GELENEKSEL VE YENİLEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI - Deneme Sınavı - 10

I. Yanma
II. Gazlaştırma
III. Sıvılaştırma
V. Piroliz

Gazlaştırma
Gazlaştırma; teknolojisi otuz beş yılı aşkın süredir kapsamlı olarak araştırılan bir teknolojidir. Gazlaştırma katı karbonlu yakıtın kısmi yanma ile yanabilir gaz yakıta dönüştürülmesi prosesidir. Gazlaştırma prosesi ile düşük ya da orta enerjili yakıt gazları üretmek,
sentez gazı üretmek (CO ve H2 gazlarının karışımı) ya da hidrojen üretmek mümkündür.
Üretilen gazlar ile ısı ve buhar ya da gaz türbinlerinde elektrik üretilebilmektedir.
Bir sonraki bölümde değinileceği gibi biyokütle pirolizinde CO ve H2 karışımı olan
sentez gazı üretilmektedir. Sentez gazının oluşumu 1000ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda
gerçekleşir. Bu ise reaksiyonda beslemenin %25 oranında oksijen ile yakılmasını gerektirir. Açığa çıkan sentez gazı, sonrasında metanol ya da dimetil etere ya da Fischer-Tropsch
sentezi ile hidrokarbon karışımına dönüşür.
Değişik gazlaştırma prosesleri mevcuttur. Bunlar; 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.
Gazlaştırma prosesleri sabit yataklı gazlaştırıcılar ya da akışkan yatak gazlaştırıcılarda
yapılabilmektedir. Sabit yatak gazlaştırıcılar; yukarı çekişli gazlaştırıcılar ve aşağı çekişli gazlaştırıcılar olarak sınıflandırılabilir. Yukarı çekişli gazlaştırıcılarda gaz akımı yukarı
doğru hareket eder. Bu tip gazlaştırıcılarda katranın yapışması mümkündür. Aşağı çekişli
gazlaştırıcılar ise oluşan katranı parçalamak için çok katlı olarak tasarlanmışlardır. Akışkan yatak gazlaştırıcılar ise büyük çaplı endüstriyel uygulamalar için uygundur. Bu tip
gazlaştırıcılarda akışkanlaşma iki yolla sağlanır; kabarcıklı yatak, dolaşımlı yatak. Akışkan yatak gazlaştırıcılarında katran çıkışı, aşağı çekişli gazlaştırıcılardan daha fazladır.
Elektrik üretmek amacıyla oluşan gaz ürünün türbinlerde etkin biçimde kullanımı için
oldukça saf olması gerekir. Katranlar bu tip gazlaştırıcılarda fiziksel ve kimyasal yöntemlerle yok edilebilir: Fiziksel yöntemler; katranı yoğuşturmak için soğutma ve elektrostatik
çöktürme, filtre, temizleyici ya da dönen parçacık ayırıcıları içerir. Kimyasal yöntemler
ise katranın ısıl ya da katalitik parçalanmasını içerir. Isıl parçalanma 1200ºC’den yüksek
sıcaklıkları gerektirirken katalitik parçalanmada sıcaklık kullanılan katalizöre bağlı olarak
700-900ºC’dir. Başlıca üç çeşit katalizör kullanılır: dolomitler, nikel katalizörler ve nikel
olmayan monolit katalizörler

Atık biyokütle kaynakları çok çeşitlidir. Bunlar;
• kentsel katı atıklar,
• kanalizasyon atıkları,
• hayvansal atıklar,
• tarımsal ürün atıkları
• orman atıkları, çevre düzenleme ve ağaç budama atıkları ve
• su bitkilerini içerir.

