BİYOKÜTLE YAKITLI BİR BİRLEŞİK GAZ-BUHAR GÜÇ ÇEVRİMİ TASARIMI. Sina DEKAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

TASARIMI

Sina DEKAN

YÜKSEK LİSANS TEZİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TEMMUZ 2019

BUHAR GÜÇ ÇEVRİMİ TASARIMI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. Hüseyin TOPAL

Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………

Başkan: Dr. Öğr. Üyesi Sıtkı USLU

Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Üye: Dr. Öğr. Üyesi Nureddin DİNLER

Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Tez Savunma Tarihi: 25/07/2019

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

• Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

• Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

• Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

• Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

• Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

Bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Sina DEKAN 25/07/2019

BİYOKÜTLE YAKITLI BİR BİRLEŞİK GAZ-BUHAR GÜÇ ÇEVRİMİ TASARIMI

(Yüksek Lisans Tezi) Sina DEKAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Temmuz 2019 ÖZET

Kombine çevrim santrallerinde gaz türbinleri ve buhar türbinlerinden yararlanılır, yakıt olarak genelde gaz yakıtlar kullanılır. Gaz yakıtlar gaz türbinlerinin yanma odalarında yakılır ve genleşen gaz türbini çalıştırarak enerji elde edilir. Elde edilen enerjinin yanı sıra türbin egzozundan yüksek sıcaklığa sahip egzoz gazlarının atık ısı kazanına verilmesiyle elde edilen buhar ile buhar türbinlerinden de enerji üretimi sağlanmaktadır. Kombine çevrim iki farklı termodinamik çevrimin bir ısı eşanjörü yardımı ile birlikte kullanıldığı çevrimlere denir. Kombine çevrimi oluşturan iki çevrim vardır. Biyokütle Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrim (BIGCC) tesisinin termodinamik analizi ve özgün bir tasarım ve önerilen bir konfigürasyonda enerji ve ekserji dengelerine dayanarak analizler yapılmıştır. Gaz türbininde (GT) yakıt olarak biokütle gazlaştırılması sonucu üretilen sentetik gazın kullanılması bu çalışmanın özgün yanını oluşturmaktadır. Bu kapasitelerde en yaygın olarak kullanılan Brayton gaz türbin çevrimi ile Rankin buhar türbin çevrimidir.

Bu kombine çevrimin verimi gaz çevrimi ve buhar çevriminin veriminin ikisinden de yüksektir. Tesis verimliliği hem basınç hem de sıcaklık oranlarındaki artışla artar; ancak, ikincisi öncekinden daha güçlü bir etkiye sahiptir. Bu sebeple yakıt yatırım personel bakım onarım giderleri, çevre sorunları gibi faktörlerle hem enerji hem de işletme ekonomisi yönünden kombine santraller tek tek gaz ve buhar santrallerinden daha ekonomiktir. Özgün tasarımda 19,2 MWe ısıl güçte olan bir tesisin performansı, takım derecelendirmesini ve biyokütle besleme oranlarını bulmak için uygun değer işletme parametreleriyle analiz edilmiştir ve gaz çevrimi 19,2 MWe olan buhar çevrimi ise buna en uygun şekilde gerçekleştirilen uygun değer şartlarda kombine çevrim santrali tasarlanmıştır.

Bilim Kodu : 91408

Anahtar Kelimeler : Biyokütle, kombine çevrim, gazlaştırma Sayfa Adedi : 72

Danışman : Prof. Dr. Hüseyin TOPAL

DESIGN OF A COMBINED GAS-STEAM POWER CYCLE WITH BIOMASS FUEL

(M. Sc. Thesis) Sina DEKAN

GAZI UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES July 2019

ABSTRACT

A thermodynamic analysis of a Biomass Integrated Gasification integrate Cycle plant has execute based on energy and exergy stability in a put forward configuration. Combustion of supplementary biomass fuel is contemplate using the oxygen available in the gas turbine (GT) exhaust. The effects of pressure and temperature proportion of the GT system and the amount of fuel burned in the additional firing chamber on the thermal and exergetic organization of the plant have been explored. Integrate power plants are power cycles which uses gas fluid power conversion as a top conversion of steam cycle. Most used ones are the Brayton gas turbine cycle and Rankin steam turbine cycle. The efficiency of the combined cycle is higher than the sufficiency of the both gas cycle and steam cycle. The plant orderliness increase with the increase in both pressure and temperature amount;

however, the latter has a stronger influence than the former. Supplementary firing of biomass increases the plant efficiencies of a BIGCC plant till an ideal level of degree of firing. The other technical issues related to supplementary firing, like ash fusion in the furnace and exhaust heat loss preserve a minimum tweak point temperature dissimilarity are accounted and finally a set of ideal plant work parameters have been identified. The implementation of a 19.2 MWe plant has been analyzed with the ideal operating parameters to find out apparatus rating and biomass feed rates. Exergetic. Organization of different plant equipment are gauged to localize the major thermodynamic irreversibility’s in the plant.

Science Code : 91408

Key Words : Biomass, combine cycle, gasification Page Number : 72

Supervisor : Prof. Dr. Hüseyin TOPAL

TEŞEKKÜR

Tez konusunun belirlenmesinde ve tezin tasarım ve deneysel çalışma bölümlerinde büyük yardımlarını gördüğüm, ayrıca tezin yazımında ve tamamlanmasında benden yardımlarını esirgemeyen danışmanım Sn. Prof. Dr. Hüseyin TOPAL’a teşekkürü bir borç bilirim.

Ayrıca tüm öğretim hayatım boyunca beni karşılıksız destekleyen annem, Mina ve babam, Muhammed DEHGHANFAR’a ve tez çalışmamın en yoğun dönemlerinde bana hep destek olan hayat arkadaşım Sanaz’a sonsuz teşekkür ederim.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

SİMGELER VE KISALTMALAR... xi

1. GİRİŞ

2. LİTERATÜR TARAMASI

2.1. Biyokütle Enerji Kaynakları ve Özellikleri ... 3

2.2. Türkiye’nin Biyokütle Enerjisi ve Potansiyeli ... 5

2.3. Yenilenebilir Enerjisi Dünyada Kullanımı ... 8

2.4. Biyokütle Enerji Dönüşüm Süreçleri ... 13

2.4.1. Gazlaştırma ... 17

2.4.2. Gazlaştırmanın dezavantajları ... 18

2.4.3. Gazlaştırmanın çevresel özellikleri ve kullandığı yerler... 23

3. TEORİ

3.1. Gaz Çevrimi ... 29

3.2. Re jeneratörlü Brayton Çevrimi ... 32

3.3. Kombine Çevrim (Birleşik Gaz - Buhar Çevrimi) ... 33

4. ÖZGÜN SİSTEM TASARIM İLE BİOKÜTLE GAZLAŞTIRMALI BİRLEŞİK GAZ-BUHAR GÜÇ ÇEVRİMİ

4.1. Genel Sistem Tasarımı ... 37

4.2. Kavramsal Tasarım ... 38

4.3. Biokütle Kurutma Sistemi ... 40

Sayfa

4.4. Biokütle Gazlaştırma Sistemi ... 40

4.5. Kompresör Havası Hazırlama Sistemi ... 41

4.6. Syngaz Temizleme Sistemi ... 42

4.7. Gaz Türbini Sistemi ... 43

4.8. Su-Buhar Çevrimi Sistemi ... 44

4.9. Atık Isı Buhar Kazanı Sistemi ... 45

4.10. Komple Sistem Tasarımı ... 49

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

KAYNAKLAR ... 53

EKLER ... 57

EK-1. Sistem elemanları ... 58

EK-2. Basit rankine çevrimi sonuçları ... 63

EK-3. Tasarlanan sisteme ait sistem verileri... 64

EK-4. Tasarlanan sisteme ait sistem diyagramları ... 69

ÖZGEÇMİŞ ... 72

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Biyokütle kaynakları kullanılan çevresel yolları ve elde edilen

yakıtların çeşitleri ... 4

Çizelge 2.2. Yılı enerji bütçesinde yenilenebilir enerji kaynaklarının durumu ... 9

Çizelge 2.3. Biyokütle teknolojisi, açıklamaları ve fiyatlandırması ... 11

Çizelge 2.4. Odun, tahıl, kentsel atık ve hayvansal atıkların kaba analizi (proximate analysis) ... 12

Çizelge 2.5. Elementel analiz (Ultimate analysis) ... 12

Çizelge 2.6. Biyokütle enerjisi dönüşüm süreçleri ve ürünleri ... 13

Çizelge 2.7. Piroliz ve sıvılaştırmanın özelliklerinin karşılaştırılması ... 16

Çizelge 2.8. Gazlaştırma kapasitesi özellikleri sınıflanması ... 21

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. 2017 yılında lisanslı elektrik üretiminin yüzde dağılım ... 6

