3. NESİL BİYOYAKIT TEKNOLOJİSİ OLAN ALGLERİN TÜRKİYE DE ÜRETİLEBİLİRLİK POTANSİYELİ Ayşe Hilal ULUKARDEŞLER, Yahya ULUSOY Uludağ Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, 35100, Görükle Bursa H ulukardesler@uludag.edu.tr, yahyau@uludag.edu.tr ÖZET Enerjinin önemini her geçen gün biraz daha fazla hissettirdiği günümüzde, mısır, sorgum, kanola, soya ve ayçiçeği gibi enerji bitkilerinden biyogaz, biyodizel ve etanol üreterek geleneksel fosil yakıtlara alternatif bir yakıt oluşturacağı düşünülen ikinci nesil biyokütle enerji kaynaklarının yanı sıra, günümüzde üçüncü nesil olarak nitelendirilen alglerin enerji açığına ve çevreyi korumada çözüm olması düşünülmektedir. Bu kapsamda özellikle başta ABD olmak üzere iklim koşulları uygun olan ülkelerde görülen uygulamalar ümit verici ve alternatif bir ürünün kazanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada, enerji açığımıza kaynak ve çevre kirliliğine çözüm olabileceğini düşündüğümüz, son dönemde laboratuvar çalışmalarının olumlu sonuç alınan alglerin ülkemizdeki üretilebilirliği ele alınmıştır. Anahtar kelimeler: Mikroalgler, enerji, yenilenebilir enerji 1. GİRİŞ Konvansiyonel enerji rezervlerinin gittikçe tükenmeye başladığı günümüzde enerji, en pahalı üretim girdilerinden biri olması ile birlikte çevreyi kirletici özelliğiyle de her geçen gün ağırlığını hissettirmektedir. Bu ve buna benzer nedenlerle gelişmiş ve gelişmekte olan tüm ülkelerde olduğu gibi ülkemiz de yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarından en yüksek oranda yararlanmaya yönelmiştir. Ülkemizde de alternatif enerji yasası çıkarılarak bu alandaki üreticiler teşvik edilmeye başlanmıştır. Bu kapsamda küresel iklim değişikliğine çözüm arayan hükümetler, sanayii kuruluşları, sivil toplum kuruluşları ve tarım birlikleri çevre duyarlılığıyla birlikte, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına öncelik vererek teşvik edilmektedir [1]. 27.09.2011 tarihli Resmi Gazete de yayımlanarak yürürlüğe giren karara göre yerli tarım ürünlerinden üretilmiş biyodizel içeriğinin, 1 Ocak 2014 tarihi itibariyle en az %1; 1 Ocak 2015 tarihi itibariyle en az %2; 1 Ocak 2016 itibariyle en az %3 olması zorunluluğu getirilmiştir. Mısır, sorgum, kanola, soya ve ayçiçeği gibi enerji bitkilerinden biyogaz, biyodizel ve etanol üreterek geleneksel fosil yakıtlara alternatif bir yakıt oluşturacağı düşünülen birinci nesil biyokütle enerji kaynaklarının yakın geçmişte gıda piyasaları ve içme suyu kaynakları üzerinde bazı yan etkileri görülmeye başlanmış ve daha çevreci biyokütle kaynakları üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Öte yandan selülozik biyokütleden etanol üretimine dayanan ve halen teknolojik ve ekonomik açıdan yeterli düzeye gelmesi için yoğun araştırma ve geliştirmeye ihtiyaç duyan ikinci nesil biyokütle enerji kaynakları, halen kullanımdaki enerji kaynaklarına alternatif olmaktan uzaktır [2]. Algler veya genel ismiyle yosunlar, uzun yıllar alternatif bir enerji kaynağı olarak gündeme gelmesinden çok, hayvan yetiştiriciliğinde besin katkısı olarak üretilip değerlendirilmişlerdir. Son yıllarda artan petrol fiyatlarının da etkisiyle hızlanan biyokütle enerjisi araştırmaları sonucu algler, umut vadeden bir enerji kaynağı olarak görülmeye başlanmıştır. Üçüncü nesil biyoyakıt teknolojisi olarak da adlandırılan ve doğada yer alan birçok alg türünü enerji kaynağı olarak kullanmayı hedefleyen çalışmalar, laboratuvar araştırmaları,
