Çöp Gazından Elektrik Üretimi:
1--Batı ülkelerinde
1980'lerin ortalarından itibaren aşağıdaki sebeplerden dolayı çöplük gazının
borularla toplanmasına başlandı.o Çöplük gazının yaklaşık yarısını oluşturan
metan gazının toprak içindeki konsantrasyonunu patlama limiti olan %5'in altına
indirmek,o Çöplük gazının kontrolsuz yayılmasının küresel ısınmaya olumsuz
etkisini azaltmak,o Pis kokuların civarda yaşayanları rahatsız etmesini
önlemek.
1.1--Önceleri toplanan çöplük
gazı genellikle yakılarak yok ediliyordu. 1990'ların başından itibaren, çöplük
gazının elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılmasına başlandı.
1.2--Çöplük gazından elektrik
üretimi "Yenilenebilir Enerji" ve "Yeşil Enerji"
teknolojileri grubuna girer. Bildiğim kadarıyla bu teknoloji ile Türkiye'de
sadece İstanbul'da Kemerburgaz Hasdal'da bir santral kurma çalışması var.
2--Çöplük gazından elektrik
üretilmesinin diğer teknolojilere göre üstünlüklerini şöyle özetlemek mümkün:
2.1-- Çöplükten gaz
yayılmasını azalttığı için çevreye net etkisi pozitiftir.
2.2-- Çöplükte oluşan gaz
kullanıldığından yakıt maliyeti yoktur. Ayrıca doğal gazın tersine, yakıt için
döviz giderine gerek olmaz.
2.3--Çöplükten gaz üretimi
mevsimden mevsime fazla değişmez. Kapasite faktörü (yani sene içinde işletme
oranı) %90 civarındadır.
2.4--Bağlandıkları şebekede
stabilite problemleri yaratmazlar. Karşılaştırma için belirteyim; küçük
hidroelektrik santrallarda üretim aydan aya değişirken kapasite oranı %40-80
arasındadır. Rüzgar santrallarında ise üretim bir gün içinde saat'ten saate
değişir ve kapasite faktörü %30'dan düşüktür.
3--Yakıt masrafının olmaması
ve yüksek kapasite faktörü dolayısıyla enerji maliyeti kilovat saat başına 4
cent'den azdır, yani diğer teknolojilerin çoğundan daha ekonomiktir.
4--Çöplük gazı santralları
şehirlerin birkaç kilometre dışındadır. Dolayısıyla şebeke bağlantıları
kısadır, bu da maliyeti ve enerji kayıplarını azaltır.
5--Teknolojiye Genel Bakış
5.1--Çöplük Gazı Oluşumu ve
Özellikleri:
1--Çöplüğe atılan çürüyebilir
maddeler oksijen yokluğunda "anaerobik" isimli bir işlemle bakteriler
tarafından ayrıştırılır. Bu esnada metan gazı, karbondioksit ve diğer gazlar
ortaya çıkar.
2--Metan gazının bir kısmı
yükselerek havaya karışır. Patlayıcı olmasının yanında küresel ısınmaya olumsuz
katkısı vardır.
3--Sera gazı ismi verilen bu
olumsuz etkisi aynı hacimdaki karbondioksit etkisinin 21 katıdır.
4--Çöplük içinde biriken
metan gazı ise zamanla büyük hacimlere erişebilir. Zaten anaerobik işlem sonucu
iyice ısınmış olan çöplükte ani kaymalar neticesinde hava çöplüğün
derinliklerine sızar.
5--Hava içindeki oksijen
yüksek konsantrasyondaki metan ile karşılaşarak patlamaya ve yangına yol açar.
6--28 Nisan 1993'de
Ümraniye-Hekimbaşı çöplüğü böyle bir kayma ve patlama sonunda harekete geçmiş
ve vadi ucundaki 11 ev çöplük altına kalarak 39 insanımız hayatını kaybetmişti.
7-- doğal gazın yaklaşık
%90'ı metan gazı iken, bu oran çöplük ve kanalizasyon gazlarında düşüktür.
Ancak özellikle çöplük gazındaki metan oranı yerel şartlara göre çok
değişmektedir.