Şekil 2.2. Biyokütle dönüşüm prosesi ve biyoyakıt üretim teknolojileri ... 10

Şekil 2.3. Isıl dönüşüm süreçleri ve elde edilen ürünler ... 14

Şekil 2.4. Sabit yataklı gazlaştırıcılar ... 22

Şekil 2.5. Harici ısı kaynaklı biyokütle kombine çevrim yapısı ... 27

Şekil 3.1. Brayton çevrimi – gaz türbinleri için ideal çevrimi ... 29

Şekil 3.2. Brayton çevriminin dört hal değişimi ... 30

Şekil 3.3. Re jenerasyonlu bir gaz türbini ... 32

Şekil 3.4. Brayton çevriminin dört hal değişimi ... 33

Şekil 3.5. Birleşik gaz-buhar çevrimi (kombine çevrim) ... 35

Şekil 3.6. Birleşik gaz buhar çevrimi ... 35

Şekil 4.1. Kombine sistem tasarımı ve sistem elemanlarının şematik görünümü ... 39

Şekil 4.2. Biyokütle kurutma sistemi şematik görünüşü... 40

Şekil 4.3. Biokütle gazlaştırma sistemi şematik görünüşü ... 41

Şekil 4.4. Kompresör havası hazırlama sistemi şematik görünüşü ... 42

Şekil 4.5. Syngaz temizleme sisteminin şematik görünüşü ... 43

Şekil 4.6. Gaz türbin sisteminin şematik görünüşü... 44

Şekil 4.7. Buhar çevrimi şematik görünüşü ... 45

Şekil 4.8. Atık ısı kazanının sistem yapısının şematik görünüşü ... 46

Şekil 4.9. Komple sistem tasarımının şematik görünüşü ... 49

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

µ

B Buhar indisi

C Isı kapasitesi (W/K)

Cp Ortalama özgül ısı (kj/kgK)

Cp Özgül ısı (kj/kgK)

d1 Boru iç çapı (mm)

db Desibel

DB Prandtl sayısı

dD Boru dış çapı (mm)

Ɛ Eşanjor etkinlik değeri

f Yakıt-hava oranı

Fy Yük faktörü

G Gaz

G Gaz indisi

h Entalpi (kj/kg)

H Hava

Ho Üst ısıl değer (kcal/kg, kJ/kg, kcal/Nm³)

Hu Alt ısıl değer (kcal/kg, kJ/kg, kcal/Nm³)

hz Hertz

Itürbün Türbinde gerçekleşen tersinmezlik

k Kompresör

L Boru boyu (m)

m³ Metreküp

mB Birim zamanında geçen buhar debisi (kg/s)

mG Birim zamanında geçen gaz debisi (kg/s)

mW Birim zamanında geçen su debisi (kg/s)

Simgeler Açıklamalar

My Birim zamanda tüketilen yakıt (kg/s, T/h)

n Hava fazlalık katsayısı

n Politropik üst

nekserjı Ekserji verimi

Nu Nusselt sayısı

P Basınç (bar, Pa)

P Yoğunluk (kg/Nm³)

Pel Elektrik gücü (kW, MW)

Pr Prandtl sayısı

Q Isı yükü (W)

qç Çevrimden çıkan ısı (kj/kg)

qg Çevrime giren ısı (kj/kg)

qYO Yanma odasına verilen ısı (kj/kg)

r Sıkıştırma oranı

S Entropi

S Entropi (kj/kgK)

S İzentropik durum

T Sıcaklık (°C, K)

T Türbin

Teva Evaporatör sıcaklığı

Tkri Kritik sıcaklık

UT Toplam ısı transfer katsayısı

V Kinematik viskozite (m²/s)

Vbro Boru akış hızı

VG Gaz hızı (m/s)

VG Gerçek özgül yanma gazı

VH Gerçek özgül yakma havası

VHlh Teorik özgül yakma havası

W Su indisi

Δ Fark işareti

Δx Boru et kalınlığı (mm)

λ Verim

Kısaltmalar Açıklamalar

a Hava

A Isı transfer alanı (m³)

AIK Atık Isı kazanı

B Buhar

B Buharlaştırıcı

BÇ Buhar çevrimi

BSI Besleme suyu ön ısıtıcısı

DG Doğalgaz

E Ekonomizer

EKO Ekonomizer

Ex Isı değiştirgesi etkinlik değeri

J jeneratör

K İzentropik üs

K Kızdırıcı

KÇ Kombine çevrim

M Mekanik

OB Düşük basınç

Re Reynold sayısı

SA Soğutma aralığı

U Isı transfer katsayısı

V Akışkan hızı (m/s)

W İş (kcal/kg, kj/kg)

Wa Mol kütlesi (kg/kmol)

Wnet Net iş (kj/kg)

YB Yüksek basınç

YO Yanma odası

1. GİRİŞ

Günümüz uygarlığında enerjinin çok önemli bir yeri vardır. Isıtma, aydınlanma, Evlerde pişirme ve neredeyse tüm endüstriyel, ticari ve nakliye faaliyetleri gibi günlük Hayatın hemen her yerinde ihtiyaç duyulur. Enerji iş yapabilme yeteneği veya potansiyeli başka bir tanımla değişikliklere yol açan atken olarak tanımlanabilir. Enerjinin doğrudan kullanılamayan biçimine birinci enerji (ham enerji) kaynağı doğrudan kullanılan biçimine ikinci enerji (işlenmiş enerji) denir. Enerjinin mekanik enerjiye dönüştürülebilen kısmı yararlı enerji (ekserji); hiç kullanılmayan ve çevreye ısı biçiminde atılan bölüm ise yararsız enerji (anerji) olarak tanımlanır. İletim, dağıtım ve kullanım yönündeki üstünlükleri nedeni ile elektrik enerjisi en iyi ikincil enerji türünü oluşturmaktadır. Birincil enerji kaynakları yenilenebilen ve yenilenmeyen enerji kaynakları olmak üzere iki ana grupta toplanabilir.

Yenilmeyen kaynaklara fosil yakıtlar ve nükleer yakıtlar dâhildir. Yenilebilen enerji kaynakları güneş kökenli ve güneş kökensiz (biyokütle yakıtlar) enerji kaynakları olup tükenmeyen temiz kaynaklardır. Termik kaynakların tamamı fosil yakıtlardan (taş kömür, linyit, fuel-oil, motorin, doğal gaz vs.) elde edilmektedir. Türkiye’de kombine santral üniteleri için doğal gaz tercih edilmektedir fakat bu analiz kükürt içeren yakıtlara göre onaylamaktadır ve ozon tabakasına zarar veren NOx emisyonları açısından başka yakıtlarla kıyaslandığı zaman bir dezavantaj sayılır.

Ülkemiz enerji ihtiyaçlarının %80’nini fosil yakıtlardan (doğal gaz, petrol ve kömür) gidermektedir. Bu yakıtlarında hepsi ithalat yolu ile Türkiye’ye gelmektedir. 2008 yılında 50 milyar Amerikan doları bu ithalata ödenmiştir. Bunların yanı sıra fosil yakıtlar hava kirliliğinin en önemli sebeplerindendir. Türkiye’nin konumu gereği ve coğrafi konumu yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmaya daha müsaittir. Güneş, rüzgar, biyokütle, jeotermal ve hidrolik gibi enerjiler yoğun olarak kullanabilme kabiliyetine sahiptir.

Yenilenebilir enerjilerin fosil enerjilere göre üstün olan yanları başlıklar halinde aşağıda verilmiştir;

1. Sera gazı CO2 azaltıcı ve doğaya zararsız bir biçimde iklim değişikliğini yavaşlatıcı tek enerji olması,

2. Toprak koruma, su, enerji ve besin üretiminin garanti altına alınması.

3. İş olanaklarını sürdürülebilir bir şekilde sunmaktadır.

4. Devlet bütçesinde hem de siyasal anlamda avantajlar sağlamaktadır.

Enerji üretiminde kullanıma cazip ve uygulanabilir bir sistem Biyokütle Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrim (BIGCC) dir. Bu teknoloji temelde temiz ve yenilebilir yakıt ve yüksek verimliliğe ulaşabilir bir imkâna sahip. Bitkiler, düşük ısıl değerli yakıtlar sırasında neticede makul % 35 genel verimleri 50% net ısıtma değerine sahipler. Entegre biokütle gazlaştırma kombine çevrim bir gaz yapıcı ve geleneksel gaz türbini yakıcı yerini almıştır. Gaz türbininden çıkış gazının ısısından, buhar üretmek için kullanılır ve bu buhar geleneksel buhar türbinini çalıştırır. Kombine çevrim olarak gaz ve buhar türbinleri birlikte faaliyet gösterir. Biyokütle gazlaştırma sistemi elektrik üretmek içi geleneksel kazanları kullanarak iki kat verimli olmaya kadar potansiyeline sahip, hatta daha fazla verimlilik için gaz türbini egzozundan gelen ısısını buhar döngüsünü kullanılarak ek elektrik üretmek için değerlendirilir. Bu gelişmeler sayesinde biyokütle enerjisi daha temiz ve çevremize daha uygun ve maliyet açısından fosil yakıtlardan daha rekabetçi ve ucuz enerjidir. Bitkiler yakıtın düşük kalorilik değeri ile sınırlıdır buda çok nemli olabilir. Çünkü nakliye maliyetleri, bu bitkinin en uygun boyutunu sınırlar. Bu nedenle ulaşım ve ona bağlı ekipmanlar, maliyetleri etkiler. Entegre biyokütle gazlaştırma kombine çevrimi güç üretimi kavramında nitelikleri ve özellikleri açısından diğer rakip teknolojilere karşılaştırdığımızda bu özeliklere sahip:

Geleneksel yeşil biokütle santrallerinin çevreye üstün ve en sıkı düzenlemelere karşılamak üzere dizayn edilebilir. Mevcut termal verimliliğini aşan ‘konvansiyonel’ teknolojisi daha düşük maliyetlerle enerji yaratabilir.

