Biyogaz Nedir? Özellikleri Nelerdir? Nasıl Üretilir?

Dünya üzerinde her saniye organik atıklar doğaya salınmaktadır. Peki bu organik atıklardan ısı ve elektrik üretilebileceğini biliyor muydunuz? İşte bu yazımızda da organik atıklardan ısı ve elektrik üretimi sağlayan biyogaz kavramını sizler için derledik.

Biyogaz Nedir?

Biyogaz, organik atıkların oksijensiz ortamda bozunması, yani fermantasyonu sonucu oluşan renksiz, kokusuz, havadan hafif ve mavi bir alev ile yanan bir gazdır.

Biyogaz, %50-70 oranında metan, %30-40 oranında karbondioksit, %5-10 oranında hidrojen ve az miktarda da azot (%1-2), su buharı (%0.3) ve hidrojen sülfürden oluşmuştur.

Biyogaz Tarihi

• Organik maddelerin oksijensiz çürümesi sonucu biyogaz oluşumu süreci 18. Yüzyılın ortalarında Volga tarafından tanımlanmıştır ve günümüze kadar sürekli geliştirilmiştir.
• İlk oksijensiz (anaerobik) çürütme tesisi Hindistan’ın Bombay kentinde bir hastanede 1859 yılında yapılmıştır.
• Havasız arıtmanın atıksu arıtımında kullanılabileceği 1881 yılında ortaya atılmıştır.
• Pasteur’ün bir öğrencisi olan Gayon, hayvan gübresi ile olan çalışmalarını 1883-1884 yıllarında yapmıştır. Bu çalışmalar sonucunda uygun şartlarda oluşturulan gaz miktarının büyüklüğü, Pasteur’ü ve ondan sonraki araştırmacıları farklı bir boyuta yönlendirmiş ve bu gazın ısıtma ve aydınlatmada kullanılabileceği ortaya atılmıştır.
• Atık su arıtma ve bu yolla biyogaz üretimi tesisi ilk olarak 1895 yılında İngiltere’de kurulmuştur. 1897 yılında Cameron, septik tanklar adını verdiği sistemlerin patentlerini alarak bu tankları mühendislik açısından geliştirmiştir.
• Almanya’da yoğun olarak özellikle Imhoff’un çalışmaları göze çarpmıştır. Imhoff, 1906 yılında iki kademeli anaerobik arıtma tesisini kurmuştur. 1907 yılında biyogazdan bir gaz motoru yardımıyla enerji üretimi sağlanmıştır.
• 1920 ve 1930 yıllarında Buswell ve arkadaşlarının çalışmalarıyla sistemlerin kimyasının anlaşılması sağlanmıştır ve 1947’nin sonlarında çürümede etkin olarak mikroorganizmaların rol oynadığı ortaya konmuştur.
• II. Dünya savaşı ile birlikte günümüzde kojenerasyon olarak adlandırılan hem ısı hem de elektrik üretiminde biyogazın kullanıldığı proses uygulamaları başlatılmış ve oksijensiz ortamda çürütme prosesleri günümüze kadar sürekli geliştirilmiştir.

Biyogazın Özellikleri

Biyogaz, metan bakterileri tarafından havasız bir ortamda biyolojik olarak bozunabilen bir gaz karışımıdır. Biyogazın özellikleri genel olarak aşağıdaki gibidir.

• Biyogaz havadan %20 oranında daha hafiftir.
• Tutuşma sıcaklığı 650 °C – 750 °C aralığındadır.
• Renksiz ve kokusuz bir gazdır.
• LPG’ye benzerlik göstererek açık mavi bir alevle yanar.
• Isıl değeri yaklaşık 20 MJ/ m³
• Yanma verimi ise %60’tır.

Hayvansal atıklar, tarımsal atıklar içinde çok önemli bir yere sahiptir. Bu atıklar geleneksel yöntemlerle tarımsal gübre olarak kullanılmaktadır. Ancak hayvansal atıklar biyogaz üretiminde de oldukça önemlidir. Ancak yaş durumdaki hayvan atıklarının ısıl verimi düşüktür bu yüzden atıkların kurutulması gerekmektedir.

Biyogaz Nasıl Üretilir?

