(Bu proje Florya Koleji öğrencisi Beril Suzan D. tarafından TÜBİTAK 2204B/2020 için Fatma Nur ARASAN danışmanlığında hazırlanmıştır.)
ÖZET
Dünya nüfusunun hızlı bir şekilde artması, sanayileşmenin ilerleyen teknoloji nedeniyle yeni boyutlar kazanması ve insanoğlunun yaşam standardını her geçen gün yükseltmek ve yüceltmek istemesi nedeniyle katı atık miktarında artışlar başlamış, bu da katı atıkların en verimli şekilde değerlendirilmesini ve denetimini gündeme getirmiştir. [1] Çünkü biriken atıkların en doğru biçimde değerlendirilmemesi dünyamızı ekolojik açıdan tehdit eder boyuta ulaşmıştır. Aynı şekilde ülkemizde de özellikle son yıllarda yeniden başlayan enerji açığı, klasik enerji kaynaklarının yanında alternatif enerji kaynaklarının önemini daha da arttırmaktadır. [2]
Bu çalışmada, dünyada ve Türkiye’de uygulanan enerji projeleri incelenmiştir. İncelemeler sonucunda biyokütleden biyogaz enerjisi eldesi için genel olarak hayvan atıkları, endüstriyel atıklar, şehirsel atıkların kullanıldığı görülmüştür. Yapılan çalışmada yemekhane atıkları incelenmiştir. Düzenli olarak darası alınan atıklar envanter dosyasına not edilmiştir. Elde edilen veriler kullanılarak yapılan hesaplamalarda yemekhane atıklarından elde edilen biyogazın ısı enerjisi kapasitesi belirlenmiş ve elektrik enerjisine dönüşümü teorik olarak gerçekleştirilmiştir. EPDK’dan alınan bilgilere göre de tasarruf miktarı hesaplanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, temiz ve güvenilir enerji, biyogaz, elektrik enerjisi,anaerobik bozunma
GİRİŞ
Enerji, bir maddenin, makinenin ya da maddeler sisteminin iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır. [Şen, 2002; Berberoğlu, 1982]
Nüfus artışı, sanayileşme ve üretime bağlı olarak enerjiye olan talep giderek artış göstermektedir. Enerji, tüm ülkelerde ekonomik, sosyal gelişim ve yaşam kalitesini arttırmanın bir gereği haline gelmiştir [ADSYB Biyogaz fizibilite raporu, 2013]. Ülkelerin hızla kalkınması, büyümesi ve üçüncü dünya ülkelerinin de modern enerji kaynaklarına ulaşması sonucunda dünya toplam enerji ihtiyacı, günden güne artmaktadır [Çağal, 2009]. 2001 yılında küresel anlamda enerji tüketimi 426,1 EJ olarak hesaplanmıştır. 2025 yılında bunun %58’lik bir artışla, 675,3 EJ dolaylarında olması beklenmektedir.
Enerji kaynakları, yenilenemeyen ve yenilenebilen kaynaklar olarak iki grupta toplanır. Yenilenemeyen enerji kaynakları taşkömürü, linyit, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar ile nükleer enerji gibi rezervi sınırlı olan kaynaklardır. Yenilenebilir enerji kaynakları ise, hidrolik, güneş, rüzgar, jeotermal, biyokütle, biyokütleden elde edilen gaz (biyogaz), dalga, akıntı enerjisi ve gel-git gibi fosil olmayan enerji kaynaklarıdır [Yenilenebilir Enerji Kanunu, 2005].
Günümüzde dünya enerji üretiminde öncelikli kaynaklar petrol, doğalgaz ve kömür gibi yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Sürekli artış gösteren tüketim sonucu, mevcut enerji kaynakları bu enerji ihtiyacını karşılayamayacak hale gelecektir. Bütün bu gelişmeler ışığında, enerji sorununa çözüm olması açısından alternatif enerji kaynakları arayışına geçilmeli ve değerlendirilebilecek yenilenebilir enerji kaynakları belirlenmelidir. [5]
Yenilenebilir enerji kaynaklarının en büyük özelliklerini sıralayacak olursak;
1. Karbondioksit emisyonlarını azaltarak, çevrenin korunmasına yardımcı olmak
2. Yerli kaynaklar oldukları için enerjide dışa bağımlılığın azaltmak ve istihdamın artmasına katkıda bulunmak. [5]
Biyokütle, su, rüzgar, güneş (termal ve fotovoltaik), jeotermal, deniz ve hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynakları gelecekte çok büyük bir role sahip olacaklardır. 2040 yılına kadar ortalama küresel enerji kaynağı yenilenebilir enerjiden sağlanabilir ve elektriğin %80’i bu enerjiden karşılanabilecektir. [3]
Biyokütle, 100 yıllık periyottan daha kısa sürede yenilenebilen, bitkiler, hayvansal atıklar, gıda endüstrisi ve orman yan ürünleri ile kentsel atıkları içeren, biyolojik kökenli fosil olmayan tüm organik madde kitlesi olarak tanımlanmaktadır [Yorgun ve ark., 1998].