Aslında günümüzdeki tüm fosil ve yenilenebilir enerji kaynakları güneş kökenlidir.

Güneşte oluşan hidrojen fizyon reaksiyonları ile açığa çıkan ısı enerjisi radyasyon biçiminde uzaya yayılmakta, bunlardan bir bölümü de milyonlarca yıl fotosentez ve metabolizma süreçlerinin yoğun olduğu dünyamıza ulaşmaktadır. Bu bağlamda fosil yakıtlar tekrar oluşum döngüsü yüzbinlerce yıl süren bir bakıma yenilenemeyen bir enerjidir. Biyokütle kaynakları, yeniden oluşum döngüsü on yılın altında olan ve fotosentez ve metabolik hidrokarbonlardan oluşan enerjiler yenilenebilir enerji olarak isimlendirilebilir. Ayrıca fosil ve nükleer yakıtların yerine yenilenebilir enerji kaynaklarıdan biyokütle kaynaklarının kullanımı konusunda araştırmalar geniş çaplı sürmektedir.

2. LİTERATÜR TARAMASI

Biyokütle yakıtlı bir birleşik gaz-buhar güç çevrimi tasarımı ile ilgili yurt içinde ve yurt çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmadan bazılarına aşağıda yer verilmiştir.

2.1. Biyokütle Enerji Kaynakları ve Özellikleri

Biyokütleden enerji üretimi yanında, çeşitli sektörler de (mobilya, kâğıt, yalıtım maddesi vb.) en başta ısı ve buhar enerjisi üretimi ile faydalanmaktadırlar. Biokütleyi enerjiye dönüştürmek için (sıvı ve gaz yakıtlar elde etmek için) günümüzde çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Biyo-etanol, biyo-gaz, biyo-dizel gibi yakıtların bir kenara bıraksak, yine biyokütleden elde edilen, gübre, hidrojen, metan ve odun briketi gibi daha çeşitli yakıtları sayabiliriz. Bu yakıtların elde edilmesinde termokimyasal ve biyokimyasal olarak sınıflanabilen yeni teknikler düzenlenmiş ve yıllar içinde verimleri artırılmış. Gelecekte bu teknolojilerde yeni bulguların yanında, yalnız biyokütle kaynağıyla çalışan büyük termik santrallerin yapımı gerçekleşmektedir. Kuzey Avrupa’nın gelişmiş ülkelerinde bölgesel biyokütle santralleri ile elektrik üretimi yapılmakta olup yeni santrallerin yapımı da planlanmaktadır.

Kömür, petrol ve doğal gaz, bitki ve hayvan artıklarının milyonlarca yıl içerisinde sıcaklık- basınç altında, değişim geçirmesi sonucunda oluşmuştur. Bu kaynaklar dünyada sadece belirli bir yerde değil dünyanın farklı yerlerinde yaygın olarak bulunmaktadırlar.

Yenilenemez enerji kaynakları içerisinde en fazla rezerve sahip olan, en yaygın ve en fazla kullanılan kömürdür. Kömürün kullanım alanları; elektrik üretimi çimento imalatı, demir- çelik, sanayi, ısınma ve buhar üretimi. Dünyada kömür 50’den fazla ülkede üretilmekte ve 70’den fazla ülkede tüketilmektedir. Kömür; depolanması taşınması ve kullanımı ile en güvenli kaynak çeşididir. Elektrik enerjisi üretimi için maliyet açısından diğer kaynaklarla rekabet edebilen bir yakıttır. Çevresel problemler yaratan bir kaynak olmakla birlikte temiz kömür teknolojileri sayesinde çevreye ciddi zararlar vermeden kullanılabilmektedir [1].

Biyokütle enerjisinin kendine özel bir takım özellikleri bulunmaktadır. Ladanai ve Vinterback, bir çalışmasında biyokütle enerjisinin temel özellikleri aşağıdaki gibidir [2].

• Kömür, petrol ve doğal gazdan sonra dördüncü büyük enerji kaynağı olması,

• Dünyadaki en büyük ve en önemli yenilenebilir enerji seçeneği olması,

• Diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile birlikte kullanılması ve farklı enerji biçimlerine dönüşebilmesi,

• Diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre kesikli olmaması ve kolay depolanabilir olması,

• Hemen her yerde yetiştirilebilmesi, temiz, yenilenebilir ve çevre dostu olması,

• Her ölçekte enerji verimi için uygun olması ve üretim-çevrim teknolojilerinin iyi bilinmesidir.

Günümüzde elde edilen biyokütle kaynaklarının %64’ü ormanların bakım çalışmalarından ortaya çıkmaktadır. Çizelge 2.1’de biyokütle kaynaklarını kullanılarak ve çeşitli teknikler ve teknolojiler sayesinde elde edilen birbirinden farkı yakıtları göstermektedir [1].

Çizelge 2.1. Biyokütle kaynakları kullanılan çevresel yolları ve elde edilen yakıtların çeşitleri [2]

Biyokütle Çevrim yöntemi Yakıtların çeşitli Kullanma alanları Orman artıkları Havasız çürütme

yöntemi Biyogaz yakıtı Elektrik /Üretim /Isınma Tarım artıkları Piroliz yöntemi Etanol yakıtı Isınma /ulaşım /araçlar

Enerji bitkisi Doğrudan yakma

yöntemi Hidrojen gazı Isınma

Hayvansal atıklar Fermantasyon

/havasız çürütme Metan gazı Ulaşım /araçlar /ısınma Organik Çöpler Gazlaştırma yöntemi Metanol Gazı Uçaklar/

Algler Hidroliz yöntemi - Sentetik yağ roketler

Enerji Ormanlar Biyofoliz yöntemi Motorin Ürün kurutma

Bitkisel ve Hayvansal yağlar

Esterleşme

reaksiyonu yöntemi Motorin Ulaşım/Isınma/Seracılık

Dünyanın ilk on ekonomisinde yer almayı hedefleyen ülkemizin enerji ve doğal kaynaklar alanında ulusal bir politika uygulanması çok önemlidir. Bu bağlamda, ulusal ve yerli üretimi öncü konuma getirmek için Ulusal Enerji ve Maden Politikası kurulmuştur. Enerji ve doğal kaynaklar alanında oluşturulan bu politikalar, Enerji Arz Güvenliği, Tahmin Edilebilir Piyasalar ve Enerji ve Tabii Kaynaklarda Yerelleştirme temaları dikkate alınarak belirlenir [3].

Biyokütlenin avantaj ve dezavantajları

Biyokütlenin avantajları;

• Tükenmeyen bir enerji ve devamlılığı olan özeliğine sahip.

• Yetiştirmek için çok özel bir alana ihtiyaç yok ve her yerde yetiştirilebilir.

• CO2 Sera gazı etkisi yok ve doğa dostu (CO2, fosil yakıtlara nazaran %75 daha azdır)

• Yağmurlarda asitik etkisi yok (Çok az miktarda kükürt ve ağır metal içerirler, parçacık emisyonları kontrol edilebilir özelliğine sahip)

• Küçük ve ya büyük çaplı enerji verimliğine sahip ve sınırlı değildir.

• Depolanabilir özeliğe sahiptir.

• Sosyal ve ekonomik gelişim açısından büyük bir katkısı var.

• Doğallık ve organik yapıları korur

• Atıklar ve çöpleri kullanılarak ekonomiye katkısı vardır.

• Orman artıklarını kullanılarak orman bakımlarını artırmaktadır

• Orman artıklarını kullanılarak yangınları önler

• Biyokütle enerjisini kullanılarak fosil enerjilerin ithalatını azaltır ve ekonomiye katkı sağlar.

