1. Biyokütle
Biyokütle genellikle ve hatalı bir biçimde düşük statülü bir yakıt kaynağı olarak tanınır ve pek çok ülkede istatistiklere bile alınmaz. Oysa, biyokütle modern fırınlarda doğrudan doğruya yakılarak ısı ve elektrik üretilebilir, araçlarda kullanılabilen etanol veya diğer alkol bazlı yakıtlara dönüştürülebilir.
Biyokütle kaynakları, yenilenir ve organik bazlıdır; selülozlar (%38-50), hemiselülozlar (%23-32) ve lignin (%15-25 ) üç büyük temel biyokütle kaynağıdır. Biyokütlenin bileşimi içerdiği maddelere göre değişir. Bitkilerde %25 kadar lignin ve %75 kadar da karbonhidratlar vardır; karbonhidratlar, uzun polimer zincirleri halinde birbirlerine bağlanmış çok sayıda şeker molekülleridir. İki önemli karbonhidrat sınıfı selüloz ve hemi (yarı)-selülozlardır. Ligninlerde şeker molekülleri bulunmaz. Doğa, bitkilerin dayanıklı fiberli dokularını oluştururken uzun selüloz polimerleri kullanır; lignin kısmı ise selüloz fiberleri birarada tutan yapıştırıcı görevi yapar.
Tablo-1 biyokütlenin bileşimini, Tablo-2 biyokütle ve bazı fosil yakıtların kimyasal ve fiziksel özelliklerini göstermektedir.
Tablo-1: Biyokütlenin kimyasal bileşimi
Selüloz, %
|
Hemiselüloz, %
|
Lignin, %
| |
BİYOENERJİ HAMMADDELER
| |||
Mısır koçanı
|
35
|
28
|
16-21
|
Tatlı süpürgeotu (sorgum)
|
27
|
25
|
11
|
Şeker kamışı posası
|
32-48
|
19-24
|
23-32
|
Sert odun
|
45
|
30
|
20
|
Yumuşak odun
|
42
|
21
|
26
|
Melez kavak
|
42-56
|
18-25
|
21-23
|
Bambu
|
41-49
|
24-28
|
24-26
|
Çayır
|
44-51
|
42-50?
|
13-20
|
Kütük
|
44
|
24
|
17
|
Kamış türler
|
31
|
30
|
21
|
1.1. Sınıflandırma
Enerji üretiminde kullanılan biyokütle kaynakları çok çeşitlidir. Biyokütle enerji kullanımı modern veya geleneksel olmak üzere iki genel sınıfta toplanabilir. Modern biyokütle kullanımı, konvensiyonal fosil yakıtlarının yerini alacak kadar geniş uygulama alanlarını kapsar; enerji ormancılığı, enerji bitkileri tarımı, orman ve tarım atıkları, hayvansal atıklar. kentsel atıklar ve tarıma dayalı endüstri atıkları önemli biyokütle elemanlarıdır. Geleneksel biyokütle kullanımı sınırlıdır, bunlar doğrudan kullanılan odun, odun kömürü, pirinç kabuğu ve diğer bitki kalıntıları ile hayvan gübreleridir.
a. Özel Tarım Ürünleri ve Tarım Kalıntıları
Enerji kaynağı olarak özellikle yetiştirilen pek çok tarım ürünü vardır; şeker kamışı, mısır, buğday, süpürge otu, ayçiçeği, kolza tohumu ve soya fasulyesi. Bu ürünler, etanol veya biyodizel gibi sıvı yakıtların elde edilmesinde çok uygun biyokütle kaynaklarıdır.
Tohumlu bitkiler fazla miktarlarda yağ içerirler, ezilip ekstrakt edilerek ayrılan yağ ya doğrudan veya esterleştirildikten sonra ısıtma yağı veya dizel yağı (biyodizel) olarak kullanılabilir. Biyodizel üretimine uygun çeşitli ürünler vardır, ancak en elverişli olanı kolza tohumudur; diğer hammaddeler arasında hurma yağı, ayçiçeği yağı, soya fasulyesi yağı, donyağı (hayvansal fat) ve balık yağlarıdır. Bazı bitkisel yağların kalori değerleri dizel yağınınkinden (38.5 GJ/ton) daha fazladır veya kıyaslanabilir düzeydedir; örneğin, kolza tohumunun 40.4 GJ/ton, aspurun (yalancı safran) 39.7 GJ/ton, ayçiçeğinin 39.7 GJ/ton dur.
