Biyokütle Dönüşüm Teknolojileri

Biyokütle enerjisi klasik ve modern yöntemler olarak iki şekilde kullanılmaktadır.

Klasik yöntemde biyokütle kaynakları doğrudan yakılarak ısınma ve pişirme amaçlı kullanılmaktadır. Modern yöntemlerde ise biyokütle kaynakları farklı dönüşüm teknolojileri kullanılarak fosil yakıtların yerine kullanılabilecek katı, sıvı ve gaz yakıtlara dönüştürülebilmekte ve kimya sanayi için çeşitli ürünler elde edilmektedir.

Biyokütle dönüşüm yöntemleri ve elde edilen yakıtlar Şekil 2.9.’da verilmiştir (https://www.enerji.gov.tr/File/?path=ROOT%2f1%2fDocuments%2fSayfalar%2fbct .pdf; McKendry, 2002b).

20

Şekil 2.9. Biyokütle dönüşüm teknolojileri

Biyokütle kaynaklarına en uygun teknolojinin belirlenmesi için içeriğindeki nem oranın (% olarak su miktarı), karbon/nitrojen oranın (C/N), kimyasal ve fiziksel özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir (Kılıç, 2011). Biyokütle nem içeriği <%50 olması durumunda yakma ve gasifikasyon gibi termokimyasal proseslere uygunken, nem içeriğinin >%50 olması durumunda fermantasyon ve anaerobik çürüme gibi ıslak dönüşüm proseslerine uygundur (McKendry, 2002b; Avcıoğlu vd., 2011).

Ayrıca, biyokütle içeriğinin, %35’den fazla su içermesi durumunda termokimyasal proseslerle elektrik üretimine uygun değildir. Yüksek oranda şeker bulunduran biyokütle kaynakları ise alkol fermantasyonu ve anaerobik fermantasyon için daha uygundur (Avcıoğlu vd., 2011).

21 2.2.1.1. Termokimyasal Süreçler

Termokimyasal dönüşüm prosesleri ile biyokütleden katı, sıvı ve gaz formlarda enerji içeriği yüksek yakıtlar ve bazı kimyasal maddeler elde edilmektedir.

Termokimyasal işlemler doğrudan yakma, gazlaştırma, piroliz-sıvılaştırma işlemlerinden oluşmaktadır.

Doğrudan Yakma: Doğrudan yakma işlemi biyokütlenin bilenen en eski kullanım yöntemidir. Günümüzde doğrudan yakma sistemlerinin verimini yükseltmek amacıyla yeni teknolojiler kullanılmaktadır. Biyokütle yakma enerji santralları için net biyoenerji dönüşümleri %20-%40 olarak değişmektedir (McKendry, 2002b).

Biyokütlenin doğrudan yakılması ile sıcak baca gazları oluşmakta ve bu gazdan yararlanılarak su buharı elde edilmektedir. Su buharının, buhar türbinlerinde kullanılmasıyla da elektrik enerjisi elde edilmektedir. Yanma sürecinde elde edilen ürünün ısı olması sebebiyle, depolanamamakta bu nedenle üretildiği anda ya ısı olarak ya da elektriğe çevrilerek kullanılması gerekmektedir (Bridgwater, 2003).

Tüm biyokütle kaynaklarını yakmak mümkündür, ancak pratikte biyokütle önceden kurutulmadığı sürece, nem içeriği <%50 olan kaynaklar için daha uygundur (McKendry, 2002b). Nem oranı yükseldikçe yakma prosesi sonucunda elde edilen ısıl değer de düşmektedir.

Gazlaştırma: Gazlaştırma prosesi, biyokütlenin 800 ̊-900 ̊ C gibi yüksek sıcaklıklarda, kısmi oksijen ortamında (stokiyometrik hava miktarından daha az havayla) yanıcı gaz karışımına dönüştürülmesi işlemidir(McKendry, 2002b;

Avcıoğlu vd., 2011). Bu proses ile elde edilen gazın içeriğinde temel bileşen olarak, karbonmonoksit (CO) ve hidrojen (H2) gazları bulunmakta ve tesiste kullanılan atığın türüne bağlı olarak da belirli miktarlarda metan (CH4), karbondioksit (CO2), sülfürdioksit (SO2) ve etilen (C2H4) gibi maddeler bulunabilmektedir (www.deloitte.com/Documents/energy-resources/BiyokutleninAltınCag1.pdf). Bu proses ile biyokütlenin sahip olduğu enerjinin %60-%90’ ı gaza dönüştürülebilmektedir (Öztürk, 2016 ).

22

Bu proseste elde edilen düşük kalorifik değerli (4,6 MJ/Nm³) gaz doğrudan yakılabilmekte veya gaz motorları ve gaz türbinleri için yakıt olarak kullanılabilmektedir (McKendry, 2002b).

Piroliz: Biyokütle kaynaklarının oksijensiz ortamda yaklaşık 500 ̊ C’ye ısıtılarak farklı oranlarda katı, sıvı ve gaz formlarda yakıtlar elde edilebilmesini sağlayan prosestir (McKendry, 2002b). Piroliz prosesi ile üç farklı formda yakıt oluşmaktadır.

