Ünite 7: Biyokütle Enerjisi

Giriş

İnsanoğlu yaşamını sürdürebilmek için gerekli enerji ve ham maddeyi zamanla yeryüzünde bulamayınca yeraltı kaynaklarına yönelmişlerdir. Böylece en önemli enerji kaynaklarından olan ve fosil yakıtlar olarak adlandırılan kömür, petrol ve doğal gazı geleceği düşünmeden tüketme yoluna gitmişlerdir.

Yeterli çevre bilincine sahip olunmadığı için kaynakların tüketimi sırasında sera etkisi yaratan CO _² gibi gazlar ve asit yağmurlarının kaynağı olan SO _² ve NO _² gibi gazların çevreye kontrolsüz salınımı canlı yaşamını olumsuz etkilemiştir. Tüm bu etkenler yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını ön plana çıkaran bir faktör olmuştur.

Eski çağlarda insanlar bitki ve odun parçalarını yakarlardı. Daha sonraki yıllarda, hayvan tezekleri de eklendi. Az gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde kırsalda hâlâ insanlar enerji tüketiminin % 35’ini bu yolla karşılamaktadır.

Biyokütle ve Biyokütle Enerjisi

Biyolojik kökenli, fosil olmayan, 100 yıllık periyottan daha kısa zamanda yenilenebilen organik maddeler biyokütle olarak tanımlanmaktadır. Biyokütle enerjisi ise, fotosentez yoluyla kimyasal enerjiyi depolayan organik maddelerden üretilen enerji olarak tanımlanmaktadır. Biyokütle enerjisi CO ₂ salınımına net katkısı olmayan atmosferdeki karbondioksit derişimini artırmayan başlıca enerji kaynağıdır.

Fotosentez

Biyokütlenin büyümesinde fotosentez en önemli adımdır ve şu eşitlik ile verilir:

CO ₂ + H ₂ O + güneş ışını + klorofil i (CH ₂ O) + O ₂

Günümüzde dünya enerji ihtiyacının % 15’lik kısmı biyokütleden sağlanmaktadır. Endüstrileşmiş ülkelerde büyük çaplı modern biyokütle enerji üretim tesisleri kurulmakta ve işletilmektedir.

Biyokütle Enerjisinin Diğer Enerji Türlerine Göre Avantajları

Biyokütle enerjisi sürdürülebilir, çevresel açıdan dost ve ekonomik güvenirliğe sahiptir.

• Tükeniyor gerçeği ile karşı karşıya olan fosil yakıt kullanımını azaltır.
• Küresel ısınmanın en önemli nedeni sera gazı salınımı, Biyokütleler de oranı sıfırdır.
• Güneş ve rüzgar enerjisinin elektrik, güç ve ısı üretiminde kullanımında bazı sınırlamaları vardır. Biyokütle yakıtları ise; gaz yakıt (yakmak için), sıvı yakıt (taşıtlara yakıt amaçlı ya da kimyasal ham madde amaçlı) ve katı yakıt (odun kömürü) elde etmek gibi çok çeşitlidir.
• Kırsal alanda sosyo-ekonomik gelişmelere yardımcı olarak iş imkânı da yarattığı için kentlere göç önlenebilir.
• Enerji ithalatı bağımlılığını azaltır.
• Uluslararası alanda rekabet sağlar.
• Fosil kaynaklı enerji yatırımlarına kıyasla ilk yatırım ve işletme maliyetleri oldukça düşüktür.

