Biyokütle terimi çok geniş anlamda yaşayan organizmalardan üretilen madde anlamına gelir. Örneğin, odun, tarımsal atıklar (saman, mısır kocanları, pamuk atıkları v.b.), şehir kanalizasyon atıkları, endüstriyel organik atıklar (kağıt endüstrisindeki siyah likör, şeker sanayisinden küspe) v.s.
Geleneksel olarak biyokütle, birkaç bin yıldır enerji kaynağı olarak zaten bilinmektedir. Örneğin, odunun direkt yakılmasıyla elde edilen ısı enerjisi yemek pişirmede ve ısınmada zaten kullanılmaktadır. 21. yüzyılda biyokütlenin modern kullanımı ise enerji yoğunluğunun artırılarak fuel yakıta çevrilmesini içerir.
Genel olarak biyokütlenin modern enerji formları katı (ağaç, pellet vb.), sıvı (etanol, biyodizel vb.) ve gaz (biyogaz, hidrojen vb.) olarak gruplandırılabilir. Biyokütle; termal, biyolojik ve fiziksel proseslerle hidrojen, etanol, metanol veya metan gibi çeşitli enerji kaynaklarına çok çeşitli tekniklerle dönüştürülebilir. Biyogaz teknolojisi, biyokütle gazlaştırılması ve piroliz ile sıvı ve gaz yakıt formları elde edilebilir.
Biyokütleden Enerji Üretim Teknolojileri
1. Fiziksel Prosesler (Kurutma, Öğütme, Pelletleme ve Biriketleme)
2. Biyolojik ve Kimyasal Prosesler
2.1. Biyogaz
Doğal olarak oluşmuş bataklıklarda milyonlarca yıldır mikroorganizmalar, oksijensiz veya sınırlı oksijenli ortamda kendi metabolik faliyetleri için organik ve inorganik maddeler kullanarak metan, karbon dioksit ve eser miktarda hidrojen, azot ve hidrojen sülfür içeren bir gaz karışımı oluştururlar. Bu gaz, bataklık gazı, gübre gazı veya biyogaz gibi isimlerle anılmaktadır. Bu proses, insanoğlunun çok sonra dikkatini çekmiş ve biyogaz üretim teknolojileri gelişmiştir. Biyogaz oluşımunda yaş biyokütle, mikrobiyolojik bakteri faliyetleri ile parçalanır, oksijensiz ortamda biyokimyasal fermantasyon gerçekleşir.
Biyogaz üretimi sırasındaki aşamalar aşağıda sıralanmıştır.
1. Sıvılaşma aşaması (Asitojen veya hidroliz): Yaş biyokütlede bulunan lipitler, proteinler, karbonhidratlar, suda çözünen şeker, yağ asidi, amino asit, gliserin, alkol, karbonhidrat monomerleri gibi moleküllere parçalanır.
2. Asetojen aşaması: İkinci aşamada alkoller, uzun yağ asitleri ve asetatlar gibi bileşiklerin oluştuğu fermantasyon başlar. Bakteriler, sıvılaşma aşamasının ürünleriyle beslenerek uçucu yağ asitleri, sirke asidi, hidrojen ve karbon dioksit oluştururlar.
3. Üçüncü ve son aşama, metanojenesis aşamasıdır ve çoğunluğu metan ve karbondioksitten oluşan gaz ürünler oluşur. 1 m3'lük biyogazın ortalama hacimsel bileşimi, %54-80 CH4, %20-45 CO2, %0-1 N2, %1-10 H2, %0.1 CO, %0.1 O2, eser miktar H2S şeklindedir.
Elde edilen biyogaz; gaz motoru ve jeneratör yardımıyla ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Ancak, kullanıma sunulmadan önce korozif etkisi olan ve motor
için uygun olmayan H2S, CO, CO2 gibi gazlardan arındırılmalıdır. Biyogaz teknolojisi ile üretilen metan gazı yandığı zaman geleneksel fuel yakıtlara göre çok daha az miktarda CO2 emisyonu yapar, dolayısıyla çevreye dost bir yakıttır. Ayrıca, biyokütlenin çürümeye terkedilmesi sırasında oluşacak metan gazının, CO2‟ye göre kat kat fazla olan sera gazı etkisi de ortadan kaldırılmış olur. Biyogaz teknolojisi; tarım atıkları, kanalizasyon atıkları, zirai atık sular, hayvan gübreleri, evsel biyolojik atıklar ve küspe gibi nem içeriği yüksek atıklar için daha uygundur.
Hidrojen üreten bakteriler kullanılarak, biyogaz üretim yöntemleri ile çok önemli bir enerji kaynağı olan hidrojen de üretilebilir.
2.2. Biyoetanol
Biyokütle içerisinde yüksek oranda şeker bulunuyorsa bu çeşit biyokütle, enerji kaynağı olan alkol üretimi için kullanılabilir. Oksijensiz ortamda fermantasyon yoluyla alkol üretimi yapılır. Biyoetanol üretimi için yapısında karmaşık karbonhidrat polimerleri içeren biyokütle de kullanılabilir. Lignoselülozik veya odunsu biyokütle; selüloz, hemiselüloz ve lignin gibi polimer karbonhidratlarınca zengindir. Selüloz, glikoz birimlerinden oluşan bir polimerdir. Bu maddeler hidrolize olduklarında basit şekerleri oluştururlar ve daha sonra fermente olduklarında etanol üretirler. Selülozik maddelerin yapılarında içerdikleri hidrojen bağları nedeniyle basit şekerlere dönüşümleri biraz zordur. Ancak, sakkarifikasyon denilen işlem uygulanarak su ve asit varlığında hidroliz gerçekleştirilir.
