İçindekiler
Dergi Arşivi

Alternatif Ulaşım Yakıtı Olarak Lignoselülozik Biyoetanolün Yaşam Döngüsü Analizi Ve Çevresel Yaşam Döngüsü Maliyet Analizi

Başak DAYLAN/Boğaziçi Üniversitesi Sürdürülebilir Kalkınma ve Temiz Üretim Uygulama ve Araştırma Merkezi - Asude Pelin KORKMAZ/Boğaziçi Üniversitesi Sürdürülebilir Kalkınma ve Temiz Üretim Uygulama ve Araştırma Merkezi - Prof. Dr. Nilgün CILIZ/Boğaziçi Üniversitesi Çevre Bilimleri Enstitüsü

 

 1. Giriş 

Petrol fiyatlarının hızla artması, küresel ısınma ve fosil yakıtların tükenmesine ilişkin endişeler ile enerji arzının güvenliği, sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi teşvik etmektedir. Ulaşım sektörü, küresel CO2 emisyonunun %19’undan sorumludur (Chouvau vd., 2013). 2011 yılında, geçmiş yıllara kıyasla %3’lük bir artışla, 34 milyar ton küresel CO2 emisyonu oluşmuştur (Morales vd., 2015). Ulaşım ise %98 fosil yakıtlara bağımlı olduğu için, bu sektördeki emisyonları azaltmak, iklim değişikliği hedeflerine ulaşmada önemli katkı sağlayacaktır. Biyoyakıtların araçta yanması CO2 net emisyonuna katkıda bulunmadığı için biyoyakıtların yaşam döngüleri boyunca CO2 emisyonlarının indirgenme potansiyeli yüksektir. (Lindorfer vd., 2014). Gıda harici biyokütle kaynaklı biyoetanol, benzine ve gıda kaynaklı yenilenebilir ulaşım yakıtlarına alternatif olabilir ve benzine göre sera gazı (GHG) emisyonunu %45-65 oranında düşürebilir. 2007’de 49 milyar litre olan küresel biyoetanol üretimi, 2011’de 110 milyar litreye yükselerek önemli artış göstermiştir (Chouvau vd., 2013). Benzindeki %10’a varan biyoetanol karışımları, motorlarda modifikasyon yapılmadan yaygın kullanılabilir. Ek olarak, E85 ve daha yüksek etanol karışımları, birden fazla yakıtla da çalışabilecek şekilde tasarlanmış içten yanmalı esnek yakıtlı araçlarda da kullanılabilir (Morales vd., 2015).

Geleneksel olarak, biyoetanol nişasta ve şeker bitkilerinden (örneğin; pirinç, buğday, arpa, mısır tohumu, şeker kamışı) birinci kuşak biyoyakıt olarak elde edilir. Ancak, besin ürünlerinin biyoetanol üretimindeki kullanım kısıtlamaları ile yüksek hammadde maliyeti nedeniyle (üretim masraflarının %55'i hammadde maliyeti), buğday samanı, şeker kamışı ve ağaçtan elde edilen küspe gibi düşük değerli lignoselülozik kalıntılar, ikinci kuşak biyoetanol üretimi için kullanılmaya başlanmıştır (Lindorfer vd., 2014; Gonzalez-García vd., 2009a).

Buğday samanı, 170 milyon ton/yıl üretimle Avrupa’daki en verimli mahsul artığından biridir (Chung vd., 2005). Türkiye’deki Tarımsal Atıkların İşletilmesi Raporu’na göre, 3,5 milyon ton kullanılabilir saman artığı üretimiyle Türkiye’deki yıllık buğday üretim kapasitesi 22,5 milyon tondur (LIFE, 2005). Mısır samanı da Avrupa ve ABD’de bulunan en önemli lignoselülozik mahsullerden biridir. ABD Tarım Bakanlığı verilerine göre, %78,9 ile mısır en yaygın ekili mahsul, mısır samanı yıllık 153 milyon ton (kuru) ile en verimli tarımsal artıktır (Kadam ve McMillan, 2003). Türkiye'de buğday, arpa ve pamuktan sonra 4. büyük üretim kapasitesi yıllık 2,2 milyon ton ile mısırdır. Ayrıca, 2005 verilerine göre, yıllık 4,1 milyon ton mısır kalıntısı lignoselülozik artık olarak üretilmiştir (LIFE, 2005).

Bu çalışmanın amacı, selülozun biyoetanole dönüşümü için eş zamanlı sakarifikasyon (şekerleşme) ve fermantasyon kullanarak lignoselülozik biyokütleden ikinci kuşak biyoetanol yakıt üretimini ve bu yakıtın yakılmasının çevresel ve ekonomik performansını incelemektir. Biyoetanol yakıt karışımları (E10 ve E85) ve benzinin, esnek yakıtlı araç ile km ulaşım başına çevresel etkileri ve ekonomik performanslarını hesaplamak için karşılaştırmalı Yaşam Döngüsü Analizi (YDA) ve Çevresel Yaşam Döngüsü Maliyet (ÇYDM) çalışmaları yürütülmüştür. 