Biyokütle Enerjisinin Kullanım Çeşitleri

Biyokütle enerjisinin beş temel kullanım alanı şunlardır:

1. Gelişmekte olan ülkelerde geleneksel evsel kullanım
2. Geleneksel endüstriyel kullanım
3. Modern endüstriyel kullanım
4. Daha yeni bir dönüşüm prosesi olan kimyasal dönüşüm prosesleri (“yakıt hücresi”)
5. Biyolojik dönüşüm prosesleri

Biyokütle Kaynakları

Büyük gelecek vadeden başlıca biyokütle çeşitleri;

İşlenmemiş ve Atık Olmayan Biyoküle

• Çimen : Park, bahçe ve benzeri yerlerden çim biçme makineleriyle toplanan çimenler, bol bulunan biyokütle örneğidir.
• Enerji ormancılığı: Birim alanda, mümkün olan kısa bir sürede odunsu ham maddeler üretilmesi, kesimden sonra herhangi bir dikime gerek duyulmadan sürgünden yetişebilen türlerden oluşan bu ham maddelerin enerji üretiminde kullanılmasını amaçlayan orman yetiştirme yöntemidir.

Atık Biyokütle

Atık biyokütle kaynakları çok çeşitlidir. Bunlar;

• Kentsel katı atıklar
• Kanalizasyon atıkları
• Hayvansal atıklar
• Tarımsal atıklar
• Orman atıkları
• Su bitkileri

Bu atıkların pek çoğu eğer uygun şekilde düzenlenmezlerse çeşitli sağlık ve çevre problemlerine yol açabilirler. Kentsel katı atıkların içerdiği bazı atıklar enerji kaynağı olarak kullanılabileceği gibi, cam ve metal gibi olanlar geri dönüştürülebilir kaynaklar olarak değerlendirilebilir.

Biyokütlenin Yapısı ve Özellikleri

Biyokütlenin yapısında şunlar bulunur;

• ekstraktifer
• selüloz, hemiselüloz ve lignin
• lipitler, protein, nişasta, esterler, trigliseridler

Pek çok biyokütle kuru temelde yaklaşık %50 selüloz içerir. Diğer bileşenler düşük yüzdeli bulunurlar. Selüloz altı karbonlu ve oldukça yoğun bir karbonhidrattır. Hemiselülozlar, her ne kadar selülozlar gibi karbonhidratlardan meydana gelmişler ise de termal dayanıklılık dereceleri daha düşüktür. Yani daha kolaybozunan bileşendir. Hemiselülozun bozunma sıcaklığı 250-350 ºC arasındadır. Hemiselülozların görevi ağacın liflerini yapıştırmaktır. Lignin, oldukça geniş bir polimerizasyon reaksiyonu sonucu oluşan, molekül ağırlığı yaklaşık 10000 olan oldukça karmaşık bir aromatik yapıdan meydana gelmektedir. Ligninler, bitki hücrelerine mekanik dayanıklılık verirler.

Nişastalar, a-glukozidik birimlerden oluşur. Proteinler, doğal aminoasitlerden oluşan polimerlerdir. Lipidler ise triol, gliserol ve uzun zincirli yağ asitlerinin esterleridir. Esterler çok çeşitli yağlı tohumlar, yeşil bitkiler ve bazı mikroalglerde oluşurlar.

Biyokütleyi değişik süreçlerden geçirerek onu daha faydalı ürünlere dönüştürmek mümkündür. Bu amaçla çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler başlıca; fiziksel, biyokimyasal ve ısıl (termal) olarak sınıflandırılabilirler.

Fiziksel Dönüşüm Prosesleri

Bazı biyokütle ham maddeleri enerji dönüşüm prosesleri için uygun değildir. Bu yüzden, bazı ham maddelerin termokimyasal dönüşüm prosesleri ile enerji üretiminde değerlendirilebilmeleri için, nem içerikleri kabul edilebilir sınır aralığına indirilmelidir.

Nem Giderme ve Kurutma

Nem giderme; biyokütlenin içermiş olduğu tüm nemin sıvı olarak uzaklaştırılmasıdır. Kurutma da benzer bir prosestir. Nem giderme ile kurutma arasında ki temel fark; kurutma işleminde nem, buhar olarak uzaklaştırılmaktadır.

Ancak, güneşte kuruyamayacak ham maddeler endüstriyel kurutucular yardımıyla kurutulmalıdır. Püskürtücülü kurutucular ve sıcak hava akımlı fırınlar endüstriyel kurutuculara örnek olarak verilebilir.