Biyokütle enerjisi ise, biyokütle kaynaklarından meydana gelir. Bu kaynaklar sebze meyve kökenli bileşikler olup, karbonhidratça zengin elementlerdir [Acaroğlu, 2007].
Biyokütle enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları arasında çok önemli bir konuma sahiptirler.
En önemli potansiyele sahip biyokütle kaynakları,
• tarımsal ürünlerin atıkları (sap, saman, meyve ve sebze atıkları),
• orman ürünleri atıkları,
• gıda ve tarım endüstri atıkları,
• evsel atık
• organik yapılı endüstriyel atıksalar
• evsel katı atıkların organik kısmı ve
• hayvan gübreleri
• meyve ve sebze atıklarıdır [Ardıç ve Taner, 2013].
Biyogaz; hayvan, insan ve bitkisel kökenli organik atıkların anaerobik (oksijensiz) koşullar altında oluşturduğu renksiz, yanabilen ve karışımı %55-70 CH4, %30-40 CO2 ve %1-5 H2S, CO, O2, N2 ve H2’den oluşan, ısıl değeri 4700-6000 kcal/m3 arasında olan bir gazdır. Isıl değeri, karışımın içinde yer alan metan gazı derişimine bağlıdır. Yanan metan gazının kendisi kokusuz olmasına karşın, biyogaz karışımındaki H2S gazının bulunmasına bağlı olarak koku oluşturabilir. [3]
Biyokütle kaynaklardan biyogaz üretimi, doğrudan yakma dışında en basit ve en etkili değerlendirme yöntemi olup birçok ülkede (Çin, Hindistan, Tayland, Filipinler, Kore, İsviçre, ABD, Almanya vd.) yaygın şekilde uygulanmaktadır. [3]
Günümüzde Türkiye’de çoğunlukla kullanılan yenilenebilir enerji kaynakları biyokütle enerjisi ve hidrolik enerjidir [Acaroğlu ve Aydoğan, 2012].
Bunun yanı sıra biyogaz teknolojilerinin avantajları ve dezavantajları da söz konusudur.
Avantajlar;
1. Çevre sağlık ile ilgili önlem alınması
– Patojenlerin azalması
– Hastalık bulaşımının azalması
2. Düşük maliyetli enerji kaynağı; ısıtma, ürünün arttırılması
3. Düşük maliyetli gübre; tarlasal ürünün artması
4. Yaşam koşullarının iyileştirilmesi
5. Hava kalitesinin iyileşmesi
6. Sera gazı etkisinin azalması
7. Nitro oksitlerin (N2O) azalması
8. Alternatif yakıt talebinin artması
– Ağaç, tahta, odun kaynaklarının korunması
– Toprak erozyonunun azalması
– Odun toplamak için gereken zamandan tasarruf
Dezavantajları;
1. Kurulum ve işletme için işçi çalıştırılması
2. Sıbırlı kullanım ömrü (birçok tesis için ~20 yıl)
3. Yatırım maliyetlerinin yüksek olması
4. Kurak yerlere daha az uygun olması
5. Mevcut tesislerin fonksiyonları açısından olumsuz bakış açısı
6. Güvenilir ve sürekli besleme atığı ihtiyacı olması
7. Arıtılan çamurun kullanımı için uygun ortam yaratılması
8. Mezofilik arıtma sonrası atıkların daha az hijyenik olması
9. Çoğu potansiyel kullanıcının gelirine göre yüksek maliyetli yatırım
Anaerobik fermantasyon, serbest oksijenin yokluğunda organik atıkların bakteriyel fermentasyonunu içerir. Fermantasyon dört aşamalı bir işlemde karmaşık biyobozunur organiklerin parçalanmasına yol açar.