Dünyada çok büyük miktarlarda tarım ürünü kalıntısı çıkmaktadır; bunlardan en fazla olanı pirincin ağırlıkça %25 ini oluşturan pirinç kabuğudur. Diğer önemli kalıntılar arasında şeker kamışı posası, hindistan cevizi kabuğu, hurma lifleri, yerfıstığı kabuğu, hububat samanları sayılabilir.
Tablo-2: Biyoenerji Hammaddeler, Biyoyakıtlar ve Fosil Yakıtların Tipik Kimyasal ve Fiziksel Özellikleri
Kimyasal Özellikler
|
Fiziksel Özellikler
| ||||||
ID, GJ/t
|
Kül, %
|
S, %
|
K, %
|
EN: 0C
|
SL, mm
|
d,kg/m3
| |
BİYOENERJİ HAMMADDELER
| |||||||
Mısır koçanı
|
17.6
|
5.6
|
1.5
| ||||
Tatlı süpürge otu (sorgum)
|
15.4
|
5.5
| |||||
Şeker kamışı posası
|
18.1
|
3.2-5.5
|
0.10-0.15
|
0.73-0.97
|
1.7
|
50-75
| |
Şeker kamışı yaprakları
|
17.4
|
7.7
|
25-40
| ||||
Sert odun
|
20.5
|
0.45
|
0.009
|
0.04
|
1.2
| ||
Yumuşak odun
|
19.6
|
0.3
|
0.01
| ||||
Melez kavak
|
19.0
|
0.5-1.5
|
0.03
|
0.3
|
1350
|
1-1.4
|
150
|
Bambu
|
18.5-19.4
|
0.8-2.5
|
0.03-0.05
|
0.15-0.50
|
1.5-3.2
| ||
Çayır
|
18.3
|
4.5-5.8
|
0.12
|
1016
|
108
| ||
Kütük
|
17.1-19.4
|
1.5-4.5
|
0.1
|
0.37-1.12
|
1090
|
70-100
| |
Kamış türler
|
17.1
|
5-6
|
0.07
|
1.2
| |||
SIVI BİYOYAKITLAR
| |||||||
Biyoetanol
|
28
|
<0.01
| |||||
Biyodizel
|
40
|
<0.02
|
<0.05
|
<0.0001
| |||
FOSİL YAKITLAR
| |||||||
Kömür
|
15-30
|
1-20
|
0.5-3.0
|
0.02-0.3
|
~1300
| ||
Petrol
|
42-45
|
0.5-1.5
|
0.2-1.2
| ||||
ID: Isı değeri (gross), S: sülfür, K: potasyum, EN: külün erime noktası, SL: selüloz lif uzunluğu, d: hasatta kesilmiş kırıntıların yoğunluğu, 1 btu (British Termal Unit) = 1.054 kJ, 1 kalori = 4.19 J, 1 kWh = 3600 J, 1 W = 1 Js, G = giga = 109
b. Özel Orman Ürünleri ve Orman Kalıntıları
Ağaç dünyanın her yerinde temel enerji kaynağıdır. Orman ürünlerinden enerji kaynağı olarak yararlanılan en uygun ağaçlar hızlı büyüyen, çalılık veya koruluklardır; bunlar 2-5 yıl gibi kısa zaman aralıklarıyla hasat edilebilen ve tekrar aynı kökler üzerinde büyüyen ağaçlardır. Odun doğrudan yakılarak ısı ve enerji alınır, veya buhar ve elektrik üretilir, veya odun kömürü yapılabilir.