Biyokütlenin dezavantajları;

• Verimlik konusunda düşük çevrim verimine sahiptir

• Tarım alanları için enerji tarımı düşünüldüğünde, rekabet oluşturur

• Nem ve su içeriği fazladır ve giderilmesi için ek maliyete ihtiyaç vardır

2.2. Türkiye’nin Biyokütle Enerjisi ve Potansiyeli

Kalkınma Bakanlığı tarafından hazırlanan 2018-2020 yılları arasındaki Orta Vadeli Plan'da ülkemizin kalkınması için çeşitli politikalar geliştirilmiştir. Bu politikaların kapsadığı alanlardan biri enerjidir. Toplam enerji üretiminde yenilenebilir enerjinin payını artıracak, yenilenebilir enerji yatırımlarında yabancı teçhizata olan bağımlılığı azaltacak yenilenebilir enerji kaynak alanlarına yönelik programı sürdürmek, petrol aramalarını artırmak amacıyla sekiz alanda yeni politikalar belirlendi. İç rezervlerdeki artışın sağlanması, yerel linyitin çevre dostu bir şekilde kullanılmaya devam edilmesi, ulaştırma, sanayi ve konut

sektörlerinde enerji etkin kullanımı için bir programın başlatılması, kamu elektriğinde önlem alınması amacıyla gaz, taş gazı ve kömür enerji verimliliğini artırmak için enerji santralleri, elektrik iletim ve dağıtım şebekeleri, enerji, sağlık, otomotiv, demiryolu sistemleri, bilgi ve savunma sanayileri gibi öncelikli sektörlerdeki teknolojik yatırımları desteklemek, madencilik sektöründe keşif yatırımlarını artırmak arama ve üretim teknolojilerine yönelik ve Ar-Ge ile yatırımları ve maden kaynaklarının kullanımı bağlamında arama teknoloji transferi planlanmaktadır.

Ülkemizde özel sektör enerji ve doğal kaynaklar alanında yer alan projelerin en büyük destekçilerinden biri. Bu bağlamda, yenilenebilir enerji, nükleer enerji, elektrik üretimi, iletim ve dağıtım altyapısı ve enerji verimliliği alanlarında enerji ve doğal kaynaklar için düzenlemeler planlanmaktadır. Bu kapsamda belirlenen ana hedefler, Güneş Enerjisi ve Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlaslarının güncellenmesi ve Biyokütle Enerjisi Potansiyel Atlas’ının hazırlanması, yenilenebilir enerji alanındaki alanlara yatırım yapılması, doğal gazda talep yönetim mekanizmalarının uygulanması, kamuoyunun yeniden yapılandırılmasıdır [4].

Türkiye'de lisanslı elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı Şekil 2,1’de verilmiştir.

2016 yılında lisanslı elektrik enerjisi üretiminde doğalgaz yakıtlı elektrik santrallerinin payı% 32,16, rüzgâr santrallerinin payı %5,69, jeotermal santrallerin payı %1,77 olarak gerçekleşmiştir. 2016 yılına göre, doğal gaz yakıtlı enerji santralleri, rüzgâr enerji santralleri ve jeotermal enerji santrallerinin payı 2017 yılında sırasıyla %37,18, %6,10 ve

%2,04'e yükselmiştir. Biyokütlenin payı %0,69 olarak gerçekleşmiştir [4].

Şekil 2.1. 2017 yılında lisanslı elektrik üretiminin yüzde dağılım [4]

Ülkemizde biyokütle santrallerinde yenilenebilir ve temiz enerjinin üretimini artırmak için odun kökleri meyve kabukları, çeşitli çekirdekler ve posalar ve orman artıkları kullanılabilir. Orman Genel Müdürlüğünde kullanılan yeni ve modern teknolojilerle ortaya çıkan dal kabuk ve kütükler bir büyük biyokütle alternatif kaynağı olarak kullanılabilir ve santrallerin hammaddesi olarak kullanılabilir [5].

Biyokütle enerjisi çevresel etkileri

Fosil kökenli enerji kaynaklarının çevre üzerinde yarattığı olumsuz koşullar nedeni ile doğamız kirlenmekte, pek çok bitki türü yok olmakta, ormanlar çöl olmakta ve büyük miktarda sera gazı atmosfere atılmaktadır. Ulusal ve uluslararası enerji problemleri yaşamın parçası haline gelmektedir. Fosil ve nükleer yakıtlara alternatif doğal enerji kaynakları konusunda yapılan araştırmalar sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kavramlarını da gündeme getirmektedir. Bugün yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlar, yakılınca biten ve yenilenmeyen enerji kaynaklarıdır. Oysa yenilenebilir enerji kaynakları, temiz enerji kaynakları olarak karşımıza çıkmaktadır [5].

Bitkiler gelişirken, fotosentez esnasında karbondioksitten (CO2) sadece karbonunu, hücrelerinde tutması ile oksijeni dışarıya salıp bu da biyokütlenin oluşumuna sebebiyet vermektedir. Biyokütleler yakıldıkları zaman (CO2) üretilir ve bu da doğada dengenin kurumasına neden olur ve bu döngü “sürdürülebilir biyokütle enerjisi kullanımı” olarak adlandırılır. Hızlı gelişen bitkilerle enerji ormanları oluşturup, bir yandan yetiştirip diğer yandan gazlaştırılarak sentetik gaz üretilmektedir. Türkiye’de enerji ormancılığı hızla geliştirilmesi gereken konulardır. Enerji ormancılığı için uygun alanın yaklaşık %15 kadarı değerlendirilmiş durumdadır ama %85’i beklemektedir. Bu konuda hayata geçirilen büyük bir potansiyele sahiptir. Türkiye’nin enerji ormanları konusunda yürüttüğü bir pilot çalışmalar vardır [5].

Li ve diğerleri göre çevresel alternatifler ekonomik ve teknik yönünden en iyi şekilde yapılan sistem ile testere talaşı kullanılarak denetimler yapılmıştır. Biyokütle gazlaştırılması, küçük ölçekli dolaşımlı akışkan yatak gazlaştırıcıda incelemeler yapılmış ve 700-850 ºC sıcaklık ile 16-45 kg/h debide çalışmaktadır. Süspansiyon yoğunluğu öneme alınarak uygun teknoloji ile kimyasal ve enerji analizleri yaparak farklı sıcaklık, hava/oksijen oranlarında inceleme yapılmıştır. Pilot ölçekli sistemde yapılan deneyler,

süspansiyon sıcaklık ve O/C değerlerine bağlı olarak üretilen gaz karışımı analiz edilmiştir [6].

Sürdürülebilir üretim ve yakıt olarak biokütle kullanımı, biokütlenin yeni gelişimiyle yayılan CO2’nin emilimi sayesinde olumlu çevresel bir etki yaratmaktadır. Aslında biokütlenin yakıt olarak kullanımından kaynaklanan net CO2 yayılımı sıfır olur. Biokütle genellikle kömüre göre daha düşük sülfür oranına sahiptir, bu yüzden yandığı zaman az bir miktar SOx yayılır [7].

Diğer bir çalışmada ise yakıt olarak biyokütle kullanılması durumunda sabit ve akışkan yataklı gazlaştırıcılarda gazlaştırma işleminin karşılaştırmasını Warnwcke ve ark. Rapor etmişlerdir. Bu çalışmanın amacı, reaktör tasarımları için bilgi vermek, ekonomik ve çevresel açıdan sistemler arasında karşılaştırma yapmaktır. Bunun yanı sıra kullanılan enerji ve materyalde göz önünde tutulmuştur. Yapılan çalışma ile reaktör çeşitlerinin üstünlükleri belirlenmekte ve yararlı analizler önerilmektedir. Sınıflandırma yapmak için en çok üzerinde durulması gereken ölçütler; kullanılan materyal, kullanılan enerji, çevre ve ekonomi olarak belirlenmiştir [8].

Entegre gazlaştırma kombine çevrimi yüksek verimli bir (EGKÇ) enerji üretim bir teknolojisidir. Bu enerji için ham madenin bir kısmı oksijen gazı ile oksitlenme ve buhar ile sentez gazı üretmek için kullanılır. Gazlaştırıcıda sentez gazı toz ve kükürtten arındırılır ve sonra güç üretimi için kombine çevrim gaz türbinine (KÇGT) gönderilir. Sıcak Gaz Türbini (GT) baca gazları buhar üretimi için Isı Geri Kazanım Buhar Jeneratörüne (IGKBJ) gönderilir. Ek güç bir buhar türbini içinde üretilen buharın genleştirilmesinden üretilir. Baca gazında karbondioksit yakalama ve depolama (KHD) teknolojileri, sera gazı emisyonlarının azaltılması için yıllardır önemli bir rol oynamaktadır. Entegre kombine gazlaştırma sistem döngüsü, karbondioksiti yakalama özelliği ve enerji üretmede yüksek verime sahiptir [9].

2.3. Yenilenebilir Enerjisi Dünyada Kullanımı

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı o kadar yaygınlaşmıştır ki bazi gelişmiş ülkelerde, örneğin İsveç ve Japonya’da en büyük enerji payı biyokütleye aittir.