Hemiselüloz; faklı şeker birimlerinden oluşmuş dallanmış bir yapıya sahiptir ve hidrolizi selüloza göre daha kolaydır. Lignin ise alkol gruplarını da içeren çok daha karmaşık bir yapıya sahip olduğundan fermantasyonu oldukça zordur. Biyokütlenin çeşidine göre içerdiği selüloz, hemiselüloz ve lignin miktarları da çeşitlilik gösterir. Sonuç olarak hemiselüloz ve basit şeker içeriği yüksek olan biyokütleden etanol üretim verimi yüksektir. Biyokütle içerisinde basit şeker oranı ne kadar yüksek ise etanol üretimi için gereken teknoloji de o kadar basittir. Fermantasyon sırasında “Clostridium beijerinckii” gibi bakteriler kullanılarak farklı alkoller de üretilmiştir.
2.3. Biyodizel
Bitkisel ve hatta hayvansal yağlar biyodizel olarak kullanılmaktadır. Yağlar, yağ asitlerinin gliserin ile oluşturduğu esterlerdir, trigliseritlerdir. Trigliseritlerin hidrolizinden elde edilen doymuş ya da doymamış yağ asitleri, metanol veya etanol ile transesterifikasyon işlemine tabi tutulur. Oluşturulan yağ asidi metil-etil esterleri doymuş ya da doymamış hidrokarbon zinciri içerir. İşte bu hidrokarbon zinciri, kimyasal enerjinin çoğunu depolar. Bu amaçla kullanılan yağlar; ayçiçeği yağı, soya yağı, hurma yağı, fındık yağı, kanola yağı, hayvansal yağlar gibi yağlardır. Atık mutfak yağlarının biyodizel olarak değerlendirilmesi mümkündür. Hatta yosunlar dahi biyodizel için kullanılmaktadır. Trans-esterifikasyon ile yağlar, mevcut araç motorları ve yakıt sistemleri için uygun yakıt durumuna getirilir. Biyodizel, kendi başına yakıt olarak kullanılabileceği gibi geleneksel olarak kullanılan dizel yakıtlarla beraber de kullanılarak enerji üretilebilir.
3. Termokimyasal Prosesler
3.1. Yakma
Selülozik biyokütle, düşük kül ve düşük kükürt içeriği ile çevreci bir yakıttır. Ayrıca, geleneksel yakıtların yanmasıyla oluşan NOx, SOx ve poliaromatik hidrokarbon emisyonları da düşüktür. Orman biyokütlesinin yakılmasıyla elde edilen enerji, ısı ve elektrik üretiminde kullanılabilir. Ancak enerji değeri kömür ve petrole göre düşüktür. Bu yüzden diğer enerji kaynakları ile karıştırılarak da yakılabilir. Ağaç kabukları, tarımsal atıklar, kanalizasyon atıkları ve kağıt sanayi atıkları, kömür gibi enerji değeri daha yüksek enerji kaynakları ile beraber yakılarak gereken enerjiye ulaşılabilir. Beraber-yakma teknolojisinin en önemli özelliği, fosil yakıt gereksinimini azaltmasıdır. Üstelik NOx, SOx ve CO2 emisyonları da azalmaktadır. Biyokütle yakma teknolojisinde mekanizmalar tam olarak aydınlatılamadığı için kömür yakma teknolojisi bilgi birikiminden faydalanılmaktadır. Yine de en uygun yakma teknolojisi akışkan yatak olarak görünmektedir. Akışkan yatakta yakma sırasında parçacık kayıplarını önlemek için ise akışkan yatak teknolojisi modifiye edilmiştir. Yakma sonucu kalan kül gibi kararlı atıklar, erime ve katılaştırma, çimento ile katılaştırma, kimyasal kullanılarak kararlı hale getirme, asit veya diğer solventleri kullanarak ekstrakte etme işlemleriyle bertaraf edilebilmektedir. Bertaraf etmenin diğer bir yöntemi, çok yüksek sıcaklıklarda eritmek ve tekrar soğutarak katılaştırmaktır. Katılaşan yakma atıkları, yollara parke taşı olarak döşenebilir, arazi alanlarının ıslahında kullanılabilir.
3.2. Piroliz
Piroliz (Pyrolysis) kelimesi yunanca bir kelime olup pyr = Ateş; olysis = ortaya çıkmak anlamına gelmektedir. Piroliz, biyokütleden oksijensiz ortamda organik moleküllerin parçalanmasıyla gaz elde etme işlemidir. Kimyasal bağlar, oksijensiz ortamda termal olarak bozunurlar. En tanınmış piroliz prosesi odun kömürü üretimidir. Bu bir yavaş pirolizdir, degazifikasyon olarak da bilinir. İlk defa, dünyada petrol krizi olduğunda biyokütlenin ve talaşın sıvılaştırılması ve gazlaştırılması ile piroliz, önemli hale gelmiştir. Piroliz sonucunda katı, sıvı ve gaz ürünler oluşur. Genellikle piroliz yöntemi ile biyokütle sıvılaştırılarak "biyo-yağ"a çevrilir.
