Birlikte biyoısı ve biyogüç üretimi yaşam döngüsü değerlendirmesi ve maliyeti: Türkiye meşe (Quercus cerris L.) baltalıklarını kullanan yanma temelli benzetilmiş durum çalışmaları

Birlikte Isı ve Güç veya kojenerasyon, bir dönüşüm sürecinde tek bir yakıt kullanarak, faydalı ısı ve elektrik gibi iki veya daha fazla ikincil enerji taşıyıcısı üretir. Biyokütle kojenerasyon sistemleri için alternatif bir yakıttır. Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç, Birlikte Isı ve Güç üretiminde hammadde olarak bir biyokütle kaynağının kullanıldığını vurgulamak için isimlendirilmiştir. Türkiye, zengin biyokütle potansiyeline sahip bir ülkedir; bununla birlikte, geleneksel kullanım hakimdir. Yüksek teknik potansiyele sahip biyokütle, Türkiye'de enerji arzının çeşitlendirilmesi için stratejik bir kaynaktır. Yerli bir enerji kaynağı olan biyokütle, yakıt ithalatına bağımlılığı azaltmaya, sera gazı emisyonlarını en aza indirmeye ve yerel kalkınmayı artırmaya yardımcı olur. Üstelik biyokütle, enerji tasarrufu önlemlerine önemli katkı sağlayacak Birlikte Isı ve Güç yatırımlarını ülkemizde daha da geliştirmek için etkili bir araçtır. Türkiye'de yenilenebilir kaynakları kullanan elektrik lisansları birçok yatırımla artmakla birlikte, biyogüç uygulamaları halen gelişim aşamasındadır. Sektörün büyümesi beklenenden yavaştır. Sadece ulusal hedeflere ulaşmak için değil, uluslararası taahhütlere uymak için de biyogüç gelişiminde önemli bir artışın olması gerekmektedir. Türkiye'de biyogüç üretimindeki artış, esas olarak yaş biyokütle kaynaklarına uygulanabilir olan biyokimyasal dönüşüm teknolojileri yoluyla çöp gazı ve biyogaz üretmek şeklinde olmuştur. Bununla birlikte, katı biyokütle kaynakları gerektiren termokimyasal dönüşüm teknolojileri yoluyla biyogüç üretimi ülkemizde halen başlangıç aşamasındadır, ve bu nedenle de sınırlıdır. Buna ek olarak, çoğu santral sadece biyogüç üretmektedir, ve Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç uygulamaları çok azdır. Öte yandan, küresel biyogüç üretiminin çoğunluğunu Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç tesisleri oluşturmakta, ve sürdürülebilir hammadde tedariği biyokütle enerji uygulamaları için çok önemli olduğundan farklı ülkelerde, dağıtık ve diğer adı ile yerinde üretim yoluyla Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi yerel biyokütle kaynaklarının avantajlı bir şekilde kullanılması için uygulanabilir bir yol olarak görülmektedir. Türkiye'de de termokimyasal dönüşüm teknolojilerinin etkili bir şekilde uygulanması da dahil olmak üzere yerinde Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi yoluyla katı biyokütle kaynaklarının modern kullanımı gelecekteki biyogüç yatırımları için uygulamaya konulabilir. Meşe baltalık ormanları, biyokütle enerjisi üretmek için halihazırda mevcut katı biyokütle kaynakları olarak Türkiye'deki biyokütle hazinesidir. Verimsiz veya bozuk meşe baltalık ormanlarından yola çıkarak modern enerji ormancılık uygulamalarını başlatmak suretiyle, hem bu biyokütle hazinesinin hem de sabit ısı/soğuk ve güç talebinin olduğu yerleşimlerin yakınında, yerinde Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretim santrallerinin mümkün olan en kısa sürede kurulumu yapılabilir ve böylece ülkemizde Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi yaygınlaşabilir. Odunun, genellikle ormanların sürdürülebilirliği için ciddi bir tehdit oluşturan ısıtma ve pişirme ihtiyaçları için bir enerji kaynağı olarak kullanıldığı orman köyleri, yalnızca çevresel değil aynı zamanda teknolojik, sosyal ve ekonomik yararlar sağlayan yerinde Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretiminin yaygınlaşması için en iyi fırsattır. Yenilenebilir kaynaklı enerji teknolojilerinin geleneksel enerji teknolojileri ile rekabet edebilmeleri için sürdürülebilir olmaları gerekmektedir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi, biyokütle enerji uygulamalarının çevresel sürdürülebilirliğini tahmin etmek için tercih edilen anahtar bir araçtır. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi, herhangi bir ürüne, ham madde toplama sürecinden son atık bertarafına kadar olan yaşam döngüsü süresince kaynakların kullanımını ve çevresel sonuçlarını belirlemek için bir yaşam döngüsü yaklaşımı ile bakabilme yöntemini kullanan standartlaştırılmış bir araçtır. