İnsan nüfusu artmaya devam ettikçe güvenilir enerji kaynaklarına olan ihtiyacımız da artıyor. Sadece güvenilir değil aynı zamanda yenilenebilir enerji kaynaklarının bulunmasına da giderek daha fazla odaklanılıyor. Sürdürülebilir enerji kaynakları olarak güneş ve rüzgar enerjisindeki ilerlemelere ek olarak, bazı endüstriler ulaşım, ısı ve elektrik için yakıt üretme aracı olarak biyoenerjiye yöneldi. Biyoenerji, toplumumuzun enerji sorunlarına karşı bir “sihirli değnek” tabirini temsil etmese de, biyoenerji endüstrisini geliştirmenin ve bu alandaki araştırmaları genişletmenin çeşitli faydaları olacaktır.
Biyoenerji ve Biyokütle Nedir?
Biyoenerji, biyokütle olarak adlandırılan, doğrudan veya dolaylı olarak fotosentez yoluyla üretilen organik maddeden elde edilir. Bitki ve alg bazlı malzemelerden türetilen biyokütle, tipik olarak bir yakıta (biyoyakıt) veya başka bir enerji biçimine (biyogüç) veya ürüne (biyoürün) dönüştürülür. Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesi, birçok fosil kökenli enerji kaynağıyla kıyaslanabilir olmasının yanı sıra, karbon atık ürünlerinin yeniden kullanılmasına ve yenilenebilir bir güç kaynağı haline gelmesine olanak sağlar.
Daha sonra biyoyakıtlar veya diğer ürünler yoluyla biyoenerjiye dönüştürülen yenilenebilir bir biyokütle kaynağı sağlayan tüm kaynaklara “hammadde” adı verilir. Birincil hammaddeler şunlardır:
- Özel enerji bitkileri (biyokütle sağlamak için özel olarak yetiştirilen ürünler)
- Tarımsal ürün kalıntıları (saplar gibi tarımsal ürün atıkları)
- Ormancılık artıkları (dallar ve satılamayan ölü ağaçlar gibi kerestelerin kesilmesinden kaynaklanan atıklar)
- Algler (hasat edilmiş mikroalgler ve siyanobakteriler)
- Ahşap işleme artıkları (talaş gibi ahşap işlemeden kaynaklanan atıklar)
- Belediye atıkları (ticari ve konut çöpleri)
- Islak atık (ticari ve konutsal gıda atıkları).
Biyokütle toplandıktan sonra doğrudan sıvı biyoyakıta dönüştürülebilir; bunların en yaygın olanı etanol ve biyodizeldir.
Biyoyakıtlar Nasıl Çalışır?
Bitkisel materyalden yapılan etanol, benzinle çalışan geleneksel araçların çoğunda zararlı karbon emisyonlarını azaltmak için farklı oranlarda benzinle karıştırılabilen bir alkoldür. Etanolün biyokütleden çıkarılmasının en yaygın yöntemi bitki nişastalarının ve şekerlerinin fermantasyonudur; ancak bilim adamları, bu işlem için bitkilerin yenmeyen selülozunu da kullanmanın yollarını geliştiriyorlar.
Dönüşüm tamamlandıktan sonra etanol, geleneksel fosil yakıtlarla, yani benzinle, çeşitli konsantrasyonlarda karıştırılır. Bu genellikle yüzde 10 etanol ve yüzde 90 benzinden yüzde 15 etanol ve yüzde 85 benzine kadar değişir ancak özel durumlarda yüzde 50 ila 80 etanol kadar yüksek olabilir. Etanolün benzinle karıştırılması hâlâ gerekli bir adım çünkü etanol benzine göre kabaca yüzde 30 daha az verimli, yani benzinle aynı kilometreyi yakmak için daha fazla saf etanol gerekiyor. Ek olarak, saf etanol kullanmak, çoğu motorda henüz bulunmayan, karbüratör ve emme manifoltunda ayarlamaların yanı sıra soğuk çalıştırma sisteminin kurulması gibi kapsamlı modifikasyonları da gerektirebilir (6). Etanol benzine göre daha az verimli olsa da kullanıcılar bunu ekleyerek yakıtın oktan sayısını arttırır ve bu da yanmalı motorlarda daha yüksek performans sağlar.