Bu sıvı yağ, organik bileşiklerin bir karışımıdır (Furfural türevleri, fenol türevleri vb.). Biyokütlenin sıvılaştırılmasıyla elde edilen bu sıvı, türbin veya motorlarda direkt olarak kullanım için uygun değildir. Elde edilen bu sıvı, petrol naftası gibi işlemlere tabi tutularak kullanılır hale getirilir. Biyo-yağ, kömürün gazlaştırılmasında kullanılan tekniklerle geride kül ve cüruftan başka bir şey bırakmayacak şekilde hidrojen ve karbon monoksit yönünden zengin olan sentez gazına dönüştürülebilir. Sentez gazından Fischer-Tropsch sentezi ile etanol, metanol gibi değerli kimyasallar üretilebilir. Biyo-yağın kalori değeri, aynı miktardaki biyokütleden çok daha fazladır. Depolanması ve taşınması daha kolaydır. Daha az kükürt içerir. Pirolizde elde edilen katı, sıvı ya da gaz ürünlerden hangisinin veriminin en fazla olacağı, biyokütlenin çeşidine, süreç parametrelerine ve reaktör tipine bağlıdır. Yakma proseslerinden farklı olarak pirolizde gereken enerji dışarıdan karşılanır. Üç çeşit piroliz vardır:
a) Torrefaksiyon (Torrefaction)
Torrefaksiyon, oksijensiz ortamda ılımlı piroliz anlamında kullanılmaktadır. Örneğin odun biyokütlesinin pirolizi dört karakteristik bölgeye ayrılmaktadır. Birinci bölge 200 °C'a kadar olan sıcaklık bölgesi olup burada su, CO2, formik asit ve asetik asit açığa çıkar.
İkinci bölge 200-280 °C sıcaklık bölgesi olup; su buharı, formik asit, asetik asit, bir miktar CO ve glikoz açığa çıkar. Üçüncü bölge 280-500°C arasında olup yoğun bir ekzotermik reaksiyon başlar. Dördüncü bölge 500°C‟in üstü olup burada reaksiyonlar yoğun bir şekilde devam eder. Burada torrefaksiyon bölgesi ikinci bölge olup, sadece uçucu bazı organik maddelerin uzaklaştırılmasını ve reaktif hemiselüloz fraksiyonunun bozunmasını içerir. Biyokütlenin karbon içeriği ve kalori değeri artar, kuruma işlemi gerçekleşir. Bu proses, gazlaştırma öncesi biyokütlenin enerji yoğunluğunu artırmada önemli bir aşamadır. Odunda bulunan selüloz fraksiyonu 300-375 °C, hemiselüloz tabakası 200-300 °C, lignin tabakası 300-500 °C‟ de bozunmaktadır. Böylece farklı sıcaklıklarda bozunan fraksiyonlardan farklı yakıt eldesi münkün olabilecektir. Piroliz konusunda literatürde çok fazla çalışma varken, piroliz reaksiyonları, mekanizması ve kinetiğinin daha iyi anlaşılması için torrefaksiyon hakkında daha fazla çalışma gerekmektedir.
b) Yavaş piroliz
Odun, turba, maden kömürü gibi organik maddeler havasız ortamda ve sabit yatak reaktörlerde, 300 °C civarındaki sıcaklıklarda, uzun ısıtma zamanlarında katı ve sıvı ürünlere dönüştürülürler.
c) Hızlı piroliz
Hızlı piroliz ile biyokütle, yüksek sıcaklıkta ve akışkan yatak reaktörlerde hızla gazlaştırılır. Oluşan gaz, reaksiyon sisteminden hızla uzaklaştırılır ve soğutulur. Soğuyan gaz yoğuşarak katranımsı bir sıvı oluşturur. Bu sıvı, fenol ve furfural türevlerince zengindir. Biyokütleden en fazla sıvı ürün elde etmek, hızlı pirolizin temel amacıdır. Yüksek verim için hızlı ısıtma, reaktörde oluşan gazın kısa alıkonma zamanı ve yoğunlaşabilen gazın hızlıca soğutulması esastır. Hızlı ısıtma ile kömürleşme önlenir. Bunun için de biyokütlenin tanecik boyutunun olabildiğince küçük olması gerekir. Gaz oluşumundan sonra soğutmaya kadar geçen zaman, daha başka yan reaksiyonları önlemek için oldukça az olmalıdır. Hızlı soğutma ile de kondenzasyon rekasiyonlarının önüne geçilir. Proses sonrası biyo-yağın işlenmeden bekletilmesi, içerisinde bulunabilecek kül ve kok gibi maddelerin katalitik etkisiyle başka kimyasal reaksiyonların oluşmasına neden olabilir. Bu nedenle bekletilmeden en son ürüne işlenmesi uygundur. Biyokütle çeşitlerinin ısı, kül ve su içerikleri ve hızlı piroliz sonucundaki ürünlerin kok/kül, kondensat ve gaz değerleri birçok araştırmacı tarafından araştırılmıştır. Ayrıca, biyokütlenin ihtiva edebileceği tuzların (Na2CO3, K2CO3 gibi) piroliz işlemlerine katalizör etkisi de vardır. Üretilen yağ, asit özelliği taşır. Bu nedenle özellikle yüksek sıcaklıklarda korozyona neden olur. Proseslerde polimerleşme dolayısı ile tıkanma problemleri de ortaya çıkabilmektedir. Günümüzde kullanılan mevcut piroliz teknolojisinde bu sorunlar yoğun olarak yaşanmaktadır. 2007 yılında tamamlanan “BIOTOX” adlı Avrupa birliği projesi ile piroliz yağının toksik etkileri ve çevreye olan etkileri incelenmiştir. “Material Safety Data Sheets” madde güvenliği prototipi hazırlanmıştır. Proliz kondensatı ısı ve elektrik üretiminde kullanılabilir ve ya extraksiyon ile kimyasallar elde edilebilir. Sentez gazi eldesi için ileri gazlaştırılabilir.