1. Büyük protein makromolekülleri, yağlar ve karbonhidrat polimerler (selüloz ve nişasta
gibi) hidroliz yoluyla amino asitlere, uzun zincirli yağ asitlerine ve şekere ayrılır.
2. Bu ürünler daha sonra asidojenez sırasında fermente edilir, esas olarak laktik, propiyonik, bütirik ve valerik asit gibi uçucu yağ asitleri oluşturur.
3. Asetojenezde bakteri bu fermantasyon ürünlerini tüketir ve asetik asit, karbondioksit ve hidrojen üretir.
4. Metanojenik organizmalar, metan üretmek için asetat, hidrojen ve bazı karbondioksiti
tüketir. Bunu başarmak için mehanojen bakteriler tarafından üç biyokimyasal yol kullanılır:
1. asetotropik yol (4CH3 COOH → 4CO2 + 4CH4),
2. hidrojenotropik yol (CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O),
3. metilotropik yol (4CH3OH + 6H2 – 3CH4 + 2H2O) [8]
Elde edilen biyogaz, genellikle üç şekilden birisi seçilerek kullanılır [8]
1. Direkt yanma yoluyla
2. Alkole dönüştürülerek
3. Metan gazına dönüştürülerek
Biyogaz ısıl özellikleri ve temiz oluşu nedeniyle oldukça iyi bir yakıttır. Genel olarak ısıtma, aydınlatma, içten yanmalı motorlarda, elektrik üretiminde vb. yerlerde kullanılır. Biyogaz, havagazı ile çalışan araçlarda hiçbir değişikliğe uğramadan kullanılabilir. Ayrıca sıvılaştırılmış likit gazı ile çalışan sobalar, fırınlar, ocaklar vb. rahatlıkla kullanılabilir. [9]
1 m3 biyogaz ile şunlar yapılabilir: [10]
– 2 BG motoru 1 saat süre ile çalıştırabilir.
– 60 Watt eşdeğerindeki fitilli bir lambayı 7 saat süre ile çalıştırabilir.
– 4 kişilik bir ailenin üç öğün yemeğini pişirebilir.
– 300 litrelik buzdolabını 3 saat süre ile çalıştırabilir.
– 1,25 kWatt-h elektrik enerjisi üretebilir.
Biyogaz üretimi birbirini takip eden bir takım reaksiyonlardan oluştuğu için birçok faktörden etkilenmektedir. Reaksiyonlar çeşitli bakteriler tarafından gerçekleştirildiği için bu bakterileri etkileyen her parametre biyogaz üretimini ve biyogazın içindeki metan miktarını da etkilemektedir. [11]
– Sıcaklık
– Hammadde konsantrasyonu
– pH
– C/N oranı
– Seyreltme
– Yükleme oranı
– Hidrolik bekletme süresi
– Zehirlilik
– Karıştırma
Beslenme amacıyla kullanılmayan bitkisel ve hayvansal atıkların yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynağı olarak kullanılması uzun yıllar boyunca araştırılmış ve bazı sonuçların uygulamaya aktarılabilirliği öngörülmüştür. Biyogaz teknolojisi özellikle gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde sürekli gündemde kalan ve önemini artıran alternatif enerji kaynağıdır. [2]
Bu projenin amacı ise; yemekhane atıklarından elde edilen biyogazın elektrik enerjisi kapasitesinin tespitinin yapılması ve rahatlıkla taşınabilir, portatif, laboratuar tipi bir biyogaz üretim cihazını imal etmenin ve cihaz üzerinde orijinal deneyler yapmanın olabilirliğini kanıtlamaya çalışmaktadır.
YÖNTEM
Bu araştırmada; teorik bir araştırma yapılmış, deneysel bir çalışma yürütülmemiştir.
Literatür Taraması
Literatür taraması 4 başlık altında genelden özele doğru sıralanmıştır. Çeşitli biyokütlelerden biyogaz üretimi, biyokütlelerin metan potansiyelini artırmak için kullanılan bazı ön arıtma teknikleri [11] , yemek atığından biyogaz üretimi ve biyogazdan elektrik üretimi amacıyla yapılan çalışmalar özetlenerek verilmiştir. [9]
1. Çeşitli Biyokütlelerden Biyogaz Üretimi: Organik içerikli tüm maddeler biyogaz üretimi için kullanılabilme potansiyeline sahiptir. Çeşitli organik atıklardan biyogaz
üretimi üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Biyogaz üretimi için kullanılan yöntem oksijensiz ortamda çürütme işlemidir. oksijensiz çürütme işlemi için tek bir malzeme kullanılabildiği gibi birden fazla materyal karıştırılarak da biyogaz üretimi yapılabilmektedir. Bu yöntem malzeme sıkıntısı çekilen tesislerde kullanışlı olabilir.