7.1--Örneğin sıcak ve nemli
bölgelerde çöplük gazındaki metan oranı %60'a kadar çıkarken kuru ve soğuk
yerlerde %35'e düşebilmektedir. Metan oranının %40'ın altına inmesi durumunda
enerji elektrik üretimi ekonomik olmayabilir.
7.2--Çöplük gazında ayrıca
oran olarak az ancak paslanmaya yol açabilecek başka maddeler de bulunabilir.
7.3-- düşük ısı değeri çöplük
gazının doğal gazdan enerji üretiminde daha az verimli, yani aynı miktarda
elektrik üretebilmek için doğal gazın yaklaşık iki katı çöplük gazına ihtiyaç
var.
8-- Toplumun ürettiği atık
miktarı gelişme seviyesine orantılı olarak değişir. En az gelişmiş ülkelerde
kişi başına senede 150 kg atık üretilirken, gelişmiş ülkelerde 1-1,5 ton'a
kadar çıkabilir. Ben Türkiye'nin şartlarını düşünerek 500 kg (0,5 ton) kabul
edeceğim. Bunun içine ev ve sanayi atıkları dahildir.
8.1--Atıklarda organik madde
oranı arttıkça çöplük gazının üretimi de artar. Ham atık malzemenin yaklaşık
%40'ı organik maddedir. Kağıt, karton, metal, plastik, cam gibi tekrar
kullanılabilecek maddelerin ayıklanması halinde organik madde oranı %70'e kadar
çıkar.
8.2--Ortalama 1 ton'luk atık
malzemeden (organik ve inorganik malzemeler karışık) senede yaklaşık 10 m3
çöplük gazı toplanabilir. Bu sayıları bir araya koyarak 1 milyon nüfuslu bir
şehrin 15 senelik bir çöplüğünden enerji üretimi için kullanılabilecek gaz
miktarını hesaplayalım:
Gaz üretimi = 1 000 000 kişi
x 0,5 ton/kişi/sene x 15 sene x 10 m3 gaz/ton/sene / 8760 saat/sene= 8 600
m3/saat
8.3-- Kuzey Amerika'daki
modern çöplükler genellikle 1970'lerin sonları ile 1980'lerin başında kurulmuş
ve 1990'ların ortasından itibaren enerji üretimine başlanmış. Yani enerji
üretimine başlandığında çöplükler 15 senelikti.
8.4--Atıklar yaklaşık 30-40 sene
gaz üretiyor. İlk 5-10 sene arası en verimli devre. Çöplüklerin ortalama
ömrünün 30 sene civarında olduğunu düşünürsek, muhafazakar bir yaklaşımla
diyebiliriz ki çöplük kapandıktan sonra dahi en az 15 sene daha yeterli
miktarda gaz almak mümkün olur.
8.4.1--Çöplük kapanmadan 10
sene önce kurulacak bir santral için 25 senelik gaz üretimi garantiye alınmış
olunur ki bu da finansal yatırımın karşılığını görmek için çok uygun bir
süreçtir.
9--Çöplük Gazından Üretilebilecek Elektrik Miktarı
9.1--Gaz motorlarının yakıt
kullanımı (dolayısıyla verimi) motor cinsine ve boyutuna göre değişmektedir.
Ortalama olarak 11,6MJ/kWsaat
(=11000 Btu/kWsaat) alalım.Çevrim tablolarından 1 kWsaat=3,60 MJ olduğunu
görebilirsiniz. Yani örneğimizde 3,60'lık elektrik üretebilmek için 11,6 MJ
enerji girişi olması gerekmektedir. Bu iki değerin bölümüyle motorun verimini
buluruz: 3.6/11.6=%31. Gaz motorlarında verim %35'e kadar çıkabiliyor.
9.2--Yukarıdaki satırlarda 1
milyonluk bir şehirde 8 600 m3/saat kadar çöplük gazı üretileceğini ve ısı
değerinin 19 MJ/m3 olduğunu belirttik. Bu değerleri bir araya koyarak enerji
kapasitesini kolayca hesaplayabiliriz:
P = (8600 m3/saat x 19 MJ/m3)
/ 11.6 MJ/kWsaat = 14000 kW = 14 MW
9.3-- Kanada'nın Toronto
şehrinde 3.0 milyon insan yaşıyor. Yukarıdaki hesabımıza göre 3.0 x 14 = 42 MW
kapasitede enerji üretilmesi gerekir. Gerçekte 3 santral bulunuyor toplam
kapasite 62 MW. Aradaki fark Toronto'da özellikle kişi başına atık miktarının
0.5 ton/kişi'den fazla olmasından dolayıdır.