Hızlı pirolizdeki güncel araştırma alanları ve firmaların bazı projeleri Aston üniversitesi tarafından koordine edilmektedir (www.pyne.co.uk).
3.3. Gazlaştırma ve Hidrotermal Prosesler
Biyokütle iki grupta incelenir; ıslak biyokütle (melas, nişastalılar, gübre, meyve sanayi atıkları) ve kuru biyokütle (odun, zirai atıklar gibi). Biyokütle gazlaştırlması hem yaş hem de kuru biyokütle için uygulanan termokimyasal bir teknolojidir. Kuru biyoktüle için genellikle yukarıda anlatıldığı gibi piroliz edilir. Daha sonra elde edilen kondensat aşırı ısıtılır. Sıcak yağa su püskürtülmesi ile kömür gazlaştırmada olduğu gibi gazlaştırma gerçekleştirilir ve çok değerli olan sentez gazı elde edilir. Yaş biyokütle ise yüksek basınçta (>220 atm) ve yüksek sıcaklıklara (>300°C) ısıtılınca gazlaşır.Elde edilen gaz genel olarak CH4, H2, CO ve CO2 içerir. Bileşenin yüzdesi, kullanılan biyokütlenin ve teknolojinin türüne göre değişir. Bu süreçte suyun yüksek sıcaklık ve yüksek basınç özelliklerinden yararlanıldığı için “hidrotermal” terimi kullanılır. Hidrotermal koşullarda suyun termofiziksel özellikleri çok değişmektedir. Örneğin, dielektrik sabiti yüksek sıcaklıklarda azalır. Dolayısıyla olağan koşullarda polar su ile apolar organik maddeler ve gazlar karışmazken süperkritik koşullarda su, apolar maddeler için
iyi bir çözgen haline gelebilmektedir. Üstelik su, kimyasal reaksiyonlarda aktif reaktant olarak da rol alabilir. Suyun iyonik karakteri arttığı için asit-baz ile katalizlenen reaksiyonları kolaylaştırabilir.
Birçok gazlaştırma prosesinde biyokütlenin su içeriği istenmeyen bir özellik iken yüksek su içeriği hidrotermal prosesin önemli bir avantajıdır. Biyokütlenin kurutmaya gerek kalmadan değerli gazlara dönüştürülmesi için geliştirilmiş bir teknolojidir. Özellikle temiz enerji kaynağı hidrojen üretiminde gittikçe önem kazanmaktadır. Kuru madde içeriği ağırlıkça %1.8-5.4 (gerisi su) olan havuç ve patates ezmesi, 500 °C, 300-500 bar basınçta gazlaştırılmıştır. Gaz ürün, genel olarak H2 ve CO2‟den oluşmaktadır. Sıvı faz ise aldehitler, karboksilik asitler, fenoller, furfurallar ve alkoller gibi değerli organik maddeler içermektedir. Diğer yandan, süperkritik su ile oksidasyon, atıkların bozunmasına yönelik kullanılan hidrotermal bir prosestir. Süperkritik koşullarda oksijen, su ve organik madde tek bir fazda iyice karışabilir ve tam oksidasyon sağlanabilir. Molekül içindeki hetero atomlar, mineral asitlere dönüşürken organik kısımlar parçalanarak gazlaşır. Örneğin oksijensiz ortamda süperkritik gazlaşmaya karşı kararlı olan amonyak ve metanol, süperkritik su oksidasyonu ile parçalanır. Ayrıca, patlayıcı maddeler bu teknoloji ile parçalanarak yok edilebilir.
Sonuç ve Değerlendirme
Biyokütle, uygun teknolojiler ve uygun yöntemler kullanılarak enerjiye dönüştürüldüğünde, çevreye zararı az, yenilenebilir ve güvenli bir enerji kaynağıdır. Biyokütle kullanılarak varılmak istenen son ürün, hidrojen olduğunda hidrotermal koşullarda gazlaştırma etkin bir teknolojidir. Hedef metan üretimi ise biyogaz teknolojisi daha uygun olacaktır. Piroliz ise biyokütlenin sıvılaştırılmasında ve enerji yoğunluğunun arttırılmasında etkilidir. Biyokütleden sadece yakılarak enerji üretilmemelidir. Hidrojen, etanol, metanol, metan, piroliz yağı gibi enerji formlarına dönüştürülerek de kullanılmasıyla ülke ekonomisine ve teknolojik gelişime katkıda bulunulacaktır.