2. Yöntem

2.1. Amaç, Kapsam, İşlevsel Birim ve Sistem Sınırları

Bu çalışmanın amacı E10, E85 ve benzinin çevresel ve ekonomik performanslarını değerlendirmek için hem biyoetanolün (buğday ve mısır samanı gibi lignoselülozik hammadde kaynaklı) hem benzinin üretim ve yakma proseslerinin karşılaştırmalı YDA ve ÇYDM çalışmalarını yapmaktır. Kapsam ise, hammadde eldesi, hammadde/yakıt nakliyesi, yakıt karışımları üretimi ve yakma dahil olmak üzere benzin ve biyoetanolün bütün yaşam döngüsünü beşikten mezara yaklaşımıyla içermektir (Daylan ve Ciliz, 2016; Ciliz vd, 2015a;b).

İşlevsel birim, esnek yakıtlı bir taşıt ile 1 km’lik ulaşım çerçevesinde uygulanmış ve her yakıt karışımı (E10, E85 ve benzin) için üretimden yakma işlemine kadar YDA ve ÇYDM analizleri yapılmıştır. Biyoetanol üretim-tüketim sistem sınırları; hammadde eldesi (S1), biyoetanol üretimi (S2), ve yakıt karışımlarının yanması (S3) olarak Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Lignoselülozik Hammadde Temelli Biyoetanol (E10 Ve E85) Yakıt Karışımlarının Yaşam Döngüleri İçin Sistem Sınırları

Hammadde hazırlama ve biyoetanol üretim alt sistemi yedi işlem ile belirtilmiştir: 1) hammadde yükleme ve depolama; 2) ön arıtma ve koşullandırma; 3) sakarifikasyon ve fermantasyon; 4) etanolü %99,5 saflaştırmak için damıtma ve susuzlaştırma; 5) etanol depolama; 6) damıtma ve buharlaştırmadan gelen atık suyun arıtıldığı atık su arıtma tesisi; ve 7) lignin kalıntısı ve atık su artıma tesisinden gelen katı maddeden enerji üretimidir (Humbird ve Aden, 2009; Borrion vd., 2012). Damıtma işleminden gelen alçıtaşı gibi katı atıklar ve ligninin yanmasıyla açığa çıkan küllerin düzenli depolamaya gönderildiği kabul edilmiştir. Bu alt sistemde değirmen makinesi gibi makinelerden kaynaklanan emisyonlar, enzim/kimyasallar ve her bir işlem için enerji (ısı ve elektrik) tüketimleri hesaplamalara eklenmiştir. Biyoetanol tesisinde enerji üretimi için biyokütledeki lignin ve atık su arıtma tesisi çamuru gibi yenilenebilir kaynaklar yakıt olarak kullanılmış ve şebekeden gelen elektrik tüketimi de dahil olmak üzere enerji ihtiyacı için fosil yakıt kullanılmamıştır (Gonzalez-García vd., 2009).

Biyoetanolün, biyoetanol tesisinden benzin istasyonuna dağıtımı, yakıt karışımlarının yakılması alt sistemi (S3) kapsamında kabul edilmiştir. Esnek yakıtlı araçlarda yakıtların yanması değerlendirilerek olası etkiler ve emisyonlar GaBi4 LCA yazılımı ile hesaplanmıştır. Esnek yakıtlı araçların imalat, bakım ve bertaraf aşamaları bu alt sisteme dahil edilmemiştir.
 

2.1. Yaşam Döngüsü Envanter Analizi

Mısır samanı temelli biyoetanol yaşam döngüsü için envanter veri kaynakları Tablo 1’de özetlenmiştir. Hammadde eldesi (S1), saman/kalıntıların arazide balyalanması, balyaların geçici depolamaya nakli, balyaların ara depolanması ve biyoetanol tesisine nakliyesini içerir. Araç/makine kaynaklı tüm emisyonlar S1’de değerlendirilmiştir. Ayrıca, makine imalatı-bakımı verileri ve tahıl hasadı için tarımsal bir alt sistem, çalışma sınırlarına eklenmemiştir.

Tablo . Mısır Samanı Temelli Biyoetanol Yaşam Döngüsü İçin Envanter Veri Kaynakları

Alt Sistemler için Gereken Veriler

Veri Kaynakları

S1

Balyama makinesi için kullanılan yakıt miktarı, kimyasal üretimi ve balyalar için yapılan harcamalar

(Nemecek ve Kagi, 2007; Gonzales-García vd., 2009b)

Yakıt tüketimi, mesafe, biyokütle nakliye kapasitesi

Varsayımlar (Tablo 3)

Yakıt üretimi (dizel, benzin vs.)