pilot ve küçük ölçekli denemelerde başarılı olunmasına rağmen büyük ölçekli yerel üretimlerde ideal proseslerin oluşturulamaması durumunda istenilen verim elde edilememektedir [3-5]. Algler, biyodizel ve etanol gibi biyoyakıtların üretiminde, diğer ham madde kaynaklarına alternatif olarak görülmektedir. Geçerli biyoyakıt üretim yöntemleri, karasal yakıt ürünlerine göre artan miktarda arazi alanlarına ihtiyaç duymaktadır. Algler, bu konuda benzersiz bir alternatiftir. Tarımsal amaçlı kullanılmayan arazilerde alg üretim tesisleri kurularak tarımsal üretimini de engellememektedir. Mikroalgler biyokütlenin toplam kuru ağırlığının %80 inden daha fazla yağ üretebilir [6]. 2. MİKROALG NEDİR? Algler veya genel ismiyle yosunlar, uzun yıllar alternatif bir enerji kaynağı olarak gündeme gelmesinden çok, hayvan yetiştiriciliğinde besin katkısı olarak üretilen veya değerlendirilmişlerdir. Son yıllarda artan petrol fiyatlarının da etkisiyle hızlanan biyokütle enerjisi araştırmaları sonucu algler, umut vadeden bir enerji kaynağı olarak görülmeye başlanmıştır. Üçüncü nesil biyoyakıt teknolojisi olarak da adlandırılan ve doğada yer alan birçok algler türünü enerji kaynağı olarak kullanmayı hedefleyen çalışmalar, laboratuvar araştırmaları, pilot ve küçük ölçekli denemelerde başarılı olunmasına rağmen büyük ölçekli yerel üretimlerde ideal proseslerin oluşturulamaması durumunda istenilen verim elde edilememektedir. Mikroalgler karbonhidrat, protein, lipid ve vitamin içeren mikroorganizmalardır. Genel olarak, türe göre değişmekle birlikte, mikro-algler yaklaşık % 15-77 yağ içerebilmektedir [5,7]. Diğer yağ bitkilerine kıyasla yüksek yağ oranı ve büyüme verimine sahip olmaları mikroalgleri biyodizel ve biyogaz üretimi için cazip kılmaktadır. Bu yakıtların mikroalglerden üretilmesi, artan küresel enerji ihtiyacına cevap verilebilme ve kısmen de olsa atmosferdeki gereğinden fazla karbondioksiti fotosentez yoluyla verimli ürüne dönüştürerek, küresel ısınmanın önlenmesine katkıda bulunma potansiyeline sahiptir. Ayrıca üretimi sırasında içme suyu kaynakları üzerinde karasal enerji bitkileri gibi büyük bir tehlike oluşturmayan mikroalgler, doğadaki azot ve fosfor gibi kirleticileri atık su arıtımı yoluyla giderme avantajı da sağlamaktadır. Biyodizel ve etanol gibi biyoyakıtlara alternatif yakıt olarak önerilmektedir. Geçerli biyoyakıt üretim yöntemleri, karasal yakıt ürünlerine göre artan miktarda arazi alanlarına ihtiyaç duymaktadır. Algler, bu konuda benzersiz bir alternatiftir. Mikroalgler biyokütlenin toplam kuru ağırlığının % 80 inden daha fazla yağ üretebilir [6]. Bugün yüksek yağ içerikli mikroalgler kullanılarak kaliteli biyoyakıtlar üretilmektedir. Bu potansiyel diğer yağ bitkileriyle karşılaştırıldığında Tablo 1 de açıkça