9.3.1--Bulgularımızı
İstanbul'a uygularsak çöplük gazından en az 12 x 14 =168 MW 'lık elektrik
üretebilmemiz gerekir
10--Modern Çöplük Sistemi
1--Modern bir çöplükten amaç
atıkların çevreye zarar vermeyecek şekilde uzun süre depolanmasıdır. Çöplükte
üretilen gazların yeraltına sızabilecek kirli akıntıların toplanması gerekir
2--Atık depolama sahası önce
kirli akıntıların yeraltına sızmasını önleyecek bir geçirgensiz bir tabaka (1)
ile kaplanır.
3--Bu tabaka genelikle 1.2 m
kalınlığında sıkıştırılmış bir kil tabakasıdır. Son yıllarda bunun da üzerine
bir plastik tabaka (1.5 mm kalınlığında HDPE -High Density Polyethylene)
serilmektedir.
4--Bu takdirde kil
tabakasının kalınlığı 50-60 cm'e indirilebilir. Kil tabakasının hemen üzerine
kirli akıntıları toplayacak boru ağı döşenir.
5--Akıntılar bir kuyuda
toplanır ve buradan bir pompa ile sıhhi atık su sistemine (kanalizasyon
sistemi) pompalanır (5).
6--Günlük atıklar birer hücre
halinde depolanır. Her hücrenin yüksekliği yaklaşık 6 m'dir. Günün bitiminde
hücrenin üzeri 50-60 cm kalınlığında toprak tabakası ile örtülür.
7--Bu hem çöplüğün
stabilitesini arttırır hem de atıkların çöplük dışına dağılmasını azaltır.
Ayrıca çöplük civarına 5-6 m'ye yakın yükseklikte telörgü çit döşenir.
8--Böylece döküm esnasında
rüzgarla kağıt ve plastik malzemelerin civara yayılması büyük ölçüde önlenir.
Yine atık dökülürken toprak üzerine su sıkılarak toz kalkması ve atıklar
üzerine kimyasal sıvı püskürtülerek koku yayılması azaltılır.
9--Çöplüğün kapasitesi
dolduğunda üzeri kalın bir toprak tabakası ile kapatılır (8). Böylece yağmur
sularının çöplüğe sızması ve çöplükten metan gazının havaya karışması önlenir.
10--Yüzey yeşil alana
dönüştürülür. Batı ülkelerinde bazen çöplük yüzeyi golf sahası olarak da
düzenlenmektedir. Çöplük içine ve geçirgen tabakanın altına yerleştirilmiş
aygıtlarla sürekli olarak örnekler alınır ve kirlilik değerleri kontrol edilir.
11--Bu işlem çöplük
kapandıktan yaklaşık 30 sene daha devam etmelidir.
12--Çöplükten Gaz Toplama Sistemi
1--Çöplük gazı bir boru ağı
ile toplanır. Çöplüğe delinen 30-50 cm çapındaki düşey kuyulara 15-25 cm
çapında delikli plastik borular yerleştirilir.
2--Borular geçirimsiz
tabakadan 2-3 m'ye kadar iner. Her borunun etrafına kuyuyu dolduracak şekilde
çakıl doldurulur.
3--Düşey boruların arasına
çeşitli seviyelerde yatay borular da yerleştirilebilir. Borular yüzeye yakın
bir seviyede santrala gidecek bir veya iki ana boruya bağlanır.
4--Boru adedi hektar
(100mx100m) başına 2-3 olarak hesaplanır. Çöplük gazındaki paslandırıcı
maddeler dolayısıyla çelik borular yerine plastik borular kullanılmalı, vana ve
diğer akşamın seçiminde gazın bu özelliği göz önüne alınmalıdır.
5--Ana boruların bağlandığı
pompalar vasıtasıyla gaz çöplükten az bir negatif basınçla (-25mbar ve -120
mbar arasında) emilir.
