 2 ve CH 4 miktarının bu koşullarda sırasıyla %28.1 ve %8.3 olduğu belirlenmiştir. Çay fabrikası atığının pirolizi sonucunda elde edilen sıvı ürünlerin GC/MS analizleri yapılmıştır. Sıvı ürünlerin büyük çoğunluğunu aseton, fenol ve türevleri ile kafein in oluşturduğu tespit edilmiştir. Bu ürünlerin yanı sıra az miktarda da 1,2,3-trimetoksi-5- metil benzen, toluen, pirol, fitol ve parafinik yapıda maddelere de rastlanmıştır. 2006, 123 sayfa Anahtar Kelimeler: Biyokütle, çay fabrikası atığı, piroliz, sıcaklık, sıvı, GC/MS i
ABSTRACT Master Thesis PYROLYSIS OF TEA FACTORY WASTES AND INVESTIGATION OF PYROLYSIS PRODUCTS Behiye Elif TİFTİK Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Taner TOĞRUL The effects of the temperature (300-900 C), heating rate (10, 50, 90 C/min), particle size (75, 75-250,250-500 µm) and residence time (40, 60, 80min) on the pyrolysis of the tea factory waste, which is one of the renewable energy resources, were investigated. In this study, three of the parameters among these four operating parameters were kept constant when the pyrolysis experiment was carried out. Moreover, the effects of the variable parameter on the yield of the products and distribution of the products were studied. The results indicated that the changes in temperature affected sharply the yield of the char, liquid, and gaseous products; whereas changes in heating rate, particle size, and residence time did not affect much the yield of products. The yield of char product decreased continuously parallel to increases in temperature, on the other hand the yield of liquid product increased until 550 C and then decreased after this temperature. Both the yield of gaseous product and the H 2 in this product increased continuously parallel to increases in temperature. The maximum liquid yield of 56% was obtained for the tea factory waste at the pyrolysis temperature of 550 C, particle size range of 250-500 µm, with a heating rate of 50 C/min and a residence time of 60 min. Furthermore, it is observed that these conditions were the optimum for the yield of liquid product. The maximum gaseous yield of 27.8% was obtained for the tea factory waste at the pyrolysis temperature of 900 C, particle size range of 250-500 µm, with a heating rate of 50 C/min and a residence time of 60 min. The yield of H 2 and CH 4 in the gas product was in these conditions at 28.1% and 8.3%, respectively. GC/MS analysis of liquid products, which were obtained from the pyrolysis of tea factory waste, were carried out. It is found that acetone, phenol and phenolic compounda, caffeine constituted the majority of the liquid products. Beside these products 1,2,3-trimethoxy-5-methyl benzene, toluene, pyrol, fitol and parranfin compounds were observed in little amounts. 2006, 123 sayfa Key Words: Biomass, tea factory waste, pyrolysis, temperature, liquid, GC/MS ii
TEŞEKKÜR Tez çalışmam sırasında bilgi ve önerilerinden her zaman yararlandığım çok değerli danışman hocam Prof. Dr. Taner TOĞRUL a sonsuz teşekkür ederim. Tezim ile ilgili deneysel ve teorik her türlü sorunun çözülmesinde bana yardımcı olan hocam Dr. Emine YAĞMUR ve Yard. Doç. Dr. Emir H. ŞİMŞEK e yardımlarından dolayı teşekkürlerimi sunarım. Her zaman desteklerini gördüğüm sayın Doç.Dr. Ali KARADUMAN a ve Prof.Dr. Ali Y. BİLGESÜ ya teşekkür ederim. Sıvı analizleri sırasındaki yardım ve desteklerinden dolayı sayın Araş.Gör. Melike KIROĞLU na, sevgili arkadaşım Tuğba Sinem ENGİN e ve ATEKLAB çalışanlarına içten teşekkürlerimi sunarım. Son olarak maddi ve manevi desteklerini benden hiçbir zaman esirgemeyen aileme içten teşekkürü bir borç bilirim. Behiye Elif TİFTİK Ankara, Ekim 2006 iii
İÇİNDEKİLER ÖZET.i ABSTRACT. ii TEŞEKKÜR iii SİMGELER DİZİNİ.....vii ŞEKİLLER DİZİNİ.viii ÇİZELGELER DİZİNİ.ix 1. GİRİŞ 1 2. KURAMSAL TEMELLER...16 2.1 Biyokütle...16 2.1.1 Lignoselülozik madde bileşenlerinin kimyasal yapısı...16 2.1.1.1 Selüloz.17 2.1.1.2 Hemiselüloz 20 2.1.1.3 Lignin..21 2.2 Biyokütle Oluşumu..23 2.3 Biyokütle Kaynakları..25 2.4 Biyokütle Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları...26 2.5 Biyokütle Çevrim Teknolojileri..27 2.5.1 Doğrudan yakma..29 2.5.2 Havasız çürütme...30 2.5.3 Fermantasyon 31 2.5.4 Piroliz.31 2.5.5 Gazlaştırma...32 2.5.6 Biyofotoliz..32 2.6 Piroliz 33 2.6.1 Selülozun pirolizi..38 2.6.2 Hemiselülozun pirolizi..38 2.6.3 Ligninin pirolizi 39 2.6.4 Odunun pirolizi.39 2.7 Çay 40 2.7.1 Çay üretim aşamaları...42 iv
2.7.2 Çayda bulunan çeşitli kimyasal-biyokimyasal maddeler..43 2.7.2.1 Enzimler.43 2.7.2.2 Polifenoller.44 2.7.2.3 Alkaloidler..48 2.7.2.4 Azotlu bileşikler.49 2.7.2.5 Karbonhidratlar 49 2.7.2.6 Klorofil ve diğer pigmentler 50 2.7.2.7 Vitaminler...50 2.7.2.8 Uçucu maddeler.51 2.8 Kaynak Araştırması 51 3. MATERYAL VE YÖNTEM 62 3.1. Deneylerde Kullanılan Girdiler ve Hazırlanması 62 3.2 Girdinin Elementel Analizi.63 3.3 Girdinin Kısa Analizi..63 3.3.1 Nem tayini.63 3.3.2 Kül tayini...64 3.3.3 Uçucu madde tayini..64 3.3.4 Sabit karbon tayini...65 3.4 Girdinin Bileşen Analizi..65 3.4.1 Ekstraksiyon analizi.65 3.4.2 Hemiselüloz analizi...66 3.4.3 Lignin analizi.66 3.4.4 Selüloz analizi 67 3.5 Deney Sistemi...67 3.6 Deneyin Yapılışı...69 3.7 Yapılan Deneyler.70 3.8 Piroliz Deneylerinden Elde Edilen Ürün Miktarlarının Hesaplanması.71 3.9 Yapılan Analizler.71 3.9.1 Termal analiz 72 3.9.2 FTIR ile yapılan analizler 73 3.9.3 GC/MS analizleri..73 3.9.4 Orsat analizleri.73 v
4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA..76 4.1 Deneylerde Kullanılan Çay Fabrikası Atığının Özellikleri.76 4.2 Termal Analiz Sonuçları.77 4.3 Sıcaklığın Ürün Verimine Etkisi 79 4.4 Isıtma Hızının Ürün Verimine Etkisi.82 4.5 Parçacık Boyutunun Ürün Verimine Etkisi..84 4.6 Piroliz Süresinin Ürün Verimine Etkisi.85 4.7 Katı Ürünlerin FTIR Analizleri.87 4.7.1 Sıcaklığın katı ürün yapısına etkisi.88 4.7.2 Isıtma hızının katı ürün yapısına etkisi..91 4.7.3 Parçacık boyutunun katı ürün yapısına etkisi...92 4.7.4 Piroliz süresinin katı ürün yapısına etkisi.93 4.8 Sıvı Ürünlerin GC/MS Analizleri...94 4.8.1 Sıcaklığın sıvı ürünlere etkisi...95 4.8.2 Isıtma hızının sıvı ürünlere etkisi..101 4.8.3 Parçacık boyutunun sıvı ürünlere etkisi...103 4.8.4 Piroliz süresinin sıvı ürünlere etkisi..105 4.9 Gaz Ürünlerin Orsat Analizleri 107 4.9.1 Sıcaklığın gaz ürünlere etkisi.108 4.9.2 Isıtma hızının gaz ürünlere etkisi..110 4.9.3 Parçacık boyutunun gaz ürünlere etkisi...111 4.9.4 Piroliz süresinin gaz ürünlere etkisi..112 5. SONUÇ.115 KAYNAKLAR.118 ÖZGEÇMİŞ.123 vi