görülebilir [7]. Bu tabloda soya, kanola, palmiye ve mikroalgler için 1 ha da litre olarak yıllık üretilebilecek yağ miktarları verilmiştir. Örnek olarak, Türkiye koşullarında 1,000,000 m 3 /yıl düzeyinde biyodizel üretim kurgusunda, soya ve kanola için gerekli olan tarımsal alan büyüklükleri sırasıyla 2,8 milyon ha, 1 milyon ha olarak hesaplanmıştır. Tablo 1. Yıllık üretim bazında bioyakıt kaynaklarının karşılaştırılması [7] Yağ kaynağı Bitki Yağ üretimi (L/ha) Soya fasulyesi 446 Kanola 1190 Palm yağı 5950 Mikroalg (%30 yağ içerikli) 58700 Mikroalg (%70 yağ içerikli) 136900 2
Bu üretim kapasitesinde, yağ içeriği %30 ve %70 olan mikroalgler için üretim alanı büyüklükleri ise sırasıyla 0,0102 milyon ha ve 0,0044 milyon ha olarak hesaplanmıştır. Bu verilere göre, yağ içeriği düşük olan (%15) mikroalg ile karşılaştırılsa dahi, yüksek yağ içerikli olarak bilinen soya, kanola ve palmiye yağı gibi tarımsal yağ bitkilerinden yapılan bioyakıt üretimi düşük ölçeklerde kalmaktadır. Sonuç olarak, bu senaryoya göre, yakın bir gelecekte, yüksek yağ içerikli mikroalglerden üretilen biyoyakıtlar taşımacılıkta kullanılan petrol kökenli sıvı yakıtların yerini alabilecek ölçekte yüksek potansiyele sahip olduğu görülmektedir. Algler dünyada en hızlı büyüyen bitkilerdir. Alg kültürleri için üretim yöntemleri endüstriyel reaktör tipleri, açık havuzlar, fotobiyorekatörler ve kapalı sistemlerdir [8]. Gerek doğal ortamda gerekse laboratuar koşullarında kültürü yapılan alglerin ekonomideki önemi büyüktür. Bu önem alglerin çok çeşitli alanlarda kullanılmasından ileri gelir. Algler üretimi günümüzde atık su arıtımı, güneş enerjisinin biyokütleye dönüştürülmesinde en etkili ve en ekonomik yoldur. Mikroalgler, fazla CO 2 i uzaklaştırarak ortamın ph ını ayarlar ve ortamdaki fazla besin maddeleri uzaklaştırılmasıyla su kalitesinin kontrolüne yardımcı olurlar. Ayrıca bazı kimyasal maddelerin üretiminde ve fermantasyonla metan gazı eldesinde de kullanılırlar. Mikroalgler son derece zengin karbonhidrat, protein ve özellikle yağ asidi içeriğine sahiptirler. Besin değeri yüksek olan algler sudaki canlılar için besin maddeleri, vitamin ve iz elementlerin en önemli kaynağıdırlar. Aynı zamanda balık ve diğer su canlılarında renklenmenin gelişmesinde gerekli temel pigmentleri sağlarlar. Deniz ve tatlı sulardaki su ürünlerinin aşırı miktarda avlanması ve çevre kirliliği sorunlarının artışı ile deniz ve iç suların kirlenmesi buralarda yaşayan organizmaların azalmasına neden olmuştur. Bu nedenle yetiştiricilik çalışmaları hız kazanmıştır. Yetiştiricilik yapılan tesislerde larva beslenmesinde alg kültür üniteleri sistemin kaçınılmaz ve en önemli basamağıdır. Bu ünitelerdeki başarı kurulan zincirin diğer halkalarına yansır [9]. 