Kaynak: Biyokutle.org
Biyokütle terimi çok geniş anlamda yaşayan organizmalardan üretilen madde anlamına gelir. Örneğin, odun, tarımsal atıklar (saman, mısır kocanları, pamuk atıkları v.b.), şehir kanalizasyon atıkları, endüstriyel organik atıklar (kağıt endüstrisindeki siyah likör, şeker sanayisinden küspe) v.s.
Geleneksel olarak biyokütle, birkaç bin yıldır enerji kaynağı olarak zaten bilinmektedir. Örneğin, odunun direkt yakılmasıyla elde edilen ısı enerjisi yemek pişirmede ve ısınmada zaten kullanılmaktadır. 21. yüzyılda biyokütlenin modern kullanımı ise enerji yoğunluğunun artırılarak fuel yakıta çevrilmesini içerir.
Genel olarak biyokütlenin modern enerji formları katı (ağaç, pellet vb.), sıvı (etanol, biyodizel vb.) ve gaz (biyogaz, hidrojen vb.) olarak gruplandırılabilir. Biyokütle; termal, biyolojik ve fiziksel proseslerle hidrojen, etanol, metanol veya metan gibi çeşitli enerji kaynaklarına çok çeşitli tekniklerle dönüştürülebilir. Biyogaz teknolojisi, biyokütle gazlaştırılması ve piroliz ile sıvı ve gaz yakıt formları elde edilebilir.
Biyokütleden Enerji Üretim Teknolojileri
1. Fiziksel Prosesler (Kurutma, Öğütme, Pelletleme ve Biriketleme)
2. Biyolojik ve Kimyasal Prosesler
2.1. Biyogaz
Doğal olarak oluşmuş bataklıklarda milyonlarca yıldır mikroorganizmalar, oksijensiz veya sınırlı oksijenli ortamda kendi metabolik faliyetleri için organik ve inorganik maddeler kullanarak metan, karbon dioksit ve eser miktarda hidrojen, azot ve hidrojen sülfür içeren bir gaz karışımı oluştururlar. Bu gaz, bataklık gazı, gübre gazı veya biyogaz gibi isimlerle anılmaktadır. Bu proses, insanoğlunun çok sonra dikkatini çekmiş ve biyogaz üretim teknolojileri gelişmiştir. Biyogaz oluşımunda yaş biyokütle, mikrobiyolojik bakteri faliyetleri ile parçalanır, oksijensiz ortamda biyokimyasal fermantasyon gerçekleşir.
Biyogaz üretimi sırasındaki aşamalar aşağıda sıralanmıştır.
1. Sıvılaşma aşaması (Asitojen veya hidroliz): Yaş biyokütlede bulunan lipitler, proteinler, karbonhidratlar, suda çözünen şeker, yağ asidi, amino asit, gliserin, alkol, karbonhidrat monomerleri gibi moleküllere parçalanır.
2. Asetojen aşaması: İkinci aşamada alkoller, uzun yağ asitleri ve asetatlar gibi bileşiklerin oluştuğu fermantasyon başlar. Bakteriler, sıvılaşma aşamasının ürünleriyle beslenerek uçucu yağ asitleri, sirke asidi, hidrojen ve karbon dioksit oluştururlar.
3. Üçüncü ve son aşama, metanojenesis aşamasıdır ve çoğunluğu metan ve karbondioksitten oluşan gaz ürünler oluşur. 1 m3'lük biyogazın ortalama hacimsel bileşimi, %54-80 CH4, %20-45 CO2, %0-1 N2, %1-10 H2, %0.1 CO, %0.1 O2, eser miktar H2S şeklindedir.
Elde edilen biyogaz; gaz motoru ve jeneratör yardımıyla ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Ancak, kullanıma sunulmadan önce korozif etkisi olan ve motor
için uygun olmayan H2S, CO, CO2 gibi gazlardan arındırılmalıdır. Biyogaz teknolojisi ile üretilen metan gazı yandığı zaman geleneksel fuel yakıtlara göre çok daha az miktarda CO2 emisyonu yapar, dolayısıyla çevreye dost bir yakıttır. Ayrıca, biyokütlenin çürümeye terkedilmesi sırasında oluşacak metan gazının, CO2‟ye göre kat kat fazla olan sera gazı etkisi de ortadan kaldırılmış olur. Biyogaz teknolojisi; tarım atıkları, kanalizasyon atıkları, zirai atık sular, hayvan gübreleri, evsel biyolojik atıklar ve küspe gibi nem içeriği yüksek atıklar için daha uygundur.
Hidrojen üreten bakteriler kullanılarak, biyogaz üretim yöntemleri ile çok önemli bir enerji kaynağı olan hidrojen de üretilebilir.
2.2. Biyoetanol
Biyokütle içerisinde yüksek oranda şeker bulunuyorsa bu çeşit biyokütle, enerji kaynağı olan alkol üretimi için kullanılabilir. Oksijensiz ortamda fermantasyon yoluyla alkol üretimi yapılır. Biyoetanol üretimi için yapısında karmaşık karbonhidrat polimerleri içeren biyokütle de kullanılabilir. Lignoselülozik veya odunsu biyokütle; selüloz, hemiselüloz ve lignin gibi polimer karbonhidratlarınca zengindir. Selüloz, glikoz birimlerinden oluşan bir polimerdir. Bu maddeler hidrolize olduklarında basit şekerleri oluştururlar ve daha sonra fermente olduklarında etanol üretirler. Selülozik maddelerin yapılarında içerdikleri hidrojen bağları nedeniyle basit şekerlere dönüşümleri biraz zordur. Ancak, sakkarifikasyon denilen işlem uygulanarak su ve asit varlığında hidroliz gerçekleştirilir.