SİMGELER DİZİNİ EA Enerji Ajansı Mtep Milyon ton petrol eşdeğeri THF Tetrahidrofuran kkt kuru külsüz temel µm mikrometre vii
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1 Dünyada temel enerji kaynaklarının kullanım dağılımı ve 2000 yılı verileri 3 Şekil 2.1 Selüloz molekülünün yapısı..... 17 Şekil 2.2 Selüloz molekülünün oluşumu..... 19 Şekil 2.3 Hemiselüloz molekülünün yapısı..... 20 Şekil 2.4 Lignin monomerlerinin yapısı.. 21 Şekil 2.5 Lignin molekülünün yapısı...22 Şekil 2.6 Doğal biyokütle çevrimi...24 Şekil 2.7 Enerji amaçlı kullanılan biyokütlelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri...... 28 Şekil 2.8 Fotosentez biyogaz döngüsü....30 Şekil 2.9 Odunun oksijensiz ortamda pirolizi.....35 Şekil 2.10 Odunun oksijen ortamında pirolizi...36 Şekil 2.11 Gallik asidin moleküler yapısı.. 45 Şekil 2.12 Tanen in moleküler yapısı....46 Şekil 2.13 Pürin, ksantin, teofilin, teobromin ve kafein in molekül yapısı...48 Şekil 3.1 Piroliz deney sistemi....68 Şekil 4.1 Çay fabrikası atığının termogravimetrik analiz eğrisi.. 77 Şekil 4.2 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) sıcaklığın değişiminin katı, sıvı ve gaz ürün verimine etkisi.. 81 Şekil 4.3 Sabit sıcaklık (400 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) ısıtma hızının değişiminin katı, sıvı ve gaz ürün verimine etkisi.. 83 Şekil 4.4 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve piroliz süresinde (60dk) parçacık boyutunun değişiminin katı, sıvı ve gaz ürün verimine etkisi.. 85 Şekil 4.5 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve parçacık boyutunda (250-500 µm) piroliz süresinin değişiminin katı, sıvı ve gaz ürün verimine etkisi.. 86 viii
Şekil 4.6 Orijinal çay fabrikası atığının infrared spektrumu...88 Şekil 4.7 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) 300 C, 400 C ve 500 C de elde edilen katı ürünlerin ve orijinal numunenin infrared spektrumları....89 Şekil 4.8 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) 550 C de elde edilen katı ürünün ve orijinal numunenin infrared spektrumları....90 Şekil 4.9 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) 300 C, 500 C, 700 C ve 900 C de elde edilen katı ürünlerin ve orijinal numunenin infrared spektrumları...91 Şekil 4.10 Sabit sıcaklık (400 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) ısıtma hızının değişimiyle elde edilen katı ürünlerin infrared spektrumları....92 Şekil 4.11 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve piroliz süresinde (60 dk) parçacık boyutunun değişimiyle elde edilen katı ürünlerin infrared spektrumları....93 Şekil 4.12 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve parçacık boyutunda (250-500 µm); piroliz süresinin değişimiyle elde edilen katı ürünlerin infrared spektrumları.....94 Şekil 4.13 Çay fabrikası atığının 400 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı....95 Şekil 4.14 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı...97 Şekil 4.15 Çay fabrikası atığının 700 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı....98 Şekil 4.16 Çay fabrikası atığının 400 C sıcaklık, 10 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı.. 101 ix
Şekil 4.17 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 75-250 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı.. 104 Şekil 4.18 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 40 dk piroliz süresi ve 75-250 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS kromatogramı.....106 Şekil 4.19 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) sıcaklığın değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi...109 Şekil 4.20 Sabit sıcaklık (400 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) ısıtma hızının değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi.111 Şekil 4.21 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve piroliz süresinde (60 dk) parçacık boyutunun değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi...112 Şekil 4.22 Sabit sıcaklık (550 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve ısıtma hızında (50 C/dk) piroliz süresinin değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi....113 x
ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Türkiye deki birincil enerji kaynakları üretimi.......5 Çizelge 1.2 Türkiye için birincil enerji kaynakları üretim hedefleri......6 Çizelge 1.3 Türkiye de çeşitli tarım ürünlerinin 1995, 1997, 1999 ve 2001 yılı üretim miktarları (ton).......14 Çizelge 2.1 Bazı lignoselülozik materyallerin kimyasal bileşimleri......23 Çizelge 2.2 Tatlı sorgum ve bazı linyit kömürlerinin CO 2, SO 2 salınımları....26 Çizelge 2.3 Biyokütle dönüşüm süreçleri ve ürünleri......33 Çizelge 2.4 Türkiye de üretilen yaş çay yaprağı ve kuru çay miktarının yıllara göre dağılımı..... 41 Çizelge 2.5 Çay yaprağının bileşimi.........47 Çizelge 2.6 Çay bitkisinin değişik yapraklarında bulunan % kafein miktarları..... 49 Çizelge 3.1 Piroliz deneylerinde kullanılan çözücünün özellikleri......62 Çizelge 3.2 Çay fabrikası atığı ile yapılan piroliz deneyleri ve deney koşulları.....70 Çizelge 3.3 Orsat analizi için kullanılan reaktif/çözücüler......74 Çizelge 4.1 Çay fabrikası atığının elementel analizi....76 Çizelge 4.2 Çay fabrikası atığının kısa analizi.....76 Çizelge 4.3 Çay fabrikası atığının çeşitli çözücülerde çözünürlüğü....76 Çizelge 4.4 Çay fabrikası atığının bileşen analizi (% ağırlıkça). 77 Çizelge 4.5 Çay fabrikası atığının termogravimetrik analiz sonuçları.....78 Çizelge 4.6 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) yapılan piroliz deneyleri ile elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin % verimlerinin sıcaklıkla değişimi (%kkt)...80 Çizelge 4.7 Sabit sıcaklık (400 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) yapılan piroliz deneyleri ile elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin % verimlerinin ısıtma hızı ile değişimi (%kkt).... 82 xi
