Güneş Enerjisi Destekli Biyogaz Sistemler

Reaktörlerin ısıtılmasında fosil yakıtların veya üretilen biyogazın kullanılması, ısıtma maliyetindeki artış nedeniyle ekonomik olmamaktadır. Biyogaz sisteminin bulunduğu yerin iklim koşullarına, çalışma sıcaklığına, reaktör tipine ve boyutlarına bağlı olarak, üretilen biyogaz yaklaşık %15-40 oranda reaktör sıcaklığının istenilen seviyede tutulması için harcanabilmektedir. Bu noktada özellikle güneş ışınımı yüksek olan bölgelerde, güneş enerjisi kullanılarak ısıtmanın sağlanması, sistem verimliliğini arttırmaktadır. Türkiye 36º ve 42º kuzey enlemleri arasındadır. Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlasına (GEPA) göre, yıllık toplam güneşlenme süresi 2.741 saat (günlük ortalama 7,5 saat), yıllık toplam gelen güneş enerjisi ise 1.527 kWh/m².yıl (günlük ortalama 4,18 kWh/m².gün) olarak belirlenmiştir. Bu da, güneş enerjisinden yararlanmak için oldukça iyi bir değerdir. Türkiye ile yaklaşık aynı kuşakta bulunan Yunanistan’da yapılan çalışmalarda, güneş enerjisi destekli biyogaz sistemlerinin ekonomik olarak uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır.

Biyogaz sistemlerinde güneş enerjisinin kullanımı, aktif ve pasif olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Pasif uygulamalarda reaktörün üstü bir serayla veya güneş ışığını geçiren bir örtüyle kapatılmaktadır. Reaktör yüzeyi siyah boyayla kaplanarak, gelen güneş ışınımının soğurulması sağlanmaktadır. Sera sayesinde sistemin ısı kayıpları düşürülmektedir. Fakat bu uygulamalarda, reaktörden biyogazın sızması durumunda oluşabilecek tehlikeleri önlemek için seranın üstünde bir havalandırma penceresinin olması gerekmektedir. Bu sistemlerle, soğuk mevsimlerde yeterli sıcaklığa ulaşılamadığı belirtilmektedir. Özellikle dış hava sıcaklığının düştüğü ve güneş ışınımının yeterli olmadığı saatlerde, reaktör sıcaklığı önemli oranda düşmektedir. Bu sıcaklık dalgalanmalarının nedeni, gelen güneş ışınımının sadece sera ortamı içerisinde bulunan hava ve gazometre tarafından depolanmasıdır. Bahsedilen sistemin şematik görünümü Şekil 6’da verilmektedir.

Şekil 6. Sera ile Entegre Edilmiş Biyogaz Sistemi

Bu sıcaklık dalgalanmalarını düşürmek amacıyla, gazometrenin üzerinde, gelen güneş ışınımının depolandığı su ile doldurulmuş bir haznenin bulunduğu sistemler önerilmiştir. Şekil 7’de görüleceği gibi, bu haznenin üzeri güneş ışınımının soğurulduğu siyah boyalı metal bir yüzey ve cam örtüyle kapatılmıştır. Güneş ışınımının olmadığı saatlerde, sistem yüzeyinden ısı kaybının azaltılması amacıyla, taşınabilir izolasyon kullanılmıştır. Önceki sistemde olduğu gibi, bu sistemde de yardımcı ısıtıcı ve sıcaklık dalgalanmasını önleyici otomasyon sistemi bulunmamaktadır. Bu yüzden, her iki sistem de, güneş enerjisiyle pasif ısıtma uygulamaları içerisinde yer almaktadır.

Şekil 7. Pasif Isıtmalı Biyogaz Sistemleri;

(a) Geleneksel, (b) Güneş ışınımının olduğu saatlerde önerilen, (c) Güneş ışınımının olmadığı saatlerde önerilen

Biyogaz reaktörlerinin ısıtılmasında güneş enerjisinin kullanıldığı diğer yöntem ise, aktif sistemlerdir. Bu sistemlerde, genellikle düzlemsel güneş kolektörlerinden yararlanılmaktadır. Elde edilen ısı enerjisi ya reaktörün ısıtılmasında kullanılır ya da besleme materyali ısıtılarak reaktöre verilir. Pasif sistemlerden ayrı olarak, bu sistemlerde sirkülasyon pompası, ısı eşanjörü ve genellikle sıcaklığı sabit tutmak amacıyla otomasyon sistemi kullanılmaktadır. Şekil 8’de reaktör ısıtmasında güneş enerjisinden aktif olarak yararlanılan bir biyogaz sistemi verilmektedir. Şekil 8’den de görüleceği gibi, güneş kolektöründen elde edilen ısı enerjisi, bir sirkülasyon pompası ve ısı eşanjörü yardımıyla reaktöre aktarılmaktadır. Isı taşıyıcı akışkan olarak su kullanılmaktadır.