Hemiselüloz; faklı şeker birimlerinden oluşmuş dallanmış bir yapıya sahiptir ve hidrolizi selüloza göre daha kolaydır. Lignin ise alkol gruplarını da içeren çok daha karmaşık bir yapıya sahip olduğundan fermantasyonu oldukça zordur. Biyokütlenin çeşidine göre içerdiği selüloz, hemiselüloz ve lignin miktarları da çeşitlilik gösterir. Sonuç olarak hemiselüloz ve basit şeker içeriği yüksek olan biyokütleden etanol üretim verimi yüksektir. Biyokütle içerisinde basit şeker oranı ne kadar yüksek ise etanol üretimi için gereken teknoloji de o kadar basittir. Fermantasyon sırasında “Clostridium beijerinckii” gibi bakteriler kullanılarak farklı alkoller de üretilmiştir.
2.3. Biyodizel
Bitkisel ve hatta hayvansal yağlar biyodizel olarak kullanılmaktadır. Yağlar, yağ asitlerinin gliserin ile oluşturduğu esterlerdir, trigliseritlerdir. Trigliseritlerin hidrolizinden elde edilen doymuş ya da doymamış yağ asitleri, metanol veya etanol ile transesterifikasyon işlemine tabi tutulur. Oluşturulan yağ asidi metil-etil esterleri doymuş ya da doymamış hidrokarbon zinciri içerir. İşte bu hidrokarbon zinciri, kimyasal enerjinin çoğunu depolar. Bu amaçla kullanılan yağlar; ayçiçeği yağı, soya yağı, hurma yağı, fındık yağı, kanola yağı, hayvansal yağlar gibi yağlardır. Atık mutfak yağlarının biyodizel olarak değerlendirilmesi mümkündür. Hatta yosunlar dahi biyodizel için kullanılmaktadır. Trans-esterifikasyon ile yağlar, mevcut araç motorları ve yakıt sistemleri için uygun yakıt durumuna getirilir. Biyodizel, kendi başına yakıt olarak kullanılabileceği gibi geleneksel olarak kullanılan dizel yakıtlarla beraber de kullanılarak enerji üretilebilir.
3. Termokimyasal Prosesler
3.1. Yakma
Selülozik biyokütle, düşük kül ve düşük kükürt içeriği ile çevreci bir yakıttır. Ayrıca, geleneksel yakıtların yanmasıyla oluşan NOx, SOx ve poliaromatik hidrokarbon emisyonları da düşüktür. Orman biyokütlesinin yakılmasıyla elde edilen enerji, ısı ve elektrik üretiminde kullanılabilir. Ancak enerji değeri kömür ve petrole göre düşüktür. Bu yüzden diğer enerji kaynakları ile karıştırılarak da yakılabilir. Ağaç kabukları, tarımsal atıklar, kanalizasyon atıkları ve kağıt sanayi atıkları, kömür gibi enerji değeri daha yüksek enerji kaynakları ile beraber yakılarak gereken enerjiye ulaşılabilir. Beraber-yakma teknolojisinin en önemli özelliği, fosil yakıt gereksinimini azaltmasıdır. Üstelik NOx, SOx ve CO2 emisyonları da azalmaktadır. Biyokütle yakma teknolojisinde mekanizmalar tam olarak aydınlatılamadığı için kömür yakma teknolojisi bilgi birikiminden faydalanılmaktadır. Yine de en uygun yakma teknolojisi akışkan yatak olarak görünmektedir. Akışkan yatakta yakma sırasında parçacık kayıplarını önlemek için ise akışkan yatak teknolojisi modifiye edilmiştir. Yakma sonucu kalan kül gibi kararlı atıklar, erime ve katılaştırma, çimento ile katılaştırma, kimyasal kullanılarak kararlı hale getirme, asit veya diğer solventleri kullanarak ekstrakte etme işlemleriyle bertaraf edilebilmektedir. Bertaraf etmenin diğer bir yöntemi, çok yüksek sıcaklıklarda eritmek ve tekrar soğutarak katılaştırmaktır. Katılaşan yakma atıkları, yollara parke taşı olarak döşenebilir, arazi alanlarının ıslahında kullanılabilir.
3.2. Piroliz
Piroliz (Pyrolysis) kelimesi yunanca bir kelime olup pyr = Ateş; olysis = ortaya çıkmak anlamına gelmektedir. Piroliz, biyokütleden oksijensiz ortamda organik moleküllerin parçalanmasıyla gaz elde etme işlemidir. Kimyasal bağlar, oksijensiz ortamda termal olarak bozunurlar. En tanınmış piroliz prosesi odun kömürü üretimidir. Bu bir yavaş pirolizdir, degazifikasyon olarak da bilinir. İlk defa, dünyada petrol krizi olduğunda biyokütlenin ve talaşın sıvılaştırılması ve gazlaştırılması ile piroliz, önemli hale gelmiştir. Piroliz sonucunda katı, sıvı ve gaz ürünler oluşur. Genellikle piroliz yöntemi ile biyokütle sıvılaştırılarak "biyo-yağ"a çevrilir.