Biyokütle enerji payının ABD’de %66-70, Almanya’da %39-44, Avustralya’da %49-54 ve

İngiltere’de %64-68 olacağı tahmin edilmektedir. 1995 yılında Dünya Enerji örgütü tarafından 16. Dünya Enerji Kongresi’ne (Tokyo Kongresi) sunulan “Global Enerji Perspektifleri“ raporunda yer alan altı değişik senaryoya göre dünyanın birincil enerji tüketiminin, 2020 yılında 11,4-15,4 GTEP ve 2050 yılında da 14,2-24,8 GTEP arasında olması bekleniyor. Aynı rapora göre yenilenebilir enerji kaynaklardan yapılacak üretim 2020 yılında 2,3-3,3 GTEP ve 2050 yılında 4,4-7,3 GTEP civarında tahmin edilmektedir.

Bu oranlarda temel biyokütle ve temel hidrolik enerji payını elde ettiği gibi, modern biyokütle ve diğer yenilenebilir enerjiler de payını korumaktadır. Modern biyokütlenin olası payını korumalı bir biçimde gösterebilmek için 2020 yılı için kaynaklar sırasında yapılmış bir tahmin Çizelge 2,2’de veriler paylaşılmıştır [10].

Çizelge 2.2. Yılı enerji bütçesinde yenilenebilir enerji kaynaklarının durumu [10]

Yenilenebilir enerji türleri 2020 yılına ait minimum MTEB Toplamı %

Modern Biyokütle enerjisi 234----45

Güneş enerjisi 109----20

Rüzgar enerjisi 85----15

Jetermal enerjisi 40----7

Hidrolik enerjisi 48----9

Deniz enerjisi 14----4

Toplam enerji 539----100

Genel taleb edilen enerji 3----4

Yenilenebilir enerji türleri 2020 yılına ait maximum MTEB Toplamı %

Modern Biyokütle enerjisi 561---42

Güneş enerjisi 355---26

Rüzgar enerjisi 215---16

Jetermal enerjisi 91---7

Hidrolik enerjisi 69---5

Deniz enerjisi 54---4

Toplam enerji 1345---100

Genel talep edilen enerji 8---12

Günümüzde ve dünya genelinde artan insan sayısı ve ülkelerin gelişmesi için atılan adımlar ve sanayileşme neticesinde enerji tüketimi artmaktadır ve bu enerjinin sağlanması için yeni kaynaklar gerekmektedir, bu kaynaklar arasında biyokütle en önemli role sahiptir ve en önemlisi diğer kaynaklara nazaran bazı üstünlükleri aşağıdaki gibidir [11].

• Biyokutle yetiştirmek için her bölge için uygun çeşit vardır.

• Üretim her boyutta yapılabilir ve belirli bir sınır yoktur.

• Düşük ışık şiddetleri yeterlidir.

• Depolama sorunu yok.

• Yetişmesi için 5-35 °C arasındaki sıcaklıkların yeterlidir.

• Sosyo-ekonomik gelişmelerde önemli rol alması.

• Çevre kirliliği yapmamaktadır (NOx ve SO2 salınımlarının çok düşük olması).

• Sera gaz etkisi diğer enerji kaynaklarına nazaran çok düşük.

• CO2 dengesini korumak.

• Yağmurların asitlenmesine sebebiyet vermez [11].

Biyokütle enerji kaynaklarının, fosil enerji kaynaklarından farklı bazı özellikler vardır.

Biyokütle kaynakları, genellikle homojen olmayan bir yapıda, yüksek su ve oksijen içerikli, düşük yoğunluklu, düşük ısıl değerlidir; bu özellikler yakıt kalitesine negatif yönde etki etmektedir. Biyokütlenin olumsuz özellikleri fiziksel süreçler ve dönüşüm süreçleri ile ortadan kaldırabilmektedir [12].

Şekil 2.2.’de biyokütle dönüşüm prosesi ve biyoyakıt teknolojisi şekil olarak anlatılmıştır [12].

Şekil 2.2. Biyokütle dönüşüm prosesi ve biyoyakıt üretim teknolojileri

Günümüzde gelmiş biyokütle teknolojilerden elde edilen yakıtlar ve gazlaştırmadan elde edilen sentetik gazlar çeşitlik ve özeliklerine bağlı kWh başına üretilen enerji

maliyetlerinde farklı olmaktadır. Çizelge 2.4’de biyokütle teknolojilerine göre elde edilen enerji maliyetlerini gösterilmektedir [12, 13].

Çizelge 2.3. Biyokütle teknolojisi, açıklamaları ve fiyatlandırması

Biyokütle Teknolojisi Özelikleri Enerji Maliyetleri

Güç Üretimi:

Biyokütle enerjisi Üretim Gücü: 1-20 MW 5-12 (U.S cent/kWh)

Sıcak su/Isınma:

Biyoısı Üretim Gücü: 1-20 MW 1-6 (U.S cent/kWh)

Bioyakıt:

Etanol Hammadde: şeker kamışı,

Şeker pancarı, mısır, sorgum, buğday

25-30 (U.S cents/litre) (şeker) 40- 50 (U.S cents/litre) (mısır) Biyodizel Hammadde: soya fasulyesi, kolza,

hardal tohumu, atık Sebze yağları

40-80 (U.S cents/litre)

Tarımsal (off-grid) Enerji:

Biyogaz Bozunma büyüklüğü: 6-8 m³ Mevcut değil

Biyokütle Gazlaştırma Gücü: 20-5.000 kW 8-12 (U.S cent/kWh)

Türkiye bir tarım ülkesi olarak tanınmaktadır ve tarım atıklarından zengin bir kaynağa sahiptir. OECD ülkeleri ile karşılaştırdığımız zaman tarım atıklarından elde edilen toplam enerji rezervlerinden 9,5 MTEP eş değeri ile 4.üncü sıradadır [13].

Biokütle enerji kaynaklar

Biyokütle enerjisi, biyokütlenin farklı fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemlerden geçirilmesi ile elde edilen bir enerji türüdür. Biyokütle enerjisi üretimi için kullanılan biyokütle kaynaklarını dört başlık altında incelemek mümkündür. Bunlar;

• Odunsu ve otsu bitkilerden oluşan odun endüstrisi artıkları ile orman sal artıklar,

• Tarım alanlarında üretilen yağlı tohum bitkileri, şekerli bitkiler (yüksek nem içerikli bitkiler) ve nişastalı bitkiler ile hayvansal atıklar,

• Deniz ve göllerde bulunan ve yüksek nem içeriğine ve büyüme hızına sahip olan deniz otları, yosunlar, saz bitkileri ve bazı mikro organizmalar,

• Gıda ve endüstriyel amaçlar için kullanılan endüstriyel kaynaklı ham madde atıkları ve şehirsel atıklardır [14].

Rosillo-Calle’ye göre biyokütlenin tüm türleri dikkate alındığında, biyokütlenin temel kullanım alanları; gıda, yem, yakıt, hammadde, elyaf ya da lif, gübre ve finanstır. Küresel ölçekte ise biyokütle; tuğla ve kiremit yapımı, metal işleme, gıda işleme süreçlerinde,

dokuma endüstrisinde, lokantalar ve benzeri birçok kuruluşta, evlerde ve sanayide yoğun olarak kullanılmaktadır. Biyokütle enerjisi kullanımının artmasında; nüfus artışı, kentleşme ve çevresel problemler etkili olmaktadır. Teknolojik gelişmeler sayesinde enerji talebindeki artışın büyük bir kısmı biyokütle enerjisi ile karışlanabilecek niteliktedir.

Çünkü biyokütle enerjisi, yenilenemez kaynaklara alternatif bir kaynaktır, kullanımı kolaydır ve ekonomik açıdan oldukça düşük maliyetlidir. Bu yönüyle biyokütle enerjisi özellikle geri kalmış ülkeler için önemli bir üretim faktörü konumundadır [15].

Çizelge 2.4. Odun, tahıl, kentsel atık ve hayvansal atıkların kaba analizi (proximate analysis)

No Biyokütleler Nem (%) Cfix

(%)

V (%)

Kül (%)

TC (%)

#01 B.Baş G 20,60 13,70 57,42 8,28 0,28

#02 K.Baş G. 18,45 12,31 63,51 5,73 0,17

#03 Tavuk G. 14,46 12,44 66,72 6,38 0,23

#04 Soğan Atık 25,19 19,56 51,64 3,61 0,05

#05 Mısır Atık 15,23 20,54 58,81 5,42 0,03

#06 Saman Atık 1,38 13,93 81,33 3,36 0,07

#07 Orman Atık 23,57 16,35 53,85 6,23 0,11

#08 Kes.Atık 78,64 3,27 14,15 3,97 0,15

TC: Toplam yanmamış karbon miktarı

Analizler, Metot olarak ASTM e göre aşağıdaki standartlara uygun biçimde yapılmıştır.

Uçucu Madde (V) : E-872 for wood fuels

Kül : D-1102 for wood fuels

Nem : E-871 for wood fuels

Sabit karbon (Cfix) : Farktan hesaplanmıştır.

Külde toplam karbon (TC) : Kül kütlesi içerisinde farktan hesaplanmıştır [16].