Çizelge 4.8 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve piroliz süresinde (60 dk) yapılan piroliz deneyleri ile elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin % verimlerinin parçacık boyutu ile değişimi (%kkt).......84 Çizelge 4.9 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve parçacık boyutunda (250-500 µm) yapılan piroliz deneyleri ile elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin % verimlerinin piroliz süresi ile değişimi (%kkt).....86 Çizelge 4.10 Çay fabrikası atığının 400 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60 dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri....96 Çizelge 4.11 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri......97 Çizelge 4.12 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri.....98 Çizelge 4.13 Çay fabrikası atığının 400 C sıcaklık, 10 C/dk ısıtma hızı, 60dk piroliz süresi ve 250-500 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri...... 102 Çizelge 4.14 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 60dk piroliz süresi ve 75-250 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri...... 104 Çizelge 4.15 Çay fabrikası atığının 550 C sıcaklık, 50 C/dk ısıtma hızı, 40dk piroliz süresi ve 75-250 µm parçacık boyutunda pirolizi ile elde edilen sıvı ürünün GC/MS analiz ürünleri.........106 Çizelge 4.16 Sabit ısıtma hızı (50 C/dk), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) sıcaklığın değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi, (%kkt) 108 Çizelge 4.17 Sabit sıcaklık (400 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve piroliz süresinde (60 dk) ısıtma hızının değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi, (%kkt)..... 110 xii
Çizelge 4.18 Çizelge 4.19 Sabit sıcaklık (550 C), ısıtma hızı (50 C/dk) ve piroliz süresinde (60 dk) parçacık boyutunun değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi, (%kkt)..... 111 Sabit sıcaklık (550 C), parçacık boyutu (250-500 µm) ve ısıtma hızında (50 C/dk) piroliz süresinin değişiminin gaz ürün bileşimine etkisi, (%kkt)........113 xiii
1.GİRİŞ Enerji, ekonomik ve sosyal kalkınma için gerekli temel girdilerden birisidir. Artan nüfus, şehirleşme, sanayileşme, teknolojinin yaygınlaşması ve refah düzeyindeki artışa paralel olarak enerji tüketimi kaçınılmaz bir şekilde artmaktadır. Buna karşılık enerji tüketiminin mümkün olan en alt düzeyde tutulması, enerjinin en tasarruflu ve verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Son yıllarda, enerjinin önemi toplumlar tarafından daha iyi kavranmış, hatta bir ülkenin yaşam standardının, ülkelerin ekonomik, kültürel ve bilimsel seviyeleri onların ürettikleri ve kullandıkları enerji miktarı ile orantılı olduğu kabul edilmiştir. Yaklaşık 6 milyar nüfusa sahip dünyamızda sanayileşmiş ülkelerde yaşayan 1 milyar nüfus, kullanılan toplam enerjinin yaklaşık %60 ını tüketirken, gelişmekte olan ülkelerde yaşayan 5 milyar nüfus sadece %40 ını tüketmektedir (Veziroğlu 2000). Günümüzde halen kullanılabilir durumdaki bazı enerji kaynaklarının azalması nedeniyle sorunlar ortaya çıkmakta ve enerjinin önemi gün geçtikçe dahada artmaktadır. Teknolojinin ilerlemesi, nüfusun artması, insanın dünyaya hâkim olma düşüncesi enerjiye olan gereksinimi giderek artırırken, fosil enerji kaynaklarının rezervleri de hızla tükenmektedir. Burada göz önünde tutulması gereken önemli bir konuda, fosil yakıtların belli bir rezerve sahip olması ve bu şekilde sorumsuzca kullanımı sürerse, gelecek yüzyılın ikinci yarısından bu yakıtlardan eser kalmayacağı gerçeğidir. En son istatistiksel değerlendirmelere göre; dünya enerji ihtiyacının %34.8 ini karşılayan petrolün 41, %21.1 sini karşılayan doğalgazın 62, %23.5 ini karşılayan kömürün ise 230 yıl rezerv kullanım süresi bulunmaktadır (http://www.bp.com, http://www.eia.doe.gov ). Dünyanın sahip olduğu petrol, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar özellikle 20. yüzyılda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Bu yakıtların yakılması sonucu çevreye CO x, SO x, NO x gibi gazlar atılmakta ve bu gazlar ozon tabakasının delinmesi, asit yağmurları, küresel ısınma gibi etkilere neden olmaktadır. Bu etkilerde dünyayı belki de geriye dönüşü zor bir çevre kirliliği ile karşı karşıya bırakmaktadır. Böylece doğaya, 1
acımasızca davranan insanoğluna doğanın tepkisi de, sel baskınları, küresel ısınma sonucu denizlerin yükselmesi, asit yağmurları, ozon tabakasının koruyucu etkilerinin ortadan kalkması vb. olaylarla çok şiddetli olacak ve bu olaylarda bir çok insan yaşamını kaybedecektir (http://www.youthforhab.org.tr/tr/yayinlar/enerji/hidrojen/giris.html). Çevre kirliliği az olduğu iddia edilen nükleer enerji kullanımının bir çok ülkeye yayılması ve artarak devam etmesi durumunda ise, nükleer kazaların yanı sıra, bu gücü silah olarak kullanma riski artacaktır. Daha önemlisi, hala büyük sorunlar yaratan nükleer atıklar, artık başa çıkılamayacak bir sorun durumuna gelecektir. Dünyada kurulu nükleer reaktörlerin bir çoğunun kullanım süreleri bitmektedir. Bilindiği gibi, bu tip santralleri, örneğin kömür işletmelerinde olduğu gibi kolayca yıkmak veya olduğu gibi bırakmak mümkün değildir. Yıllarca radyoaktiviteye maruz kalan reaktörlerin her parçasını dikkatle söküp özel koruyucu kaplar içerisine yerleştirilerek, saklanması gerekmektedir (http://www.youthforhab.org.tr/tr/yayinlar/enerji/hidrojen/giris.html). 21. yüzyılda dünya halen enerji açığı, fosil yakıt kaynaklarının azalması ve artan kirlilik gibi üç önemli sorunla uğraşmaktadır. Bu sorunların yanında; dünya nüfusunun hızla artması, teknolojinin gelişmesi, ülkelerin yaşam standartlarını geliştirme istekleri enerjiye olan talebi ve gereksinimi daha da artırmıştır. Fosil kökenli enerji kaynaklarının tükenmeye başlaması ile birlikte alternatif enerji arayışı da hızlanmıştır. Fosil ve nükleer yakıtlara alternatif doğal enerji kaynakları konusunda yapılan araştırmalar sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kavramlarını da gündeme getirmiştir. Yaşamın sürdürülebilirliği için enerji kaynaklarının sürdürülebilir olması yeterli değildir. Ekolojik denge için kaynakların yenilenebilir olması da gerekmektedir. Yenilenebilir enerji, "doğanın kendi evrimi içinde, bir sonraki gün aynen mevcut olabilen enerji kaynağı" olarak tanımlanmaktadır. Bugün yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlar, yakılınca biten ve yenilenmeyen enerji kaynaklarındandır. Oysa hidrolik, güneş, rüzgar, jeotermal ve biyokütle gibi doğal kaynaklar yenilenebilir olmalarının yanı sıra temiz enerji kaynakları olarak karşımıza çıkmaktadır. 2
