Biyoenerji

Rudolf Diesel, sıkıştırma ile ateşlemeli motorunu 1890'larda geliştirdi ve ilk başarılı modeli 1897'de tamamlandı. 1900 Paris Sergisi'nde, Fransız Otto Şirketi'nin yaptığı küçük bir Diesel motorunun Fransız hükümetinin isteğiyle yer fıstığı yağıyla çalıştığı gösterildi. Motor normal yağlar için tasarlanmıştı ama değişiklik yapılmadan bitkisel yağla çalıştı.

Biyokütle ve biyoyakıtlar uzun süre saklanabilir ve enerji gerektiğinde kullanılabilir; bu da ülkelere yıl boyunca enerji güvenliği sağlar. Ancak bu, biyoyakıt türüne bağlıdır ve istisnalar vardır. Depolama ömrü yakıta, formülasyona ve depolama koşullarına göre büyük ölçüde değişir; bazı biyoyakıtlar diğerlerinden çok daha az kararlıdır ^{[58-64,66,68]}.

Örneğin, odun peletleri ve diğer katı biyokütleler nem, sıcaklık, havalandırma ve elleçlemeden özellikle etkilenir. Kötü koşullar biyolojik bozulmaya, enerji içeriği kaybına veya kendi kendine ısınmaya yol açabilirken, kuru ve düzgün havalandırılan depolama kalitelerini koruyabilir ^[60,61].

HVO (Hidroişlenmiş Bitkisel Yağ) gibi uzun ömürlü bir biyoyakıt oksidasyona karşı yüksek dirençlidir ve uygun depolama koşulları korunduğu takdirde, tedarikçilere göre bozulmadan önce yaklaşık 10 yıl dayanabilir ^A. Bağımsız araştırmalar da HVO'nun görece yüksek kararlılığını, biyodizel-dizel karışımlarına katıldığında da destekliyor ^[64]. FAME (yağ asidi metil esterleri) biyodizelinin kararlılığı büyük ölçüde yağ asidi bileşimine bağlıdır: doymuş FAME'ler genelde daha kararlıdır ve üretildikleri atığa bağlı olarak doymamış FAME'lerden daha uzun dayanır. Bu nedenle, biyoyakıtı üretmek için kullanılan ilk hammadde depolama ömrünü önemli ölçüde etkileyebilir ^[62,63].

Biyodizel kolayca biyolojik olarak parçalanabilse de, depolama sırasında bozulma esas olarak biyolojik parçalanabilirlikten çok oksidasyon ve kirlenmeden kaynaklanır. Isı ve hava, ışık, su veya bazı metallere maruz kalma bozulmayı hızlandırabilirken, antioksidanlar ve uygun depolama koşulları bunu yavaşlatabilir ^[58,62,63]. Bir çalışma, biyodizelin bozulma başlamadan önce 6 ay depolanabildiğini ve bir yıl sonra motorlarda doğrudan kullanım için artık uygun olmayabileceğini bildiriyor ^[58,59].

Biyoyakıtların karışımlarını oluşturmak (ör. FAME biyodizelini petrol dizeli veya HVO ile karıştırmak), ilgili yakıtlara ve oranlara bağlı olsa da kararlılığı artırabilir, depolama sürelerini uzatabilir ve standart motorlar için doğrudan kullanılabilen yakıt olarak etkinliklerini koruyabilir ^{[58,59,62,64]}.

Özel olarak formüle edilen nano-biyodizeller, oksidasyona karşı hassasiyeti azaltan nanoparçacıklarla güçlendirilir ve bu yüzden çok daha uzun süre kararlı kalabilir ^[59]. Ayrıca yakıt yanmasını ve enerji verimliliğini iyileştirirken bazı kirleticileri de azaltabilirler. Ancak etkileri malzemeye, yoğunluğa, yakıta ve motora bağlıdır ve bazı formülasyonlar azot oksit emisyonlarını artırabilir ^B.

Biyoyakıtların raf ömrü normal fosil yakıtlardan daha kısadır (ama HVO önemli bir istisnadır). Yine de rüzgar/güneş enerjisinin yarattığı kesintililik sorununu çözmeye yardımcı olabilirler: yıllar yerine aylarca depolanan biyoyakıtlar bile, yeterli stok ve ekipman varsa, rüzgar veya güneş üretiminin düşük olduğu dönemlerde kolayca devreye alınabilen yedek güç ve enerji güvenliği sağlayabilir ^[23,66,68]. Hammaddeler ve tedarik zincirleri sürdürülebilir şekilde yönetildiğinde, karbon nötrlüğüne ve daha geniş emisyon azaltma çabalarına katkı sağlayabilirler ^{[19-22,72-76]}.