GaBi 4-Ecoinvent veritabanı

S2

Etanol verimi, tesis üretim kapasitesi, biyokütle kullanımı, kimyasal, besin maddesi ve enzim üretimi ve kullanımı

(Humbird ve Aden, 2009; Gonzalez-García vd., 2012; 2010a; Corredor, 2008; August ve Bawa, 2008), GaBi4 Ecoinvent veritabanı

Biyoetanol tesisi makineleri için enerji miktarı

(Luo vd., 2009)

Tekrar kullanılan, işlenmiş ya da depolanmış atıklar

(Gonzalez-García vd., 2009b)

Atıksu arıtma tesisi

(Humbird ve Aden, 2009), GaBi4 Ecoinvent

Katı atık depolama işlemi

GaBi4 Ecoinvent veritabanı

Yakıt kullanımı, mesafe, kimyasal nakliye kapasitesi

Varsayımlar (Tablo 3)

S3

Benzin üretimi

GaBi4 Ecoinvent veritabanı

Yakıt kullanımı, mesafe, benzin ve biyoetanol nakliye kapasitesi, biyoetanol, benzin ve karışım depolaması

Varsayımlar (Tablo 3)

E10, E85 ve Benzin ekonomik değerleri

(Gonzalez-García vd., 2009a;2010a; 2010b)

Araç kaynaklı emisyon değerleri

(Corredor, 2008)

Çalışmada biyoetanol tesisinin 200 milyon ton/yıl üretim kapasitesi ile Akdeniz Bölgesi’nde olduğu kabul edilmiştir. Hammadde, proses kimyasalları, üretim için enerji ve etanol verimi (427 L/ton kuru hammadde) verileri için, Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı Raporu’ndaki mısır samanının biyoetanole dönüşüm prosesine bağlı kalınmıştır (Humbird ve Aden, 2009). Biyoetanol üretim veriminin, hammaddenin glikoz içeriğine bağlı olan 0,51 g/g teorik değerine eşit ve diğer lignoselülozik hammaddeler için de aynı olduğu kabul edilmiştir. Mısır samanı yapısal analizi Tablo 2’de verilmiştir (Weiss vd., 2010). Toplam kuru madde miktarının yaklaşık %14’ü (arıtma tesisi çamuru gibi) olan biyokütledeki lignin bölümü, yüksek kalorifik değere sahiptir, biyoetanol üretim tesisi enerji ihtiyacı için yakıt olarak kullanılabilir.

 

Tablo . Mısır Samanının Yapısal Analizi

Karbonhidratlar

Mısır samanı (%)

Karbonhidratlar

Mısır samanı (%)

Glukan (C6)

35,0

Katı madde

4,2

Ksilan (C5)

18,5

Lignin

13,9

Kül

3,8

Ekstraktlar

10,5

  

2.2. Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA) ve Önemli Varsayımlar

S1 envanter verileri Tablo 3’te verilmiştir. S1 sisteminde saman balyalarının taşıma, yükleme ve boşaltımı için dizel yakıt tüketilmiş, dizel yakıt verileri Ecoinvent’ten alınmıştır. Balyalar tesis öncesinde saman depolama tesisinde geçici depolanır. Geçici depolamaya gelen balyalar, teleskopik taşıyıcı ile traktör römorkundan boşaltılır. Dizel yakıtın balyaların yığına boşaltılması ve yığından yüklenmesinde tüketildiği kabul edilmiştir. Biyoetanol yaşam döngüsü boyunca nakliyeye ilişkin varsayımlar Tablo 4’te, biyoetanol tesisi girdi ve çıktı verileri ise Tablo 5’te verilmiştir. Öğütme işlemi (S2)’nde elektrik enerjisi lignin yakılmasıyla tedarik edilmektedir. Biyoetanol tesisinin enerji denkliği Tablo 6’da gösterilmiştir (Luo vd., 2009). Damıtma işleminde elde edilen alçıtaşı depolama alanına gönderilmektedir. Eş zamanlı sakarifikasyon ve fermantasyon tesisindeki makinelerde kullanılan elektrik enerjisi, lignin yakma yoluyla buhar kazanlarından elde edilmektedir. Damıtma işleminden oluşan katı artıklardan 450 kg lignin elde edilerek, (atık su arıtma tesisi çamuru vb.) buhar ve enerji üretimi için kazan yakıtı olarak kullanılmaktadır. Biyoetanol tesisi, enerjisi kendi kendine yeten bir proses olarak modellenmiştir (Gonzalez-García vd.,2010a;b). Kazanda lignin yakılarak elektrik enerjisi ve buhar üretilir, kül oluşur ve deponiye gönderilir.