3. MİKROALGLERİN KULLANIM ALANLARI Mikro alglerlerin başlıca kullanım alanları Tablo 2 de verilmiştir. Tabloda da görüldüğü gibi farklı prosesler uygulanarak farkı ürünler elde etme olanağı mevcuttur. Tablo 2. Mikroalglerin kullanıldığı prosesler Son Ürün Biyodizel Etanol Metan (biyogaz) Isı ve Elektrik Üretim Prosesi Alglerden yağ çıkarılması ve transesterifikasyon ile üretim metodu Fermantasyon metodu Algler posasının anaeorobik fermantasyonu Algler posasının direk yakılması veya biyokütlenin gazlaştırılması 3.1 Mikroalglerden Biyodizel Üretimi Mikroalgler yapılarındaki yağı üretirken, yağ bitkilerine göre, güneş ışığını ve CO 2 i daha etkili kullanan organizmalar olup, bölünme potansiyelleri ve büyüme hızları da oldukça yüksektir. Hızlı büyüme sırasında mikroalgin biyokütleyi ikiye katlama süresi 3,5 saattir. Bu nedenlerle, mikroalgler, geniş tarımı yapılan yağ bitkilerine oranla, küçük alanlarda, daha büyük miktarlarda ve daha düşük maliyetlerle üretilebilme olanağı vardır. Alglerden yararlanma döngüsü Şekil 1 de verilmiştir. Alglerden biyodizel üretimi en yüksek verimi ve enerjiyi sağlamaktadır. Endüstriyel ölçekte yüksek verim sağlamak için mikroalg üretimi ılıman iklime sahip bölgelere kurulan açık havuzlarda ya da seraların içine yerleştirilen havuz veya fotobiyoreaktörlerle yapılabilmektedir [7,10]. 3
Farklı işlemlerle diğer değerli materyale dönüşümü Geriye kalan posa İşlem Balık, hayvan yemi Protein çıkarılması Gıda maddesi Mikroalg türünün seçimi Mikroalg yetiştiriciliği Mikroalg Hasatı Mikroalgden Yağ çıkarılması Yağdan Biyodizel üretimi Son ürün Biyodizel Şekil 1. Alg döngüsü 3.2 Dünyada Mikroalgler Mikroalglerin alternatif bir enerji kaynağı olarak kullanılması birçok araştırmacı tarafından yıllardır önerilmektedir [11]. Uzun yıllar hayvan yetiştiriciliğinde besin katkısı olarak üretilen mikroalgler son yıllarda artan petrol fiyatlarının da etkisiyle hızlanan biyokütle enerjisi araştırmaları sonucu umut vadeden bir enerji kaynağı olarak görülmeye başlanmıştır. Üçüncü nesil biyoyakıt teknolojisi olarak da adlandırılan ve doğada yer alan birçok mikroalg türünü birer enerji kaynağı olarak kullanmayı hedefleyen çalışmalar genelde prosesten kaynaklanan zorluklardan dolayı teknolojik olarak fazla gelişememiş, ancak laboratuvar araştırmaları, pilot ve küçük ölçekli denemelerle sınırlı kalmıştır. Tilman ve ark., mikroalgleri enerji alternatifi olarak rakipsiz görmüş, aynı zamanda gaz emisyon sonuçlarına da katkısını vurgulamışlardır. Çok az bir su ile, mikroalgler sadece gün ışığını kullanarak popülasyonlarını bir günde iki katına çıkarmaktadırlar. Hatta bazı mikroalgler bu büyümeyi sadece birkaç saat içinde tamamlamaktadırlar [12]. Dolayısıyla mikroalgler biyoyakıt hammaddesi olarak şu an en gözde seçenekler arasındadır. Çünkü bir yıl içinde hektar başına milyonlarca litre biyodizel ürebilecektir. Bu palm oil bitkisiyle ulaşılan 5950 L/hektar miktarına göre bile oldukça fazladır. Bütün algal oiller biyodizel üretimi için uygun olmasa bile, uygun olanları üretilebilir [13]. Mikroalgler konusunda dünyada yapılan çalışmalar en çok biyodizel üretimi için iyi bir seçenek olduğu için ve laboratuvarda üretimi kolay olduğu için Tatlı su algi (Chlorella) üzerine yoğunlaşmıştır [13]. Converti ve ark., mikroalgdeki yağ içeriğini arttırmak için sıcaklık ve azot içeriğinin arttırılması üzerine çalışmalar yapmışlardır [14]. 