Pirolizden Elde Edilen Ürünler Katı ürün (Char): Piroliz prosesi esnasında oluşan uçucu ürünler ham maddeden koparak ayrılırlar. Geriye gözeneklerden oluşan katı yapı kalır. Bu yapı, karbonca zengindir. Aktif karbon, chara benzeyen bir üründür. Aktif karbonun chardan farkı, ürünün aktiflenmiş olmasıdır. Fiziksel ve kimyasal aktivasyon yöntemiyle pirolizden elde edilen katı üründür. Fiziksel aktivasyonda CO2 ve buhar kullanılırken, kimyasal aktivasyonda ise H3PO4, ZnCl2, KOH gibi kimyasallar kullanılmaktadır. Fiziksel aktivasyon daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilirken (800-1000ºC), kimyasal aktivasyon daha düşük sıcaklıklarda (400-700ºC) gerçekleştirilmektedir. Ayrıca kimyasal aktivasyonla elde edilen aktif karbonların yüzey alanları daha büyüktür. Char ve aktif karbon karakterizasyonunda yüzey alanı ve gözenekliliği büyük önem taşır. Aktif karbonların yüzey alanları mikropor (küçük gözenek: yarıçap<1 nm), mezopor (orta gözenek: yarıçap: 1-25 nm) ve makropor (büyük gözenek: yarıçap>25 nm) olarak gruplandırılabilir. Aktif karbonların genellikle çevresel uygulamaları bulunmaktadır. Atık sulardan ağır metal giderimi, boyar madde giderimi, fenol giderimi, filtrasyon başlıca uygulama alanları arasındadır. Char uygulama alanları: Üretilen katı ürünün enerji değeri yüksek ise (yaklaşık 30 GJ/ton) ürünler yakıt olarak endüstriyel amaçlı kullanılabilirler. Bu ürünlerin yakıt olarak kullanılmasının bir diğer avantajı ise düşük miktarda metal içermesidir. Bu amaçla kullanıldığı yerlerin başında metalurji endüstrisi gelir. Son yıllarda toprakta gübre yerine kullanılmaktadır. Bu ürün, toprağın özelliklerini iyileştirir, besleyici maddeleri ve suyu önce tutar; daha sonra da salar ve aynı zamanda da faydalı organizmalar için destekleyici görevi görmektedir. Sıvı ürün (Bio-oil): Piroliz sıvı ürünleri çok karmaşık ve çok fazlı karışımlardır. Düşükten yükseğe değişen molekül ağırlıkları vardır, %10-20 su içeriğine sahiptir, oldukça asidiktir, kararsız yapıya sahiptir, Bio-oil yüksek verimle değişik prosesler kullanılarak üretilebilir. Bu prosesler içerisinde piroliz, polimerik yapının hızla bozunmasıyla son yıllarda hızla yükselişe geçmiştir. Pirolizin en yeni üç tekniği: hızlı, flaş ve vakum pirolizdir. Sıvı ürün verimleri %50-70 gibi yüksek aralıktadır. Bio-oil bir yakıt için gerekli standartların azını karşılasa bile genellikle direkt yanmada kullanılır. Oldukça viskoz, aşındırıcı ve çok fazla uçucu değildir. Yüksek oksijen içeriğine sahiptirler. Piroliz sıvılarının temiz yakıt olarak kullanım potansiyelini artırmak ve heteroatom içeriğini azaltmak için viskozitesinin, aşındırıcılığının, kararsızlığının birtakım işlemlerden geçirilmesi gerekmektedir. 7. Ünite - Biyokütle Enerjisi 157 Bu amaçla yürütülen iki proses üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Bu proseslerden ilki katalitik kraking (parçalanma) yöntemidir. Bu yöntemde genellikle zeolit katalizörleri kullanılmaktadır. Amaç ZSM-5 yardımıyla oksijenli organik moleküllerin benzin yapısında yakıtlara dönüştürülmesidir. İkinci metot, hidrojen yardımıyla iyileştirmedir; piroliz sıvıları Co-Mo ya da Ni-Mo katalizör varlığında hidrojen basıncı altında ikincil işlemden geçirilir. Burada amaç, oksijen ve azotun su ve amonyak olarak giderimidir. Katalitik kraking prosesi hidrojenle iyileştirmeye kıyasla daha ucuzdur ve oksijeni yapıdan mükemmel biçimde uzaklaştırır. Diğer proses ile karşılaştırıldığında daha hafif hidrokarbon ürünler elde edilir. Piroliz sıvılarının reaksiyon sıcaklığına hızla ısıtılması ısıl bozunmayı hızlandırır. Sıvı ürünü oluşturan moleküllerin polimerizasyon hızı oksijen giderim reaksiyonlarınınkilerden daha hızlıdır. Sıvı ürün uygulama alanları: Pirolizden elde edilen sıvı ürünler yakıt ve değerli kimyasallar olarak değerlendirilebilir; fakat bunu yapabilmek için pirolizden elde edilen ilk ürünlerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Yakıt olarak değerlendirilecek sıvı ürünler iyileştirildikten sonra kazan ve taşıtlar için yakıt kaynağı olarak türbinlerde ise elektrik üretmek amacı ile kullanılmaktadır. Orijinal sıvı ürünler, içerisinde bir miktar su içermektedir. Sıvı ürün içerisinde suyun bulunması ürünün ısıl değerini düşürür; fakat bir miktar suyun bulunması da sıvı ürünün kararlılığını artırır. Sıvı ürünler aynı zamanda yüzlerce hidrokarbon ve kimyasalın karışımından oluşmaktadır. Özellikle içerdiği pek çok hidrokarbon, oksijen içermektedir. Bünyede bulunan oksijenin de ısıl değeri düşürdüğü bilinmektedir. Sıvı ürünler ayrıca çok fazla bekletildiği zaman çok çabuk polimerize olabilme yeteneğine sahiptir. Bu da sıvı ürünlerin yakıt olarak kullanılmasında dezavantaj oluşturur. Çünkü yakıt ağırlaşır. Ayrıca sıvı ürünün viskozitesinin belli bir değerde tutulması gerekmektedir. Yüksek viskoziteli sıvılar motorlarda problem oluşturmaktadır. Bu gibi olumsuz etkilere özellikle uzun süreli depolama şartlarında rastlanmaktadır. Bunu önleyebilmek için ise depolama aşamasında sıvı ürüne etanol katılmaktadır. Sıvı ürünlerin içerdiği yüzlerce kimyasaldan faydalı olanların geri kazanılarak değerlendirilmesi sıvı ürünlerin distilasyonunu gerektirir. Fenol ve fenolik bileşenler ham sıvı ürün içerisinde en çok rastlanılan bileşenlerdir. Fenoller, ticari değeri bulunduğundan değerli bileşenlerdir. Alkil fenol ve metoksi fenoller ise fenolik bileşenlerdir. Piroliz sıvı ürünlerinin asidik oldukları bilinmektedir. Karboksilik asitler özellikle tarımsal atıklardan elde edilen sıvı ürünün yapısında bol miktarda bulunurlar. Asitlerin sıvı ürünlerin yapısında bulunması istenmez. Çünkü asitler, korozif (aşındırıcı) etki yaratırlar. Benzen, toluen, ksilen gibi aromatik hidrokarbonlar biyokütle pirolizinin değerli ürünlerindendir. Çok yüksek sıcaklıklarda ya da yüksek basınçlı ortamda pirolizin gerçekleştirilmesi PAH’ların (Polisiklik aromatik hidrokarbonlar) oluşmasına neden olur. PAH bileşikleri (naftalin, antrasen, fenantren gibi) hem çevresel hem de sağlık açısından zararlı bileşenlerdir. İnsan sağlığında kansere yol açtığı bilinmektedir. Ayrıca keton ve aldehitler de sıvı ürün yapısında en sık rastlanılan bileşenlerdendir. Şekil 7.9’da biyokütle pirolizinden elde edilen ürünler ve uygulama alanları verilmektedi