Şekil 8. Güneş Enerjisi Destekli Biyogaz Sistemi

Güneş enerjisi desteğiyle çalıştırılan bu biyogaz sisteminde, ısı depolama kullanılmadığı için, ışınımın olmadığı zamanlarda ısı kaybını azaltmak amacıyla sirkülasyon pompası durdurulmakta ve kolektörlerle reaktör arasındaki bağlantı kesilmektedir. Dolayısıyla, sıcaklık dalgalanmaları söz konusudur. Daha önce de belirtildiği gibi, metan bakterileri ani sıcaklık değişimlerinden olumsuz yönde etkilenmekte, bu nedenle biyogaz üretim verimi düşmektedir. Fakat son yıllarda gerçekleştirilen reaktörün ısıtılmasında güneş enerjisinin aktif olarak kullanıldığı çalışmalarda, termofilik bölgede, yüksek sıcaklık değişim hızlarının geçici etkiler yarattığı ve çalışma sıcaklığına geri dönüldüğünde sistemin tekrar önceki performansına ulaştığı belirtilmektedir.

Reaktör ısıtmasında güneş enerjisinden yararlanılan farklı bir sistem de, Şekil 9’da görülmektedir.

Şekil 9. Güneş Havuzu Destekli Biyogaz Sistemi

Bu sistemde güneş havuzundan yararlanılması önerilmektedir. Tuz çözeltisinin bulunduğu güneş havuzunda, 100 ºC sıcaklığa erişilebileceği belirtilmektedir. Bu sıcaklık seviyelerindeki akışkanın, doğrudan ısı eşanjörü yardımıyla reaktör ısıtmasında kullanılması, metan bakterileri üzerinde öldürücü etki yaratacağı için, asetonun kullanıldığı bir ısı aktarım mekanizması geliştirilmiştir. Asetonun kaynama sıcaklığı 55 ºC’dir. Güneş havuzu içindeki ısıtıcı hazne içinde bulunan aseton buharlaşmakta ve ısısını reaktör içerisindeki yoğuşturucuda sisteme aktarıp yoğuşarak, ısıtma haznesine geri dönmektedir. Bu çevrim sayesinde reaktör ısı kayıpları karşılanmaktadır. Bu sistemde de, sıcaklığın istenilen seviyede sabit kalmasını sağlayacak sıcaklık otomasyonu ve yardımcı ısıtıcı bulunmamaktadır.

Güneş enerjisi desteği, küçük ölçekli biyogaz sistemlerinde önerilmesine rağmen büyük sistemlerde önerilmemektedir. Termofilik reaktörlerde güneş enerjisi desteği kullanıldığı zaman, kolektörler yüksek sıcaklıklarda (65-70 ºC) çalışacağı için verimleri düşer. Bu da, daha fazla kolektör alanının kullanılmasını gerektirir. Literatürde sıcaklık otomasyonunun kullanıldığı, farklı ölçekte, deneysel ve analitik çalışmalar da bulunmaktadır. Şekil 10’da güneş enerjisi destekli bir biyogaz sisteminin şematik gösterimi verilmiştir.

Şekil 10. Güneş Enerjisi Destekli Biyogaz Sisteminin Şematik Gösterimi

Ülkemiz koşullarında güneş enerjisi desteği olması ve olmaması durumunda, üretilen biyogazın reaktör ek ısıtma ihtiyacını karşılama oranı, ısıl denge modeli kullanılarak farklı iklim bölgelerine göre tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, ülkemiz iklim koşullarını temsil eden üç ayrı iklim bölgesinden ikişer il belirlenmiştir. İllerin belirlenmesinde, özellikle büyükbaş hayvan potansiyelinin yüksekliği göz önüne alınmıştır. Buna göre, belirlenen iller ve ait oldukları iklim bölgelerini şu şekilde gruplandırmak mümkündür:

