1. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi 2007

Transkript

I. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi – TİKDEK 2007, 11 - 13 Nisan 2007, İTÜ, İstanbul
BİLDİRİ KİTABI
Editörler
Ahmet ÖZTOPAL
Zekâi ŞEN
1
Climate - Environment
Research & Development
Centre
I. TÜRKİYE İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ KONGRESİ
TİKDEK 2007
11 - 13 Nisan, 2007
İTÜ Maslak Kampüsü Kültür ve Sanat Birliği Salonu
İSTANBUL
BİLDİRİ KİTABI
EDİTÖRLER
AHMET ÖZTOPAL ve ZEKAİ ŞEN
DESTEKLEYEN KURULUŞLAR
2
KONGRE YÜRÜTME KURULU
Zekai Şen
Dursun A. Çodur
Hasan Z. Sarıkaya
Ahmet Öztopal
Ahmet Duran Şahin
Selami Oğuz
KONGRE SOSYAL ETKİNLİKLER KURULU
Mehmet Akkaya
Ömer Faruk Birpınar
Muhiddin Yenigün
Nigar Şen
Serhat Bulut
KONGRE BİLİM KURULU
AHMET D. ŞAHİN
AHMET DEMİR
AHMET METE SAATÇİ
ALİ UYUMAZ
ALİ ÜMRAN KÖMÜŞÇÜ
DOĞAN KANTARCI
ENGİN TÜRE
ERCAN KAHYA
EROL KESKİN
ERTUĞRUL ACUN
FİLİZ KARAOSMANOĞLU
FUAT Z. TOPRAK
GÜNAY APAK
HASAN Z. SARIKAYA
İBRAHİM DİNÇER
İBRAHİM GÜRER
KASIM YENİGÜN
LEVENT KAVVAS
LEVENT ŞAYLAN
MEHMET E. BİRPINAR
MERT SAVRUN
MİKDAT KADIOĞLU
MURAT TÜRKEŞ
MUSTAFA ÖZTÜRK
NECATİ AĞIRALİOĞLU
NEJAT VEZİROĞLU
ORHAN ŞEN
ÖMER LÜTFİ ŞEN
SELAHATTİN İNCECİK
SEVİNÇ SIRDAŞ
ÜMİT DOĞAY ARINÇ
ÜNAL ŞORMAN
VEYSEL EROĞLU
YURDANUR S. ÜNAL
ZEKAİ ŞEN
3
I. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi – TİKDEK 2007, 11 - 13 Nisan, 2007, İTÜ, İstanbul
Biyokütlenin Enerjiye Dönüştürülmesi
E. Işıl ARSLAN, Sibel ASLAN ve Murat TOPAL
Fırat Üniversitesi, Müh. Fak., Çevre Müh. Bölümü, ELAZIĞ
[email protected]; [email protected]; [email protected]
(Poster Bildiri)
ÖZET
Biyokütle, geleceğin yakıt alternatiflerinden biri olup sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır.
Düşük maliyeti, yerel olarak bulunabilirliği, kullanıma hazır olması gibi avantajları vardır.
Fosil yakıtların rezervlerinin azalması ve sera gazlarının neden olduğu küresel ısınma
sebebiyle, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan biyokütle enerjisi giderek daha önemli
hale gelmiştir. Biyokütlenin enerjiye dönüştürülme yolları; termokimyasal, biyokimyasal ve
kimyasal dönüşümdür.
Anahtar Kelimeler: Biyokütle; Enerji; Termokimyasal; Biyokimyasal; Kimyasal; Küresel
Isınma.
ABSTRACT
Biomass is one of the fuel alternatives of the future and it is a sustainable energy source. It has
advantages as low cost, locally available, ready to use. Biomass energy which is one of the
renewable energy sources become more and more important because of the reduction of
reserves of fossil fuels and global warming which is caused by greenhouse gases. Biomass
energy conversion ways are; thermochemical, biochemical and chemical conversion.
Key Words: Biomass; Energy; Thermochemical, Biochemical; Chemical; Global Warming.