Biyodizel, bitkisel ve hayvansal yağların transesterifikasyonu adı verilen bir işlemle elde edilen ve bunları dizele benzer bir yakıta dönüştüren diğer ana biyoyakıt formudur. Biyodizel, benzinle çalışan araçlarda etanolden daha çok, araçlarda dizel yakıtın yerine doğrudan ikame olarak kullanılır. Buna rağmen biyodizel çıkışı hala benzinden daha düşüktür ve tıpkı etanol gibi, yakıt karışımında ne kadar çok biyodizel varsa motorda o kadar fazla değişiklik yapılması gerekir. Saf biyodizel aynı zamanda uzun vadeli bakım sorunlarına da neden olabilir.
Biyokütle, taşıma için biyoyakıtlara dönüştürülmesinin yanı sıra, yanma, bakteriyel ayrışma veya sıvı veya gaz yakıta dönüştürülme yoluyla da biyogüce dönüştürülebilir. Yüksek basınçlı buhar üretmek için biyokütlenin doğrudan yakılması, türbin jeneratörlerini tek başına veya mevcut enerji santrallerinde kömürün bir kısmının yerine geçmek için kullanılır. Alternatif olarak, kanalizasyon gibi organik atık biyokütle, daha sonra arıtılıp elektrik üretmek için kullanılabilen yenilenebilir bir metan gazı formu sağlamak üzere bakteriler kullanılarak ayrıştırılabilir. Son olarak, gazlaştırma ve pirolizden yararlanılarak biyokütle, geleneksel kazanlarda veya fırınlarda kullanılmak üzere gaz veya sıvı yakıta dönüştürülebilir.
Avantajlar ve Sınırlamalar
Çoğu teknolojide olduğu gibi biyoenerjiden yararlanmanın da güçlü ve zayıf yönleri vardır. Başlıca faydaları yenilenebilir olması, atıkların azaltılmasına yardımcı olması ve bir enerji kaynağı olarak yüksek güvenilirliğe sahip olmasıdır.
Biyokütlenin bolluğu ve ne kadar çabuk yenilenebildiği, fosil yakıtlardan farklı olarak biyokütlenin oldukça yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğu anlamına geliyor. Ek olarak, biyoenerjiye dönüştürmek için kullanılan biyokütlenin büyük bir kısmı genellikle diğer endüstrilerden gelen atık ürünlerdir. Bu, onu enerjiye dönüştürülecek atık depolama alanlarından uzaklaştırarak, depolama alanlarının boyutunun azaltılmasına ve kontrolsüz alanlarda organik maddenin ayrışmasıyla ilişkili bazı risklerin ortadan kaldırılmasına yardımcı olabileceğimiz anlamına gelir. Son olarak, diğer birçok yenilenebilir enerji kaynağının aksine biyoenerji kesintili veya değişken değildir. Biyokütle kullanan enerji santralleri, kaynağın kullanılabilirliğinden ziyade güç ihtiyacına bağlı olarak açılıp kapatılabilmektedir. Bu güçlü yönler biyoenerjinin yenilenebilir enerjinin ana kaynaklarından biri olmasına yardımcı olmuştur.
Ancak biyoenerjinin dezavantajları da vardır. Bir tesisi çalışır hale getirmenin tipik maliyetlerine ek olarak, biyokütlenin çıkarılması, taşınması ve depolanmasıyla ilgili başka harcamalar da vardır. Diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğu, sahadaki kaynaklara dayanır ve bu nedenle bu ek maliyetlere neden olmaz. Bir diğer dezavantaj ise tesisin ihtiyaç duyduğu alan gereksinimidir. Biyoenerji tesislerinin etkin bir şekilde çalışabilmesi için büyük miktarda araziye ihtiyaç vardır. Bu, nakliye maliyetleriyle birleştiğinde, bu tesislerin konumlandırılacağı yerleri ciddi şekilde sınırlayabilir. Son olarak, biyoenerjinin bazı çevresel dezavantajları vardır. Bunlar, bitkilerin yetiştirilmesi ile ilgili çevresel maliyetlerden, biyokütle olarak kullanılacak mahsullerin yetiştirilmesinden kaynaklanan hasara kadar değişebilir. Biyoenerji, fosil yakıtların yakılmasından daha çevre dostu olmasına rağmen aynı zamanda karbondioksit ve uçucu organik bileşikler gibi kirleticileri de havaya salmaktadır.