Dünya genelinde, ülkeler yeni enerji kaynaklarının en uygun şekilde kullanımı ve yeni enerji teknolojilerinin gerekliliğini açıkça ortaya koymuşlar ve ülkeler doğal kaynaklarına, iklim koşullarına ve gelişmişlik düzeylerine bağlı olarak yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı araştırma-uygulama çalışmalarını hızlandırmışlardır. EA tarafından 2002 Kasım ayında yayınlanan son raporda, küresel olarak toplam temel enerji kullanımında yenilenebilir enerji kaynaklarının payı %13.8 dir. Bu değer, ticari ve ticari olmayan enerjileri ve tüm büyük yenilenebilir enerji kaynaklarını (jeotermal, solar, gel-git, dalga, rüzgar ve diğerleri) da kapsamaktadır. Bu %13.8 lik dilimin; %80 nini yanabilir ve yenilenebilir atıklar (biyokütle atıkları), %16.5 lik kısmını hidro enerji, geri kalan %0.5 lik kısmını ise diğer yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları oluşturmaktadır Dünya da temel enerji kaynaklarının kullanım dağılımı 2000 yılı verileri Şekil 1.1 de verilmiştir (http://www.meteor.gov.tr/arastirma/yenienerji/yenienerji.htm). 13,80% 6,80% 34,80% 21,10% 23,50% Petrol Kömür Doğal Gaz Yenilenebilir Nükleer Şekil 1.1 Dünyada temel enerji kaynaklarının kullanım dağılımı ve 2000 yılı verileri 3
Çevre dostu ya da yeşil enerji türleri, geleceğin enerji kaynakları olarak görülmektedir. Çevre koruma ölçütleri ve bunlarla ilgili yaptırımlar, günümüzde ulusal sınırları aşmakta; uluslararası bir nitelik kazanmaktadır. Bu nedenle, uluslararası ortak çözümlere etkin katılım sağlanmalı, yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynakları desteklenmeli ve geliştirilmelidir. Enerji sektöründe teknolojik yenilikler çok boyutlu olduğundan eski, hantal ve verimsiz enerji teknolojilerinin kullanılması azaltılmalıdır. Bu teknolojiler yerine maliyet düşürücü teknolojilerin kullanımına öncülük verilmelidir. Avrupa Birliği temiz enerji kaynaklarının kullanımını desteklemektedir. Avrupa Birliği ne üye ülkeler 2000 yılındaki enerji ihtiyaçlarının %6 sını yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamışlardır. Biyokütle, bu kaynaklar içinde %55 lik bir paya sahiptir. AB ülkeleri, 27 Kasım 2001 tarihli yönergede (2001/77/EC) 2010 yılında toplam enerji tüketiminin %22 sini yenilenebilir kaynaklardan sağlamayı taahhüt etmiştir. Bu yönerge de 2010 yılında yenilenebilir enerji kaynaklarının dağılımının, Rüzgar enerjisi : % 4 Jeotermal enerji : % 3 Hidrolik enerji : % 17 Güneş enerjisi : % 2 Biyokütle enerjisi : % 74 şeklinde olacağı tahmin edilmektedir. Görüldüğü gibi burada en büyük pay biyoyakıtlara yani biyokütle enerjisine aittir. AB de, Kyoto Protokolü çerçevesinde CO 2 emisyonlarının azaltılması konusunda biyoyakıtlar özellikle biyomotorin özel bir yere sahiptir (Karaosmanoğlu 2003). Ülkemizde ise genel enerji ve özellikle elektrik enerjisi, uzun yıllar en önemli sorun olarak karşımıza çıkmıştır. Gelişmekte olan ülkeler arasında yer almasına rağmen enerji darboğazı içindedir ve bu darboğazının önümüzdeki yıllarda da devam edeceği anlaşılmaktadır. 4
1998-2004 yılları arası Türkiye deki birincil enerji kaynaklarının üretimleri Çizelge 1.1 de verilmiştir. Çizelge 1.1 Türkiye deki birincil enerji kaynakları üretimi 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Taşkömürü (bin ton) 2.156 1.990 2.392 2.494 2.319 2.059 1.946 Linyit (bin ton) 65.204 65.019 60.854 59.572 51.660 46.168 43.709 Asfatit (bin ton) 23 29 22 31 5 336 722 Petrol (bin ton) 3.224 2.940 2.749 2.551 2.420 2.375 2.276 Doğalgaz (milyon m 3 ) 565 731 639 312 378 561 708 Hidrolik (GWh) 42.229 34.678 30.879 24.010 33.684 35.330 46.084 Jeotermal Elektrik (GWh) 85 81 76 90 105 89 93 Jeotermal Isı (bin tep) 582 618 648 687 730 784 811 Güneş (bin tep) 210 236 262 287 318 350 375 Rüzgar (GWh) 6 21 33 62 48 61 58 Odun (bin ton) 18.374 17.642 16.938 16.263 15.614 14.991 14.393 Hayvan ve Bitki artıkları (bin ton) 6.396 6.184 5.981 5.790 5.609 5439 5278 Toplam (bintep) 29.324 27.659 26.047 24.576 24.259 23.783 24.332 Kaynak: DPT 1998 yılında Türkiye de 29.3 Mtep olarak gerçekleşen birincil enerji kaynakları üretimi, yaklaşık 3.8 Mtep lik bir azalma sonrası 2004 yılında 24.3 Mtep olarak gerçekleşmiştir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı ile bağlı ve ilgili kuruluşlarınca Sekizinci Beş Yıllık Kalkınma Planı çalışmaları esnasında yapılan projeksiyonlara göre 2030 yılına kadar gerçekleşmesi beklenen birincil enerji kaynakları üretim hedefleri Çizelge 1.2 de verilmiştir. 5
Çizelge 1.2 Türkiye için birincil enerji kaynakları üretim hedefleri 2010 2015 2020 2025 2030 Taşkömürü (bin ton) 4.777 4.777 4.777 7.550 10.324 Linyit (bin ton) 145.209 155.215 192.247 197.900 198.220 Asfalit (bin ton) 100 100 100 100 100 Petrol (bin ton) 1.071 724 465 257 166 Doğalgaz (milyon m 3 ) 186 160 157 106 113 Nükleer enerji (GWh) --- 14.020 28.000 42.080 56.040 Hidrolik (GWh) 62.080 94.360 116.300 116.300 116.300 Jeotermal elektrik (GWh) 90 90 90 90 90 Jeotermal ısı (bin tep) 2.542 3.352 4.656 6.756 10.139 Güneş enerjisi (bin tep) 602 800 1.119 1.498 1.931 Rüzgar enerjisi (GWh) 5.220 7.730 13.320 20.310 27.290 Odun (bin tep) 11.275 10.250 10.250 10.250 10.250 Hayvan ve bitki artıkları (bin ton) 4.493 4.026 3.696 3.465 2.926 Toplam (bin tep) 40.865 49.568 61.216 69.351 78.259 Artış (%) 5,2 3,9 4,3 2,5 2,4 Kaynak: DPT Türkiye fosil yakıt rezervleri açısından oldukça fakir bir ülke konumunda olup, her yıl enerji ihtiyacının %50 sinden fazlasını ithal etmek zorundadır. Türkiye deki fosil yakıt rezervlerine bir göz atılacak olursa, neredeyse linyit rezervlerinin yarısını oluşturan Elbistan ve diğer benzer havzaların kalite açısında oldukça düşük sayılabilecek durumda olduğu anlaşılmaktadır. Buradaki linyitlerin kalorileri çok düşük, kükürt, kül ve nem oranları ise oldukça yüksektir. Enerji olarak yakılan miktar değil, üretilen kalori önem taşıdığından, bu rezervler kalori yönünden değerlendirildiğinde, Türkiye de bugünkü üretimle 70-80 yıl yetecek kömür bulunduğu ortaya çıkmaktadır. Düşük kalorinin yanı sıra, yukarıda belirtilen kirletici özellikler de dikkate alındığında, bunları çevreye vereceği zararın boyutları sanılanın çok üzerinde olmaktadır. 6