 

Tablo . S1’de Kullanılan Envanter Verileri (Nemecek ve Kagi, 2007).

İşlem

Akış

Değer

Not

Balyalama ve yükleme

Dizel

0,534 kg/balya

0,84 kg/L x 0,13 sa/balya x 0,23 x 6,8 L/sa x (3,125)

Saman

500 kg

 

Balya

1 birim

 

Balyaların geçici depolanması ve yüklenmesi

Polietilen

0,9936 kg/balya

Polietilenin yoğunluğu 920 kg/m3

Dizel

0,713 kg/balya

Teleskopik taşıyıcı için [32,9 MJ/balya] /[0,258 L/MJ] x [0.84 kg/L]

Balya

1 birim

 

3,125 [500 kg/160 kg] dönüştürme faktörüdür. Balyalama için tüketilen yakıt miktarı 160 kg, 6,8 L/sa’tir. Dizelin özgül ağırlığı 0,84 kg/L alınmıştır. Balyalamanın işlem süresi silaj balyalamanın 0,23 katıdır (0,13 sa/balya). 32,9 MJ Balyalama için kullanılan teleskopik taşıyıcının elektrik ihtiyacıdır. 0,258 L/MJ Ecoinvent’teki teleskopik taşıyıcının dizel tüketimidir (Nemecek ve Kagi, 2007)

Tablo . Biyoetanol Yaşam Döngüsündeki Nakliye İşlemleri İle İlgili Varsayımlar

Materyaller

Nakliye türü

Kapasite (ton)

Ort. mesafe (km)

Tarladan geçici depolamaya gelen biyokütle

Dizel traktör ve römork

8

50

Geçici depolamadan biyoetanol tesisine gelen biyokütle

Dizel kamyon

16

100

Toptancıdan biyoetanol tesisine önarıtma, sakarifikasyon ve fermantasyon kimyasalı nakli

Dizel kamyon

16

15

Ezimlerin toptancıdan tesise gelmesi

Dizel kamyon

16

30

Katı atıkların biyoetanol tesisinden atık depolamaya gönderilmesi

Dizel kamyon

16

25

Biyoetanol tesisinden etanolün karıştırma fabrikasına getirilmesi

Dizel kamyon

26

20

Biyoetanol karışımlarının bölgedeki depolamaya gönderilmesi

Dizel kamyon

26

30

Tablo . Biyoetanol Tesisinin Girdi/Çıktılarının Değerlendirilmesi

Girdiler

Kg

Enerji

Değeri, MJ

Çıktılar

 

Mısır samanı (%12,5 nem içerikli)

4.200

Elektrika

3.840

Materyaller

Değeri

Buhara

7.167

Etanol (%99,5), kg

1.000

Nakliye

Değeri, km

Elektrik, MJ

3.870

Vinil asetat

1,1

16 ton kamyon

15

Buhar, MJ

7.167

Sülfürik asit

133

 

 

Arıtmaya giden atık

Değeri, kg

Kireç

97

 

 

 

 

Diamonyum fosfat

5,7

16 ton kamyon

15

Lignin (kazana giden)

450

Mısır demlendirme sıvısı

44

 

 

Alçıtaşı (depolamaya)

295

Enzim

38

16 ton kamyon

30

Atıksu (arıtmaya)

980

Üre

16

 

 

Kül (depolamaya)

96

Amonyak

12

 

 

 

 

a Enerji üretimi prosesinden gelen.

Tablo . Biyoetanol Tesisinin Enerji Denkliği

İşlem

Elektrik, MJ

Buhar, MJ

Öğütme ve yıkama

250

--

Buhar önarıtması

270

5.330

Eşzamanlı sakarifikasyon ve fermantasyon

2.727

 

Damıtma

245

1.837

Atıksu arıtma tesisi

240

--

Toplam

3.732

7.167

Benzin, E10 ve E85 yakıtlı araçlar için birleştirilmiş ekonomi değerleri Tablo 7’deki verilere göre hesaplanmıştır (Gonzalez-García vd., 2009a;2010a;b). Buna göre, km başına harcanan biyoetanol ve benzin miktarları hesaplanarak Tablo 7’de verilmiştir. Etanol ve benzin karışımlarının E10 ve E85 olarak üretimi ve deponi alanına dağıtımı bu alt sisteme eklenmiştir. Benzin üretim verileri GaBi4 Ecoinvent veritabanından alınmıştır.

Tablo . Seçilmiş Yakıtların Esenk Yakıtlı Araçlar İçin Ekonomik Değerleri

Yakıt Çeşidi

Ekonomik değeri, km/L

Yakıt ihtiyacı, g/km

Biyoetanol

Benzin

Benzin

10,91

-

65,00

E10

10,51

6,89

62,01

E85

8,29

77,95

13,76

Benzin ve etanolün yoğunlukları sırasıyla: 0,710 kg/L ve 0,789 kg/L’dir.