1 ton alg, büyüyebilmek için 1,8 ton CO 2 e ihtiyaç duyar. Algler büyük bir CO 2 absorplayıcıdır. Alglerin bu özelliğinin yanı sıra bir de her yerde rahatça yetişebilirliği özelliği eklenirse, çok şaşırtıcı bir fırsat önümüze çıkmaktadır [15]. 3.3 Türkiye de Mikroalgler Türkiye de mikroalglerle ilgili bilimsel çalışmalar büyük oranda, su ürünleri fakültelerinde ve çoğunlukla larva yemi üretimi ve deniz ve yüzey sularındaki ötrofikasyonu izlenmesi alanlarında gerçekleşmektedir. Ayrıca Ege Üniversitesi Biyomühendislik Bölümü tarafından gıda ve etken madde üretimine yönelik fotobiyoreaktör tasarımı çalışmaları da mevcuttur. Başta Ege Üniversitesi olmak üzere bazı üniversitelerimizin çalışmaları sonucu Türkiye de mikroalgal biyokütle üretimi başlamış durumdadır; ancak enerji üretimine odaklanmış yeterli sayıda çalışma bulunmamaktadır. Enerji odaklı yapılmaya çalışılan çalışmalar İzmir, Ankara ve Gebze de yapıldığı görülmektedir. Yapılan çalışmaların ortak yanları laboratuvar bazlı çalışma aşamalarında üretim prosesleri ve koşulların sağlanma oranına bağlı olarak başarılı olmalarına rağmen, büyük ölçekli çalışmalarda bu koşulların sağlanamaması olarak görülmektedir. 4
Bu çalışmalardan birisi de Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsünde Nisan 2010 itibariyle başladığı TÜBİTAK destekli Mikroalgal Biyokütle Üretiminde Yenilikçi Yaklaşımlar isimli projedir. Bu projede mikroalglerden biyodizel üretiminde karşılaşılan maliyet sorunlarının çözümü ile birlikte küresel ısınmanın en büyük sorumlusu olarak gösterilen CO 2 emisyonunun algler tarafından kullanılarak azaltılması ve biyolojik arıtım deşarj suyu kullanılarak alg üretimiyle azot, fosfor giderimi sayesinde deşarj suyunun verildiği alıcı ortamlarda ötrofikasyon riskinin düşürülmesi amaçlanmaktadır. Ömerli Evsel Atık su Arıtma Tesisi nden belirli aralıklarla alınan deşarj suyu kullanılarak çeşitli doğal ortamlardan toplanan alg numuneleri kültüre edilerek besi maddesi kullanım hızları, CO 2 özümleme kapasiteleri ile birlikte biyokütle ve yağ üretimlerini gözlemlemek amaçlı laboratuvar bazlı denemeler yapılmıştır. Proje sonucunda getirilen yeniliklerin mikro alglerden biyodizel üretiminin maliyetini önemli derecede azaltması beklenmektedir. Türkiye de yıllık toplam güneşlenme süresinin 2640 saat, bir başka deyişle elde edilebilecek ortalama enerjinin 3,6 kwh/m 2 gün olduğu EİE Genel Müdürlüğü tarafından bildirilmiştir. Bu durumda mikroalg üretimi için gerekli enerji olan güneş enerjisi açısından son derece zengin olan ülkemiz için bu alanda yapılacak bilimsel çalışmalar üretime geçiş yolunda ışık tutacaktır [2]. 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Ülkemizde geçtiğimiz yıllarda 50 adet lisanslı biyodizel tesisi ve yaklaşık 1,5 milyon ton kurulu kapasite olmasına karşılık, hammdde üretimindeki plansızlık nedeniyle bugün üretim yapan sadece birkaç tesis bulunmaktadır. 