Biyogaz üretimini anlamak için fermantasyon kavramını iyi bilmek gerekmektedir. Fermantasyon yani mayalanma, herhangi bir maddenin ısı verilerek bakteriler, mantarlar veya diğer mikro organizmaların faaliyetleri sonucu kimyasal olarak çürümesi olayıdır. Biyogaz da hayvansal, bitkisel ve evsel atıkların bakteriler ile fermantasyonu sonucu oluşur.

Biyogaz Üretim Süreci

Biyogaz üretimi, anaerobik fermantasyon ile gerçekleşir. Kimyasal olarak çeşitli bakterilerin faaliyeti sonucu bu fermantasyon 4 farklı basamaktan oluşmaktadır. Bunlar hidroliz, asit üretim, asetik asit üretim ve metan üretim fazlarıdır. Bu basamaklar ile karbonhidratlar, yağlar ve proteinler gibi kompleks karbon kaynakları bu aşamalar ile metan ve karbondioksite kadar ayrıştırılmaktadır.

Hidroliz Fazı

Hidroliz fazında karbonhidratlar, yağlar ve proteinler daha küçük yapı taşları olan amino asitler, yağ asitleri ve monosakkaritlere parçalanır.

Asit Üretim Fazı (Asidogenezis)

Hidroliz fazında oluşan küçük moleküllü bileşikler asit üretim fazı ile laktat, etanol, bütirat, propionat gibi bileşiklere ayrıştırılır.

Asetik Asit Üretim Fazı (Asetogenezis)

Asetik asit üretim fazı ile asetik asit, karbondioksit ve hidrojene parçalanır.

Metan Üretim Fazı (Metanogonezis)

Son aşama olan metan üretim fazı ile asetik asit,  karbondioksit ve hidrojen biyogaza dönüştürülür ve geri kalan ayrıştırılamayan gübre niteliğindeki kısım ise son ürün açığa çıkar.

Biyogaz Üretiminde Kullanılan Hammaddeler

Anaerobik fermantasyon için birçok çeşit atık kullanılabilir. Bunlar:

• Gıda Atıkları
• Bitkisel Atıklar
• Hayvansal Atıklar
• Kanalizasyon Atıkları

Gıda Atıkları

Yemek ve mutfak artıkları gibi atıklar gıda atıkları olarak değerlendirilir. Bu atıklar biyolojik olarak bakteriler tarafından parçalanabilir ve organik olduğundan anaerobik fermantasyon için uygundur. Gelişmiş ülkelerde kişi başına düşen gıda artığı 700g/kişi/gün’dür. Bir konutun ortalama gıda atığı ise 3 kg civarındadır.

Mutfak atıklarının bileşimi aşağıda tablodaki gibidir.

Hayvansal Atıklar

İnek, sığır, at, koyun ve tavuk gibi hayvanların dışkıları, mezbahane atıkları, hayvansal ürünlerin işlenmesiyle açığa çıkan atıklar hayvansal atıklardır. Genellikle de kırsal kesimlerde bu hayvansal atıklar kullanılarak biyogaz üretimi sağlanır. Bu atıklar kolay bir şekilde depolanabilir. Depolanma sürecinde atıkların PH değeri sabit olarak kaldığı için hayvan atıkları gıda atıklarıyla birlikte kullanılmak için oldukça uygundur.

Atığın içerisinde saman olması durumunda bu samanın fermantasyon öncesinde küçük parçalara ayrıştırılması gereklidir. Hayvansal atıkların fermantasyonu sonucu organik madde içeriği sabit ve azot içeriği yüksek ürün oluşur.

Hayvan kütlesine bağlı olarak elde edilebilecek günlük ve yıllık yaş gübre miktarları aşağıdaki gibidir.

• Büyükbaş hayvan: Hayvan kütlesinin % 5-10’u kg/gün
• Koyun-Keçi: Hayvan kütlesinin %4-5’i kg/gün
• Tavuk: Hayvan kütlesinin %3-4’ü kg/gün

Farklı bir yaklaşımla bir genelleme yapılırsa yıllık yaş gübre üretimi aşağıdaki gibi olur.