^A Uzun ömür ve güvenlik için HVO yakıtı nasıl depolanır | Vectec

^B Biyodizel yanması ve yanma sonrası aşamalarda nanoteknoloji uygulamaları | Renewable and Sustainable Energy Reviews

Biyoenerji otomatik olarak karbon nötr değildir. İklim üzerindeki etkisi ham maddeye, yeniden büyümeye, araziye ya da malzemeye aksi halde ne olacağına, tedarik zinciri emisyonlarına ve salınan CO₂'nin yeniden emilmesi için gereken süreye bağlıdır. Atık ve kalıntı kaynaklı yolların emisyonları görece düşük olabilirken, arazi kullanımındaki değişiklikler ya da yavaş büyüyen ormanların hasat edilmesi yıllarca veya onlarca yıl süren bir karbon borcu yaratabilir.

Bkz.: Sürdürülebilir Biyoyakıtlar için Karbon Muhasebesi - Analiz | IEA

Brezilya'da milyonlarca hektar yağmur ormanı, savan ve diğer doğal ekosistem; soya fasulyesi ve şeker kamışı üretimi de dahil tarımsal amaçlarla temizlendi.

Trase, Brezilya'nın 2020 soya hasadını yakın dönemdeki 562.000 hektarlık - 5.620 kilometrekarelik - ormansızlaşma ve doğal bitki örtüsü dönüşümüyle ilişkilendirdi. Buna Amazon'da yaklaşık 76.400 hektar ve Atlas Ormanı'nda 23.600 hektar dahildi, ancak çoğu Cerrado ve Pampalarda gerçekleşti. Soya ve şeker kamışı için önemli bir alan olan Cerrado biyomu, özellikle yaygın arazi dönüşümü yaşadı ^[82,83]. Bu rakamlar, Brezilya soya üretimini, yağmur ormanlarının geniş alanları da dahil olmak üzere binlerce kilometrekareyle ölçülen arazi dönüşümüyle bağlantılandırıyor.

Hem soya hem de şeker kamışı, Brezilya'nın biyoyakıt sektörüyle bağlantılıdır ^[78,80,81]. Brezilya'daki şeker kamışının yaklaşık yarısı etanole işlenir ^C. Soya fasulyesi esas olarak hayvan yemi için yetiştirilir, ancak yan ürün olarak ülkenin biyodizelinin yaklaşık %70'ini sağlayan soya yağı üretir ^D. Güney Amerika genelinde soyayla ekili alan 2000'de 26,4 milyon hektardan 2019'da 55,1 milyon hektara çıkarak iki katından fazla arttı ^[82]. Bu ürünlerin yayılması, ürünler doğal bitki örtüsünün yerini aldığında doğrudan ya da mevcut tarım arazilerine yayılmanın sığır otlatmayı veya başka faaliyetleri yeni temizlenmiş alanlara itmesiyle dolaylı olarak ormansızlaşmaya yol açabilir ^[78-82,84].

Brezilya'da soyayla bağlantılı ormansızlaşma, şeker kamışı için doğrudan yapılan temizlemeden çok daha büyüktür ^[80-83]. 2009'dan itibaren Şeker Kamışı Agroekolojik Bölgeleme (ZAE Cana) politikası, Amazon ve Pantanal gibi kritik biyomlarda şeker kamışı yayılmasını kısıtladı (ancak politika 2019'da yürürlükten kaldırıldı ve ormansızlaşma kaygılarını artırdı) ^[81]. Bu yüzden şeker kamışı yetiştiriciliği tarihsel olarak Amazon dışındaki orta ve güney bölgelerde, çoğu zaman mevcut tarım arazilerinde, bozulmuş meralarda veya Cerrado'da yoğunlaştı. Bu nedenle Amazon yağmur ormanı kaybına doğrudan katkısı, sığır veya soyadan çok daha küçüktür. Yine de Cerrado'ya ya da meralara yayılması, doğal bitki örtüsünün yerini alabilir veya başka tarımsal faaliyetleri yerinden ederek daha geniş ormansızlaşma baskılarına katkıda bulunabilir ^[78,80,81]. Hatta 2010 tarihli bir modelleme çalışması, şeker kamışı-etanol yayılmasının büyük ölçüde sığır meralarını ormanlık alanlara doğru iterek 2020'ye kadar dolaylı olarak yaklaşık 50.000 km² (5 milyon hektar) ormansızlaşmaya katkıda bulunmuş olabileceğini öngördü ^[85].

