Copluk Gazi Olusumu ve Ozellikleri 

Copluge atilan curuyebilir maddeler oksijen yoklugunda “anaerobik” isimli bir islemle bakteriler tarafindan ayristirilir.  Bu esnada metan gazi, karbondiyoksit ve diger gazlar ortaya cikar.  Metan gazinin bir kismi yukselerek havaya karisir.  Patlayici olmasinin yaninda kuresel isinmaya olumsuz katkisi vardir.  Sera gazi ismi verilen bu olumsuz etkisi ayni hacimdaki karbondiyoksit etkisinin 21 katidir.  Copluk icinde biriken metan gazi ise zamanla buyuk hacimlara erisebilir.  Zaten anaerobik islem sonucu iyice isinmis olan coplukte ani kaymalar neticesinde hava coplugun derinliklerine sizar.  Hava icindeki oksijen yuksek konsantrasyondaki metan ile karsilarak patlamaya ve yangina yol acar. 28 Nisan 1993’de Umraniye-Hekimbasi coplugu boyle bir kayma ve patlama sonunda harekete gecmis ve vadi ucundaki 11 ev copluk altina kalarak 39 insanimiz hayatini kaybetmisti.

Karsilastirma icin dogal gaz, copluk gazi ve kanalizasyon gazinin baslica ozelliklerini sayilarla gorelim.  Burada kanalizasyon gazini da ekledim cunku belediyelerin bu kaynaktan da enerji uretim imkani vardir ve bu konuyu da ilerde incelemeyi dusunuyorum.

 
 Dogal   Gaz
 Copluk Gazi
 Kanalizasyon Gazi
 
Gaz Bilesimi
   
   
   
 
Metan (CH4)
 % 90
 % 50
 % 65
 
Karbondiyoksit (CO2)
 % 0
 % 45
 % 35
 
Azot (N2)
 % 5
 % 5
 % 0
 
Etan (C2H6)
 % 5
 % 0
 % 0
 
Toplam
 % 100
 % 100
 % 100
 
Metan Numarasi
 85
 136
 134
 
Isi degeri (MJ/m3)
 36
 19
 25
 

Her uc gazin da yakilarak isi elde edilmesinde rol oynayan esas bilesim metan gazidir.  Tablodan goruldugu gibi dogal gazin yaklasik %90’i metan gazi iken, bu oran copluk ve kanalizasyon gazlarinda dusuktur. Ancak ozellikle copluk gazindaki metan orani yerel sartlara gore cok degismektedir. Ornegin sicak ve nemli bolgelerde copluk gazindaki metan orani %60’a kadar cikarken kuru ve soguk yerlerde %35’e dusebilmektedir.  Metan oraninin %40’in altina inmesi durumunda enerji elektrik uretimi ekonomik olmayabilir. Copluk gazinda ayrica oran olarak az ancak paslanmaya yol acabilecek baska maddeler de bulunabilir.

Bir gazin enerji uretiminde kullanilabilmesi icin iki onemli ozelligine bakilir:

·         Metan numarasi:  Bu deger gazin sikistirilabilme ozelligini temsil eder.  Gazin metan sayisi yukseldikce kendilinden ateslenmeden sikistirilma orani artar ve boylece gaz motorundan daha fazla guc elde etmek mumkun olur. Metan numarasi’nin sivi yakitlar icin karsiti Oktan degeridir.  Nitekim benzinin Oktan degerini arttirmak icin (yani motor silindirinde benzin-hava karisiminin daha fazla sikistirilabilmesini saglamak, dolayisiyla motor gucunu arttirmak icin) benzine eskiden kursunkatiliyordu.  Ancak havada kursun oranin artmasinin sagliga zarari dolayisyla bu uygulamadan bircok ulkede vazgecilmistir. 

·          Isi Degeri:  Gazda metan gazi orani arttikca isi degeri de artmaktadir. SI sisteminde isi degeri MJ/m3 (Mega Joule, yani milyon Joule/ m3) ile olculurken, Ingiliz sisteminde Btu/ft3 (British Thermal Unit/feet3) kullanilmaktadir.  Gerektiginde cevrim icin 1 Btu = 1055 J ve 1 m3 = 35.315 ft3 degerlerini kullanabilirsiniz.

Yuksek metan numarasi dolayisiyla copluk gazinin enerji uretiminde kullanilmasinn uygun olacagi goruluyor.  Ancak dusuk isi degeri copluk gazinin dogal gazdan enerji uretiminde daha az verimli, yani ayni miktarda elektrik uretebilmek icin dogal gazin yaklasik iki kati copluk gazina ihtiyac var.

 Toplumun Urettigi Atik Miktari

Bu sayfayi okuyan cevreci arkadaslar “cop” kelimesi yerine “atik” kelimesini tercih edebilirler.  Onlarin da hatirini kirmamak copten bahsederken “atik”’i kullanacagim. Ancak gaz’dan bahsederken “copluk gazi” diyecegim, bence kulaga boylesi daha tabii geliyor.