Birden fazla materyal farklı oranlarda karıştırılarak maksimum biyogazın elde edildiği karışım oranı belirlenir ve bu oran üzerinden biyogaz üretimine devam edilir.
2. Biyogaz Üretiminde Kullanılan Bazı Ön Arıtım Teknikleri: Oksijensiz çürütme yöntemi ile organik atıklardan elde edilen biyogaz miktarını artırmak için çeşitli ön arıtım teknikleri kullanılmaktadır. Ancak her ön arıtım işlemi, elde edilen biyogaz miktarında artış sağlamamaktadır. Kullanılan ön arıtım tekniklerinin etkisi organik maddenin cinsine göre değişiklik göstermektedir.
3. Yemek Atıkları Üzerine Yapılan Çalışmalar: Araştırması yapılan hammadde, yemek atığı ve anaerobik özümleyici karışımdır. A. Pınar TÜZÜN’ün hazırlamış olduğu yüksek lisans bitirme tezinde Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Yemekhane atıkları üzerinde inceleme yapılmıştır. Anareboik özümleyicisi ise ASKİ’nin arıtma tesisi laboratuarlarından sağlanmıştır.
4. Biyogazdan Elektrik Üretme Aşamaları: Biyomass ile enerji üretmenin en çok kullanılan ve en basit yöntemi direkt yakmadır. Yakmada ısınan sudan elde edilen buharla türbin dönmekte ve bu hareketle elektrik motor kullanılabilmektedir. [9] Biyogaz, biyolojik kütlelerden elektrik üretmek için kullanılan en yeni yöntemdir. Yakıtın basitçe yakılması yerine, gazlaştırılmasıyla katı yakıttan gaza dönüştürmeyle enerjinin yaklaşık %65-70’i tutulabilir. Bu gaz daha sonra doğal gaz gibi, elektrik üretme, araçlarda yakıt, endüstriyel uygulamalarda kullanılmak ve sentetik yakıt üretmek için yakılır. Bu en son teknoloji henüz geliştirme safhasında olduğundan henüz ticrai kullanım için yeterli değildir. [12]
Verilerin Toplanması
Temiz enerji kaynaklarından birine yönelme seçiminde elimizde oluşan günlük hammadde miktarı göz önünde bulundurularak tercih yapıldı.
Araştırma Süreci:
1. Yaklaşık 500 öğrenciye hizmet veren okul yemekhanesi saha olarak seçildi.
2. Yemek atıklarının düzenli olarak darası alındı
3. Tartımı alınan atıkların darası not edildi.
4. Hesaplamalar yapıldı.
BULGULAR
Biyogaz üretim potansiyelini belirlemek için teorik hesaplama yöntemi kullanılmıştır. Bu amaçla ortalama biyogaz üretimi ile ilgili literatürde kullanılan değerler esas alınmıştır:
1 ton organik yemek atığı = 480 m3 biyogaz
Çalışma kapsamında ilgili okulun yemekhane atıklarının günlük darası 60 gün boyunca alınan verilere göre ilgili okulun günlük ortalama 25,78 kg yemek atığı toplanmaktadır.
1 m3 biyogazın değeri yaklaşık olarak 4,7 kwh olarak belirlenmiştir. EPDK’dan alınan (EK:1) 2020 enerji değeri verileri hesabına göre içerisinde %55-60 CH4 içeren bir biyogazın 1
m3 ortalama değeri 2,70 TL değerindedir.
SONUÇ VE TARTIŞMA
İlgili okulun günlük yemek atık miktarları;
Yemek atıkları 22,83 4,7. kg/gün = 4,7 kwh/m3 enerji kapasitesi
Yemek atıklarından biyogaz üretimi hesaplamaları yapılırken ortalama 1 tonyemek atığından 480 m3 biyogaz elde edildiği baz alınmıştır. İlgili okulda günlük toplam yemek atık potansiyeli ortalama 22,83 kg’dır.