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi ayrıca eko-tasarım (yeşil tasarım) aracı olarak da kullanılabilir. Eko-tasarım, bir ürünün çevresel yaşam döngüsü etkilerini o ürünün tasarım aşamasından başlayarak en aza indirmeyi hedeflemektedir. Bir Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç uygulaması durumunda, Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretiminin bir eko-tasarım yaklaşımı da dahil olmak üzere çevresel sürdürülebilirliğini belirlemek için temel bir araç olarak kullanılabilir. Bu çalışmada ilk amaç, benzetilmiş durum çalışmalarına dayanan yanma temelli yerinde Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrallerinin çevresel sürdürülebilirliğini ortaya koymak için eko-tasarım yaklaşımı ile bir Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışması yapmaktır. Bu amaç için, benzetilmiş durum çalışmalarına dayanan santraller farklı kurulu güçlere sahip olup, Türk meşesi (Quercus cerris L.) baltalık ormanlarından sağlanan meşe yongalarını (odunsu biyokütle) kullanmakta ve ayrıca dünya genelinde mevcut ticari Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrallerini dikkate almaktadır. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışması sonuçları, öncelikle, biyokütle-Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç değer zincirinin farklı aşamalarının sistem sınırındaki göreceli önemini anlamaya yönelik olarak orta ve son nokta etkilerinin bir katkı analizini, ve bir hassasiyet analizini içermektedir. Eko-tasarım yaklaşımı sunabilmek için ise Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışmasında, en temel Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç tasarım parametrelerinin Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları üzerindeki etkisi ortaya konulmaktadır. Ayrıca, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretiminin Türkiye'nin linyit yakıtlı güç üretimine kıyasla en önemli çevresel faydaları nicelendirilmektedir. Bu çalışmadaki bir diğer amaç, Türkiye'de Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç teknolojileri ile ilgilenen yatırımcılar için karar vermeyi kolaylaştıracak temsili maliyet tahminleri ile araştırmayı sonuçlandırmaktır. Bu tez araştırması, bilgimiz dahilinde kendi spesifik araştırma konusunda, bir süreç benzetimi ile koordineli bir Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi yürüten ve sürdürülebilir Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi için bir eko-tasarım yaklaşımı getiren ilk denemedir. Türkiye'de ilk olan bu çalışmanın, ülkemizdeki biyokütle enerji uygulamaları ile ilgilenen herkes için yararlı olacağı düşünülmektedir. Bu çalışma, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi için gerçekleştirilen kapsamlı bir teknoloji incelemesi ile başlamaktadır. Daha sonra, bu inceleme çalışmasını temel alarak, dağıtık Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretiminin karakterize edilebilmesi için Durum Çalışması-1 (CS-1), CS-2 ve CS-3 önerilmiştir. Durum çalışmalarında odak, dünya çapındaki biyogüç gelişmelerine paralel olarak direkt yakma teknolojisine dayanan buhar türbin sistemi, klasik Rankine çevrimi, olmuştur. CS-1, CS-2 ve CS-3 sırasıyla 2, 5 ve 10 megawatt elektrik (MWe) kurulu gücüne sahiptir. Bu arada, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi için kullanılan biyokütle hammaddesi, Marmara Bölgesi'ndeki Türk meşesi baltalık ormanlarından sağlanan meşe yongaları olarak seçilmiştir. Örnekler alınıp, Türk meşe yongalarını karakterize etmek için deneyler gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, karakterizasyonu yapılmış Türk meşesi yongalarını kullanan CS-1, -2 ve -3' ün süreç benzetimleri, Aspen Plus V8.4 süreç benzetim yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrallerinin ilgili süreç parametreleri, gereklilikleri ve çevresel etkileri, eko-tasarım parametrelerini göz önünde bulunduran benzetilmiş durum çalışmalarına dayanılarak belirlenmiştir. Daha sonra, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç süreç benzetimi çıktılarına ve eko-tasarım parametrelerine dayanarak, Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışması SimaPro V8.1.1.16 Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışmasının amaç ve kapsamını belirledikten ve envanter analiz aşamasını tamamladıktan sonra, Yaşam Döngüsü Envanteri, SimaPro yazılımı kullanılarak hazırlanmıştır. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışmasında, sistem sınırı Türk meşe baltalıklarının hasatıyla başlamakta ve elektrik şebekesine biyogüç ve bölgesel ısıtma şebekesine biyoısı tedarikiyle sonlanmaktadır. Fonksiyonel birim, enerji çıktısı ile ilgili olarak üç adet seçilmiştir: 1 kilowatt-saat (kWh) biyogüç, 1 kWh biyoısı ve 1 kWh (birlikte) enerji üretimi. Kullanılan modelleme yaklaşımı birim süreç tanımlamasına dayanmaktadır. Biyogüç ve biyoısı arasında ekserji tabanlı tahsisat yapılmıştır. World 2000 normalizasyon seti olan CML-IA baseline V3.03, seçilen orta nokta etki değerlendirme yöntemiyken, World ReCiPe H/A ve H/H ağırlıklandırma setleri ile ReCiPe Endpoint (H) V1.12 son nokta etki değerlendirme yöntemi olarak seçilmiştir. Ardından, SimaPro yazılımında sağlanan bu etki değerlendirme yöntemlerini kullanarak Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları elde edilmiştir. Çalışmanın Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları, karşılaştırmalı karakterizasyon, normalizasyon ve ağırlıklandırma sonuçları ile orta nokta ve son nokta etkileri için ayrıntılı bir katkı analizini içermektedir. Katkı analizi için, sistem sınırı ve dolayısıyla Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları, Türk meşesi yonga tedarik zinciri, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrali işletmesi, Türk meşe külünün taşınması ve yayılması ile tesisi işletmeye alma ve işletmeden çıkarma aşamalarına ayrılmıştır. Çalışmanın sonuçları ayrıca, eko-tasarım yaklaşımını uygulamak için hammadde özelliklerinin ve süreç şartlarının Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları üzerinde etkilerini, en belirsiz varsayım ve tercihler için hassasiyet analizini, ve nihayet Türk meşe yongalarını yakıt olarak kullanan biyogüç üretimi ile Türk linyitlerini yakıt olarak kullanan güç üretiminde yanmadan kaynaklanan hava emisyonları için Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları karşılaştırmasını içermektedir. Çalışma, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretim maliyeti ile sona ermektedir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları, bir Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi için bir kurulu güç belirlemek gerektiğinde, her zaman kurulu güç ile yıllık çevresel etkiler arasında bir dengelenme olması gerektiğini göstermiştir. Dahası, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrallerinin biyokütle tedarik zincirindeki hammadde talebini ve yükünü azaltmak da dikkate alınacak bir diğer konudur. Seçilen karakterizasyon sonuçları, literatürde belirtilen aralıklar içinde bulunmuştur. Normalizasyon sonuçları, Türk meşesi yonga tedarik zincirinin arka plan atık işlem süreçlerinin, ve işletmeye alma ve işletmeden çıkarma operasyonlarının önemini ortaya koymuştur. Ağırlıklandırma sonuçları, kaynak kullanımından önce gelen insan sağlığının en yüksek önem derecesinde etkilendiğini göstermiştir. Eko-sistem üzerindeki etkilerin önem derecesi, kaynak kullanımı ve insan sağlığı üzerindeki etkilerin önem derecelerine kıyasla en düşüktür. Katkı analizi, sistem sınırındaki farklı aşamaların göreceli önemini ortaya koymuştur. Bu sonuçlara göre, hem Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santral işletimi hem de Türk meşesi yonga tedarik zinciri, çevresel yükü en aza indirmek ve sürdürülebilir bir Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç üretimi sağlamak için en yüksek özenle tasarlanması gereken aşamalardır. Genel olarak farklı ağırlıklandırma perspektifleri için, Türk meşesi yonga tedarik zinciri çevresel etkinin % 43-52'sine katkıda bulunurken, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santral operasyonu % 42-52 civarında katkıda bulunmaktadır. Sonuç olarak, biri diğerine göre az ya da çok önemli yada önemsiz değildir. Türk meşesi yonga tedarik zinciri, daha fazla nakliye gereksinimi nedeniyle çoğunlukla nem içeriğindeki artışlardan etkilenen aşamadır. Aşırı hava oranı ve fırın sıcaklığı, çoğunlukla azot oksitlerin emisyon artışlarına bağlı olarak Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santral işletmesinin önemini göstermektedir. Hassasiyet analizi, orman yol kenarı ve Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santrali arasındaki nakliye mesafesi, ekipman verimlilikleri, Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç santral ömrü ve tahsisat prosedüründeki değişimlerin Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları üzerindeki etkilerini analiz etmeyi sağlamıştır. Ayrıca, bir Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi çalışmasında hazırlanan tüm metodolojik seçimlerin ve envanter verilerinin mümkün olduğunca açık ve şeffaf olarak açıklanmasının önemi ortaya konmuştur. Türkiye'deki mevcut koşullar altında, çalışmadaki Birlikte BiyoIsı ve BiyoGüç maliyet tahminleri ekonomik açıdan mümkündür. Biyogüç birim maliyetleri 8.7 ila 9.5 ABD Doları cent/kWh arasında bulunmuştur. Türk meşe yongalarını yakıt olarak kullanan biyogüç üretimi ile Türk linyitlerini yakıt olarak kullanan güç üretiminin, yanmadan kaynaklı hava emisyonlarının Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları karşılaştırılması, insan sağlığı için 1 kWh linyit yakıtlı güç üretimi çevresel etkisinin, 1 kWh Türk meşe yongası yakıtlı biyogüç üretimi çevresel etkisinden 15 kat daha yüksek olduğunu ortaya koymuştur.