2.3. Çevresel Yaşam Döngüsü Maliyeti (ÇYDM)

Amaç E10, E85 ve benzin üretim ve işletme değerlerini hesaplamak ve karşılaştırmaktır. Biyoetanol tesisi işletme maliyetleri, hammadde, değişkenler (kimyasallar, enzimler, besinler vs.) ve sabit işletme maliyetlerini (işçi maaşları ve bakım) içermektedir. YDA’daki varsayımlar ve sistem sınırları, ÇYDM’de de kabul edilmiştir. Hammadde maliyeti kuru metrik ton başına 58 € alınmıştır (Borrion vd., 2012). Tanımlanan kapasitedeki tesis için ihtiyaç duyulan çalışan sayısı ve maaş bilgileri Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı 2002 tasarım raporundan alınmıştır (Kazi vd., 2010). Biyoetanol tesisi için kimyasal maliyetleri Tablo 8’de verilmiştir (Aden vd., 2002). Çalışmadaki kimyasalların maliyeti ve maaşlar 2010 yılı dolar kurundan hesaplanmıştır. Benzin üretim maliyeti 0,69 €/kg alınmıştır (Piccolo ve Bezzo, 2009).

Tablo . Biyoetanol Üretiminde Kullanılan Kimyasal Maliyetleri

Hammadde

Maliyet

(€/kg biyoetanol)

Hammadde

Maliyet

(€/kg biyoetanol)

Vinil asetat

0,80

Üre

0,38

Sülfürik asit

0,35

Maya

3,50

Söndürülmüş kireç

0,08

Diamonyum fosfat

0,28

Mısır demlendirme sıvısı

0,48

Kaynatma kimyasalları

2,90

Selülaz enzimi

0,36

Atıksu kimyasalları

0,35

Amonyak

0,20

Atıksu polimerleri

5,70

3. Sonuçlar ve Tartışma

3.1. Yaşam Döngüsü Etki Analizi (YDEA)

Envanter verileri GaBi4 YDA yazılımı ile yorumlanmış; asidifikasyon (AP), sucul ve karasal ötrofikasyon (WEP, TEP), fotokimyasal oksitleyici oluşumu (POCP), küresel ısınma (GWP) ve stratosferik ozon incelmesi (SOP) çevresel etki kategorileri incelenmiştir. AB’nin ulaşım kaynaklı GWP’yi azaltmak olan birincil hedefi için GHG’ye özellikle dikkat edilmiştir. Her bir yakıt için km başına emisyonlar GaBi4 ile hesaplanmış ve Tablo 9’da gösterilmiştir.

Tablo 9. 1 km'lik Mesafe İçin Her Bir Yakıtın Yaşam Döngülerindeki Emisyonları

Yakıt

CO2

(kg/km)

CO

(mg/km)

NMVOC

(mg/km)

NOx

(mg/km)

NH3

(mg/km)

SO2

(mg/km)

N20

(mg/km)

CH4

(mg/km)

Benzin

0,273

522

107

198

0,43

420

0,65

135

E10

0,259

284

109

224

1,70

411

0,67

185

E85

0,129

341

63

237

15

227

0,84

670

Benzine göre E85 ve E10’un CO2 emisyonları %52,7 ve %5,1; CO emisyonları %34,7 ve %45,6 daha düşüktür. Tablo 10’da Benzin, E10 ve E85 yakıt yaşam döngülerindeki önemli noktalar, toplam CO2 emisyonu (%) olarak verilmiştir. Benzin ve E10 yaşam döngüsündeki başlıca CO2 emisyonu yakıt yanması ve petrol rafineri aşamalarından oluşur. E85 için km başına 0,129 kg CO2 üretilirken, E10 için 0,259 kg CO2 emisyonu açığa çıkmaktadır. E10 CO2 emisyonunun E85’e göre daha yüksek olmasının nedeni E10’daki yüksek orandaki benzindir.