Çizelge 2.5. Elementel analiz (Ultimate analysis)

No Biyokütleler C(%) H (%) N (%) S (%)

O (%)

Cl (%)

F (%)

TH (%)

#01 B.Baş G 39,86 7,71 7,33 0,48 36,40 0,012 0,02 0,08

#02 K.Baş G. 37,65 6,91 6,23 0,43 39,42 0,001 0,01 0,05

#03 Tavuk G. 42,92 5,62 5,89 0,39 38,85 0,05 0,11 0,65

#04 Soğan Atık 48,21 6,78 5,26 0,63 35,45 0,002 0,00 0,07

#05 Mısır Atık 39,88 5,92 6,72 0,18 42,60 0,21 0,00 0,25

#06 Saman Atık 37,06 4,95 3,23 0,15 51,25 0,77 0,04 0,85

#07 Orman Atık 42,15 5,80 2,86 0,28 42,73 0,10 0,01 0,13

#08 Kes.Atık 33,87 20,59 1,88 0,13 39,56 0,00 0,00 0,00

TH: Toplam Halojen madde miktarı

Cl analizleri ISO 587 ye göre yapılmıştır.

Analizler, Metot olarak ASTM E 1755 ve ASTM D 4239 a uygun biçimde yapılmıştır [16].

2.4. Biyokütle Enerji Dönüşüm Süreçleri

Biyokütleye ısıl dönüşüm süreçleri uygulayarak ısı, elektrik, katı, sıvı ve gaz yakıtlar elde etmek mümkündür. Günümüzde uygulanmakta olan enerji dönüşüm süreçleri ve ürünleri Çizelge 2,6’da verilmektedir [17].

Çizelge 2.6. Biyokütle enerjisi dönüşüm süreçleri ve ürünleri

DÖNÜŞÜM SÜREÇLERİ ÜRÜNLER

Kömürle birlikte/ direkt yakma Isı (yemek pişirme, ısıtma, proses ısısı, buhar, elektirik) Gazlaştırma Elektrik, buhar, ısı, metanol, hidrojen, hidrokarbon

esaslı yakıtlar Piroliz/Kömürle birlikte piroliz Biyoyağ, kok, gaz

Sıvılaştırma Sıvı yakıt

Hidroliz ve alkolik fermantasyon Etanol

Ekstraksiyon Biyodizel

Anaerobik sindirim Biyogaz, metan, karbondioksit

Isıl dönüşüm süreçleri suyun yüksek buharlaşma ısısı nedeniyle daha çok kuru biyokütle kaynaklarına uygulanmaktadır. Oksijenli veya oksijensiz ortamda, belli sıcaklık koşulları altında gaz, katı ve sıvı yakıtlar gibi çeşitli ürünler elde edilmektedir. Isıl dönüşüm süreçleri ve ürünleri Şekil 2,3’de gösterilmektedir. Yakma, kısaca, oksijen veya hava varlığında biyokütlenin 800-1000°C aralığında ısıl olarak bozun durulması işlemidir [18].

Yakma teknolojisini kullanılarak, biyokütleden ısı, elektrik ve buhar üretiminde ilk akla gelen ve uzun zamandan beri kullanılan bir yöntemdir. Dünya’daki biyoenerji üretiminin

%97’si yakma teknolojileri kullanılarak gerçekleştirilmektedir [19].

Demirbaş, yaptığı bir çalışmada tam yakma sonucunda oluşan ürünlerin CO2 ve H2O olduğunu ve üretilen elektriğin veriminin kullanılan teknolojiye ve tesis kapasitesine bağlı olarak %20-40 arasında değiştiğini rapor etmektedir. Daha küçük kapasiteli sistemlerde biyokütle kullanılarak gerekli olan ısıyı üretmenin mevcut teknolojiler ile verimsiz olduğu

belirtilmektedir [20]. Şekil 2,3’de Isıl dönüşüm süreçleri ve elde edilen ürünler detaylı olarak açıklanmıştır.

Şekil 2.3. Isıl dönüşüm süreçleri ve elde edilen ürünler

Piroliz, biyokütlenin havasız şartlarda ısıl olarak sıvı (oksijen içerikli piroliz yağları), katı (kok) ve gaz ürünlere (CH4, H2, CO, CO2 vb.) dönüştürülmesi işlemidir [19].

Piroliz, biyokütleden alternatif yakıt elde edilmesinde ısıl bozun durma süreçleri içinde en çok tercih edilen yöntemdir. Piroliz, ham maddenin oksijensiz ya da havasız bir ortamda, yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılarak sıvı, katı ve gaz ürünlerin elde edildiği

“tamamlanmamış ısıl parçalanma” olarak tanımlanabilir. Piroliz sırasında hidrojen bakımından zengin uçucu maddeler uzaklaştırılırken geride de karbonca zengin katı atık kısmı ile yüksek oksijen içerikli sıvı kısım kalmaktadır [20].

Biyokütlenin çeşitliliği, reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklık, basınç, alıkonulma süresi ve katalizör kullanımı vb. parametrelerin ürünlerin seçiciliği ve verimi üzerindeki etkileri hakkında edinilen bilgiler, piroliz tekniklerinde olumlu gelişmelere sebep olmuştur.

Bundan ilave transportu kolay olan ve depolama sorunu olmayan sıvı ürünlerin yanı sıra alternatif ürün olarak adlandıran çok önemli kimyasalların üretiminde kullanma imkânı olan pirolizin önemini daha da ilave edilmektedir. Emelde yavaş ve hızlı olmak üzere ikiye ayrılan piroliz teknikleri şunlardır [21];

• Yavaş ısıtma hızında gerçekleşen piroliz

• Hızlı ısıtma hızında gerçekleşen piroliz (flaş, ultra hızlı)

• Vakum pirolizi

• Metanopiroliz

• Hidropiroliz

Biyokütlenin pirolizi sırasında suyun uzaklaştırılması, kraking, izomerleştirme, hidrojenin uzaklaştırılması, aromatikleştirme, koklaşma ve yoğuşma reaksiyonları meydana gelmektedir. Piroliz sonunda su, karbon oksitler, gazlar, kok, organik bileşikler, katran ve polimerler oluşmaktadır [22].

Biyokütle, yarı selüloz, selüloz ve lignin olmak üzere üç temel organik bileşenden oluşmaktadır. Ayrıca, biyokütlenin yapısında ekstraktif maddeler (fenolik bilesenler, terpenler, alifatik asitler, alkoller, şekerler, aminler, eterler vb.), su ve inorganik bileşikler de bulunmaktadır. Buna göre biyokütlenin ısıl bozun durulması su aşamalardan oluşmaktadır;

• 120-150°C arası: biyokütlenin yapısındaki suyun uzaklaşması

• 200-270°C arası: yarı selülozun tümünün bozunması dolayısıyla, uçucu ürün (CO, CO2

ve yoğunlaşabilir gazlar) veriminin artması 240-350°C arası: selülozun bozunması

• 280-500°C arası: ligninin önce sadece fonksiyonel gruplarında bazı değişiklikler meydana gelmesi ve 320°C üstündeki sıcaklıklarda bozunma ürünlerinin oluşumu gözlenmektedir [23].

Biyokütlenin pirolizi, reaktanların bozunma sıcaklığına bağlı olarak endotermik veya ekzotermik olarak gerçekleşmektedir. Örneğin, suyun uzaklaştırılması, yarı selüloz ve selülozun bozunması sırasında dışarıdan ısı alınmakta, yani endotermik reaksiyon gerçekleşmektedir. 400-450°C’nin üzerinde ise ekzotermik davranış görülmekte ve dışarıdan ısı verilmesine gerek olmamaktadır. Biyokütlenin pirolizi sırasında sıcaklık, 400- 450°C aralığına kadar yavaşça artmaktadır. 400-450°C sıcaklıklarına kadar endotermik, daha yüksek sıcaklıklarda ise reaksiyon ekzotermiktir [22].

Sıvılaştırma, prosesleri de, piroliz işlemleri gibi, biyokütle maddelerin sıvı, katı ve gaz ürünlere dönüştürüldükleri proseslerdir. Sıvılaştırma, biyokütlenin düşük sıcaklıklarda-

yüksek basınçta veya orta sıcaklıklarda-yüksek basınçta H2 ekleyerek, uygun katalizör ortamında, kolaylıkla satılabilir sıvı yakıtlarda dönüştürülmesidir. Sıvılaştırmada kullanılan reaktörler ve besleme sistemleri pirolize göre daha spesifik ve maliyetli olduğundan bu dönüşüm sürecine ilgi daha düşüktür [24].

Alkali hidroksitler ve karbonatlar sıvılaştırma işlemlerinde çoğunlukla kullanılan katalizörlerdir. Sıvılaştırma işlemi sırasında katalizörlerin rolleri tam olarak bilinmemektedir. Sıvılaştırma işlemleri için genellikle yüksek basınçlı hidrojen atmosferine ihtiyaç duyulur [25].

