Biyokütleden elde edilen enerji çeşitleri ve yöntemler

Biyokütleden enerji eldesinde kullanılacak dönüşüm süreçlerinin seçimi, elde edilmek istenen yakıt türü, kullanılacak hammadde ve yapılacak yatırım gibi şartlara bağlıdır. Genel olarak sınıflandırma yapıldığında, günümüzde biyokütleden; fiziksel (boyut küçültme-kırma ve öğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve briketleme) ve kimyasal dönüşüm süreçleri (biyokimyasal ve termokimyasal süreçler) ile yakıt elde edilmektedir. Fiziksel süreçler; boyut küçültme (kırma ve öğütme), kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve briketleme şeklinde olup, “biyokütlenin ön hazırlık işlemleri” olarak da tanımlanmaktadır. Biyokütlenin fiziksel süreçler sonrasında yakıt kalitesi artmakta ve direkt yakılarak kullanılabilmektedir (Ölçüm, 2006).

Şekil 2.3. Biyoenerji dönüşüm yolları 2.7.5.1 Fiziksel süreçler

Kurutma

Biyokütle enerji içeriği, ise, düşen nem miktarı

gereken önemli bir ön işlem olarak ortaya çıkmaktadır gösteren yakıtların sabit bir nem miktarına getir açısından önem taşımaktadır

mikroorganizma oluşumuna ve sabit karbon kaybına yol açtığı da düş kurutmanın gerekliliği ortaya çıkmaktadır

Biyoenerji dönüşüm yolları (Renewable Energy Policy Network21, üreçler

, nem içeriğiyle doğrudan ilgilidir. Biyokütlenin enerji verimi düşen nem miktarı ile artmaktadır. Bu yüzden kurutma, biyokütleye uygulanması gereken önemli bir ön işlem olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, nem oran

gösteren yakıtların sabit bir nem miktarına getirilmesi de yakma işleminin kontrolü açısından önem taşımaktadır. Buna ek olarak, ıslak biyokütlenin depolanmasının mikroorganizma oluşumuna ve sabit karbon kaybına yol açtığı da düş

ği ortaya çıkmaktadır (Turan, 2009).

(Renewable Energy Policy Network21, 2015a).

Biyokütlenin enerji verimi biyokütleye uygulanması . Ayrıca, nem oranı değişiklik mesi de yakma işleminin kontrolü ıslak biyokütlenin depolanmasının mikroorganizma oluşumuna ve sabit karbon kaybına yol açtığı da düşünüldüğünde

Öğütme

Öğütme işleminde kuru biyokütlenin parçacık büyüklüğünün boyutu belirlenir. Kuru biyokütlenin parçacık büyüklüğü, kullanıldığı işlemlerden önce bıçaklar, miller, bilyeler gibi farklı öğütme teknikleri kullanılarak istenilen büyüklüğe ayarlanır (Üçgül ve Akgül, 2010).

Pelletleme ve biriktirme

Odun peletleri; kalitesi yükseltilmiş odun yakıtları olarak ağaçlardan keresteye ve diğer odun ürünlerine kadar bir çok işlemde ortaya çıkan testere talaşı, yonga, planya talaşı, kabuk gibi materyallerin kurutulması ve preslenmesi ile üretilmektedir. Bu işlemin en önemli özellikleri; depolama hacminin azaltılması, atıkların enerji değerini yükselterek onların hemen ya da ileri termokimyasal dönüşümler için (yakma, gazlaştırma, piroliz, kömürleştirme) kullanımı işleme biçiminin ve taşımanın kolaylaştırılması, enerji yoğunluğu/hacim oranının artırılması, fermentasyon nedeniyle oluşan madde kaybının ortadan kaldırılması şeklinde sıralanabilir (Saraçoğlu, 2008).

2.7.5.2 Termokimyasal ve biyolojik süreçler

Biyokütlenin 3 ana bileşimi selüloz, hemiselüloz ve lignindir. Biyokimyasal dönüşüm; havasız çürüme ve fermantasyon olmak üzere 2 ana proses içermektedir. Biyokimyasal süreçte lignin parçalanmazken, hemiselülozun parçalanması işlemi gerçekleşir. Lignin ise termokimyasal dönüşüm ile geri kazanılmaktadır (Ben-Iwo vd., 2016).

Termokimyasal dönüşüm süreçlerinin amacı, fosil yakıtlara alternatif, kolay depolanıp taşınabilir ve kararlı özelliklere sahip, yakıtlara ulaşmaktır. Teknolojide biyokütlenin en uygun şekilde kullanılabilmesi için onun birtakım özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bunlar; karbon/azot oranı (C/N), nem oranı (% olarak su miktarı) ile kimyasal ve fiziksel özellikleridir. Enerji dönüşümünde kullanılacak biyokütleler için bu değerlerin bilinmesi son derece önemli olup, içinde % 35'ten fazla su içeren biyokütle, termokimyasal dönüşüm ile elektrik üretimi için uygun değildir. Biyokütle içerisinde yüksek oranda şeker bulunuyorsa bu ürün alkol fermantasyonu ve anaerobik

fermantasyon için uygundur. Nem oranının yanında parça boyutu da uygun dönüşüm sisteminin seçiminde önemli bir parametredir (Çanka Kılıç, 2011).

Çizelge 2.1. Biyokütle kaynakları, kullanılan çevrim teknikleri, bu teknikler kullanılarak elde edilen yakıtlar ve uygulama alanları (Kapluhan, 2014).