Bu nedenle biyoyakıt talebi, şeker kamışı etanolüne ve biyodizel için soya yağına olan talebi artırarak ormansızlaşmaya katkıda bulunabilir. Ancak etkilenen alanın tamamı özellikle biyoyakıtlara bağlanamaz: soya hayvan yemi ve gıda ürünleri de sağlar, şeker kamışı şeker de sağlar ve dönüştürülen bitki örtüsünün büyük kısmı yağmur ormanı değil savan veya çayırlıktır. Yine de, soyayla bağlantılı dönüşümün ölçeği ve her iki ürünle ilişkili doğrudan ve dolaylı etkiler göz önüne alındığında, yalnızca biyoyakıta ait kesin bir toplam olmasa da, Brezilya yağmur ormanlarının binlerce kilometrekaresinin kısmen biyoyakıt ürünleri sağlamak için temizlendiği makul bir büyüklük mertebesi tahmini olmaya devam ediyor ^[78-84].

^C Brezilya'nın şeker kamışının şeker ve etanol arasında dağılımı | Reuters

^D Brezilya biyodizelinin yaklaşık %70'i soya fasulyesinden geliyor | Reuters

Ek okuma:

Brezilya'da şeker kamışı hücumu Amazon yağmur ormanı için yeni bir tehdit oluşturuyor | Sierra Club

Brezilya'da şeker kamışı büyümesi biyoyakıt ihtiyacını karşılayabilir ve ormansızlaşmaya yol açmayabilir: çalışma | Mongabay

DÜZELTME: Avrupalı havayollarının kamuya açıkladığı SAF taahhütlerinin ve tedarik anlaşmalarının yaklaşık %55’inin, hayvansal yağlar, kullanılmış yemeklik yağlar ve diğer atık yağlar dahil kullanılmış yağlar ve yağlardan gelmesi bekleniyor. Bu, videoda söylendiği gibi hâlihazırda kullanılan yakıttan ziyade anlaşmaları ve planlanan sözleşmeleri anlatıyor.

BECCS, ancak biyokütlenin yeniden büyümesi atmosferdeki CO₂'yi gerçekten uzaklaştırdığında ve tüm süreç boyunca salınandan daha fazla CO₂ kalıcı olarak depolandığında net-negatif emisyon sağlayabilir. Gerçekte, bu yalnızca biyoenerji tesisinde oluşan emisyonlara bağlı değildir. Aynı zamanda tedarik zinciri ve arazi kullanımı emisyonlarına ve işin içindeki uzun vadeli karbon dengelerine de bağlıdır. Bu, bitki örtüsü ve topraklardan kaybolan karbonu; biyokütlenin yeniden büyümesi için gereken süreyi; yetiştirme ve gübrelerden, hasattan, işlemeden, taşımadan kaynaklanan emisyonları; CO₂'yi yakalamak, sıkıştırmak ve enjekte etmek için kullanılan enerjiyi ve yakalama sisteminin toplayamadığı CO₂'yi içerir. Metan ve nitröz oksit gibi diğer sera gazları da dahil edilmelidir. Nihai denge bu yüzden hammaddeye, arazi yönetimine, yakalama oranına, enerji kaynaklarına ve dikkate alınan zaman dilimine bağlıdır ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Uzun süreli depolama için yakalanan CO₂ normalde sıkıştırılır ve tuzlu su formasyonları ya da tükenmiş petrol ve gaz rezervuarları gibi derin, gözenekli kaya formasyonlarına enjekte edilir. Gerçekte, CO₂ büyük bir yeraltı mağarasını ya da maden kuyusunu basitçe doldurmak yerine kayanın içindeki minicik boşlukları kaplar. Onu içeride tutmak için dikkatli saha seçimi, güvenli kuyular, basınç yönetimi, izleme ve uzun vadeli denetim şarttır ^{[118,127,128]}.

Başlıca sızıntı endişesi, yakalanan CO₂'nin taşıma ya da enjeksiyon sırasında veya daha sonra faylar, çatlaklar ya da hasarlı veya kötü mühürlenmiş kuyular yoluyla kaçmasıdır [125-128] içindeki kanıtlar çoğunlukla olası sızıntı yolları, kontrollü deneyler, modelleme ve risk değerlendirmesiyle ilgilidir; iyi yönetilen ticari depolama sahalarında sızıntının yaygın olduğunu göstermez. Doğru seçilmiş ve izlenen jeolojik formasyonların enjekte edilen CO₂'nin neredeyse tamamını çok uzun süre tutması beklenir, ama risk sıfır sayılamaz. Kaçan her türlü CO₂, atmosferden uzaklaştırıldığı öne sürülen toplamdan düşülmeli ve sürekli izleme ve iyileştirme çalışmalarıyla ele alınmalıdır.