1. GİRİŞ
Dünyada enerji talebinin karşılanmasında ana kaynakların fosil yakıtlar olması, fosil
yakıtların yanma reaksiyonu ile değerlendirilmesi ve bu reaksiyonda karbondioksit (CO2) ile
diğer zararlı emisyonların ortaya çıkması çevre sorunları oluşturmaktadır. Dünyanın en
önemli çevre sorunu olan global ısınmanın ana nedeni, artan CO2 emisyonu ile atmosferin
sera etkisinin güçlenmesidir [1].
485
Biyokütle kaynakları; odun ve odun atığı, tarımsal ürünler (kısa rotasyonlu odunsu, bitkisel
odunsu, şeker ve yağlı tohum ürünleri gibi) ve onların atık yan ürünleri, kentsel katı atık,
tarımsal-endüstri ve gıda proseslerinden kaynaklanan atıklar, alg ve su otları gibi sucul
ürünlerden oluşmaktadır [2].
Doğada bütün biyokütle maddeleri, eninde sonunda ısının açığa çıkmasıyla moleküllerine
ayrışır. Biyokütlenin yanmasından enerjinin açığa çıkması, doğal prosesleri taklit eder. Bu
sebeple biyokütleden elde edilen enerji, yenilenebilir bir enerji formudur ve esas itibariyle
enerjinin kullanımı fosil yakıtların tersine, çevreye CO2 eklemez [3,4]. Tüm yenilenebilir
enerji kaynakları arasında biyokütle, güneş enerjisini etkili şekilde depoladığından
benzersizdir. Ayrıca, karbonun yenilenebilir tek kaynağıdır ve uygun katı, sıvı ve gaz
yakıtlara dönüştürülebilir [4,5].
2. BİYOKÜTLENİN ENERJİYE DÖNÜŞÜMÜ
Enerji üretimi için klasik fosil yakıtlar yerine biyokütlenin kullanımı, sera gazı emisyonlarının
net olarak azaltılmasına ve yenilenebilir olmayan enerji kaynaklarının yer değiştirmesine yol
açar [2].
Oksijen, karbon ve hidrojenden oluşan biyokütledeki karbonhidratların bazısı, faydalı yakıt
olan bir takım kimyasallara parçalanabilir. Bu dönüşüm, termokimyasal, biyokimyasal ve
kimyasal olmak üzere 3 yolla yapılabilir [6].
Biyokütle tiplerinden potansiyel olarak mümkün olan enerji miktarının yanında, en uygun
formu belirleyen diğer özellikler nem içeriği, selüloz/lignin oranı ve kül içeriği ile temsil
edilmektedir. Odun talaşları gibi kuru biyokütle (nem içeriği <%50) yakma ve gazifikasyon
gibi termokimyasal proseslere daha uygunken, şeker kamışı gibi yüksek nem içerikli (>%50)
biyokütle, fermentasyon ve anaerobik çürütme gibi ıslak dönüşüm proseslerine uygundur.
Selüloz/lignin oranı sözkonusu olduğunda, bu parametre sadece biyokimyasal dönüşüm
proseslerini etkiler. Kül içeriği bakımından ise, düşük yüzdeler hem termokimyasal hem de
biyokimyasal prosesler için tercih edilmektedir [2].
486
Son enerji ürünlerinin tipine bağlı olarak bir proses seçeneği sınıflandırılması Tablo 1’ de
verilmiştir [2,7].
Tablo 1. Termokimyasal ve biyokimyasal proses sınıflandırılması.
Dönüşüm prosesi
Teknik çözümler
-
Buhar
-
Proses ısısı
-
Elektrik enerjisi
-
Buhar
-
Proses ısısı
-
Elektrik enerjisi
-
Yakıt gazı metan
-
Odun kömürü
-
Biyokömür
-
Yakıt gazı
-
Etanol
Fermentasyon
-
Sulama suyu
Anaerobik çürütme
-
Kompost
-
Biyogaz
Yakma
Gazifikasyon
Termokimyasal prosesler
Piroliz
Biyokimyasal prosesler
Son ürünler
2.1 Termokimyasal Dönüşüm
2.1.1 Yakma
Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesinin binlerce yıldır uygulanan eski yolu, ısı üretmek için
kolaylıkla yakılmasıdır [6,8]. Yakma; biyokütle enerjisini ısı, mekanik güç veya elektriğe
dönüştürmede kullanılır [2,6]. Net dönüştürme verimleri %20-40 arasında değişmektedir [2].