6--Fazla emiş yapıldığında
dışarıdan çöplüğe hava girer. Hava içindeki oksijen metan gazını üreten
bakterileri imha ederek çöplükte metan gazının üretimini yavaşlatır.
Dolayısıyla gazdaki oksijen seviyesi sürekli kontrol edilerek boru içindeki
basınç seviyesi ayarlanır.
7--Ayrıca, çöplükte metan
gazı hacimsel konsantrasyonun %5'in altında olması gerekir. Daha yüksek değerlerde
metan gazı hava ile karşılaştığında patlama olabileceğinden metan gazının
konsantrasyonu da gaz basıncının seviyesinin tesbitinde önemli rol oynar.
8--Çöplükten gelen bir veya
iki ana boru ilk once kaba filtre ve nem alıcı sistemden geçer. Burada
çöplükteki kirli sıvıdan dolayı ortaya çıkan nem süzülür ve gazdaki kaba toz
taneleri filtrelenir ("wet-scrubber").
9--Bazen nem süzme ve filtre
sisteminin tamamına İngilizcede "knockout" sistemi denilmektedir.
Buradan gaz özel pompalara ("blower" veya "fan") gelir .
10--Eğer santral bakım
dolayısıyla devre dışında kalırsa, gaz fırınlarda ("incinerator")
yakılarak metan gazı etkisiz hale getirilir.
11--Santral çalışır
durumdaysa, gaz işlem sistemine girer . Burada önce gaz içinde kalan nem tamamen
alınır ("condensate remover"), ince toz filtrelenir
("wet-scrubber"), kompresorlerden ("compressors") geçip
basınç yükseltilir. Basınçla birlikte yükselen gaz sıcaklığı
"chiller" vasıtasıyla düşürülür ve motora gönderilir.
12--Gaz bir veya birkaç gaz
motorunda yakılarak mekanik enerji ortaya çıkar. Genellikle 12 veya 16
silindirli motorlar kullanılmaktadir. Motora bağlı bir jeneratörle de elektrik
üretilir. Her motor-jeneratör ünitesinin gücü 1-3 MW civarındadır.Kuzey
Amerika'da en çok Caterpillar, Waukesha, Wartsila ve Jenbacher firmalarının
ürünleri kullanılıyor.
13--Egzos gazı bir baca ile
atmosfere verilir. Jeneratör çıkışı 415 V - 4160 V arasında değişebilir. Bir
trafo vasıtasıyla gerilim 22000 - 44000 V seviyesine yükseltilerek dağıtım
şebekesine bağlanır.
14--Motor çıkışında egzos
gazının sıcaklığı 500 °C'den fazladır. Bu egzos enerjisi ile buhar üretilerek
(yani kojenerasyon) yoluyla sistemin verimi %31'den %80'e kadar çıkarılabilir,
yeter ki yakınlarda buharı kullanabilecek bir tesis olsun.
15--Çöplük gazının debisinin
yüksek olması halinde (örneğin 10000 m3/saat'den büyük) bir kaç gaz motoru
yerine bir buhar türbini ile enerji üreterek maliyet düşürülebilir.
13--Çöplük Gazının Elektrik Üretimi Dışında Kullanımı
1--Çöplük gazının elektrik
üretimi dışında başlıca iki kullanım sahası bulunmakta:
1.1--Doğrudan ısı ve buhar
üretimi: Gazın içindeki rutubet alındıktan ve kaba filtreden geçirildikten
sonra ısı üretiminde veya buhar kazanında yakıt olarak kullanılır. Elektrik
üretiminin aksine bu uygulama için detaylı gaz işlem sistemlerine gerek yoktur.
Dolayısıyla eğer çöplüğün 1-2 km yakınında seralar ile ilaç, gıda, kiremit ve
tekstil fabrikaları gibi yoğun ısı ve buhar kullanıcı tesisler varsa çöplük
gazı elektrik üretiminden daha ekonomik olarak kullanılabilir.
1.2--Doğal Gaza Dönüşüm:
Çöplük gazının kompleks arıtma sistemlerinden geçirilerek doğal gaz seviyesine
getirilmesi ve sıvılaştırılması üzerine çalışılmaktadır. Ancak bu uygulama
elektrik üretimi ve doğrudan kullanılmaya kıyasla daha pahalı olmaktadır.