Bu değer yaklaşık 0,02283 ton değerine karşılık gelmektedir. O halde toplam biyogaz üretim miktarı teorik olarak; 0,02283 x 480 = 10,9584 m3 /gün olarak hesaplanır.
Bu yemek atıklarından elde edilen biyogaz miktarının enerji getirisini hesaplamak gerekirse; 10,9584 x 2,70 = 29,58 TL/gün kazanılmış olur.
60 günlük incelemenin tasarruf miktarını hesaplayacak olursak; 29,58 x 60 = 1774,80 TL kazanılmış olur.
ÖNERİ
Enerji tüketim alışkanlıkları açısından karbon salınımını azaltıcı yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim hayati önem taşımaktadır. Bu amaçla; biyogaz enerjisi oldukça avantajlı bir enerji türü olup, hemen hemen hiçbir dezavantajı bulunmayan yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Çünkü biyogaz tesisi kurulduğunda çevreye ve insanlara hiç bir zarar ve rahatsızlık vermez. Biyogaz üretilip kullanım alanının genişletilmesi için biyogaz içerisindeki asıl enerji kaynağı olan metan (CH4) oranının arttırılması gerekmektedir. [14]
Bu nedenle de ek biyokütle kaynakları tespit edilerek daha da geliştirilebilir. Bunun yanı sıra bugüne kadar yaptığımız araştırmalar belirli bir bilgi birikimi de sağlamıştır. Ancak bu yeterli değildir. Bu çalışma 1 yıllık periyotta 4 mevsim döneminde yapılabilir. Yemek atıkları için laboratuvar ölçekli bir anaerobik reaktör oluşturularak metan ve biyogaz ölçümleri yapılabilir. Oluşturulacak anaerobik reaktöre yemek atıklarına ek farklı atıklar da eklenerek, aynı şekilde farklı reaktör şartları sağlanarak üretilecek metan ve biyogaz miktarları gözlemlenebilir.
KAYNAKLAR
[1] Tüzüm, A.Pınar., (2003). Yemek Atıklarının Anaerobik Arıtımı ve Biyogaz Üretimi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Ankara.
[2] Buğutekin, A. (2003). Yöresel Kaynaklarla Biyogaz Üretimi için Deneysel Çalışma, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul
[3] Yıldız, K., (2018). Çiftlik Tipi Biyogaz Tesisinin Tasarımı ve Reaktör Basınç Mukavemetinin Simülasyon Testi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş
[4] Biyoenerji Derneği, (2019) Çöpten Enerji
[5] Gül, A., (2014). Sebze ve Meyve Atıklarının Biyogaz Üretim Potansiyelinin Belirlenmesi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara
[6] Kobya, M., Sığır Gübresinden Biyogaz Üretimi ve Erzurum Koşulları İçin Bir Biyogaz Tesis Tasarımı, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Erzurum.
[7] Aksay, M,V., (2018) Farklı Türden Atıkların Anaerobik Kofermantasyon Yöntemi ile Biyogaz Üretimi İçin Optimum İşletme Şartlarının Belirlenmesi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Karabük.
[8] Stephenson, G,E., (1986). Power Technology four edition by delma publishers Inc.
[9] Kaya, O., (1999). Yemek Atıklarından Biyogaz Enerjisi Üreten Sistemin Tasarım ve İmalatı, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara.
[10] Biyogaz ve Yararları, (1982). Köyişleri ve Kooperatifleri Bakanlığı, Toprak Müd. Yayınları
[11] Martin, K., (2017). Biyogaz Üretiminde Farklı Ön Arıtma İşlemleri Uygulanmış Muz Atıklarının Biyokimyasal Metan Potansiyelinin (BMP) Araştırılması, Necmettin Erbakan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Konya.
[12] Rosenberg, L, T., Biomass energy allince Americas Secret Renewable Energy Resource, Washington.
[13] T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığ, (2011). Suluova Biyogaz Tesisinin Teknik-Ekonomik Esaslarına İlişkin Rapor, Türk-Alman Biyogaz Projesi, Ankara.
URL-1 : https://www.muhendisbeyinler.net/biyogaz-tesisleri-ile-isi-elektrik-uretimi/
URL-2 : http://www.yegm.gov.tr/yenilenebilir/biyokutle.aspx