Biyokütle Çevrim Yöntemi Yakıtlar Uygulama Alanları Orman Atıkları Havasız Çürütme Biyogaz _{Elektrik üretimi,ısınma} Tarım Atıkları Piroliz Etanol Isınma,ulaşım araçları Enerji Bitkileri Doğrudan Yakma Hidrojen _Isınma

Hayvansal Atıklar Fermantasyon,

Havasız çürütme ^{Metan Ulaşım araçları, ısınma} Çöpler (Organik) Gazlaştırma Metanol _Uçaklar

Algler Hidroliz _{Sentetik yağ roketler}

Enerji Ormanları Biyofotoliz Motorin _{Ürün kurutma} Bitkisel ve

Hayvansal Yağlar ^{Esterleşme reaksiyonu Motorin}

Ulaşım araçları ısınma,seracılık

Biyokütle kaynağının çeşidine göre uygun yöntem seçilerek farklı alanlarda enerji ihtiyacı karşılanabilmektedir (Çizelge, 2.1).

Doğrudan yakma

Yanma, biyokütle içindeki yanabilir maddelerin hidrojenle hızlı kimyasal tepkimesi olarak tanımlanır. Örneğin mısır, ayçiçeği sapları gibi tarımsal atıklar içindeki yanabilir maddeler; karbon, hidrojen ve potasyum gibi bazı metalik elementlerdir. Bu kimyasal tepkime sonucu ortaya çıkan atık maddeler ise, karbondioksit, su buharı ve bazı metal oksitlerdir. Bu ısıveren bir tepkime olup, yakılan kilogram bazına yaklaşık 7.800, hidrojen ise, 3.500 kilokalori ısı açığa çıkmaktadır. Biyokütlenin doğrudan yakılarak enerji üretilmesi, bilinen en eski yöntem olmasına karşın, son yıllarda verimi yükseltmek için yeni yakma sistemleri geliştirilmektedir. Özellikle biyokütle ile çalışan termik santral yapımında akışkan yataklı sistemler alışılagelmiş yakma sistemlerinin yerlerini almaktadır. Hemen her türlü biyokütle kaynağını doğrudan yakmak olanaklıdır. Ancak, nem oranı yükseldikçe elde edilen ısıl değer azalmaktadır (Url-8).

Gazlaştırma

Biyokütlenin gazlaştırılması; 800-900 ^oC’de biyokütlenin yanabilir gaz karışımına kısmi oksidasyonudur. Sınırlandırılmış hava, oksijen, buhar veya bunların kombinasyonları reaksiyonu başlatmaktadır. Gazlaştırma tekniği ile biyokütleden, yüksek bir randımanla petrolle çalışan güç ve ısı sağlayan türbinlerde kullanılabilecek, %18-20 CO, %18-20 H2, %8-10 CO2, %2-3 CH4, hidrokarbonlar, H2O ve N2 içeren sentez gazı üretilir (Ben-Iwo vd., 2016). Biyokütleden gazlaştırma ile elde edilen temizlenmiş gaz yakıt, ısı ve buhar üreten kazanlarda direk yakılarak veya Stirling motorlarda %20-30 verimlilikte elektrik üretimi için kullanılabilmektedir. Basınçlı gazlaştırma türbinlerinde ise %40 veya daha fazla verimlilikte elektrik üretimi yapılabilmektedir (Url-9).

Piroliz

Katı yakıtların gazlaştırma yada direk yakmaya öncü ana prosestir. Basınç altında ve O2

yokluğunda 350-550 ^oC sıcaklığında biyokütlenin termal olarak bozunmasıdır (Ben-Iwo vd., 2016). Biyokütleden, piroliz yöntemi ile motorin, fuel-oil ve türbin yakıtı alternatifi sıvı yakıtlar elde edilebilmektedir. Böylece bitkisel, hayvansal, şehir ve endüstriyel atıklar enerji kaynağı olarak değerlendirilmekte, özellikle piroliz işlemi sonucunda elde edilen sıvı ürünün ham petrol eşdeğeri olması, biyokütlenin diğer kullanım alanları yanında bir üstünlük sağlamaktadır. Ayrıca, piroliz sonucu elde edilen katran (biyo-oil, biyoyakıt) kimyasal hammadde girdisi olarak da kullanım alanı bulabilmektedir (Angın ve Şensöz, 2006).

Havasız Çürütme

Havasız çürütme, biyokütlenin mikroorganizmalar yardımıyla oksijensiz ortamda fermantasyona uğrayarak, hemen her yerde kullanılabilecek bir yakıt ve değerli bir gübre haline dönüştürülmesidir. Bu yöntemle biyokütleden üretilen gaz yakıtlar arasında en iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan biyogazdır. Havasız çürütme yöntemi; çevrim işleminin veriminde kullanılan biyokütle kaynağına, sistem büyüklüğüne, pH değerine ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir (Koçer ve Ünlü, 2007).

Fermantasyon

Fermantasyon, enzimatik kontrollü anaerobik bir prosestir. Lignoselülozik biyokütleden biyoetanol üretiminde 3. basamaktır. Fermantasyondan önce ilk iki basamak biyokütlenin ön işlemden geçirilmesi ve hidrolizdir. Ön işlem; biyokütlenin yüzey alanını artırır, selüloz kristalliğini azaltır, hemiselülozu yok eder ve lignini kırar. Enzimatik hidroliz, biyokütlenin selüloz bileşimini glukoza; hemiselülozu pentoz ve heksoza dönüştürür daha sonra glukoz, seçilmiş mikroorganizma tarafından etanole fermente olur. Glikozun fermantasyonu ile, etanol, bütanol ve ham petrol ürünlerinden elde edilen ürünlere eş değer bir çok kimyasal ürün elde edilebilir. Günümüzde, en fazla istenilen ürün biyoetanoldür ancak geliştirilmesi gerekmektedir (Ar vd., 2003; Ben-Iwo vd., 2016).