Biyoenerji Alanında Yapılan Güncel Araştırmalar
Biyoenerjiyle ilgili mevcut araştırmaların çoğu, verimliliğini artırmaya ve onu fosil yakıtlarla daha rekabetçi hale getirmeye odaklanıyor. Chang ve arkadaşları tarafından yapılan araştırma. Yüksek verimli doğrudan etanol yakıt hücrelerinin (1,2) nasıl geliştirileceğini araştırıyor ve araştırmanın sonuçları rekor kıran güç yoğunluğuna ulaşmıştır. Bu, üreticilerin biyoyakıt geliştirmenin karıştırma adımını atlamasına ve benzin ihtiyacını ortadan kaldırmasına olanak tanıyacak. Ortak yazar ve Doçent Yang Yang yakın tarihli bir basın açıklamasında şunları söyledi: “Araştırmamız, doğrudan etanol yakıt hücrelerinin, buluşumuzdan önce henüz başarılmamış olan çeşitli sürdürülebilir enerji alanlarında hidrojen yakıt hücreleri ve pillerle rekabet etmesini sağlıyor.” Yang şunları ekledi: “Etanol, sıvı fazda temiz ve güvenli bir biyoyakıttır; depolama ve taşıma açısından saf hidrojenden çok daha kolay ve güvenlidir. Etanolden hidrojen elde etme ve ardından hidrojeni elektriğe dönüştürme teknolojisiyle karşılaştırıldığında, teknolojimiz etanolü doğrudan elektriğe dönüştürebilir, dolayısıyla bu genel olarak pozitif bir enerji dengesi ve negatif emisyon teknolojisidir.”
ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı da son yıllarda daha iyi biyoyakıtlar üretmek için çalışıyor. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı ve Idaho Ulusal Laboratuvarı ile ortaklık kuran DOE, onları daha maliyet açısından rekabetçi ve iklim dostu hale getirmek için geleneksel ve biyoyakıtların yeni karışımlarını geliştirmeye çalışıyor. Argonne’un grup yöneticisi Troy Hawkins bir basın açıklamasında şunları söyledi: “Amacımız, motor performansını artırmak için geleneksel yakıtlarla harmanlanmış yeni biyoyakıtlar geliştirmekti. Bu, benzinle çalışan bir arabanın veya kamyonun aynı miktarda yakıtla daha fazla yol gidebileceği anlamına gelir. Veya dizel bir araç daha katı emisyon standartlarını karşılayabilir.”
Diğer araştırmalar hammadde karakterizasyonu ve biyomühendislik (4, 5, 9) üzerine odaklanmıştır. En güncel çalışmalardan bazıları, biyoenerjinin uzun vadeli kullanımının fizibilitesini değerlendirmeye yöneliktir (3, 7). Bu araştırma, biyoenerjinin, iklim değişikliğinin hafifletilmesi ve yenilenebilir enerji açısından umut verici kısa vadeli faydalar sunduğunu ortaya koyuyor ancak politika yapıcıları, uzun vadeli özel bir çözüm olarak biyoenerjiye odaklanmamaları ve bunun yerine çeşitli yeni nesil yenilenebilir enerji teknolojilerine yatırım yapmaya devam etmeleri konusunda uyarıyor.
Biyokütle, atıkların kontrol altına alınması ve hatta ortadan kaldırılması, sera gazı kirliliğinin sınırlandırılması ve yeşil enerjinin güvenilirliğinin artırılması açısından büyük umut vaat eden devasa bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Ancak bu güçlü yönler biyoenerjinin nihai hedef olduğu anlamına gelmez. Teknolojideki sınırlamalar, diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının hâlâ daha büyük faydalar sağlayabileceğini gösteriyor. Şimdilik biyoenerji, önümüzdeki yıllarda büyük bir büyüme göstermesi muhtemel önemli bir endüstridir.
Referanslar;
1. Chang ve ark. (2023). “Rational design of septenary high-entropy alloy for direct ethanol fuel cells.”
2.Chang ve ark. (2023). “Interface synergism and engineering of Pd/Co@N-C for direct ethanol fuel cells.”
3. Creutzig ve ark. (2014). “Bioenergy and climate change mitigation: an assessment.”
4. Demartini ve ark (2013). “Investigating plant cell wall components that affect biomass recalcitrance in poplar and switchgrass.”
5. Eudes ve ark. (2014). “Lignin bioengineering.” Current Opinion in Biotechnology 26: 189-198.
6. Lippman ve ark. (1982). How to modify your car to run on alcohol fuel: guidelines for converting gasoline engines with specific instructions for air-cooled volkswagens.
7. Reid ve ark. (2019). “The future of bioenergy.”
8. Roberts ve ark. (2022). “Biofuels.”
9. Shen ve ark. (2013). “Enhanced characteristics of genetically modified switchgrass (Panicum virgatum L.) for high biofuel production.”