Petrol ve doğal gaz yönünden de oldukça sınırlı rezervlere sahip Türkiye, bütün bunlara karşın güneş, rüzgar ve biyokütle gibi doğal, temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları açısından son derece zengindir. Bu durumda, yeni gelişmekte olan güneş-hidrojen sistemi teknolojisi üzerinde zaman geçirmeden gerekli çalışmaların yapılması önem taşımaktadır (http://www.youthforhab.org.tr/tr/yayinlar/enerji/hidrojen/tronem.html). Türkiye nin birincil enerji kaynakları rezerv değerleri incelendiğinde; kömür rezervi ile jeotermal ve hidrolik enerji potansiyelinin dünya kaynak varlığının %1 i civarında, petrol ve doğalgaz rezervlerinin son derece kısıtlı olduğu, toryum rezervinin ise, dünya rezervinin %54 ünü oluşturduğu görülmektedir. Ülkemizde petrol ve doğalgaz üretim miktarları oldukça küçüktür ve ana enerji kaynağımız ise başta linyit olmak üzere kömürdür (Karaosmanoğlu 2003). Birincil enerji kaynakları içinde; Kömür : % 49.1 Petrol ve doğalgaz : % 13.9 Hidrolik ve jeotermal elektrik : % 11.3 Diğer yenilenebilir kaynaklar : % 0.6 lık yere sahiptir. Ülkemiz enerji tüketimi içinde, hidrolik enerji dışındaki yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım payı % 8.9 dur ve bu kaynakların, kendi içindeki dağılımı ise şöyledir (Karaosmanoğlu 2003): Odun : % 75.6 Hayvan ve Bitki Artıkları : % 21.4 Jeotermal Enerji : % 1.5 Güneş Enerjisi : % 1.5 7
Ülkemizde yenilenebilir enerji kaynakları üretimi, toplam kömür üretiminden sonra ikinci en yüksek üretime sahip kaynaklardır. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı nca yapılan tahminlere göre, yenilenebilir enerji kaynakları üretimlerinin artması, buna karşılık toplam enerji arzındaki payının azalması beklenmektedir. Biyoyakıtların ülkemizde uygulanır olması için gerekli potansiyel, bilgi birikimi ve altyapı mevcuttur. Biyokütle enerjisi teorik bir potansiyele sahipse de, pratikte ne kadar başarılı sonuçlar vereceği belirsizdir. Buna karşın bazı uzmanlar dünya üzerindeki tarımsal ve ormansal kaynaklar sayesinde biyokütlenin 21. yüzyılın enerji ekonomisinin temelini oluşturacağını ileri sürmektedir. 1992 yılındaki Çevre ve Kalkınma Konferansı için Birleşmiş Milletler tarafından hazırlanmış bir çalışma özellikle bu amaca dönük bir şekilde yetiştirilmiş bitkiler sayesinde 2050 yılı civarında bugünkü dünya enerji gereksiniminin %55'i kadarının karşılanabileceğini ortaya koymuştur. Buna benzer vizyonların gerçekleşmesi, tarım yapılacak arazinin, suyun ve gübrelerin sağlanabilmesine bağlıdır. Önümüzdeki yıllarda ise bu konularda sıkıntılar yaşanmasının beklendiğini unutmamak gerekir (http://derebucaklilar.dostweb.com/yesilsayfalar/bitkileringucu.html). Biyokütle enerjisinden yararlanmak bir anlamda doğanın güneş enerjisi kollektörlerinden yararlanmak demektir. Canlı bitkiler güneşten gelen enerjiyi fotosentez yöntemi ile karbonhidrat moleküllerine dönüştürürler. Bitki yiyen hayvanlar ise bu enerjinin bir bölümünü almış olurlar. Bütün tarih boyunca evlerini ısıtmak isteyen veya yemek pişiren insanlar bu enerjiden yararlanmışlardır. 19. yüzyılın sonlarına doğru fosil yakıtların ortaya çıkması ile biyokütle, enerji ile uğraşanların bir kenara terk ettikleri bir kaynak halini almıştır. Doğal olarak da ticari olanakları izleyen ülke yönetimleri 19. yüzyıldan sonra biyokütle ile ilgilenmemişlerdir. Öte yandan gelişmekte olan ülkelerin ekonomisi büyük ölçüde tarıma dayanmaktadır. Bu açıdan bakıldığında biyokütle kaynaklarının bir enerji kaynağı olarak kullanılması oldukça dikkat çekicidir. Biyokütle terimi içine orman tarım ürünleri ve atıkları (lignoselülozik katı atıklar), hayvansal atıklar, kentsel ve belediye atıkları ile organik temelli endüstriyel atıkları dahil edilebilir. Ancak biyokütle, tarımsal atıkların önemli bir kısmı olduğu halde dünya enerji geri kazanım planları arasında yer almamaktadır. 8
Dünyada ise bu biyokütle atıklarından her yıl milyonlarca ton üretilmektedir. Örneğin pirinç sapları, mısır koçanı ve buğday çöpleri biyokütle atıklarının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Her yıl dünyada 400 bin ton civarında bu atıklardan elde edilmektedir. Bu atıklar bir kısmı ya yanma sistemlerinde direkt olarak ya da daha değerli ve kullanışlı fuel veya gaz ürünlere dönüştürülerek kimya endüstrisinde kullanılmaktadır. Bir kısmıda gübreleme ve balyalama gibi muhtelif amaçlarla tüketilmektedir. Ancak yapılan araştırmalar, biyokütle atıklarının yakılarak değerlendirilmesinin ekonomik olmadığını göstermektedir. Bu atıkların değerlendirilmesinde en etkili yol piroliz, sıvılaştırma veya gazlaştırma işlemleridir. Piroliz sonucu elde edilen sıvı (yağ) ürünün taşınması, depolanması ve kullanılması petrolden elde edilen yağa benzemektedir (Yorgun 2001). Örneğin 3. Dünya ülkesi olan Brezilya, biyokütlenin enerji amaçlı kullanıldığı ülkelere örnek olarak verilebilir. Bu ülkede yaklaşık 5 milyon taşıt, 1989 dan beri yakıt olarak benzin yerine şeker kamışı veya benzeri ürünlerden elde edilen saf biyoetanolu, yine bir çok araç da benzin/etanol karışımını kullanmaktadır. 1976-1987 yılları arasında petrol ithalatı yerine yerli üretim etanol kullanılmasından dolayı tasarruf edilen miktar 12.48 milyar dolar düzeyindedir. Ülke ekonomisine büyük katkı yapan bu program için yatırım ise sadece 6.97 milyar dolar olup, üretim maliyeti 1979 dan beri hala her yıl yaklaşık %4 dolayında düşmektedir. Yetiştirilen biyokütleden şeker elde ettikten sonra geri kalan posa kısmından yakıt elde edilmesi ile bu maliyetin daha da düşeceği tahmin edilmektedir. 100 den fazla ülkede şeker kamışından geri kalan atıklar birçok bölgedeki enerji açığının kapanmasına yardımcı olabilir. Kamıştan şeker elde edildikten sonra geri kalan madde olan bagas, kazanlarda yakılarak şeker eldesi işleminde yararlanılan buharın sağlanmasında kullanılmaktadır. Bazı şeker fabrikaları buharla elektrik elde etmesine rağmen eski teknolojileri kullandıkları için tesisin buhar gereksinimini karşıladıktan sonra geri kalan bagas az bir miktarda elektrik üretimine yetmektedir. Hawaii, Mauritius ve birkaç yerde daha kullanılmakta olan yüksek basınçlı modern buhar türbinleri aynı buhar üretimini sağladıkları gibi 8 kat daha fazla elektrik elde edebilmektedir (http://www.youthforhab.org.tr/tr/yayinlar/enerji/biyokutle/turkiyede.htm). 9