Biyokütle yakıt partikülleri, uygun yakma için yeterince küçük yapılmalıdır. Optimum
partikül boyutunun tespiti; eklenen enerji ve yakıtın partikül boyutunun azaltılmasının
maliyeti ile daha küçük partiküllerle verimdeki artışın karşılaştırmasıyla yapılır [8].
Na, K, Ca ve Mg gibi alkali ve toprak alkali elementler, biyokütle yakıtların kül içeriğinin
çoğunu oluşturur ve yakma sistemlerinde cüruflaşma problemlerine sebep olur. Bu
elementler; buhar kazanı güç sistemlerinin ısı transfer yüzeylerindeki tortularda
yoğunlaşabilen, düşük erime noktalarına sahip mineralleri oluşturarak yakıt ve kül
partiküllerinin topaklanmasına sebep olur. Cüruf, akışkan yatak yakma sistemlerinde özellikle
487
kül ve yakıtın akışını engeller [8-10]. Bu elementleri daha az tutan bitkiler ileri biyokütle
yakımına yardım edebilir [8].
Kısa dönemde biyokütle enerjisinin kullanımını artırabilecek bir uygulama, birlikte yakma
olarak bilinen güç santrallerinde kömürle karıştırılarak yakılmasıdır [2,6,11]. Biyokütle
hammaddesi, bir buhar kazanında kullanılan kömürün %20’ sinin yerine kullanılabilir [6,11].
Kömür/biyokütle birlikte yakımı, tek başına biyokütle yakan güç sahalarındaki biyokütle
yakımı ile mukayese edildiğinde, daha yüksek verim ve daha düşük sermayeli yakma sağlar.
Bununla beraber, biyokütle içeriği yaklaşık %10 üzerinde yakıt karışımlarını yakan mevcut
sistemler, partikül boyutu sınırlamaları ile karşılaşır [8]. Biyokütlenin birlikte yakılmasıyla
ilişkili faydalar; daha düşük işletme giderleri, zararlı emisyonların azaltılması ve daha büyük
enerji güvenliğidir [6,8].
2.1.2 Gazifikasyon
Gazifikasyon; gaz üretimini optimum yapmak için yüksek sıcaklıklarda yapılan, pirolizin bir
formudur [4]. Gazifikasyon, biyokütleyi karbonmonoksit, hidrojen ve metandan oluşan
yanabilir bir gaz karışımına dönüştürür [2,4,12-16]. Elde edilen gaz, orijinal katı biyokütleden
(genellikle odun veya odun kömürü) daha esnektir, proses ısısı ve buhar üretmek için
yakılabilir veya elektrik üretmek için gaz türbinlerinde kullanılabilir [2,4,12-16]. Birleşik
gazifikasyon/birleşik gaz-buhar çevrimleri kullanılırsa biyokütle dönüşüm verimleri %50’ ye
ulaşabilir [2,4,12-16].