Mikroalgler, geleneksel gıda ürünleriyle doğrudan rekabetten kaçınarak, ekime elverişli olmayan, bozulmuş, tuzlu ya da başka türlü düşük değerli arazilerde açık havuzlarda veya kapalı fotobiyoreaktörlerde yetiştirilebilir. Uygun alanlar yine de yeterli ışık, su, besin ve CO₂ gerektirirken, gereken arazi miktarı alg türüne, yerel iklime ve yetiştirme sistemine bağlıdır. Algler hızla büyüdüğü ve arazi birimi başına geleneksel biyoyakıt ürünlerinden daha fazla yakıt üretebildiği için, toplam arazi ihtiyaçları kayda değer ölçüde daha düşük olabilir ^[129-134].

Deniz yosunu ne tarım arazisine ne de tatlı suya ihtiyaç duyar. Deniz yosunu çiftlikleri balıklar ve omurgasızlar için geçici yaşam alanları oluşturabilir, fazla besinleri emebilir, yerel oksijen ve pH seviyelerini artırabilir ve dalga enerjisini azaltabilir. Biyoçeşitlilik faydaları, yetiştirilen türlere, çiftliğin büyüklüğüne ve düzenine, su hareketine, konuma ve hasat uygulamalarına bağlıdır. Dikkatli yer seçimi, deniz çayırı yatakları gibi mevcut habitatlara zarar vermekten veya yerli olmayan türleri getirmekten kaçınırken bu faydaları en üst düzeye çıkarabilir ^[135-140].

Mikrobiyal yakıt hücreleri, atık sudaki organik maddeleri parçalamak ve açığa çıkan elektronları bir elektroda aktararak elektrik akımı oluşturmak için bakterileri kullanır. Bu organik maddelerin giderilmesi atık suyun temizlenmesine yardımcı olur, ancak MFC'ler normalde arıtmanın her aşamasını tek başına sağlamaz: kalan organik maddeleri, besinleri ve patojenleri gidermek için yine de ek arıtma gerekebilir ^[141-144].

Gerçekte, asıl ekonomik faydaları başka yerde kullanılabilecek büyük miktarda fazla enerji üretmekten çok, arıtma için gereken elektriği azaltmaktan gelebilir. Geleneksel atık su arıtımı, suya oksijen pompalamak için hatırı sayılır enerji kullanır. MFC'ler, atık suyun kimyasal enerjisinin küçük bir kısmını elektrik olarak geri kazanırken bu havalandırmanın bir bölümünü azaltabilir ve böylece arıtma tesisinin toplam enerji ihtiyacını potansiyel olarak düşürebilir. Bu faydalar birlikte, sonunda atık su arıtımını daha ucuz hâle getirebilir. Ancak şimdilik, yüksek inşaat ve malzeme maliyetleri bunun ticari ölçekte henüz tutarlı biçimde gösterilemediği anlamına geliyor ^[141-143].

Bu noktaya ulaşmak, MFC'lerin elektrik üretimini en üst düzeye çıkarmasını gerektirmeyebilir. Başka bir deyişle, en çok elektriği üreten sistem her zaman en ekonomik arıtma sistemi değildir. Bir tekno-ekonomik çalışma, daha ucuz elektrot malzemelerinin daha az elektrik üretmesine rağmen daha uygun maliyetli atık su arıtımı sağlayabileceğini buldu ^E. Bu, pratik MFC geliştirmede en yüksek elektrik üretimi yerine uygun fiyatlı arıtmaya öncelik vermenin faydalı olabileceğini gösteriyor.

Ancak elektrik üretimi düşük kalıyor, özellikle de atık su temizlendikçe ve bakterilerin tüketeceği daha az organik madde kaldıkça. Daha büyük sistemler ayrıca elektrot ve membran maliyetlerini, kirlenmeyi, dengesiz performansı ve uzun vadeli güvenilirliği aşmak zorunda. 1.000 litrelik bir pilot çalışma, teknolojinin gerçek belediye atık suyuyla çalışabileceğini gösterdi, ancak kısmi arıtma ve sınırlı elektrik üretimi sağladı. Bu yüzden şimdilik MFC'ler, büyük bir elektrik kaynağından çok, atık su arıtımını küçük ölçekli enerji geri kazanımıyla birleştiren deneysel bir yöntem olarak kalıyor ^[141-144].

^E Daha uygun maliyetli arıtma için güçten feragat: Mikrobiyal yakıt hücreleri tasarlamaya yönelik tekno-ekonomik bir yaklaşım | Chemosphere