• 1 adet büyükbaş hayvan 3,1 ton/yıl
• 1 adet küçükbaş hayvan 0,7 ton/yıl
• 1 adet kümes hayvanı 0,022 ton/yıl

Bitkisel Atıklar

Saman, anız, şeker pancarı yaprakları, çimen artıkları ve mısı artıkları gibi bitkilerin işlenmeyen artık kısımları ile bitkisel ürünlerin işlenmesi sonucu açığa çıkan artıkları biyogaz üretiminde bitkisel atık olarak kullanılabilir. Bitkisel atıklar ile biyogaz üretimi kontrollü bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bu yüzden de kırsal kesimler de bitkisel atıklar ile biyogaz üretimi önerilmez. Şehirlerde de genellikle yeşil alanların bakımı sırasında açığa çıkan çim artıkları belediye tarafından biyogaz üretimi için kullanılır. Türkiye’de ise bu uygulama Kocaeli belediyesi tarafından hala sürdürülmektedir.

Kanalizasyon Atıkları

Kanalizasyondan çıkan atıklar fermantasyon için kullanılabilir. Ancak tuvaletlerde çok fazla miktarda temizlik maddesi kullanılır. Bu da su ile karıştırıldığında kanalizasyon atıklarının verimi düşer ve yüksek hacimli reaktörler gerekmektedir. Tuvalet suyu biriktirilen oluşan atık miktarı aşağıdaki tabloda gösterilmektedir. Bu tabloda tuvaletlerde daha az temizlik suyu kullanılarak, günde yaklaşık 2-8 L atık su üretebileceği görülmektedir.

Biyogaz Üretim Amaçları ve Avantajları

Anaerobik fermantasyon sonucunda katı ve sıvı maddeler atık olarak açığa çıkar. Bu maddeler de besleyici özellik taşıdıklarından gübre olarak kullanılabilir.

Biyogaz üretiminin amaçları genel olarak aşağıdaki gibidir.

• Temiz, çevre dostu bir enerji elde etmek
• Tarımsal faaliyetler için kaliteli gübre elde etmek
• Patojenleri gidermek
• Gübre kokusunu azaltmak
• Gübrenin korozif etkisini azaltmak
• Gübredeki bitki besin maddelerinin kaybını azaltmak
• Atmosferdeki amonyak ve metan miktarını düşürmek
• Organik katı ve sıvı atık sorununun çözümüne katkı sağlamak

Biyogaz üretiminin avantajları aşağıdaki gibidir.

• Ucuz, çevre dostu bir temiz enerji kaynağıdır.
• Atık geri dönüşümünü sağlar
• Biyo gaz üretimi ile hayvan gübresinin kokusu büyük oranda kaybolur
• Hayvan gübrelerinin insan sağlığına ve yer altı sularına olan olumsuz etkisi giderilmiş olur.
• Üretimden sonra açığa çıkan atıklar yok olmaz ve gübre olarak tekrar kullanılabilir.

Biyogaz Nerelerde Kullanılır?

Biyogaz, ısı üretiminde, elektrik üretiminde, motorlarda ve yan ürün olarak kullanılmaktadır. Genellikle tesislerde kojenerasyon ile elektrik ve ısı üretimi gerçekleşir.

Biyogazın Isıtma Amaçlı Kullanımı

Biyogaz hava ile 1/7 oranında karıştığı zaman tam olarak yanmaktadır. Isıtma amacıyla gaz yakıtla çalışabilen fırın ve ocaklar, termosifon ve şofbenler biyogazla çalıştırılarak kullanılabilir. Sobalarda kullanımı için özel bir baca sistemi gerektiğinden biyo gaz genellikle kalorifer sistemleri için tercih edilmektedir.

Biyogazın Elektrik Üretiminde Kullanılması

Biyo gaz kojenerasyon sistemlerde hem elektrik hem de ısı üreterek kullanılmaktadır. Üretilen bu elektrik de küçük ölçekli uygulamalarda, öz tüketim veya elektrik hattına aktarım ile kullanılır.

Biyogazın Motorlarda Kullanımı

Benzin ile çalışan içten yanmalı motorlarda katkı maddesi gerekmeden doğrudan kullanılabilir. Ayrıca bünyesindeki metan gazı da saflaştırılarak işleme alınabilir. Dizel motorlarda kullanılırsa da %18-%20 oranında motorin ile karıştırılması gerekmektedir.

Dünya genelinde temiz enerjiye geçiş her geçen gün devam etmekte ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla elektrik ve ısı üretimi her geçen gün artmaktadır. Biyogaz ise bu konuda oldukça önemli bir rol oynayabilir.