 

Tablo 10. Benzin, E10 ve E85'in Yaşam Döngüsü CO2 Emisyonuna Göre Önemli Noktaları

Yaşam döngüsü aşaması

Toplam CO2 emisyonu (%)

E10

E85

Benzin

Yakıtın yanması

84

44

84

Petrol rafinerisi

15

-

15,5

Biyoetanol rafinerisi

-

48

-

Diğer

1

8

0,5

SO2 emisyonları, benzinle kıyaslandığında E85 için %46, E10 için %2,1 daha düşüktür. E10 yakıt yaşam döngüsüne bakıldığında, petrol rafinerisi ve yakıt yanması aşamaları SO2 emisyonlarının sırasıyla %85 ve %10’unu oluşturmaktadır. En yüksek N2O emisyonu, E85 sebebiyle açığa çıkmaktadır. N2O emisyonu, E10 ile %20,2, benzin ile %22,6 azalmaktadır. NH3, NH4+, N2O ve NO3- emisyon miktarlarının E85’te yüksek olmasının sebebi eş zamanlı sakarifikasyon ve fermantasyon işleminde azot esaslı kimyasalların tüketilmesi -özellikle selüloz üretimi aşamasında- ve yakıt yanmasından kaynaklı yüksek egzoz gazı kirleticileridir. Biyoetanol üretimi E85’in CH4 emisyonunun %80’ini oluşturduğundan, CH4 emisyonu E10 için E85’e göre %73, benzin için %80 daha düşük gözlenmiştir. E10, E85 ve benzin için karşılaştırmalı çevresel etki potansiyelleri Şekil 2’de gösterilmiştir. Tablo 11’de ise, km başına hesaplamalar baz alınarak ölçülen YDA karakterizasyon sonuçları özetlenmiştir.

Şekil 2. E10, E85 ve Benzin İçin Karşılaştırmalı Çevresel Etki Potansiyelleri.

Tablo 11. 1 km'lik Sürüş Mesafesinin Olası Çevresel Etkileri

Kategori

Birim

E10

E85

Benzin

GWP

kg CO2 eşdeğeri

0,265

0,147

0,278

SOP

kg R11 eşdeğeri

2,96 E-8

1,05 E-8

3,06 E-8

AP

m2 korunmasız ekosistem

9,29 E-3

6,49 E-3

9,20 E-3

TEP

m2 korunmasız ekosistem

5,86 E-3

7,59 E-3

5,08 E-3

WEP

kg NO3 eşdeğeri

1,25 E-4

3,34E-4

0,94E-4

POCP

kişi*ppm*saat

4,31 E-8

5,50 E-8

3,99 E-8

E10 ve E85 yaşam döngüsünde, km başına oluşan SOP, benzinle kıyaslandığında %3,1 ve %65,7 azalmaktadır. Benzinin AP’si E10’a göre %0,97, E85’in AP’si benzine göre %29,5 daha düşüktür. Genelde, AP birinci kuşak biyoetanol tarımsal alt sistemlerinden gelmektedir. Bu çalışmada lignoselülozik ürünler mısır ve buğday üretimi yan ürünü olarak değerlendirildiği ve tarımsal altsistem sınırlara eklenmediği için E85’in AP’si benzine göre daha uygundur.

Eş zamanlı sakarifikasyon ve fermantasyonda N-temelli kimyasalların yakılmasıyla açığa çıkan yüksek NH3 emisyonu ve yakıt karışımlarının yanmasından kaynaklanan yüksek NOx emisyonları nedeniyle, TEP açısından E10 ve E85 biyoetanol karışımları yerine benzin, daha gelişmiş çevre performansı sunmaktadır. Benzin, E10 ve E85 sonuçlarına göre %13,3 ve %33,1 daha az TEP, %24,8 ve %71,9 daha az WEP ihtimali sağlamıştır.

Benzin kullanımı POCP açısından daha çevrecidir. Yakıt yanması alt sistemindeki yüksek NOx emisyonlarından dolayı benzin, E10 ve E85’e göre %7,4 ve %27,5 azalma sağlar. Ayrıca, E10 ve E85’i benzin yerine kullanmak, GWP’yi benzine kıyasla %4,7 ve %47,1 düşürmektedir. Tablo 12’de E10, E85 ve benzinin GWP emisyonları detaylı olarak verilmiştir. Benzinden E10 ve E85’e geçildiğinde GWP önemli oranda azalmıştır. GHG emisyonlarının çoğunlukla biyoetanol üretiminden gelen CO2 ve fosil yakıt eldesi kaynaklı CH4 olduğu görülmüştür. N2O emisyonlarının literatürden daha düşük (Tomas-Pejo, vd., 2009) olması, tarımsal üretim altsisteminin çalışmaya dahil edilmemesi ve seçilmiş ürünlerin tahıl üretiminin yan ürünleri olmasından kaynaklanmaktadır.

Benzinin km başına GHG emisyonu 0,277 kg CO2-eşd. iken, E10 için 0,265 kg CO2-eşd. ve E85 için 0,147 kg-CO2-eşd.’dir. E10 ve benzinin GWP’ye olan katkısının temel nedenleri, yakıt yakma (toplamın %85’i) ve fosil yakıt eldesi aşamalarıdır. Hammadde ile ilgili aktiviteler E10 için göz ardı edilebilir (toplamın %3’ü). E85 kullanıldığında, GHG açısından biyoetanol üretimi (toplamın %48’i) ve yakıt yakma (toplamın %45’i) kilit bölümü oluşturmaktadır. E85 döngüsünde, toplam GHG’nin %43 ve %42’sinden sorumlu selülaz üretimi ve ön arıtma, biyoetanol tesisi kaynaklı GWP’nin temel nedenini oluşturmaktadır.