14--Maliyet
1--Normal şartlarda, 5 MW'dan
büyük santrallar için gaz toplama ve yakma fırınları için gerekli yatırım
yaklaşık $0.4 milyon/MW, santral için $1.0 milyon/MW civarındadır.
2--Toplam maliyet $1.4
milyon/MW olmaktadır. Senelik işletme ve bakım masrafları tahmini için de ilk
yatırımın %4'ünü alabiliriz.
3--Daha küçük kapasiteli
tesisler için bu maliyetler artabilir. Örneğin 1 MW kapasiteli santral için
yukarıdaki maliyetleri %30 arttırmak uygun olur.
4-- yaklaşık 5 MW'lik bir
santral için kWsaat başına toplam maliyeti hesaplayalım:Kabuller:
Kapasite: 5 MW
Kapasite faktörü: %90
Yatırım maliyeti: $7 million
($1.4M/MW)
Proje finans: %100 kredi
Kredi faizi: %10
Vergi Haddi: %0
Amortisman süresi: 15 sene
İsletme ve bakım maliyeti:
Yatırım maliyetinin %4'ü
4.1--Bu kabullere göre
aşağıdakileri hesaplayabiliriz:
1--Senelik elektrik üretimi =
5 MW x 365 gün x 24 saat/gün x %90 = 39 500 MWh = 39 500 000 kWh
2--Senelik yatırım maliyeti =
$920 000 x $100 cent/$ / 39 500 000 kWh = 2.33 cent/kWh (Burada $920 000 değeri
$7 milyonluk yatırımın 15 senede amortisi için senelik $ cinsinden yatırım
masrafıdır. Yani $7 milyonluk ve %10 faizli bir borcu her sene $920 000
ödeyerek 15 senede tamamen ödemiş olursunuz. Eğer faiz örneğin %7 olsaydı,
senelik $770 000 ödemek gerekirdi. Bu ise senelik yatırım maliyetinde 0.4
cent/kWsaat azalma demektir).
3-- kWh başına işletme/bakım
masrafı = (%4 x $7 000 000 x 100 cent/$) / 39 500 000 kWh = 0.71 cent/kWh
4--Toplam senelik maliyet:
0.71+2.33 = 3.04 cent/kWh
5--Eğer belediye yerine özel
bir firma gaz toplama ve santrali kurup işletecekse, belediye gaz kullanma
kirası tahsil eder. Bunun Kuzey Amerika'daki değeri 0.5 - 0.7 cent/kWsaat
kadardır.
5.1--Eğer belediye tarafından
toplama boruları ve gaz yakma fırınları kurulmuşsa ve enerji firmasına sadece
santral yatırımı kalmışsa, gaz kullanma kirası 1 - 1.2 cent/kWsaat civarında
olabilir.
5.2--Sonuçta diyebiliriz ki
çöplük gazından elektrik üretiminin özel firmaya maliyeti 3.5 - 4.0 cent/kWsaat
civarındadır.
6--Bazı özel haller haricinde
gelir vergisi ödenmesi gerekir. Örneğimiz için bunu t=%35 kabul edelim.
1--Kredi verecek finans
kuruluşları genellikle öz sermayenin (equity) yatırıma katkıda bulunma
zorunluğu koyarlar. Özellikle 10-20 senelik bir elektrik satınalma antlaşması
(power purchase agreement) yapılmıyorsa öz sermaye payının artması zorunludur.
Şimdi aşağıdaki kabulleri yaparak hesabımıza devam edelim:
2--Kabuller:
Özsermaye payı (E): %30
Kredi payı (D): %70
Öz sermaye maliyeti (e): %20
Kredi faizi (d): %10
Vergi haddi (t): %35
3--İskonto oranı (discount
rate) olarak, yukarıdaki örnekteki kredi faizi yerine ağırlıklı ortalama
iskonto oranını (weighted average cost of capital, wacc) kullanmamız gerekir:
wacc = [e x E] + [(1-t) x d x
D] = [%20 x %30] + [(1-%35) x %10 x %75] = %10.9
4--Formülde, borcun önünde
(1-t) olmasının sebebi borç faizinin vergiden düşürülebilmesindendir. Bu
iskonto değerini kullanırsak, $7 milyonluk yatırımın 15 senede amorti
edilebilmesi için senelik yatırım maliyeti $970 000 olacaktır (%100 kredi
durumunda, $920 000'di). Senelik yatırım maliyeti kW saat başına 2.46 cent'dir,
yani 0.13 cent/kWsaat artış olacaktır. Toplam maliyet de 3.04+0.13=3.13
cent/kWsaat'a çıkar.