Mauritius daki şeker kamışı endüstrisi ürettiği biyokütle atıklarını modern fırınlarda yakarak elektrik üretmekte ve enerji gereksiniminin %60 ını bu yolla karşılamaktadır. Zimbabwe, 1983-1990 yılları arasında, şeker kamışından 40 milyon L etanol üretmiş ve bunu taşıtlarda yakıt olarak kullanmıştır. Varnamo daki prototipte ise katı biyokütle oksijenden arındırılmış bir ortamda hızla ısıtılarak gaz haline dönüştürülüp, bir gaz türbininde yakılarak daha fazla elektrik gücü elde edilmiştir. Biyokütleye dayalı gaz türbinleri sayesinde bugünkü standart kazanlardan elde edilen elektrik gücü 30 kat arttırılabilir. Ama buna karşılık buhar üretiminin az bir miktar düşebileceğini kabul etmek gerekir. Şeker fabrikaları çıkarttıkları atık maddelerin hepsini geliştirilmiş gaz türbinlerinde yakacak olursa, gelişmekte olan ülkelerdeki toplam elektrik üretiminin üçte birine yakın bir düzeyde elektrik enerjisi üretmiş olurlar. Brezilya nın kuzey batısındaki Bahia adlı eyalette biyokütle ile çalışacak 25-30 MW lık bir gaz türbininin tasarımını geliştirme projesi, Global Environmental Facility ile Brezilya yönetimi tarafından desteklenen uluslararası bir çalışma olarak yürütülmektedir. Varlığı Varnamo tesislerinde kanıtlanmış bir teknolojinin bir sonraki adımı olarak kabul edilen bu projenin, biyokütle kullanılarak elde edilen elektriğin KWh maliyetini 8 cent ten 5 cent e düşürmesi beklenmektedir. Bu şartlar altında biyokütle kullanılarak elde edilen elektriğin maliyeti, klasik termik santrallerle boy ölçüşebilecek hale gelmektedir (http://www.derebucaklilar.dostweb.com/yesilsayfalar/bitkileringucu.html). Hindistan da halen çeşitli büyüklükte 1 milyondan fazla biyogaz üretim tesisi bulunmaktadır. Çin de 1 milyarın üzerindeki nüfusun büyük çoğunluğu yakıt olarak biyokütle kullanmakta olup daha çok yemek pişirmek ve aydınlanmak için kullanılan biyogaz üretimi için 5 milyondan fazla küçük tesis yaklaşık 25 milyon insan tarafından işletilmektedir. Sayıları 10.000 dolayında olan orta ve büyük ölçekli tesislerden üretilen biyogaz ise elektrik üretimi ve büyük fabrikaların enerji gereksinimi için 10
kullanılmaktadır. Çin de büyüklüğü 10 kw ve üzeri olan 800 biyogaz üretim tesisinin toplam kapasitesi 8.500 kw dolayındadır. İsveç ise enerjisinin %16 sı gibi büyük bir kısmını biyokütleden elde etmektedir. Avusturya da enerjisinin %13 ünü biyokütleden sağlamaktadır. 11.000 den fazla biyokütle ile çalışan enerji üretim sisteminin toplam gücü 1.200 MW a ulaşmıştır. Amerika da ise biyoenerji kaynaklı elektrik üretimi 9.000 MW yi geçmiş durumda olup, bu ülke de toplam enerjinin %4 ünü biyokütleden sağlamaktadır. Bu değer nükleer enerjiden elde edilen miktara yakındır. Geniş tarım alanlarına sahip olan Danimarka da ise çok az orman vardır. Bu ülke, tarımdan sağladığı samanı, önemli bir enerji kaynağı haline dönüştürmüştür. Mevcut saman stokları ülkenin enerji gereksiniminin %7'sini karşılayabilmektedir. Rüzgar enerjisinin geliştirilmesi sırasında Danimarka Hükümeti, çiftliklerde kullanılmak üzere 12.000 küçük çaplı saman yakan fırının kurulmasına olanak sağlamıştır. 1980 yılından bu yana 60 dan fazla bölge ısıtma sistemlerinde kullandıkları yakıtların %90 ı saman olacak bir şekilde değiştirmiştir. Danimarka, fosil yakıtların fiyatlarının üzerine daha fazla vergi bindirerek saman kullanımını 1991 yılındaki 800.000 tondan 2000 yılında 1.200.000 tona çıkartmayı başarmıştır. Aynı zamanda çiftçiler bu fırınlardan elde edilen külü tarlalarında gübre olarak kullanmaktadır. Bu şekilde besleyici maddelerin azalması önlenmemekle birlikte belirli bir oranda elimine edilmektedir. Danimarkalılar rüzgar türbinlerinde olduğu gibi biyokütle teknolojisini de ihraç etmeyi planlamaktadır. 1993 yılında samanla çalışan bir sistem, eski Doğu Almanya daki bölgesel ısınma ünitesinin yerini almak üzere monte edilmiştir. (http://www.derebucaklilar.dostweb.com/yesilsayfalar/bitkileringucu.html). Türkiye ise sadece odun, bitki ve hayvan atık/artıklarından yakacak olarak ısınma ve pişirmede yararlanmakta ve maalesef dünyadaki modern biyokütle kullanım eğiliminin dışında kalmaktadır. 1995 yılı verilerine göre odun ve tezeğin enerji üretimi içindeki payı sırasıyla %30 ve %10 oranındadır. Türkiye de her yıl yaklaşık olarak 250x10 6 ton kadar taze çiftlik gübresi elde edilmekte ve bu 20x10 6 milyon kadar büyükbaş hayvanın 11
dışkılarından meydana gelmektedir. Bu miktarın ancak 15x10 6 tonu tezek olarak kullanılmaktadır (Akkoyunlu 2003). Ancak, son yıllarda azalan ormanlar ve hayvancılıkta görülen gerileme ile doğal gaz ve kömür gibi ithal ürünlerin artması bu oranları daha da azaltmıştır. Oysa Türkiye de 135 milyon ton yenilenebilir biyokütle enerji kaynağı olduğu bilinmektedir. Teknik bakımdan ise ülkemizde potansiyel biyokütle kaynağının 65 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir (Yorgun 2001). Türkiye nin hayvansal ve bitkisel atık miktarı 10.3 Mtep değerindedir ve bu değer, ülkemiz toplam enerji tüketiminin %13 üne karşılık gelmektedir. Bunlar dikkate alındığında ülkemizde modern biyokütle enerjisi kullanımına geçilmesi ülke ekonomisi ve çevre kirliliğinin azalması açısından önem taşımaktadır. Türkiye de enerji üretimine yönelik olarak, modern biyokütle çevrim teknolojilerinin de kullanıldığı, çalışmalar küçük ölçekli olarak 1993 yıllarından sonra başlamıştır. Bunlara örnek olarak mischantus ve tatlı sorgum bitkileri üzerinde yapılan çalışmalar gösterilebilir. Etanolu, Brezilya örneğinde olduğu gibi Türkiye de de taşıtlarda benzine seçenek olarak