Tablo 12. Bir Yolcu Aracının 1 km Sürüş Mesafesindeki GHG Emisyonları

GWP

Birim

Benzin

E10

E85

CO2

kg CO2-eşd./km

0,273

0,259

0,129

CO

g CO2-eşd./km

1,040

0,570

0,680

CH4

g CO2-eşd./km

3,380

4,620

16,80

N20

g CO2-eşd./km

0,210

0,210

0,270

NMVOC

g CO2-eşd./km

0,330

0,320

0,190

 3.2. Yaşam Döngüsü Maliyeti

Tüm yakıt alternatiflerinin km başına maliyetleri Tablo 13’te verilmiştir. Buna göre, biyoetanol benzinden daha düşük enerjiye sahip olduğu için km başına yakıt tüketimi benzinden daha fazladır. Bu nedenle, biyoetanol üretim maliyeti benzine göre %56 daha düşük olsa bile, biyoetanolün yüksek yakıt tüketimi nedeniyle E10’nun işletme maliyeti benzin maliyetinin yerine geçmektedir. Sonuç olarak, işletme maliyeti E10 ve benzin için eşit (0,047 €/km) olmaktadır. Ayrıca, E85 kullanıldığında işletme maliyeti benzinden %23 daha az olmaktadır.

Tablo 13: Tüm Yakıt Alternatifleri İçin 1 km Sürüş Mesafesinin Maliyeti

Durum

Benzin

E10

E85

Birim

Maliyeti

0,047

0,047

0,036

/km

Benzin ekonomisi

15,39

14,5

10,9

km/kg

4. Sonuç

E10 veya E85 yakıtlı araç tarafından gidilen km başına GHG emisyonu, benzine göre 12,8 g ve 130,5 g CO2-eşd. miktarda indirgenerek, %4,7 ve %47,1 azaltılabilir. GWP, AP, POCP, SOP ve ham petrol tüketimi açısından E85, E10’dan daha çevreci bir performans sunmaktadır. Bu durum seyahat mesafesine göre normalize edildiğinde geçerlidir. Ayrıca, E10, WEP ve TEP bakımından daha iyi çevresel performans göstermektedir. Fakat, benzini biyoetanol ile değiştirmek biyoetanol yakıtlı araçların üretim ve yanma işlemleri de dahil olmak üzere AP, EP ve POCP’ye katkıda bulunan emisyonların artmasına neden olmaktadır.

ÇYDM’ye göre, biyoetanol üretim maliyeti benzinden %56 daha düşük olsa da E10 kullanımı yüksek miktarda yakıt tüketimi içerdiği için benzin üretim maliyetini dengeler. Sonuç olarak, E10 ve benzinin çalıştırma maliyetleri eşit ve 0,047 €/km’dir. Fakat, E85 kullanılması benzine göre çalıştırma maliyetini %23 düşürecek ve ekonomik olarak daha uygulanabilir olacaktır. Bununla birlikte sonuçlar varsayılan petrol değerleri üzerinden hesaplanmıştır. Petrol fiyatlarındaki yüksek artışlar düşünüldüğünde, gelecekte biyoetanolün daha ekonomik olabileceği dahi söylenebilir. Ayrıca, hem tarımsal sistemler hem de biyoetanol üretimi için geliştirilen çalışmalar gelecekte biyoetanol yakıtların çevresel etkilerinin de maliyetlerinin de azaltılmasına destek olabilir.

Teşekkür

Çalışma, TÜBİTAK Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerine Destek Programı (Proje No. 110Y261) ve Boğaziçi Ünv. Bilimsel Araştırma Projelerince (Proje No.09R103) desteklenmiştir.

KAYNAKÇA

  1. Aden, A., Ruth, M., Ibsen, K., Jechura, J., Neeves, K., Sheehan, J., Wallace, B., 2002, Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover.

  2. August, C., Bawa, N., 2008, Improvement of Bioethanol Production Using Saccharomyces cerevisiae Permission to Use, University of Saskatchewan.

  3. Borrion, A.L., McManus, M.C., Hammond, G.P., 2012, Environmental life cycle assessment of bioethanol production from wheat straw, Biomass Bioenergy 47, 9-19.

  4. Chovau, S., Degrauwe, D., Van der Bruggen, B., 2013, Critical analysis of technoeconomic estimates for the production cost of lignocellulosic bio-ethanol, Renew. Sustain. Energy Rev. 26, 307-321.