Bu sıvı yağ, organik bileşiklerin bir karışımıdır (Furfural türevleri, fenol türevleri vb.). Biyokütlenin sıvılaştırılmasıyla elde edilen bu sıvı, türbin veya motorlarda direkt olarak kullanım için uygun değildir. Elde edilen bu sıvı, petrol naftası gibi işlemlere tabi tutularak kullanılır hale getirilir. Biyo-yağ, kömürün gazlaştırılmasında kullanılan tekniklerle geride kül ve cüruftan başka bir şey bırakmayacak şekilde hidrojen ve karbon monoksit yönünden zengin olan sentez gazına dönüştürülebilir. Sentez gazından Fischer-Tropsch sentezi ile etanol, metanol gibi değerli kimyasallar üretilebilir. Biyo-yağın kalori değeri, aynı miktardaki biyokütleden çok daha fazladır. Depolanması ve taşınması daha kolaydır. Daha az kükürt içerir. Pirolizde elde edilen katı, sıvı ya da gaz ürünlerden hangisinin veriminin en fazla olacağı, biyokütlenin çeşidine, süreç parametrelerine ve reaktör tipine bağlıdır. Yakma proseslerinden farklı olarak pirolizde gereken enerji dışarıdan karşılanır. Üç çeşit piroliz vardır:
a) Torrefaksiyon (Torrefaction)
Torrefaksiyon, oksijensiz ortamda ılımlı piroliz anlamında kullanılmaktadır. Örneğin odun biyokütlesinin pirolizi dört karakteristik bölgeye ayrılmaktadır. Birinci bölge 200 °C'a kadar olan sıcaklık bölgesi olup burada su, CO2, formik asit ve asetik asit açığa çıkar.
İkinci bölge 200-280 °C sıcaklık bölgesi olup; su buharı, formik asit, asetik asit, bir miktar CO ve glikoz açığa çıkar. Üçüncü bölge 280-500°C arasında olup yoğun bir ekzotermik reaksiyon başlar. Dördüncü bölge 500°C‟in üstü olup burada reaksiyonlar yoğun bir şekilde devam eder. Burada torrefaksiyon bölgesi ikinci bölge olup, sadece uçucu bazı organik maddelerin uzaklaştırılmasını ve reaktif hemiselüloz fraksiyonunun bozunmasını içerir. Biyokütlenin karbon içeriği ve kalori değeri artar, kuruma işlemi gerçekleşir. Bu proses, gazlaştırma öncesi biyokütlenin enerji yoğunluğunu artırmada önemli bir aşamadır. Odunda bulunan selüloz fraksiyonu 300-375 °C, hemiselüloz tabakası 200-300 °C, lignin tabakası 300-500 °C‟ de bozunmaktadır. Böylece farklı sıcaklıklarda bozunan fraksiyonlardan farklı yakıt eldesi münkün olabilecektir. Piroliz konusunda literatürde çok fazla çalışma varken, piroliz reaksiyonları, mekanizması ve kinetiğinin daha iyi anlaşılması için torrefaksiyon hakkında daha fazla çalışma gerekmektedir.
b) Yavaş piroliz
Odun, turba, maden kömürü gibi organik maddeler havasız ortamda ve sabit yatak reaktörlerde, 300 °C civarındaki sıcaklıklarda, uzun ısıtma zamanlarında katı ve sıvı ürünlere dönüştürülürler.
c) Hızlı piroliz
Hızlı piroliz ile biyokütle, yüksek sıcaklıkta ve akışkan yatak reaktörlerde hızla gazlaştırılır. Oluşan gaz, reaksiyon sisteminden hızla uzaklaştırılır ve soğutulur. Soğuyan gaz yoğuşarak katranımsı bir sıvı oluşturur. Bu sıvı, fenol ve furfural türevlerince zengindir. Biyokütleden en fazla sıvı ürün elde etmek, hızlı pirolizin temel amacıdır. Yüksek verim için hızlı ısıtma, reaktörde oluşan gazın kısa alıkonma zamanı ve yoğunlaşabilen gazın hızlıca soğutulması esastır. Hızlı ısıtma ile kömürleşme önlenir. Bunun için de biyokütlenin tanecik boyutunun olabildiğince küçük olması gerekir. Gaz oluşumundan sonra soğutmaya kadar geçen zaman, daha başka yan reaksiyonları önlemek için oldukça az olmalıdır. Hızlı soğutma ile de kondenzasyon rekasiyonlarının önüne geçilir. Proses sonrası biyo-yağın işlenmeden bekletilmesi, içerisinde bulunabilecek kül ve kok gibi maddelerin katalitik etkisiyle başka kimyasal reaksiyonların oluşmasına neden olabilir. Bu nedenle bekletilmeden en son ürüne işlenmesi uygundur. Biyokütle çeşitlerinin ısı, kül ve su içerikleri ve hızlı piroliz sonucundaki ürünlerin kok/kül, kondensat ve gaz değerleri birçok araştırmacı tarafından araştırılmıştır. Ayrıca, biyokütlenin ihtiva edebileceği tuzların (Na2CO3, K2CO3 gibi) piroliz işlemlerine katalizör etkisi de vardır. Üretilen yağ, asit özelliği taşır. Bu nedenle özellikle yüksek sıcaklıklarda korozyona neden olur. Proseslerde polimerleşme dolayısı ile tıkanma problemleri de ortaya çıkabilmektedir. Günümüzde kullanılan mevcut piroliz teknolojisinde bu sorunlar yoğun olarak yaşanmaktadır. 2007 yılında tamamlanan “BIOTOX” adlı Avrupa birliği projesi ile piroliz yağının toksik etkileri ve çevreye olan etkileri incelenmiştir. “Material Safety Data Sheets” madde güvenliği prototipi hazırlanmıştır. Proliz kondensatı ısı ve elektrik üretiminde kullanılabilir ve ya extraksiyon ile kimyasallar elde edilebilir. Sentez gazi eldesi için ileri gazlaştırılabilir.