2.1.3 Piroliz
Piroliz; biyokütlenin hava olmadan ısıtılmasıyla sıvı bir kısma (bio-petrol), katı bir kısma
(odun kömürü) ve gaz bir kısma dönüşümüdür [2,4,12-16]. Piroliz, biyokütleyi daha faydalı
bir yakıta dönüştürmede kullanılan temel termokimyasal prosestir [4,15]. Piroliz, biyokütle
dönüşümü için en etkili proses olup, yenilenebilir olmayan fosil yakıt kaynaklarıyla başa
çıkabilir ve sonunda onlarla yer değiştirebilir. Biyokütlenin ham petrole dönüşüm verimi, çok
hızlı piroliz prosesleriyle %70’ e ulaşmaktadır. Bu ürün, biyo-petrol olarak adlandırılır ve
motorlarda ve türbinlerde kullanılabilir. Rafineriler için hammadde olarak kullanımı da
düşünülmektedir. Dönüşüm prosesiyle ve petrolün kullanımıyla ilgili bazı problemlerin
üstesinden gelinmelidir. Bunlar, petrolün zayıf termal stabilitesi ve korrozivitesidir. Petrolün,
hidrojenerasyon ve katalitik ayırım yoluyla alkalileri uzaklaştırılarak ve oksijen içeriğini
488
düşürülerek düzeltilmesi birtakım uygulamalar için istenebilir [4,17]. Biyokütle pirolizinden
elde edilen sıvı ürünlerin verimini maksimum yapmak amaçlanıyorsa; düşük bir sıcaklık,
yüksek ısıtma hızı, kısa gaz bekleme zamanı prosesine ihtiyaç vardır. Yüksek yanıp
kömürleşme üretimi için; düşük bir sıcaklık, düşük ısıtma hızı prosesi seçilecektir. Pirolizden
elde edilen yakıt gazının verimini maksimum yapmak amaçlanıyorsa, yüksek bir sıcaklık,
düşük ısıtma hızı, uzun gaz bekleme zamanı prosesine ihtiyaç vardır [4].
2.2 Biyokimyasal Dönüşüm
2.2.1 Fermentasyon
Fermentasyon, biyokütle sıvılarını yakılabilir yakıt olan alkole dönüştürür [6]. Fermentasyon,
çürütmeye benzer bir proseste mikroorganizmalarca hammaddenin dönüşümünü gerektirir
ancak ürünler metan yerine alkol veya organik asittir. Fermentasyonla hammadde enerji
dönüşümü, yaklaşık 20 GW etanol’ lük küresel bir üretimle geniş ölçekte kullanımdadır
[8,18]. Fermentasyonla, şeker içeren biyokütleden etanol üretimi için genellikle şeker bir
ezme prosesiyle ekstraktre edilir, sonra su ve mayayla karıştırılır ve bir fermentörde sıcakta
bekletilir. Maya, şekeri matanole dönüştürerek bozundurur. Bir distilasyon prosesi suyu
uzaklaştırır ve çekip çıkarılan ve sıvı bir forma yoğunlaşan konsantre etanolü üretir [2,4,5,12].
Mevcut fermentasyon çoğunlukla nişasta ve şekerleri dönüştürürken selüloz maddeleri içeren
fermentasyon prosesleri, geniş ölçekte bir enerji dönüşüm yolu olmak için daha iyi adaylar
olacaktır. Selülozik biyokütleyi kolaylıkla fermente edilebilir şekerlere dönüştürmek için asit
hidrolizi kullanılmaktadır. Asit hidrolizi, linoselülozun selüloz ve hemiselüloza, sonra son
olarak glukoz ve pentozlara (temel olarak xyloz) parçalanmasını gerektirir. Enzimatik
hidroliz, selüloz ve hemiselülozun parçalanmasını katalizleyen enzimleri kullanarak
fermentasyon yapmak için yeni bir uygulamadır. Selülazlar olarak adlandırılan farklı
enzimler, selüloz veya hemiselülozu farklı noktalarda molekülde parçalar. Aşırı sıcaklıklarda
stabil olan selülazları oluştururken yüksek verimliliğe sahip olacak organizma tipini bulmak
önemlidir [8].
2.2.2 Anaerobik çürütme
Anaerobik çürütme, biyokütlenin oksijensiz bakteriyal faaliyet vasıtasıyla temel olarak metan
ve karbondioksitten oluşan biyogaza dönüşümüdür. Bu, kentsel katı atıklar gibi yüksek nem
489
içerikli biyokütleyi tasfiye için yoğun olarak kullanılan ticari olarak ispatlanmış bir
teknolojidir [2,4,5,12].
Anaerobik çürütme, çürütme çevresi için uygun mikroorganizmaların üremesini gerektirir.