rahatlıkla kullanmak mümkündür. Ayrıca, hava kirliliğinden büyük ölçüde etkilenen bir çok şehirde, biyokütle ve bunlardan üretilen yakıtların kullanılması ile SO 2 ve benzeri zararlı gazların büyük ölçüde azalacağı da açıktır (http://www.youthforhab.org.tr/tr/yayinlar/enerji/biyokutle/turkiyede.html). Öte yandan ülkemiz enerji ormancılığının yapılması için uygun olanaklara sahip bir ülkedir. Türkiye de enerji ormancılığı yönünden ekonomik değeri yüksek ve hızlı büyüyen yerli ağaç türleri (akkavak, titrek kavak, kızılağaç, kızılçam, meşe, dişbudak, fıstık çamı, karaçam, sedir ve servi) bulunmaktadır. Türkiye ortamında yetişecek yabancı kökenli ağaçlar arasında ise akoliptüs, papulus euramericana, pinus pinaster, acacia cynophilla gibi türleri saymak mümkündür. Türkiye de yaklaşık olarak 4 milyar hektar devlet orman alanı bulunmaktadır. Söz konusu alan, uygun planlamalar dahilinde, modern enerji ormancılığının yapılması açısından değerlendirilebilir. Türkiye de toplam arazinin sadece %33.1 i işlenmektedir. İşlenmeyen arazi içinde, tarıma uygun %3 lük bir alan mevcuttur. Bu alan, kota 12
kapsamından çıkartılan ürünlerin (tütün, şeker pancarı gibi) yerine enerji amaçlı tarım (sorgum, miskantus, kanola, C 4 bitkileri ekimi gibi) ürünlerinin yetiştirilmesi için değerlendirilebilir. Bu sayede tarım kesimine yön verilerek, istihdam yaratılmış olur ve ulusal gelir artar. GAP, Yeşilırmak Havza Projesi gibi projeler kapsamında biyokütle enerji teknolojisi plan ve uygulamaları mutlaka yer almalıdır. Ayrıca ülkemizde 65 bin ton/gün miktarında çöp çıkmaktadır. Çöplerin düzenli depolama ile elektrik eldesinde değerlendirilmesi de göz ardı edilmemelidir. Türkiye de atıklara dayalı biyokütle enerjisi (biyogaz ve çöp santralleri) için bazı çalışmalar yapılmalıdır.dünyada giderek yaygınlaşan bu çalışmalara önem verilmeli ve hayvan çiftliği gübrelerinin ve şehir çöplerinin değerlendirilmesi için araştırma ve demonstrasyon projeleri yürütülmelidir. Ormancılık potansiyeli ile ilgili bilgiler bulunmakla birlikte, ormanlarımız biyokütle enerjisi üretim potansiyeli açısından değerlendirilmiş değildir. Enerji plantasyonları biçimindeki tarımsal üretim olanakları üzerinde durulmamış ve konu tarımsal üretim planlarında ele alınmamıştır. Kısacası, Türkiye nin biyokütle enerji potansiyeli tam olarak bilinmemektedir. Bu yüzden, ülkemizin biyokütle enerji potansiyelinin saptanması konusu birinci öncelikte ele alınmalı ve bu proje ile enerji ormancılığından, enerji tarımından, çeşitli yan ürün, atık ve artıklardan elde edilebilecek biyokütle materyallerinin çeşitleri ve coğrafi bölgelere göre yıllık miktarları belirlenmelidir. Ardından, çeşitli biyokütle enerjisi üretim stratejileri, uygulama olanakları ve ekonomik rekabet edebilirlikleri araştırılarak, ülkemiz için uzun dönemli Biyokütle Enerjisi Ana Planı yapılmalıdır. Bu plan çerçevesinde, biyokütle üretimine yönelik orman dışı ağaç plantasyonları ve enerji bitkileri için ülke genelinde bir tarımsal üretim planlaması başlatılmalı ve konunun ekonomik boyutları ortaya konulmalıdır. Biyokütle enerji uygulamaları ile ilgili bir araştırma merkezi oluşturulmalı, modern biyokütle üretim yöntemleri ve çevrim teknolojileri üzerinde Ar-Ge çalışmaları desteklenmeli, pilot uygulamalara ve gerekli teknoloji transferlerine başlanmalıdır (http://www.tubitak.gov.tr/btpd/btspd/platform/enerji). Bir tarım ülkesi olan Türkiye, dünyada fındık ve pamuk üretimi açısından ön sıralarda yer almaktadır. Tarım ürünlerinin elde edilmesi sonucunda tarlada kalan sapların küçük 13
bir kısmının evlerde, kalan kısmının ise tarlalarda yakılarak enerji kaybına neden olduğu bilinmektedir. Yurdumuzun bir tarım ülkesi olması nedeniyle tarımsal üretimden sonra, oldukça büyük miktarlarda ortaya çıkan lignoselülozik atıklar potansiyel bir kaynak görünümündedir. Çizelge 1.3 te çeşitli tarım ürünlerinin 1995, 1997, 1999 ve 2001 yılı üretim miktarları görülmektedir ( Demirbaş 2006). Çizelge 1.3 Türkiye de çeşitli tarım ürünlerinin 1995, 1997, 1999 ve 2001 yılı üretim miktarları (ton) Lignoselülozik Madde 1995 1997 1999 2001 Antep fıstığı 36.000 70.000 40.000 30.000 Arpa 7.700.000 8.200.000 7.700.000 8.100.000 Ayçiçeği 900.000 900.000 950.000 930.000 Badem 37.000 33.000 43.000 42.000 Buğday 18.000.000 18.650.000 18.000.000 18.800.000 Ceviz 110.000 115.000 120.000 116.000 Çay * 524.000 752.000 720.000 780.000 Fındık 435.000 410.000 550.000 610.000 Mısır 551.000 576.000 640.000 615.000 Pamuk 837.000 795.000 860.000 885.000 Soya 75.000 40.000 66.000 60.000 Susam 30.000 28.000 28.100 30.000 Şeker pancarı 11.171.000 18.553.000 17.840.000 18.200.000 Tütün 524.000 300.000 420.000 380.000 Yerfıstığı 70.000 82.000 75.000 80.000 Zeytin 515.000 520.000 535.000 510.000 * yeşil yaprağı ayrılmamış 14
Çizelge 1.3 ten de görüldüğü gibi Türkiye özellikle buğday, arpa ve şeker pancarı üretimi açısından önemli bir yere sahiptir. İktisadi İşbirliği ve Gelişme Teşkilatı (OECD) na göre Türkiye nin, zirai atık potansiyeli açısından 4. sırada olduğu tahmin edilmektedir. 2001 yılı verilerine bakıldığında önemli zirai atıkların toplam miktarı 54.4 milyon ton civarındadır. Bu değerlere çavdar, yulaf gibi tarım atıkları ve meyve atıkları da dahildir. Bu zirai atıkların enerji potansiyelleri ise 15.5 Mtep tir (Demirbaş 2006). 2001 yılı verilerine göre çay ise 780.000 ton üretim kapasitesi ile 6. sırada gelmektedir ve önemli zirai atıklar arasında yer almaktadır. Ülkemizde gerek tarımsal ürünleri işleyen, gerekse tarımsal aktivitede bulunan çeşitli isletmelerden her yıl önemli oranda ve değişik özelliklere sahip atıklar ortaya çıkmaktadır. Bu atıklar çoğu zaman işletmelerin çalışma sahalarında büyük alanlar işgal ederek iş düzeninin aksamasına bile yol açabilmektedir. Bilindiği gibi Doğu Karadeniz bölgesindeki devlete ait çay yaprağı işleyen fabrikalarda yılda yaklaşık olarak 20.000 tonun üzerinde çay atığı çıkmaktadır (Kaçar 1987). Bölgedeki kişi ve özel kuruluşlara ait fabrikalar da göz önüne alındığında bu rakam 30.000 tona yaklaşmaktadır. Bu veriler göz önüne alındığında bir tarım ülkesi olan Türkiye de çay fabrikası atığı enerji üretimi için değerlendirilebilir. 15