Hızlı pirolizdeki güncel araştırma alanları ve firmaların bazı projeleri Aston üniversitesi tarafından koordine edilmektedir (www.pyne.co.uk).
3.3. Gazlaştırma ve Hidrotermal Prosesler
Biyokütle iki grupta incelenir; ıslak biyokütle (melas, nişastalılar, gübre, meyve sanayi atıkları) ve kuru biyokütle (odun, zirai atıklar gibi). Biyokütle gazlaştırlması hem yaş hem de kuru biyokütle için uygulanan termokimyasal bir teknolojidir. Kuru biyoktüle için genellikle yukarıda anlatıldığı gibi piroliz edilir. Daha sonra elde edilen kondensat aşırı ısıtılır. Sıcak yağa su püskürtülmesi ile kömür gazlaştırmada olduğu gibi gazlaştırma gerçekleştirilir ve çok değerli olan sentez gazı elde edilir. Yaş biyokütle ise yüksek basınçta (>220 atm) ve yüksek sıcaklıklara (>300°C) ısıtılınca gazlaşır.Elde edilen gaz genel olarak CH4, H2, CO ve CO2 içerir. Bileşenin yüzdesi, kullanılan biyokütlenin ve teknolojinin türüne göre değişir. Bu süreçte suyun yüksek sıcaklık ve yüksek basınç özelliklerinden yararlanıldığı için “hidrotermal” terimi kullanılır. Hidrotermal koşullarda suyun termofiziksel özellikleri çok değişmektedir. Örneğin, dielektrik sabiti yüksek sıcaklıklarda azalır. Dolayısıyla olağan koşullarda polar su ile apolar organik maddeler ve gazlar karışmazken süperkritik koşullarda su, apolar maddeler için
iyi bir çözgen haline gelebilmektedir. Üstelik su, kimyasal reaksiyonlarda aktif reaktant olarak da rol alabilir. Suyun iyonik karakteri arttığı için asit-baz ile katalizlenen reaksiyonları kolaylaştırabilir.
Birçok gazlaştırma prosesinde biyokütlenin su içeriği istenmeyen bir özellik iken yüksek su içeriği hidrotermal prosesin önemli bir avantajıdır. Biyokütlenin kurutmaya gerek kalmadan değerli gazlara dönüştürülmesi için geliştirilmiş bir teknolojidir. Özellikle temiz enerji kaynağı hidrojen üretiminde gittikçe önem kazanmaktadır. Kuru madde içeriği ağırlıkça %1.8-5.4 (gerisi su) olan havuç ve patates ezmesi, 500 °C, 300-500 bar basınçta gazlaştırılmıştır. Gaz ürün, genel olarak H2 ve CO2‟den oluşmaktadır. Sıvı faz ise aldehitler, karboksilik asitler, fenoller, furfurallar ve alkoller gibi değerli organik maddeler içermektedir. Diğer yandan, süperkritik su ile oksidasyon, atıkların bozunmasına yönelik kullanılan hidrotermal bir prosestir. Süperkritik koşullarda oksijen, su ve organik madde tek bir fazda iyice karışabilir ve tam oksidasyon sağlanabilir. Molekül içindeki hetero atomlar, mineral asitlere dönüşürken organik kısımlar parçalanarak gazlaşır. Örneğin oksijensiz ortamda süperkritik gazlaşmaya karşı kararlı olan amonyak ve metanol, süperkritik su oksidasyonu ile parçalanır. Ayrıca, patlayıcı maddeler bu teknoloji ile parçalanarak yok edilebilir.
Sonuç ve Değerlendirme
Biyokütle, uygun teknolojiler ve uygun yöntemler kullanılarak enerjiye dönüştürüldüğünde, çevreye zararı az, yenilenebilir ve güvenli bir enerji kaynağıdır. Biyokütle kullanılarak varılmak istenen son ürün, hidrojen olduğunda hidrotermal koşullarda gazlaştırma etkin bir teknolojidir. Hedef metan üretimi ise biyogaz teknolojisi daha uygun olacaktır. Piroliz ise biyokütlenin sıvılaştırılmasında ve enerji yoğunluğunun arttırılmasında etkilidir. Biyokütleden sadece yakılarak enerji üretilmemelidir. Hidrojen, etanol, metanol, metan, piroliz yağı gibi enerji formlarına dönüştürülerek de kullanılmasıyla ülke ekonomisine ve teknolojik gelişime katkıda bulunulacaktır.
Kaynak: Biyokutle.org