Katalizör: Ham piroliz sıvı ürünleri yüksek oranlarda oksijen içeren yüzlerce farklı
kimyasal bileşenlerden oluşmaktadır. Katalizörün pirolizde kullanılmasının başlıca sebepleri şunlardır:
• Piroliz sıcaklığını düşürmek
• Daha yüksek kimyasal ve fiziksel kararlılık kazandırmak
• İstenilen ürünlerin yüksek verimlilikte eldesi
• Rafineri ürünleriyle karışabilirliğini kolaylaştırmak.
Katalizör piroliz ortamında iki şekilde bulunur: ham maddeye karıştırırarak ya da piroliz reaktöründe ham madde yatağının altına ayrı bir reaktör içine yerleştirilerek.

Kanalizasyon Atıkları
Şehir kanalizasyonu çevreyi kirletici bir unsur değil de besleyici mineralleri yüksek bir doğal kaynak, doğal gübre olarak kabul edilmektedir. Bu tip atıklar da hayvansal atıklar gibi biyogaz üretiminde (atıkların havasız ortamda bozundurulması ile yakıt gazı üretimi) değerlendirilmektedir. Kanalizasyon atıklarının değerlendirildiği diğer alan ise piroliz (havasız ortamda bozundurma) yöntemidir.

Nem Giderme ve Kurutma
Nem giderme; biyokütlenin içermiş olduğu tüm nemin sıvı olarak uzaklaştırılmasıdır. Kurutma da benzer bir prosestir. Nem giderme ile kurutma arasındaki temel fark; kurutma
işleminde nem, buhar olarak uzaklaştırılmaktadır.
Eğer bir biyokütle termal dönüşüm prosesi kullanılarak enerjiye dönüştürülecekse
prosesten önce neminin belli bir seviyeye indirilmesi gerekmektedir. Belli bir seviyeye
düşürülmediği zaman dönüşüm prosesi için harcanan enerjinin önemli bir kısmı onu kurutma esnasında harcanacaktır.
Uygulanabildiği takdirde güneş kurutması en düşük maliyetli olanıdır. Bunun yanında, güneşte kurutmanın bazı dezavantajları da bulunmaktadır: Proses yavaştır ve o bölgenin iklim koşullarına bağlıdır. Ancak, güneşte kuruyamayacak ham maddeler endüstriyel
kurutucular yardımıyla kurutulmalıdır. Püskürtücülü kurutucular ve sıcak hava akımlı
fırınlar endüstriyel kurutuculara örnek olarak verilebilir.

Biyodizel: Yağlı tohumbitkilerinden elde edilen yağlar, atık kızartma yağları veya
hayvansal yağların kısa zincirli bir alkol ile bir katalizör ortamında reaksiyona girmesi ile oluşan C16-C18 yağ asidi zincirlerinden oluşan yakıta biyodizel denir.