  5. Chung, Y.-C., Bakalinsky, A., Penner, M.H., 2005, Enzymatic saccharification and fermentation of xylose-optimized dilute acid-treated lignocellulosics, Appl. Biochem. Biotechnol. 121-124.

  6. Ciliz, N., Daylan, B., Yildirim, H., 2015a. Bioethanol Production from Agricultural Wastes for Waste Minimization and Carbon Budget Analysis, supported by TUBITAK 1001 projects, Final Report.

  7. Ciliz, N., Yildirim, H., Mammadov, A., 2015b. Development of Biofuel Platform in Istanbul for Renewable Energy Production (KUBIP), supported by ISTKA Project, Final LCA Report.

  8. Corredor, D.Y., 2008, Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Lıgnocellulosıc Biomass, Kansas State University.

  9. Daylan, B., Ciliz, N., 2016. Life cycle assessment and environmental life cycle costing analysis of lignocellulosic bioethanol as an alternative transportation fuel, Renewable Energy, 89, 578-587.

  10. Gonzalez-García, S., Gasol, C.M., Gabarrell, X., Rieradevall, J., Moreira, M.T., Feijoo, G., 2009a, Environmental aspects of ethanol-based fuels from Brassica carinata: a case study of second generation ethanol, Renew. Sustain. Energy Rev. 13, 2613-2620.

  11. Gonzalez-García, S., Gasol, C.M., Gabarrell, X., Rieradevall, J., Moreira, M.T., Feijoo, G., 2010b, Environmental profile of ethanol from poplar biomass as transport fuel in Southern Europe, Renew. Energy 35, 1014-1023.

  12. Gonzalez-García, S., Luo, L., Moreira, M.T., Feijoo, G, Huppes, G., 2009b, Life cycle assessment of flax shives derived second generation ethanol fueled automobiles in Spain, Renew. Sustain. Energy Rev. 13, 1922-1933.

  13. Gonzalez-García, S., Moreira, M.T., Feijoo, G., 2010a, Comparative environmental performance of lignocellulosic ethanol from different feedstocks, Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 2077-2085.

  14. Gonzalez-García, S., Moreira, M.T., Feijoo, G., 2010a, Comparative environmental performance of lignocellulosic ethanol from different feedstocks, Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 2077-2085.

  15. Gonzalez-García, S., Moreira, M.T., Feijoo, G., Murphy, R.J., 2012, Comparative life cycle assessment of ethanol production from fast-growing wood crops (black locust, eucalyptus and poplar), Biomass Bioenergy 39, 378-388.

  16. Kadam, K.L., McMillan, J.D., 2003, Availability of corn stover as a sustainable feedstock for bioethanol production, Bioresour. Technol. 88 17-25.

  17. Kazi, F.K., Fortman, J., Anex, R., 2010, Techno-economic Analysis of Biochemical Scenarios for Production of Cellulosic Ethanol.

  18. LIFE, Life Programme, 2005, Exploitation of Agricultural Residues in Turkey, EC Contract Number LIFE03; TCY/TR/000061, Ankara, Turkey.

  19. Lindorfer, J., Fazeni, K., Steinmüller, H., 2014, Life cycle analysis and soil organic carbon balance as methods for assessing the ecological sustainability of 2nd generation biofuel feedstock, Sustain. Energy Technol. Assess. 5, 95-105.

  20. Luo, L., Van der Voet, E., Huppes, G., 2009b, An energy analysis of ethanol from cellulosic feedstockeCorn stover, Renew. Sustain. Energy Rev. 13, 2003-2011.

  21. Morales, M., Quintero, J., Conejeros, R., Aroca, G., 2015, LCA of lignocellulosic bioethanol: environmental impacts and energy balance, Renew. Sustain. Energy Rev. 42, 1349-1361.

  22. Nemecek, T., Kagi, T., 2007, Life Cycle Inventories of Agricultural Production Systems.

  23. Piccolo, C., Bezzo, F., 2009, A techno-economic comparison between two Technologies for bioethanol production from lignocellulose, Biomass Bioenergy 33, 478-491.

  24. Tomas-Pejo, E., Oliva, J.M., Gonzalez, A., Ballesteros, I., Ballesteros, M., 2009, Bioethanol production from wheat straw by the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus CECT 10875 in a simultaneous saccharification and fermentation fed-batch process, Fuel 88, 2142-2147.

  25. Van Der Voet, E., Van Oers, L., Davis, C., Nelis, R., 2008, Greenhouse Gas Calculator for Electricity and Heat from Biomass.

  26. Weiss, N.D., Farmer, J.D., Schell, D.J., 2010, Impact of corn stover composition on hemicellulose conversion during dilute acid pretreatment and enzymatic cellulose digestibility of the pretreated solids, Bioresour. Technol. 101, 674-678.