Sıvı üretiminde kullanılan bir diğer süreç ise hidrotermal yükseltgenme (HTU) sürecidir.

HTU, biyokütlenin sulu ortamda ve yüksek basınçta kısmi olarak yüksek miktarda oksijen içerikli hidrokarbonlara dönüştürülmesidir. Bu süreç henüz pilot tesis aşamasındadır [24].

Genellikle sıvılaştırma ve piroliz birbiriyle karıştırılmaktadır. Çizelge 2,7’de sıvılaştırma ile pirolizin karşılaştırması yapılmıştır [25].

Çizelge 2.7. Piroliz ve sıvılaştırmanın özelliklerinin karşılaştırılması

Süreç Sıcaklık(°C) Basınç (MPa) Kurutma

Sıvılaştırma 525-600 5-20 Gerekli

Piroliz 650-800 0,1-0,5 Gereksiz

Biyokütleden enerji üretiminde kullanılan bir diğer teknoloji de gazlaştırmadır.

Gazlaştırma, biyokütlenin yüksek sıcaklıklarda (800-900°C), oksijen hava, ya da buhar varlığında gaz ürünlere dönüştürülmesidir. Elde edilen gaz ürünler CO, H2, CH4, CO2 ve N2 gazlarının bir kombinandı olup “ürün gazı” olarak adlandırılmaktadır. Gazlaştırma sonunda ısıl değerleri farklı olan üç çeşit gaz ürün oluşmaktadır;

• Düşük ısıl değerli gaz: 4-6 MJ/Nm³

• Orta ısıl değerli gaz: 12-18 MJ/ Nm³

• Yüksek ısıl değerli gaz; 40 MJ/Nm³

Gazlaştırma sonunda elde edilen bu gaz ürünler ısı, buhar ve elektrik üretiminde yakıt olarak kullanılmaktadır. Gazlaştırma teknolojilerinden elde edilen enerjinin dönüşüm verimi %75-80 arasındadır. Gazlaştırmada kullanılacak biyokütlenin enerjiye dönüşüm

oranının yüksek olması için nem içeriğinin %10-15 arasında ve parçacık büyüklüğünün de ortalama 20-80 mm arasında olmasına dikkat edilmelidir. Ayrıca, biyokütlenin kül içeriği yüksekse gazlaştırıcıda birikme, korozyon vb. bir takım problemlere yol açacağından, öncelikle külün biyokütleden uzaklaştırılması gereklidir. Bu amaçla, biyokütle gazlaştırmadan önce genellikle yıkanmaktadır. Gaz ürün verimini etkileyen bir diğer parametre de katranın oluşmasıdır. Son yıllarda, H2 ve CO verimini arttırmak ve katranı azaltmak amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu amaçla uygulanan en yaygın yöntem katalizör kullanımıdır. Özellikle nikel ve dolomit katalizörleri kullanılarak katranın azaltılması ve gaz ürün veriminin de artması sağlanmaktadır [24].

Gazlaştırmanın diğer yöntemlere göre ekonomik ve çevresel açılardan avantajları mevcuttur. Ayrıca içten yanmalı motorlarda enerji üretiminde kullanıldığında, sıvı ve gaz fosil yakıtların kullanımına kıyasla daha düşük emisyon değerleri ile çalışılabilmektedir.

Gazlaştırma sonucu oluşan gaz yakıtta kükürt dioksit ve NOx salınımı olmaz. Gazlaştırma prosesi çevreyi ne kadar koruyor olsa da sağlığa zararları açısından dezavantajları da vardır. Koku, gürültü, yanma/patlama riski, CO zehirlenmesi, gazın temizlenme prosesinden kaynaklanan atık gaz ve pis su çıkışı bunlardan bazılarıdır. Gazlaştırmada kullanılan gazlaştırıcının tipinin seçimi de önemlidir. Biyokütlenin ve oluşan gaz ürünün özelliklerine, gazlaştırma koşullarına ve reaktörün maliyetine bağlı olarak gazlaştırıcı tipi de değişmektedir. En yaygın olarak kullanılan gazlaştırıcı tipleri sabit yatak ve akışkan yataklı gazlaştırıcılardır [24].

2.4.1. Gazlaştırma

Özellikle düşük gelirli ve gelişmekte olan ülkelerde biyokütle kullanımı yaygın olmakla beraber kullanılan çerim verimleri veya yakma verimleri oldukça düşüktür. Genelde teknolojik olarak düşük ve ucuz yakma sistemleri kullanılır. Bunun sonucunda da ortaya daha düşük verimli sistemler ve hava kirliliği çıkmaktadır. Biyokütleden enerji üretiminde, günümüzde batılı ve orman varlıkları büyük olan ülkeler son derece yüksek oranlarda yararlanmaktadırlar. Bu amaçla kullanılan sistemler genelde pahalı ve teknolojik olarak yüksek teknoloji ürünleridir. Gazlaştırma işleminde biyokütlelerden termal metotlar ile yanma kabiliyeti ve potansiyeli yüksek gaz yakıtlar üretilmektedir. Sentetik gaz karbon monoksit, karbon dioksit, metan, hidrojen, su buharı ve azotun yanı sıra, kül ve katran gibi bazı istenmeyen katkılarda içermektedir. Kontrollü biçimde üretilen sentetik gaz

istenmeyen bileşenlerden ayrıştırıldıktan sonra en başta kalorifik değerine uygun yakma sistemlerinde enerji üretiminde kullanılmak üzere kullanılır. Gazlaştırma işlemleri sonucunda mevcut alışılagelmiş yakma sistemlerinde kullanılabilir nitelikte bir yakıt elde edilebilir. Genelde içten yanmalı motorlar, buhar kazanları veya gaz türbinleri bu amaçla enerji üretiminde kullanılmaktadır.

2.4.2. Gazlaştırmanın dezavantajları

Biokütlenin gazlaştırılması ile enerji eldesinde, çevreyi ne kadar güvene alıyorsa da sağlığa zararları açısından dezavantajları vardır. Bu dezavantajlar ise; koku, gürültü, yanma/patlama riski, CO zehirlenmesi, akıt gaz ve pis su çıkışıdır(gazın temizlenme prosesinden kaynaklı). Biyokütle gazlaştırmasında çıkan koku hidrojen sülfür, amonyak ve karbon oksi-sülfid kokularına benzer. Katran da sert bir kokuya sahiptir. Gazdan çıkan koku pis su, katran ve uçuşan küllerden de kaynaklanabilir. Gürültü ise işlem sırasında makinaların çalışmasından kaynaklanır. Sistemden atmosfere sızan gaz yakıt veya duman eğer ortamda ateşleme yapılırsa patlama olabilir. Biyokütle gazlaştırma prosesinde katı yakıt deposu, yanabilen tozlar, yakıtın kurutulması ve üretilen gaz temel risk faktörlerini oluştururlar. Renksiz ve kokusuz olan karbon monoksit gazı solunduğunda tehlikeli bir toksik etki yaratır [27].

Gazlaştırma sistemlerinin ve gazlaştırma gazı kullanımının daha az tercih edilmesinin en önemli sebeplerinden bazıları şunlardır: Gazlaştırma gazının petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanması daha zahmetlidir, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerekmektedir. Gazlaştırıcı bir sistem başlıca; bir gazlaştırıcı ünite, temizleme sistemi ve enerji dönüşüm sisteminden (yakma veya içten yanmalı motor) oluşur. Gazlaştırmada en önemli problem gaz üretmek değildir. Üretilen gazın içten yanmalı motorların kullanabileceği şekilde fiziksel ve kimyasal özelliklerini sağlamaktır. Gazlaştırıcıda üretilen yanabilir gazlarda homojen bir karışım yoktur ve zamana bağlı olarak da gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri (bileşimi, enerji miktarı, kirliliği) değişebilir. Gazlaştırıcı ile içten yanmalı makina arasında bir depolama tankı yoktur. Bu nedenle depolama problem oluşturmaktadır. Üretilen gaz motorda yakılmadan önce ise çok iyi temizlenmelidir [27].

Gazifikasyon, biyokütleyi karbon monoksit, hidrojen ve metandan oluşan yanabilir bir gaz karışımına dönüştürür. Elde edilen gaz, orijinal katı biyokütleden (genellikle odun veya odun kömürü) daha esnektir, süreç ısısı ve buhar üretmek için yakılabilir veya elektrik üretmek için gaz türbinlerinde kullanılabilir [26].

Biyokütle gazlaştırma prosesleri genellikle, düşük ve orta seviyeli enerji yakıt gazları, kimyasallar imal etmek için yapılanmış gazlar veya hidrojen üretmek için tasarlanmaktadır [22].