Boyut Küçültme

Biyokütlenin direkt yakıt olarak kullanımı ya da dönüşüm prosesleri için yakıt pelletleri, biriketler hâlinde hazırlanması amacıyla ilk adım olarak uygulanır. Ham maddenin partikül boyutu genellikle öğütücü, kırıcı ya da kesicilerle küçültülür.

Yoğunlaştırma

Yüksek yoğunluklu biyokütleler; taşıma ve depolamayı kolaylaştırır, biyokütle kararlılığı sağlar, fırınlara biyokütleyi yakıt kaynağı ve reaktörlere de ham madde olarak beslemeyi kolaylaştırır, yüksek enerji yoğunluğu sunarken daha temiz yanan bir yakıt kaynağı olarak karşımıza çıkar.

Briketleme ve Pelletleme

Biyokütlenin basınç altında sıkıştırılarak aralarındaki hava boşluklarının en aza indirilmesiyle en küçük alana en fazla ürün yerleştirilmesidir.

Ayırma

Bazı durumlarda farklı uygulamalar için biyokütle ham maddesini fiziksel olarak iki ya da daha fazla bileşene ayırmak gerekebilir. Örneğin; şehir katı katıları inorganik ve organik maddeler içerir. Bu atıkların özel uygulamaları için ayrılmaları gerekmektedir. Özütleme de ayırma prosesi kapsamında düşünülebilir. Biyokütle içerisinde değerli bileşenler olan yağlı tohumlar trigliseridler, terpenler ve lignin de özütleme yoluyla ayrılan bileşenlerdir. Özütlemenin yanı sıra distilasyon, filtrasyon ve kristalizasyon ayırma işlemlerine örnek olarak verilebilir.

Biyokimyasal Dönüşüm Prosesleri

Ham maddenin mikroorganizmalar yardımı ile değerli sıvı ve gaz ürünlere dönüştürülmesidir.

Havasız Ortamda Biyokimyasal Parçalanma ile Biyogaz Eldesi

Organik maddelerin anaerobik (havasız) ortamda, farklı mikroorganizma gruplarının varlığında bozundurulması ile biyogaz denilen ve içeriğinde % 60-70 metan (CH ₄ ), % 30-40 karbondioksit (CO ₂ ) ve az miktarda hidrojen sülfür (H ₂ S), karbonmonoksit (CO) ve azot (N ₂ ) içeren renksiz ve yanıcı bir gaz karışımı olan ürün elde edilir. Bu amaçla nemli ve yeşil biyokütleler; endüstriyel ve kentsel atıklar, hayvan atıkları, tarımsal atıklar, çim ve suda yetişen bitki atıkları, sebze ve meyve atıkları değerlendirilebilir. Bu yöntemle biyogaz elde edilirken atıklar gübre kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Gübre ise kırsal yörelerde verimli şekilde kullanılmaktadır.

Biyogaz eldesi; ortam sıcaklığı, uygun pH, besin ve katkı maddeleri, alıkonma süresi ve karıştırma gibi parametrelere bağlıdır.

Fermantasyon ile Alkol Eldesi

Fermantasyon içerdiği sulu bulamacın mikroorganizmalarla etkileşime girerek enzimatik olayla diğer ürünlere dönüştürüldüğü biyolojik bir süreçtir. Fermantasyonla alkol eldesinde en sık kullanılan ham maddeler nişasta ve selülozdur. Nişasta içeren atıklar arasında şeker pancarı, şeker kamışı, mısır, patates ve pirinç yer almaktadır.

Ham maddeler toz hâline getirildikten sonra, ilk olarak selüloz; hidroliz yöntemiyle glukoza dönüştürülür. Hidroliz işlemi asidik ya da enzimatik yapılabilir. Asit hidrolizinde en çok H2SO4 (sülfürik asit) kullanılırken enzimatik hidroliz farklı enzimler yardımıyla yapılmaktadır.