2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Biyokütle Bitkilerin ve canlı organizmaların kökeni olarak ortaya çıkan biyokütle, genelde güneş enerjisini fotosentez yardımıyla depolayan bitkisel organizmalar olarak adlandırılır. Biyokütle, bir türe veya çeşitli türlerden oluşan bir topluma ait yaşayan organizmaların belirli bir zamanda sahip olduğu toplam kütle olarak da tanımlanabilir. Biyokütle genellikle karbon, hidrojen, oksijen ve azottan oluşan bir hidrokarbon olarak tanımlanabilir. Biyokütlenin kükürt içeriği ise oldukça düşüktür. Bazı biyokütleler ise inorganik maddelerin değişik türlerini içerebilir. Biyokütle tipine bağlı olarak inorganik madde miktarı %1 ile %15 arasında değişiklik göstermektedir (Yaman 2004). 2.1.1 Lignoselülozik madde bileşenlerinin kimyasal yapısı Lignoselülozik katı atıklar terimi, yapısında selüloz, lignin ve hemiselüloz (yarıselüloz) içeren bitkisel yapıları ifade etmektedir. Bu tür yapıların genellikle %70 ile %90 ı selüloz-hemiselüloz ve kalan kısmı ise ligninden oluşmaktadır. Bu atıklar belediye çöpü, kanalizasyon atığı ve endüstriyel organik atıklarla beraber biyokütle kavramı içinde yer almaktadır. Lignoselülozik katı atık bileşenleri odun ve buna bağlı olarak selüloz, hemiselüloz ve lignin başlıkları ile incelenebilir. Odun karbon, hidrojen ve oksijenden oluşmuş kompleks yapılı bir maddedir. Elementel bileşimi genel olarak %49-50 C, %5-7 H ve %44-45 O şeklinde verilebilir. Odunun bileşiminde %0.1 den daha az oranda azot vardır. Kül miktarı ise %0.3 kadardır (Yaman 2004). Odun yapısı içinde ekstrakte edilebilenlerin miktarı genelde %5 civarındadır. Ancak bazı yapılarda bu oran %15 e kadar çıkmaktadır. Ekstrakte edilebilen maddeler eter, 16
alkol, benzen ve su gibi çözücüler içinde çözünebilen maddeler olarak tanımlanırlar. Reçine, vaks, tanen, şeker, nişasta, boya maddeleri, pektin, protein, zamk, organik asitler ve terpenler ekstrakte edilebilen maddeler arasında sayılabilir. Bunlar odun hücre duvarında depolandığından, nötral çözücülerde yapısında herhangi bir değişiklik olmadan ekstrakte edilerek uzaklaştırılabilirler. Ekstrakte edilebilen maddeler, genel yapı içinde çok küçük bir paya sahip olup, odunsu yapının büyük bir kısmı lignin ve polisakkaritlerden oluşmaktadır. 2.1.1.1 Selüloz Selüloz bitkilerin temel yapısal maddesidir. Bitkinin her yerinde bulunur ve bitkiye sertliğini, katılığını verir. Birçok biyokütlenin iskelet yapısını oluşturur. Odunun %50 si selülozdur, geri kalan kısmında ise, başka bir biyopolimer olan lignin bulunur. Bitki saplarında, saman ve kamışta önemli oranda selüloz vardır. Pamuk ve keten ise hemen hemen saf selülozdur. Selülozun elementel bileşimi %44.4 C, %6.2 H, %49.4 O şeklindedir. Selülozun kapalı formülü (C 6 H 10 O 5 ) n şeklinde ifade edilmektedir. Şekil 2.1 de selüloz molekülünün yapısı görülmektedir. Şekil 2.1 Selüloz molekülünün yapısı 17
Selüloz, binlerce D-glikopiranoz biriminin 1β - O- 4 şeklinde birleşmesiyle meydana gelmiş bir biyopolimerdir (Şekil 2.2). Polimerin konformasyonu çizgiseldir; 1β - O- 4 bağ açıları 104 olmakla birlikte, aynı yönde birbirine eklenerek sarmal meydana getirmezler. Bunun nedeni ise komşu glikoz birimlerinin 180 C çevrilerek birbirine bağlanması ve böylece bükülme açılarının birbirini yok etmesi ve çizgisel yapı meydana getirmesidir. Ayrıca, selüloz molekülünde hemen hemen hiç dallanma bulunmaz. Selülozun molekül yapısında kristalli bölgeler ve amorf bölgeler vardır. Kristalli bölgelerin çekme direnci çeliğinkine eşittir. Amorf bölgeler ise daha zayıftır ve selülozun esnekliğini verir. Kimyasal reaktifler selülozun ancak amorf bölgelerine etkiyebilir. Selüloz, D-glikopiranoz birimlerinin β-1,4 bağları ile birleşmesiyle oluşan, çizgisel sağlam yapılı bir polimerdir. En az 15, en çok 1.000 14.000 molekülün polimerleşmesiyle aşağıda açıklanan şekilde meydana gelmektedir. İlk olarak D-glikoz molekülü çizisel yapıdan halkalı yapıya geçerek D-glikopiranoz birimini oluşturmaktadır. Halka kapanırken 1 numaralı aldehit karbonu ve 5 numaralı alkol karbonu arasında C-C-O bağı ve 1 numaralı karbona bağlı OH grubu oluşmaktadır. Glikopiranoz birimi 1 numaralı karbon atomuna bağlı olan oksijen ve karboksilin konumuna göre iki farklı yapı göstermektedir. Oluşan OH grubu halka düzlemine dik (α-d-glikopiranoz) veya halka düzlemine paralel olabilir (β-d-glikopiranoz). Gerçekte oluşan halkalar düzlemsel olmayıp sandalye şeklinde bulunmaktadırlar. İki glikoz biriminin β-1,4 şeklinde birleşmesiyle sellobiyoz ünitesi meydana gelmektedir. Bu şekilde çok sayıda monosakkaritin birbirine C-O-C bağı ile bağlanmasıyla polisakkaritler adı verilen polimerler oluşmaktadır. Selüloz da bu tür bir makromoleküler polimerdir. Selüloz moleküllerinden 200-300 tanesi bir araya gelerek demetçikleri ve bunların pek çoğu bir araya gelip, sarılarak selüloz liflerini oluşturmaktadır (Tüzün 1999). 18
Şekil 2.2 Selüloz molekülünün oluşumu 19
2.1.1.2 Hemiselüloz Hemiselüloz hücre duvarında selüloz ile birlikte yer alır. Selülozdan daha kısa zincir yapısına sahip ve farklı tipte şeker yapılarından oluşan dallanmış bir polimerdir. Bitki yapısındaki oranı %15 ile %40 arasında değişmektedir. Çoğunlukla ksilen yani D-ksilozun, β-1,4 bağlarıyla bağlanmış polimerlerini içermektedir. Hemiselüloz molekülünün yapısı Şekil 2.3 te verilmiştir. Şekil 2.3 Hemiselüloz molekülünün yapısı Hemiselüloz suda çözünmez. Hidrolizi sonucunda yapısında pentozlar, heksozlar, üronik asit, D-glikoz, D-galaktoz, L-arabinoz gibi bileşiklerin olduğu saptanmıştır. Bir başka deyişle, hidrolizi sonucu sadece glikoz veren selülozun aksine, hemiselüloz hidroliz olduğunda pek çok sakkarit birimi vermektedir yani hemiselüloz, selülozdan daha heterojen bir yapıya sahiptir. Aynı zamanda, molekül ağırlığı selüloza göre daha düşüktür. Hemiselülozun genel formülü (C 5 H 8 O 4 ) n dir. Genellikle 50-200 monomerik birim taşır ve şeker atığında bulunur. Hemiselüloz da selüloz ve lignin gibi odun ve bitkisel biyokütlenin türüne bağlı olarak değişim gösterir. Örneğin asetil-4-ometilglikuroksilen sert odunun temel hemiselüloz yapısı, glukomannanlar (mannan) ise yumuşak odunun temel hemiselüloz yapısıdır. 20