5--Sonuç olarak, kolayca
diyebiliriz ki dikkatli bir planlama ile çöplük gazından elektrik üretimini
ekonomik olarak gerçekleştirmek mümkündür. Kapasite faktörünün %90 gibi yüksek
değerde olması, yakıt maliyeti olmaması diğer yenilebilir teknolojilere kıyasla
(özellikle rüzgar santralına göre) daha ekonomik yapmaktadır.
15--Çevre Etkileri:
1-- çöp gazının kontrolsuz
yayılması çevreye zararlıdır. Özellikle içindeki metan gazının küresel ısınmaya
olumsuz katkısı, oksijenin yüksek konsantrasyonlu metan gazı ile karışması
sonucu çöplükte patlama ve yangınlara sebep olması ve çöplükten pis kokuların
etrafa yayılması çöp gazının toplanması ve imhasını zorunlu kılmaktadır.
2--Toplanan gaz yakılarak yok
edilmeye çalışılır. Alternatif olarak, bu yazıda açıklandığı gibi, elektrik
motorunda çöplük gazı hem yakılır hem de elektrik üretilebilir.
3--Motorun egzos gazındaki
başlıca maddeler karbonmonoksit (CO) ve azotoksittir (NOx). Her ikisi de
zehirli gazlar olduğu için bu teknoloji "temiz enerji" (clean energy)
değildir.
4--Ancak yakıtın sürekli
olarak yaratılması dolayısıyla "yenilenebilir" (renewable) ve çevreye
net etkisinin pozitif olması dolayısıyla "yeşil enerji" (green
energy) grubuna girmektedir.
5--Eğer çöplük gazı gaz
fırınında yakılacak olsa egzos gazında (motor ve fırın yakma dereceleri farkı
dolayısıyla) daha fazla NOx ve daha az CO ortaya çıkar. Ancak toplam hava
kirlilik miktarı eşittir. Yani elektrik uretimiyle fazladan kirlilik
yaratılmamaktadır.
16—Sonuç
1--Çöplük gazından elektrik
üretimi yenilenebilir teknolojiler arasında hidroelektrik santrallardan sonra
ikinci ekonomik teknolojidir.
2--Çevreye net etkisi
pozitiftir. Yüksek kapasite faktörü ile güvenilir bir enerjidir. Kullanılan
teknoloji denenmiş ve gelişmiş bir teknoloji olduğu için risk çok azdır.
Kaynak: Mahir Aydın-Faydalanılan Kaynaklar:
1-- The Umraniye-Hekimbaşı Open Dump Accident", Gunay Kocasoy,Kriton Curi, Waste Management &Research, Vol. 13, pp. 305-314, 1995
2. "Municipal Solid Waste-Management: Institutional and Socio-economic Constraints - Experience from the Mediterranean Region", Waste Management & Research, Vol. 12, pp. 233242, 1994
3--The Sanitary
Landfill Site", Toronto (Canada) Metroworks publications, 1994
4--New Landfill
Standards-under Review in Ontario", Steve Hollingshead, Environmental
Science and Engineering, pp 71-72, November 1996
5--Design Review of Landill Gas Energy Recovery Projects: An Approach to Risk Management", Power Generation Energy Management & Environmental Sourcebook, P.V. Ziminsky, N.M.Parece, the Fairmont Press Inc, 1992
6--A Strategy for the Development of Landfill Gas Technology in India", A.V. Shekdar, Waste Management & Research, Vol. 15, pp.255-266, 1997
7--Energy Choices in a Competitive Era- The Role of Rewable and Traditional Energy Reources in America's Electric Generation Mix", Resource Data International, Inc., 1993