Fermentasyon; tam karıştırmalı sürekli reaktörler, dolgulu kolonlar, akışkan yataklı reaktörlerde yapılabilir. Fermentasyon sonucunda etanol su ile birlikte üretildiğinden distilasyon yöntemiyle etanol sudan ayrılır.

Bitkilerden elde edilen etanol (biyo-etanol), sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak sağladığı çevresel ve ekonomik yararlar nedeniyle, fosil yakıtlara göre avantajlar sağlamaktadır. Günümüzde etanol yakıt kaynağı olarak motorlu taşıtlarda tek başına veya benzine karıştırılarak kullanılır.

Biyodizel Eldesi

Biyodizel farklı yöntemlerle üretilebileceği gibi en yaygın kullanılanı transesterifikasyondur. Transesterifikasyona göre biyodizel oluşum tepkimesi basitçe aşağıdaki gibi verilebilir:

Isıl (Termokimyasal) Dönüşüm Prosesleri

Isıl dönüşüm prosesleri; biyokütlenin içermiş olduğu kimyasal enerjinin ısıl işlemlerle ürünlere aktarılmasıdır. Bu yolla üretilen ürünler enerji içeriği ve kolay kullanım açısından biyokütleye üstünlük sağlamaktadır.

Biyokütlenin daha değerli ürünlere dönüştürüldüğü bailıca dört termokimyasal proses vardır: yanma, piroliz, gazlaştırma ve sıvılaştırma. En umut verici termokimyasal dönüşüm prosesi ürünü olarak piroliz sıvısı ya da bio-oil görünmektedir.

Yanma

Bir yakıtın oksijen ile tepkimeye girerek yanma ürünlerine dönüştüğü prosese denir. Yanmada amaç, biyokütlenin doğrudan yakıt kaynağı olarak kullanılmasıyla ısı elde etmektir. Yanma sistemlerinin verimliliği biyokütlenin içerdiği nem oranına, ham maddenin parçacık büyüklüğüne, tam yanmanın gerçekleşip gerçekleşmediğine bağlıdır. Kuru olmayan, yani yaş biyokütlelerin nem içeriği yanma prosesini olumsuz etkiler. Eğer nem içeriği fazla ise, enerjinin bir kısmı nemi buharlaştırmada kullanılacağından yanmanın verimi azalır. Bu durumda daha fazla yakıt kullanılmalıdır.

Geleneksel biyokütle yanma sistemleri yatay olup ham madde yanma odasında kesikli, yarı sürekli ya da sürekli olarak beslenebilir. Fırınları; sabit yataklı, hareketli yataklı, sabit pozisyonlu, dönen yatay ya da eğimli fırınlar olarak basitçe gruplamak mümkündür. Biyokütle ve diğer yakıtların tam yanması partikül madde, gaz ve zehirli bileşenlerin salınımını en düşük seviyede tutar.

Gazlaştırma

Teknolojisi otuz beş yılı aşkın süredir kapsamlı olarak araştırılan bir teknolojidir. Gazlaştırma katı karbonlu yakıtın kısmi yanma ile yanabilir gaz yakıta dönüştürülmesi prosesidir. Üretilen gazlar ile ısı ve buhar ya da gaz türbinlerinde elektrik üretilebilmektedir.

Gazlaştırma prosesleri; güç üretimi için hava kullanılanlar, metanol üretimi ya da Fischer-Tropsch sentezi için saf oksijen kullanılan prosesler olarak sınıflandırılabilirler. Gazlaştırmada üretilen sentez gazından katranın, külün, NH3 ve HCl gibi uçucu inorganik bileşenlerin temizlenmesi önemli bir husustur.

Piroliz

Biyokütlenin pirolizi; biyokütle ham maddesinin hava ya da oksijensiz bir ortamda bozundurulmasıyla daha değerli sıvı, katı ya da gaz ürünlere dönüştürülmesidir.