Biyokütlenin yapısında;
• ekstraktifler
• selüloz, hemiselüloz ve lignin
• lipitler, protein, nişasta, esterler, trigliseridler bulunur.

Ekstraktiflere örnek olarak şekerler, tanenler, nişastalar, zamk, reçine verilebilir. Ekstraktif bileşenler birçok biyokütlenin çürüme ve böceklere karşı direnç kazanma özelliğinden sorumludur.

Selüloz, 325-400ºC sıcaklık aralığında bozunur.

Briketleme ve pelletleme; biyokütlenin yüksek sıcaklık ve en önemlisi basınç altında sıkıştırılarak mümkün olan en küçük alana en fazla ürün sıkıştırma yöntemidir.

İngiltere doğal gaz kullanımını ticaretleştiren ilk ülkedir. 1920’lerde boru hattı taşımacılığı yöntemlerinin kullanılmaya başlaması ile birlikte dünyada hızla artan doğal gaz tüketimi, özellikle II. Dünya Savaşı’ndan sonra sürekli olarak gelişmiştir.

Fermentasyon: Ham maddenin mikroorganizmalarla birlikte enzimatik yolla değerli ürünlere dönüştürüldüğü prosese fermantasyon denir.

Flash Piroliz: Amaç sıvı ve gaz ürünü maksimize etmektir. Karbonizasyon ve hızlı pirolizle karşılaştırıldığında çok hızlı ısıtma hızlarına sahiptir (<700ºC/s) ve daha düşük katı alıkonma süresine sahiptir (<0,5 s). 650ºC ve daha yüksek çalışma sıcaklıklarında çalışılır.

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.

Şekil 5.4’te farklı bölgeler için rezerv ömürleri verilmiştir. Bu şekilde görüldüğü gibi, en uzun ömürlü doğal gaz rezervleri 146,7 yıl ile Ortadoğu’da bulunmaktadır; onu 67,1 yıl ile Afrika kıtası, 56,4 yıl ile Avrasya ve Avrupa ülkeleri ve 42,8 yıl ile Latin Amerika ülkeleri takip etmektedir. Asya-Pasifik ülkeleri için rezervlerin ömrü 18 yıl olarak hesaplanmıştır. En kısa rezerv ömrü 12,1 yıl ile Kuzey Amerika ülkelerine aittir.

Ülkemizdeki doğal gaz rezervi ise 2013 yılında 5 milyar m3 olarak tespit edilmiştir. Yeni keşifler yapılmadığı takdirde, kalan üretilebilir doğal gaz rezervinin yaklaşık 10 yıllık ömrü bulunmaktadır. Her geçen gün artan doğal gaz ihtiyacının yerli kaynaklardan karşılanması için son yıllarda Karadeniz ve Akdeniz’deki deniz alanları gibi yeterince aranmamış bölgelerde yapılan çalışmalar büyük ivme kazanmıştır.

Eşitlik 7.1 ile tanımlanan ideal gaz yasası düşük basınç değerlerinde kullanılabilen ve bazı temel varsayımlar içeren en yaygın hâl denklemlerinden biridir. İdeal gaz yasasının kapsadığı varsayımlar aşağıdaki gibidir:

Gaz moleküllerinin toplam hacmi, içinde bulundukları kabın hacmi yanında ihmal edilebilecek düzeydedir.

Gaz molekülleri arasındaki çekim ve/veya itme kuvvetleri ihmal edilmektedir.

Gaz moleküllerinin kendi aralarında çarpışmaları sonucunda enerji kaybetmedikleri varsayılmaktadır

Basınç arttıkça ideal gaz yasasında kullanılan varsayımlar geçerliliğini kaybetmekte ve gazlar ideal gaz yasasından sapmaktadır. Bu nedenle yüksek basınçtaki gazların hacim, sıcaklık ve basınç ilişkilerini tanımlamak için ideal gaz yasasında bazı düzeltmeler yapmak gerekmektedir.

Viskozite ya da akmazlık bir akışkanın akmaya karşı direnci olarak tanımlanır. Sıvıların akmazlık değerleri gazlara göre çok daha yüksektir; yani gazlar daha kolay akabilmektedir. Ancak sıcaklık artışı ile birlikte gazların akmazlıkları artar, sıvılarınki ise azalır. Akmazlık, akışkanın, yüzey gerilimi altında deforme olmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsü olarak da tanımlanabilir. Süper akışkanlar hariç tüm gerçek akışkanlar yüzey gerilimine karşı direnç gösterir. Öte yandan, yüzey gerilimine hiç direnç göstermeyen akışkanlara “ideal akışkan” ismi verilmektedir.