• İklim Bölgesi: İzmir, Antalya

• İklim Bölgesi: Samsun, Diyarbakır

• İklim Bölgesi: Ankara, Erzurum

Burada verilen her il için 5 m3 _{hacimli, mezofilik koşullarda çalışan bir}

biyogaz reaktörünün ihtiyacı olan yalıtım kalınlığı, güneş kolektör sayısı ve güneş enerjisinin depolanmasını sağlayan sıcak su akümülasyon tankının (boyler) hacmi, ömür boyu maliyet analizi yapılarak elde edilmiştir (Tablo 3). Analizlerde, Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nden alınan yıllara göre günlük iklim verileri kullanılmıştır. Besleme materyali sıcaklığının çalışma sıcaklığına getirilmesi için gerekli ısı miktarının hesabında, yine her ilin belediyelerinden alınan aylık ortalama şebeke suyu sıcaklıkları göz önüne alınmıştır. Yapılan analizlerde, farklı izolasyon kalınlıkları için 10 yıllık işletme ömrü çerçevesinde oluşan bütün harcamalar ve getiriler, tespit edilen iskonto oranı baz alınarak bugünkü değerlerine çevrilmiştir. Tasarruf edilen yıllık enerji maliyetinin hesaplanmasında, doğalgazın ülkemizin kırsal alanlarında kullanılamadığı göz önüne alınarak, LPG referans yakıt olarak kullanılmıştır.

Tablo 3. Farklı İklim Bölgelerini Temsil Eden İllerde, Reaktör Yalıtım Kalınlığı, Güneş Kolektör Sayısı ve Boyler Hacim Değerlerinin Değişimi

Iller Iklim Bölgesi _{Kalınlığı}Yalıtım Kolektör Sayısı _(adet) Boyler Hacmi _(litre)

Antalya 1. İklim Bölgesi 12 cm 5 350

Izmir 1. İklim Bölgesi 13 cm 5 350

Diyarbakır 2. İklim Bölgesi 13 cm 6 350

Samsun 2. İklim Bölgesi 14 cm 7 350

Ankara 3. İklim Bölgesi 14 cm 6 350

Erzurum 3. İklim Bölgesi 16 cm 9 600

Tablo 3 irdelendiğinde, dış hava sıcaklıklarının daha düşük olduğu iklim bölgelerinde bulunan iller için elde edilen yalıtım kalınlıklarının daha fazla olduğu dikkat çekmektedir. Bu durum yalıtımla engellenebilecek reaktör ısı kayıplarının artmasından kaynaklanmaktadır. Belirlenen yalıtım kalınlıkları ve güneş enerjisi sistemleri, her il için reaktör ısı kaybı modelinde yerine konulduğunda elde edilen sonuçlar, Tablo 4’de özetlenmiştir.

Tablo 4. Biyogaz Reaktörü Yıllık Isı Enerjisi Bilançosu

Iller Toplam Isı Kaybı_(GJ/yıl) Güneş Enerjisi Tarafından Karşılanan (GJ/yıl) Ek Isıtma Ihtiyacı (GJ/yıl) Antalya 12,18 8,95 3,23 Izmir 12,01 8,72 3,29 Diyarbakır 16,39 12,30 4,09 Samsun 15,54 11,32 4,22 Ankara 15,95 10,70 5,25 Erzurum 19,82 16,44 3,38

Üretilen biyogazın reaktör ek ısıtma ihtiyacını karşılama oranı, güneş enerjisi desteği olması ve olmaması durumunda, her il bazında yıllık olarak hesaplanmıştır. Hesaplamalarda, elde edilen biyogazın alt ısıl değeri 27 MJ/ m3 _{ve üretim verimi ise 1,2 m}3_-biyogaz/m3_{-reaktör.gün olarak kabul edilmiştir.}