Piroliz Yöntemleri

İşletme şartlarına bağlı olarak piroliz başlıca üç gruba ayrılabilir:

• Yavaş piroliz (geleneksel piroliz veya karbonizasyon prosesi)
• Hızlı piroliz
• Flash pirolizi

Piroliz Prosesleri

Pirolizde başlıca üç tip proses kullanılır:

1. Isı soğuran piroliz prosesler
2. Akışkan yatak prosesleri
3. Diğer piroliz prosesleri:

• Vakum piroliz
• Vidalı beslemeli piroli
• Püskürtme yataklı piroliz

Pirolize Etki Eden Faktörler

Pirolize etki eden ve piroliz ürün dağılımlarını değiştiren bazı faktörler bulunmaktadır. Bunlar;

• Biyokütle bileşimi
• Parçacık boyutu
• Sıcaklık
• Isıtma hızı
• Basınç
• Piroliz ortamı
• Katalizör

olarak sıralanabilir.

Piroliz Sıvı Ürünlerinin İncelenmesinde Kullanılan Başlıca Kromatografik ve Spektroskopik Yöntemler

Piroliz sıvı ürünlerin incelenmesinde kullanılan başlıca yöntemler ve kullanım amaçları aşağıda ana başlıklar hâlinde verilmiştir:

• Sütun kromatografisi: Sıvı ürünün içerdiği alifatik hidrokarbonların, aromatik yapıdaki bileşenlerin ve polar gruplu bileşenlerin ayrılmasında kullanılır.
• Elementel analiz: Sıvı üründeki C, H, N, S, O yüzdesini belirlemek. Bu yüzdeleri kullanarak Dulong formülü yardımı ile ürünün ısıl (kalorifik) değerinin belirlenmesinde kullanılır.
• Kalorimetrik bomba: Ürünün ısıl (kalorifik) değerinin direkt olarak belirlenmesinde kullanılır.
• SEC (Boyut seçicilik kromatografisi) : Ürünlerin ortalama molekül ağırlıklarının belirlenmesinde kullanılır.
• HPLC ( Yüksek performanslı sıvı kromatografisi ): Özellikle uçucu olmayan polisiklik aromatik hidrokarbonların (PAH) belirlenmesinde kullanılır.
• GC/MS (Gaz kromatografi/Kütle spektrometre): Ürünlerin içerdiği tüm bileşenleri kaynama noktalarına göre ayırıp kütüphanesinde karşılaştırma yaparak isimlerinin ve yüzdelerinin belirlenmesinde kullanılır.
• GC (Gaz Kromatografisi): Ürünün içerdiği spesifik bir bileşenin ya da bileşenlerin belirlenmesinde kullanılır.
• FTIR (Fourier transform infrared spektroskopi): Üründeki Fonksiyonel grupların belirlenmesinde kullanılır.
• ¹ H-NMR: Yapıdaki hidrojenler ve birbirlerine göre konumlarının belirlenmesinde kullanılır.
• ¹³ C-NMR: Yapıdaki karbon atomlarının sayısının belirlenmesinde kullanılır.

Sıvılaştırma

Sıvılaştırmada amaç; yüksek ısıl değerli, düşük oksijen içerikli maksimum verimli sıvı ürün elde etmektir. Sıvılaştırmaya ilgi diğer ısıl dönüşüm sistemleri ile karşılaştırıldığında daha düşüktür, çünkü reaktörler ve yakıt besleme sistemleri daha karmaşık olup piroliz prosesine kıyasla daha maliyetlidir. Sıvı üründe H/C oranı artırılırken O/C oranı azaltılmaktadır.

Proses sonucunda ana ürün; ağırlıkça oksijen içeriği % 12-20 olan ve atomik H/C oranı 1-1,3 ve ortalama molekül ağırlığı 300 olan sıvı üründür. Oluşan yan ürünler ise asetik asit, aseton ve diğer bileşiklerdir. Bu prosesde katı ve gaz ürün istenmeyen ürünlerdir. CO _² ve CO’in yanında çok az miktarda metan ve hidrojen de üretilir.