2011 yılı motorin tüketimimizin 16 milyon ton olduğu ve her yıl arttığı dikkate alındığında 2014 yılında yaklaşık 150-200 bin ton biyodizele ihtiyaç duyulacaktır. Alternatif enerji kaynaklarının hammadde sağlayıcısı olarak görülen alglerin yetiştirilmesi için gerekli olan iklim şartları ve besin kaynağı olarak kullanılan başta CO 2 olmak üzere besin elemanları ülkemizde bol miktarda mevcuttur. Bu açıdan ülkemizin ekonomik alg üretimine uygun olduğu görülmektedir. Sadece doğal gazla çalışan termik santraller göz önüne alındığında mikroalgin ana besin kaynağı olan CO 2 açısından oldukça büyük bir potansiyele sahiptir. Türkiye de 2010 yılında 210000 GWh elektrik üretilmiştir. Bunun yaklaşık % 50 si doğal gazdan üretilmiştir. Bu miktar ise yaklaşık 105000 GWh lik elektrik üretimine karşılık gelmektedir. 1 MWh doğal gazın yanması sonucunda atmosfere 0,6 ton CO 2 salınımı yapılmaktadır. Bu verilere göre doğal gazla çalışan termik santralarımızdan bir yılda salınan CO 2 miktarı yaklaşık 60000000 ton dolayındadır. Bu miktar Türkiye nin CO 2 salınımının yaklaşık %20 sini oluşturmaktadır. KAYNAKLAR [1] A.H. Yılmaz, F.S. Atalay, Çeşitli Organik Katı Atıkların Anaerobik Fermantasyonu ve Modelleme Çalışmaları, 5. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu Bildiri Kitabı (2004), 616-626. [2] A.N. Say, Ü.D. Keriş, Ü. Şen, M.D. Gürol, Mikroalglerden Biyokütle Enerjisi Üretimi ve Türkiye, 8. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu Bildiri Kitabı (2010), 263-271. [3] S. Ladanai, J. Vinterback, Global Potential of Sustainable Biomass for Energy, Uppsala: Swedish University of Agricultural Sciences 32 (2009). [4] Güney Ege Bölgesi Yenilenebilir Enerji Çalışma Raporu. www.geka.org.tr Erişim: Ocak 2012. [5] H. Xu, X. Miao, Q. Wu, High quality biodiesel production from a microalgae Chlorella Protothecoides by heterotrophic growth in fermenters, Journal of Biotechnology 126 (2006), 499-507. 5
[6] R. Harun, M. Davidson, M. Doyle, R. Gopiraj, M. Danquah, G. Forde, Technoeconomic analysis of an integrated microalgae photobioreactor, biodiesel and biogas production facility, Biomass and Bioenergy 35 (2011), 741-747. [7] Y. Chisti, Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25 (2007), 294-306. [8] A. Demirbas, M.F. Demirbas, Importance of algae oil as a source of biodiesel, Energy Conversion and Management 52 (2011), 163 170 [9] A. Polatlı, Besin Kültürü Araştırması, www.makaleler.com/beslenme-makaleleri/besin kulturu-arastimasi.htm Erişim: Nisan 2011. [10] A.M. Borowitzka, Microalgae as source of pharmaceuticals and biologically active compounds, Journal of Applied Physiology 7 (1995), 3-15. [11] L. Thomsen, How Green are algae farms for biofuel production, Biofuels 1(4) (2010), 515-517 [12] D. Tilman, J. Hill, C. Lehman, Policy forum: beneficial biofuels - the food, energy, and environment trilemma, (2006) 270 [13] A.L. Ahmad, N.H. Mat Yasin, C.J.C. Derek, J.K. Kim, Microalgae as a sustainable energy source for biodiesel production: A review. Renewable ans Sustainable Energy Reviews 15 (2011), 584-593. [14] A. Converti, A.A. Casazza, E.Y. Ortiz, P. Perego, M.D. Borghi, Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production. Chemical Engineering Process 48 (2009), 1146 1151. [15] Oilgae, 2010, Oilgae Comprehensive Report Energy from Algae: Products, Market, Processes and Strategies, www.oilgae.com. Erişimi, Ocak 2011. 6