Maliyet, artan kullanıma temel bir engeldir. Biyokütle hammaddesinin selüloz kısmı için
dönüşüm verimi, lignin veya hemiselüloz içeren hammaddeler için olan genel verimden daha
yüksektir. Selüloz olmayan kısımları daha iyi kullanan organizmaların veya selülozu daha
yüksek bitki türlerinin geliştirilmesi, anaerobik çürütmeyi faydalı yapabilir [8].
2.3 Kimyasal Dönüşüm
Biyokütleden ulaşım yakıtları, temel olarak şeker veya nişasta içeren ürünlerden
türetilmektedir (şeker kamışı veya mısırdan etanol gibi) [19,20]. Soya fasülyesi ve kanola
yağı gibi biyokütle yağları, dizel yakıta benzer sıvı bir yakıta ve benzin eklemelerine kimyasal
olarak dönüştürülebilir. Restoranlardan alınan pişirme yağı, kamyonlar için biyodizel
eldesinde bir kaynak olarak kullanılmaktadır [6].
Bio-petrol yoğunlaştırıldıktan sonra derhal stabilize edilir. Petrolün stabilizasyonu; etanol
veya metanol ile, esterifikasyon adı verilen bir prosesle yapılabilir. Alkolün eklenmesi, sıvının
depolama stabilitesini ve homojenliğini arttırır ve vizkozitesini azaltır. Alkolün eklenmesi
katıların gideriminde de faydalıdır. Sıvıyı seyrelterek filtrelenebilirliğini arttırır. Bio-petrolde
bulunan su, esterifikasyon dengesini sınırlar ve bu sebeple esterifikasyon prosesinin yüksek
derecede dönüşümü istendiğinde su, esterlenmiş petrolden uzaklaştırılmalıdır. Bio-petrolden
suyun uzaklaştırılması için yeni teknolojilerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır [21].
3. SONUÇLAR
Biyokütle en azından 3 açıdan enerji amaçları için caziptir. Bunlar; sürdürülebilir gelişime
yardımcı olması, antropojenik sera gazı emisyonlarıyla ilişkili fosil yakıtların kullanımını
azaltması, temininin güvenli olmasıdır [22].
Düşük CO2 emisyonlu sürdürülebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesi için yalnızca
biyoyakıtların kullanımının arttırılması değil aynı zamanda bu yakıtların mümkün olduğunca
verimli şekilde kullanılması da önemlidir [22].
490
Bir hammaddeyi enerji hizmetlerinde kullanmak amacıyla hammaddenin enerjisini bir enerji
taşıyıcısına dönüştürmede birçok metot mevcuttur. Hammaddeler yakılabilir, gazifiye
edilebilir, biyolojik olarak çürütülebilir veya yakıtın kompozisyonuna ve istenen enerji
taşıyıcı ürününe dayanarak fermente edilebilir. Bu dönüşüm mekanizmalarının birçok düzeni
vardır. Yakma ve gazifikasyon gibi termokimyasal dönüşüm prosesleri daha bilindiktir, ileri
biyolojik metotlar ise daha az pahalı ve daha etkili olma potansiyeline sahiptir [8].
Uygun dönüşüm prosesinin seçimi; biyokütle kaynağının tipi ve miktarı, enerji taşıyıcıları ve
son kullanım uygulamaları, çevresel standartlar, ekonomik koşullar gibi birçok anahtar
faktörden etkilenir [2].
4. KAYNAKLAR
1. Ültanır, M. Ö., “21. Yüzyıla Girerken Türkiye’ nin Enerji Stratejisinin Değerlendirilmesi”, TÜSİAD-Türk Sanayicileri ve
İşadamları Derneği, yayın no. TÜSİAD-T/98-12/239, İstanbul, 1998.
2. Caputo, A. C., Palumbo, M., Pelagagge, P. M., Scacchia, F., “Economics of Biomass
Energy Utilization in Combustion and Gasification Plants: Effects of Logistic Variables”,
Biomass and Bioenergy, 28 (1): 5-51, 2005.
