MAKALELER / Çöp Gazından Elektrik Üretimi






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 





Makalenin İzlenme Sayısı : 527

Eklenme Tarihi : 10.07.2020

Önceki sayfaya geri dön.