Biyokütleler yüksek uçucu içerikleri ile diğer katı yakıtlardan ayrılmaktadırlar. Yerli linyit kömüründe %40-60 oranında uçucu madde bulunurken, orman ürünlerinde ve mobilya artıklarında %65-85 Aralığındadır. Biyokütle kaynaklı hammaddelerde düşük ve orta reaktör sıcaklıklarında gazlaşma başlamakta ve daha yüksek verim ile sentetik gaz üretilebilmektedir. Gazlaştırma işlemi için ihtiyaç duyulan ısı, genelde reaktör içerisinde yanma sonucu üretilir ve kullanılır. Biyokütle türü, ısıtma hızı, piroliz sıcaklığı ve kalma süresine bağlı olarak katı ürün, katran, pirolitik sıvı, su buharı ve sentetik gaz ürün meydana çıkmaktadır.

Gazlaştırmada birinci basamakta hammaddelerin hidrojen ve karbonundan açığa ısı çıkarmak amacı ile yanma reaksiyonunun oluştuğu bir yanma bölgesi yer alır. Açığa gazlaştırma reaksiyonlarının ihtiyacı olan ısı çıkarken aynı zamanda CO2 ve su buharı da çıkmaktadır. Yanma sırasında organik olamayan mineraller kül biçiminde açığa çıkar.

Organik maddelerin oksijensiz bir ortamda ısı etkisi ile oluşan termal parçalanma işlemine piroliz denir. Oksijensiz ortamda 500-600 °C sıcaklıklarında sırası ile kurutma, piroliz ve gazlaştırma prosesleri devam eder. Gazlaştırıcıdan geriye kül ve çar genelde inert madde olarak alınır [22].

Odun gazı yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkmaktadır. Organik moleküller oksijensiz ortamda (piroliz prosesi) 400-600 °C sıcaklıkta partikülleler ayrılarak yanmaya başlarlar ve yanmayan gazlardan ise, zift ve katran oluşur.

Piroliz-Orta sıcaklık-Kısa süreli reaksiyonlarda %75 biyokütle %12 kömür %13 gaz reaksiyon (karbonlaştırma):

Organik maddeler havasız ortamda kimyasal parçalanmaya başlar. Bu işlemde farklı sıcaklık bölgelerinde gerçekleşir (150 - 500 ºC). Karbonlaşma işlemi sonucu ortaya çıkan gaz bileşenleri, %50 CO2, %35 CO , %10 CH4 , %5 diğer hidrokarbon ve H2’dir. Gaz karışımının yaklaşık kalori değeri 8,9 MJ/m³'dır. Odunun karbonlaştırılmasındaki sıvı ürünler ise sulu kısım ve katrandır. Karbonlaştırma-Düşük sıcaklık-Çok uzun süreli reaksiyon-%30 Biyokütle %35 Kömür %30 Gaz İndirgenme (Gazlaştırma): Isıtma 1000

°C'a kadar çıkıldığında karbon, su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 üretilir. Ham maddedeki değişken oksijen oranına bağlı olarak gazlaştırma işlemi için ilave oksijen girdisine gerek olmaya bilir. Gazlaştırmada önemli olan biokütlenin nem oranının %30'u ve onun altında olması gerekiyor. Nem oranı arttıkça gazın kalorifik değeri düşmektedir.

Ayrıca hacimsel olarak yanabilir gaz olan CO miktarı düşerken CO2 miktarı da artmaktadır. Bitkisel atıklar yakılırsa kısmı yanmada kalori değeri 4,5-6 MJ/m³ olan gaz üretilir. Gazlaştırma surecinde toplam reaksiyonu:

(C6H10O5 + O2 CxHz + CnHmOk + CO + H2 + Isı) (2.1) Gazlaştırmanın yüksek sıcaklık altında yapıldığında %5 biyokütle- %10 kömür-%85 gazdan oluştuğu rapor edilmektedir [27].

Gazlaştırma işlemi, gazlaştırıcı denen katı yakıtların oksidantlar ( buhar hava, oksijen, CO2

hidrojen veya bunların çeşitli karışımları) ile temas edebileceği yakıt yatağı olarak tasarlanmış bir reaktör içinde meydana gelmektedir.

Gazlaştırıcılar yakıtın türüne göre (gaz yakıtın) iki ana gurupta toplanmaktadır;

• Isıl gazlaştırıcılar: yakıtların alevli bir şekilde kazanlarda ve ocaklarda yanmasıyla

• Güç kaynaklı gazlaştırıcılar: Mil gücü sağlamak için İçten yanmalı motorlarda kullanılmaktadır

Gazlaştırma reaktörünün özelliğine göre de aşağıdaki gibi;

• Sabit yataklı Gazlaştırıcılar

• Akışkan yataklı Gazlaştırıcılar

• Entegre yataklı Gazlaştırıcılar olarak sınıflandırılmaktadır

Çizelge 2.8. da gazlaştırma kapasitesi özellikleri sınıflandırması açıklanmıştır.

Çizelge 2.8. Gazlaştırma kapasitesi özellikleri sınıflanması

Gazlaştırma Sistemlerin Sınıflandırılması

Basınca göre Kapasitelerine Göre Gazlaştırıcı tipine göre Atmosferik basınçlı

sistem

Endüstriyel ölçek (5 MW +)

Sabit Yataklı Gazlaştırıcı

Akışkan Yataklı Gazlaştırıcı

Vakumlu sistem

Ticari ölçek

(0.5 - 4 MW) Aşağı akışlı

Kabarcıklı akışkan yatak Basınçlı sistem Küçük: ölçek

(100 - 499 kW)

Yukarı akışlı Dolaşımlı akışkan yatak Mikro ölçek

(15 - 99 kW)

Karşıt akışlı

Basınçlı akışkan yatak Açık akışlı

Piroliz gazlaştırıcı sistem

Sabit yatakta gazlaştırma

Yakıt beslenmesi üst bölgeden yapılırsa ve hava yakıtın içinden geçerse ve aşağıya akış yapılır ise aşağı akışlı gazlaştırma yöntemi adını alır. Partikül boyutları ve biçimleri belirli bir limitler içerisinde tutulmalıdır. Bu sistemlerde üretilen gaz kalitesi yüksek seviyededir ve 1MW altı kapasiteler için uygundur. Verimli bir gazlaştırma elde etmek için biyokütlenin gazlaştırma reaktörüne girmeden önce nem oranının %20’nin altına indirmesi gerekir. Gazlaştırma sonucu oluşan yüksek ısıl değere sahip sentetik gaz (700°C) gazlaştırıcıdan çıkar. Bu sistemin en büyük avantajı katran miktarının çok az olmasıdır.

Tam tersi yukarı akışlı bir gazlaştırıcıda biyokütle yakıt aşağıya doğru yönelirken gazlar yukarı doğru hereket etmektedir. Bu tür sistemler (gazlaştırıcılar) yüksek megavatlı elektrik sistemleri için tasarlanmıştır. Bu sistemler aşağı akışlı gazlaştırıcılara nazaran daha esnektirler ve boyut biçim ve biyokütle parçacıklarının nem oranı daha esnek bir yapıya sahip. Sade ve basit tasarımlarıyla ortaya çıkan bu sistemler yüksek nem içerikli ve daha fazla kül, daha düşük kaliteli gaz üretirler. Üretilen gazın %10-20 uçucu sıvılar ve katran içerdiği için gaz yakma sistemleri olan içten yanmalı motorlar ve gaz türbinleri için uygun değildir. Şekil 2,4’de Sabit Yataklı gazlaştırıcılarla ilgi ve partiküllerin hareketler ile ilgili görsel bilgi aktarılmıştır [27].

Şekil 2.4. Sabit yataklı gazlaştırıcılar [27]

Akışkan yataklı gazlaştırıcılar

Bu sistemler çeşitli yarı katı, katı veya sıvı şeklinde olan yakıtların yakılması hedefi ile tasarlanmaktadır. Akışkan yataklı avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir;

1. Uzun ömürlü ve dayanma süresi açısından 2. Çok iyi bir karışım elde edilmesi

3. Uygun değerlerin yakalaması ve elde etmesi 4. Daha iyi bir kinetik değerlere sahip

5. Daha yüksek Gaz/Parçacık etkileşimine sahip olması 6. Mükemmel ısı transferi

Bu sistemde yatağın iç yüzeyinde hareketsiz granüllerle kaplıdır, bu parçalar genelde silika ve ya seramik parçacıklarıdır. Yatağın belirli bir sıcaklığa gelmesi ile biyokütlenin kısmı yanması ve gazlaştırmanın gerçekleşmesi için yeterli olabilir. Yatağın tüm bölgelerinde yanarak dönüşüm piroliz ve yanma ile dönüşüm işlemi hayata geçirilir. Akışkan olması gereken biyokütle parçacıkları 10 cm’den daha küçük ve nem oranları %65 den daha fazla olmalıdır. Bu yataklarda üretilen gaz az miktarda katran içermesine rağmen sabit yataklara nazaran partikülleri daha fazladır. Bu sistemler eğer basınçlı olarak tasarlanmış ise çıkan gaz da basınçlı olup ve doğrudan gaz türbinlerinde güç ve elektrik üretiminde kullanılabilir.