Bu yakıtlar ve özellikleri şu şekildedir (Avcıoğlu vd., 2011):

 Kömür (Char): Saf karbondan ve prosesde kullanılan katı atığın içeriğinde bulunan materyallerden oluşan sertleşmiş katı madde.

 Biyoyağ: Asetik asit, aseton, metanol ve kompleks hidrokarbonları içeren bir katran veya yağ akımından oluşan sıvı franksiyon.

Bu prosesle elde edilen biyoyağ üretimden sonra tekrar işlenebilir olması, yüksek enerji içeriğine sahip olması ve taşıma kolaylığının olması nedeniyle tercih edilmektedir(www.deloitte.com/Documents/energyresources/BiyokutleninAltınCag1 .pdf). Biyoyağ rafineri için hammadde olarak, motorlarda ve türbinlerde yakıt olarak kullanılabilmektedir (McKendry, 2002b).

 Gaz: Proseste kullanılan biyokütle kaynağının organik özelliklerine göre içeriğinde ana bileşen olarak hidrojen, karbonmonoksit, metan, karbondioksit ve diğer gazları bulunduran gaz karışımı.

Piroliz prosesinde elde edilecek olan katı, sıvı ve gaz ürünlerin oranları kullanılan biyokütle kaynağının türüne ve ısıtma hızı, reaktörde kalma süresi, sıcaklık, basınç gibi reaksiyon parametrelerine bağlı olarak değişmektedir. Piroliz prosesinde reaksiyon parametreleri ve elde edilecek ürün oranları Çizelge 2.3.’de verilmiştir (Öztürk, 2012).

23

Çizelge 2.3. Piroliz reaksiyon parametreleri ve ürünler

Yöntem Koşullar Sıvı

500̊ C, sıcak buhar bekleme süresi kısa

(10-30s) 50 25 25

Yavaş piroliz 400̊ C, sıcak buhar bekleme süresi uzun

(birkaç gün) 30 35 35

Gazlaştırma 750-900̊ C 5 10 85

Biyokütle pirolizinde amaç (Demirbaş, 2001);

 Sıvı ürünlerin verimini en üst düzeye çıkarmaksa, düşük sıcaklık, yüksek ısıtma oranı, kısa gaz kalma süresi gereklidir.

 Yüksek char üretimi ise, düşük sıcaklık, düşük ısıtma hızı süreci gereklidir.

 Yakıt gazı verimini en üst düzeye çıkarmak ise, yüksek sıcaklık, düşük ısıtma hızı, uzun gaz kalma süresi gereklidir.

Sıvılaştırma: Düşük sıcaklık (250-400 ͦ C) ve yüksek basınç (̴150 bar) şartlarında, bir katalizör, hidrojen (H2) veya karbon monoksit varlığında biyokütleden sıvı ürün elde edilmesi işlemidir (Demirbaş, 2004). Sıvılaştırma prosesi sonucunda %2-%10 gaz,

%50-%80 sıvı ve %5-10 katı formlarda maddeler elde edilmektedir (Demiral, 2004).

Sıvılaştırma prosesinde reaktörlerin ve yakıt besleme sistemlerinin piroliz sistemlerine göre daha karmaşık ve pahalı olması nedeniyle sıvılaştırma prosesleri fazla tercih edilmemektedir (McKendry, 2002b).

2.2.1.2. Biyokimyasal Süreçler

Biyokimyasal işlemler fermantasyon ve anaerobik fermantasyon işlemlerinden oluşmaktadır. Fermantasyon ile en kısa sürede, en az miktarda hammadde kullanılarak en fazla ürünün elde edilmesi amaçlanmaktadır (Yiğitoğlu vd., 2012).

Biyokimyasal süreçler, atmosferik karbondioksit seviyesinin azaltılması için en umut

24

verici ve çevresel olarak sürdürülebilir alternatifler arasında görülmektedir (Yadav vd., 2015).

Fermantasyon (Alkol Fermantasyonu): Bu proses alkol fermantasyonu olarak da adlandırılmaktadır. Fermantasyon sürecinde nişasta, şeker veya selüloz içeren biyokütle kaynakları kullanılarak etanol üretilmektedir.

Anaerobik Fermantasyon: Anaerobik fermantasyon Bölüm 2.3.’de biyogaz üretim sürecinde ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

2.2.1.3. Ekstraksiyon (Transesterifikasyon, Esterleşme)

Ekstraksiyon yağların bir katalizör aracılığıyla alkol ile tepkimesi sonucunda yağ asidi esterleri (biyodizel) ve gliserin elde edilmesi işlemidir. Bu prosesde yağ olarak;

bitkisel yağlar (kolza, soya, ayçiçek, palm, aspir gibi bitkilerden elde edilen yağlar), evsel atık yağlar (kullanılmış kızartma yağı) ve hayvansal yağlar, alkol olarak metanol ve etanol gibi maddeler ve katalizör olarak da sodyum veya potasyum kullanılmaktadır(https://www.mmo.org.tr/sites/default/files/EnerjiGorunumu2018_2 _0.pdf,; Öztürk, 2012). Bu proses ile yağ üretimine ek olarak hayvan yemi olarak kullanılmaya uygun bir katı madde de elde edilir (McKendry, 2002b).