3. Twidell, J., “Biomass Energy”, Renew Energy World, 3: 38–39, 1998.
4. Demirbaş, A., “Biomass Resource Facilities and Biomass Conversion Processing for Fuels
and Chemicals”, Energy Conversion and Management, 42 (11): 1357-1378, 2001.
5. World Energy Council, “New Renewable Energy Resources”, Kogan Page, London, 1994.
6.http://www.ucsusa.org/clean_energy/renewable_energy_basics/offmen-how-biomassenergy-works.html
7. McKendry, P., “Energy Production From Biomass (Part 2):
Conversion Technologies ”,
Bioresource
Technology, 83: 47-54, 2002.
8. “An Assessment of Biomass Feedstock and Conversion Research Opportunities”, GCEP
Energy Assessment Analysis, Technical Assessment Report, Stanford University, Global
Climate & Energy Project, 2005, http://gcep.stanford.edu
9. “Slagging Combustion for Biomass Power: Conceptual Designs and Costs”, REI (Reaction
Engineering International) of Salt Lake City, Utah, and Ebasco Environmental of
Sacramento, Calif., TVA-EPRI-SERBEP, 1994.
491
10.Ashworth, R. A., Kakaley, R., Widenman, T., “Demonstration of 3-Stage Coal Combustor
at the Lincoln Development Center”, 28 th International Technical Conference on Coal
Utilization&Fuel Systems, Sheraton Sand Key, Clearwater, FL, March 10-13, 2003.
11.Federal Energy Management Program (FEMP), “Biomass Cofiring in Coal-Fired
Boilers”,
DOE/EE-0288.
Washington,
DC:
U.S.
Department
of
Energy,
http://www1.eere.energy.gov/biomass/pdfs/33811.pdf
12. McKendry, P., “Energy Production from Biomass (Part 2) Conversion Technologies,
Bioresources Technology, 83: 47–54, 2002.
13. Broek, R., Faaij, A., Wijk, A., “Biomass Combustion Power Generation Technologies”,
Biomass Bioenergy, 11: 271–281, 1996.
14. Overend, R. P., “Biomass gasification a growing business”, Renewable Energy World, 1:
59–63, 1998.
15. Demirbaş, A., “Yields of Oil Products from Thermochemical Biomass Conversion
Processes”, Energy Conversion and Management 39: 685–690, 1998.
16. Solantausta, Y., Bridgwater, A. T., Beckman, D., “Feasibility of Power Production with
Pyrolysis and Gasification Systems”, Biomass and Bioenergy, 9: 257–269, 1995.
17. Demirbaş, A. and Güllü, D., “Acetic Acid, Methanol and Acetone From Lignocellulosics
by Pyrolysis”, Energy Edu Sci Technol, 2: 111–115, 1998.
18. World Energy Council, “Survey of Energy Resources 2004”, Oxford: Elsevier Publ.
Corp., 2004.
19. Moreira, J. R. and Goldemberg, J., “The Alcohol Programme”, Energy Policy 27: 229–
245, 1999.
20. Hoogwijk, M., Faaij, A., Eickhout, B., de Vries, B., Turkenburg, W., “Potential of
Biomass Energy out to 2100, for Four IPCC SRES Land-Use Scenarios”,
Biomass and Bioenergy, 29 (4): 225-257, 2005.
21. Peláez-Samaniego, M. R., Garcia-Perez, M., Cortez, L. B., Rosillo-Calle, F., Mesa, J.,
“Improvements of Brazilian Carbonization Industry As Part of The Creation of A Global
Biomass Economy”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, In Press, Corrected
Proof, Available online 27 December 2006.
22. Ådahl, A., Harvey, S., Berntsson, T., “Assessing The Value of Pulp Mill Biomass Savings
In A Climate Change Conscious Economy”, Energy Policy, 34 (15): 2330-2343, 2006.
492

1. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi 2007

Transkript

Benzer belgeler

Sonuç Bildirim Listesi için tıklayınız.

1. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi 2007

1. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi 2007