Elde edilen sonuçların verildiği Şekil 11’den görüleceği gibi, güneş enerjisinin kullanılmadığı durumda, üretilen biyogazın %20-33 kadarı sistemin ısıl ihtiyaçlarının karşılanmasına harcanmaktadır. Güneş enerjisi desteğiyle, bu oran %5-8 civarına gerilemektedir. Burada özellikle Erzurum örneği dikkat çekicidir. Nitekim bu il bazında, bahsedilen oran %33,74’den %5,66’ya gerilemiştir. Bu olgu, teknik olarak kullanılabilir biyogaz potansiyelinin artışına işaret etmektedir. Elde edilen sonuçlar, ülkemizde biyogaz reaktörlerinin ısıtılmasında güneş enerjisi kullanımının teknik açıdan mümkün ve karlı olduğunu göstermektedir. Nitekim söz konusu altı il bazında, güneş enerjisi desteği, teknik olarak

kullanılabilir biyogaz miktarını %15-25 oranında artıracaktır. Ülkemizde bulunan toplam büyükbaş hayvan sayısından elde edilebilecek biyogaz potansiyelinin 2-3 milyar m3 _{civarında olduğu göz önüne alınırsa, bu önemli bir sonuçtur. Reaktör}

ısı ihtiyacının en az, güneşten kazanımın en fazla olduğu yaz aylarında, güneş enerjisi sisteminin atıl kapasitesinin farklı uygulamalarda değerlendirilmesi, sistem toplam verimliliğini ve karlılığını artıracaktır.

Şekil 11. Belirlenen iller bazında, güneş enerjisi desteği olması ve olmaması durumunda, üretilen biyogazın reaktör ısıtmasına harcanan miktarı (%)

Buraya kadar biyogaz sistemlerinin ısıl gereksinimini karşılayabilmek amacıyla, güneş enerjisi desteğinden yararlanılan hibrit uygulamalara değinilmiştir. Ancak biyogaz sistemlerinde ısı enerjisinin yanı sıra elektrik enerjisine de gereksinim duyulabilmektedir. Biyogaz sistemlerinde özellikle besleme materyali hazırlığı ile besleme ve boşaltma pompasının çalıştırılması sırasında elektrik enerjisi tüketimi söz konusudur. Bu da, hem elektrik hem de sıcak su üreten PV-T desteği ile bir biyogaz sisteminin enerji gereksinimin karşılanmasının yanı sıra sistem veriminin de arttırılabileceğini düşündürmektedir. Bu doğrultuda yapılan bir çalışmada (Şekil 12), PV-T desteği ile biyogaz sisteminin %84 elektrik ve %66 ısı enerjisi gereksiniminin karşılanmasının mümkün olabileceği belirlenmiştir. Ayrıca PV-T ve biyogaz hibrit uygulamalarının, şebekeden bağımsız alanlarda biyogaz sistemlerinin kurulmasına olanak sağlayabileceği üzerinde durulmaktadır. Bu hem şebeke elektriğinin ulaşmadığı kırsal alanlarda biyogaz sistemlerinin kurulumu ve yaygınlaştırılması, hem de mobil bir sistemin oluşturulması açısından önemlidir.

Şekil 12. PV-T ve Biyogaz Hibrit Sisteminin Şematik Görünümü

PV-T ile desteklenen biyogaz sistemi ile ilgili farklı bir hibrit uygulama da, Şekil 13’de görülmektedir. Bu uygulamada, PV-T ile biyogaz kojenerasyon sistemi hibrit olarak çalıştırılmaktadır. Bilindiği gibi PV kolektörlerin verimi, sıcaklık artışıyla düşmektedir. PV-T kolektörler ise panel sıcaklığını düşürerek elektrik üretim verimini yükseltmekte ve ayrıca kullanılabilir ısı enerjisi elde edilmesini de sağlamaktadır. Böylece elde edilen ısı ve elektrik, daha önce de ifade edildiği gibi biyogaz sisteminin enerji gereksiniminin karşılanmasında kullanılabilecektir.

PV kolektörlerin verimini etkileyen bir diğer olumsuz özellik ise, soğuk iklim koşullarında, panellerin yüzeyinde oluşan karlanma ve buzlanma nedeniyle elektrik üretim değerlerinin düşmesidir. Bu durumda, biyogazlı kojenerasyon sisteminden alınan atık ısı, PV-T kolektörlerde ters olarak dolaştırılmakta, bu şekilde karlanma ve buzlanmanın önüne geçmek mümkün olabilmektedir.

Buna ilaveten şebekeye bağlı olmayan alanlarda, PV-T kolektörlerden elektriğin üretilemediği saatlerde (gece veya güneş ışınımının yetersiz olduğu), depolanan biyogazın kojenerasyon sisteminde kullanılması sağlanarak, enerjinin kesikli üretimi önlenebilmektedir.

Şekil 13. Hibrit PV-T ve Biyogaz Kojenerasyon Sistemi