Orman ürünleri kalıntıları orman, koru ve fidanlıklardaki ağaçların budanması, ağaçlıklı yolların temizlenmesi, kereste ve benzeri malzeme yapımı kalıntıları ve doğal aşınma sonucu oluşan kalıntılar gibi çok çeşitlidir. Ağaç işleme de fazla miktarlarda kalıntı bırakır; bunlar da özel yetiştirilen orman ürünleri kadar önemli biyoenerji kaynaklarıdır.
c. Hayvansal atıklar
Biyokütle enerji kaynağı olarak kullanılan çok sayıda hayvansal atık vardır. En yaygın olanları domuz, tavuk ve sığır gübreleridir; çünkü bu hayvanlar çok sayılarda beslenir. Bu atıklar anaerobik parçalanmayla “biyogaz”a dönüştürülür; biyogazdan, doğrudan ısıtma yakıtı olarak veya hidrojen elde edilerek elektrik akımı üretiminde yararlanılır.
d. Kentsel Katı Atıklar ve Evsel Atıklar
Kentsel katı atıklar yerleşim alanları ve atık toplama servis tipine göre farklılıklar gösteren karışımlardır. Bu kaynaklar doğruda yakılarak veya doğal anaerobik bozunmayla enerjiye dönüştürülebilir.
Evsel attıklar da hayvansal atıklar gibi biyokütle enerji kaynağıdır, anaerobik bozunmayla biyogaz elde edilir. Kalan katı kısım yakılır, veya pirolizi işlemiyle daha fazla biyogaz ve biyoyağ üretilir.
e. Endüstriyel Atıklar
Endüstriyel atıklardan anaerobik bozundurmayla biyogaz, veya fermantasyonla etanol gibi enerji kaynakları elde edilebilir.
Önemli biyokütle enerji kaynaklarından biri de, et ve et ürünlerinin işlenmesinden şekerli ürünlere kadar geniş bir yelpazesi olan yiyecek endüstrisinden çıkan çeşitli katı ve sıvı atıklar ve yan ürünlerdir.
Katı atıklar olarak, meyve ve sebzelerin soyulmuş veya temizlenmiş kabukları, kalite kontrol standartlarına uygun olmayan yiyecekler, şeker ve nişasta ekstraksiyonundan arta kalan katı kısımlar, süzüntülerden kalan posalar, v.s., sayılabilir.
Sıvı atıklar et, meyva ve sebzelerin yıkama suları, beyazlatma suları, haşlanmış ürün ve balık yıkama suları, v.s., gibi. Bunlar şeker, nişasta ve diğer suda çözünen maddelerle seyreltik halde katı maddeler içerirler.
Şeker kamışı endüstrisinden büyük hacimlerde atık posa çıkar. Bu fabrikalarının çoğunda atık posa, elektrik üretiminde kullanılan buharın elde edildiği buhar kazanlarında yakıt olarak kullanılır.
Kağıt ve kağıt hamuru endüstrisinden çıkan atık madde “kara alkol” pirolizlenerek veya gazlaştırılarak sıvı (biyoyağ) veya gaz yakıtlar elde edilebilir. Biyoyağ işlenerek biyodizel özelliğinde yakıta dönüştürülebilir.
Şekil-1: Biyokütle kullanım zinciri
2. Biyoenerji
Atmosferdeki CO2 ile yeryüzünde bulunan su fotosentez yoluyla birleşerek, biyokütleyi yapılandıran karbonhidratları meydana getirirler. Fotosentez olayını yürüten güneş enerjisi biyokütlede kimyasal bileşikler halinde depolanmıştır; biyokütle yakıldığında bu bileşikler atmosferdeki oksijenle karbon dioksit ve su vererek parçalanır. Proses çevrimseldir (Şekil-2); oluşan bu karbon dioksit tekrar fotosentez reaksiyonuyla yeni biyokütleler oluşturularak tüketilir, dolayısıyla atmosferdeki karbon dioksit miktarı değişmez.
Fotosentez gibi çok yararlı bir işlev yapan atmosferdeki karbon dioksit aynı zamanda yeryüzünü ısıtır. Ancak fosil yakıtlar nedeniyle gereğinden fazla oluşması “global iklim değişikliklerine” neden olur. Oysa biyokütle yandığında, “organik karbon” içerdiğinden, fosil yakıtlarından farklı olarak atmosferdeki sera gazlarını artırmaz, üretilirken ve kullanılırken atmosferdeki karbon dioksit konsantrasyonunu aynı düzeyde tutar, sülfür ve nitrojen oksitleri emitlemez.
Şekil-2: Biyoenerji zinciri
GERİ (hampetrolden petrokimyasallara)