Toplumun urettigi atik miktari gelisme seviyesine orantili olarak degisir.  En az gelismis ulkelerde kisi basina senede 150 kg atik uretilirken, gelismis ulkelerde 1-1,5 ton’a kadar cikabilir.  Ben Turkiye’nin sartlarini dusunerek 500 kg (0,5 ton) kabul edecegim. Bunun icine ev ve sanayi atiklari dahildir. 

Atiklarda organik madde orani arttikca copluk gazinin uretimi de artar. Ham atik malzemenin yaklasik %40’I organik maddedir.  Kagit, karton, metal, plastik, cam gibi tekrar kullanilabilecek maddelerin ayiklanmasi halinde organik madde orani %70’e kadar cikar. 

 Coplukten Uretilebilecek Gaz Miktari

Ortalama 1 ton’luk atik malzemeden (organik ve inorganik malzemeler karisik) senede yaklasik 10 m3 copluk gazi toplanabilir.  Bu sayilari bir araya koyarak 1 milyon nufuslu bir sehrin 15 senelik bir coplugunden enerji uretimi icin kullanilabilecek gaz miktarini hesaplayalim:

Gaz uretimi = 1 000 000 kisi x 0,5 ton/kisi/sene x 15 sene x 10 m3 gaz/ton/sene / 8760 saat/sene

                 =  8 600 m3/saat

Merakli okuyucular neden 15 sene’yi ornek olarak sectigimi dusunebilirler. Kuzey Amerikadaki modern coplukler genellikle 1970’lerin sonlari ile 1980’lerin basinda kurulmus ve 1990’larin ortasindan itibaren enerji uretimine baslanmis.  Yani enerji uretimine baslandiginda coplukler 15 senelikti.  Turkiyedeki copluklerin yasi hakkinda bilgi icin Cevre Bakanligi ile Izmit ve Adana belediyelerine yazdigim E-Mail’lere cevap alamadigim icin 15 senelik varsayimi kabul ettim.

Coplukler Ne Kadar Muddetce Gaz Uretir?   

Atiklar yaklasik 30-40 sene gaz uretiyor.  Ilk 5-10 sene arasi en verimli devre. Copluklerin ortalama omrunun 30 sene civarinda oldugunu dusunursek, muhafazakar bir yaklasimla diyebilirizki copluk kapandiktan sonra dahi en az 15 sene daha yeterli miktarda gaz almak mumkun olur.  Copluk kapanmadan 10 sene once kurulacak bir santral icin 25 senelik gaz uretimi garantiye alinmis olunur ki bu da finansal yatirimin karsiligini gormek icin cok uygun bir surectir.

Copluk Gazindan Uretilebilecek Elektrik Miktari

Simdi bakalim yukarida hesabina basladigimiz 1 milyon nufuslu bir sehrin atiklarindan ne kadar elektrik uretebilirz:

Bugun icin copluk gazindan elektrik uretimi icin en yaygin olan teknoloji gaz motorlaridir.  Burada kisaca bir terminoloji karisikligina degineyim.  Ingilizce’de yakitin kimyasal enerjisini mekanik enerjiye donusturen sisteme “engine” deniyor.  Mekanik enerjiyi de elektrige ceviren aksam ise “generator” oluyor.  Tersine olarak elektrigi mekanik enerjiye ceviren sisteme de “motor” deniyor.  Turkce’de ise hem “engine” hem de “motor”a “motor” diyoruz.  Bazen farki gostermek icin bunlari yakitina gore sifatlandiriyoruz, ornegin gaz motoru, benzin motoru veya elektrik motoru gibi. Bu yazida “gaz motoru” denince Ingilizcedeki “engine” demek istedigimi belirteyim.

Gaz motorlarinin yakit kullanimi (dolayisiyla verimi) motor cinsine ve boyutuna gore degismektedir.  Ortalama olarak 11,6MJ/kWsaat (=11000 Btu/kWsaat) alalim.  Burada kW, kilovat anlamindadir. Yeri gelmisken bir ara notuyla motorlarin veriminin kolayca nasil hesaplanacagini gorelim.  Her motor imalatcisi motorunun 1 kWsaat elektrik uretmek icin ne kadar MJ (Ingiliz sisteminde Btu) enerji girisi olmasi gerektigini aciklar.  Buradaki ornekte ortalama 11,6 MJ degerini sectik.  Hem kWsaat hem de MJ bir is (work) birimidir.  Cevrim tablolarindan 1 kWsaat=3,60 MJ oldugunu gorebilirsiniz.  Yani ornegimizde 3,60’lik elektrik uretebilmek icin 11,6 MJ enerji girisi olmasi gerekmektedir.  Bu iki degerin bolumuyle motorun verimini buluruz:  3.6/11.6=%31.  Gaz motorlarinda verim %35’e kadar cikabiliyor.       

Yukaridaki satirlarda 1 milyonluk bir sehirde 8 600 m3/saat kadar copluk gazi uretilecegini ve isi degerinin 19 MJ/m3 oldugunu belirttik.  Bu degerleri bir araya koyarak enerji kapasitesini kolayca hesaplayabiliriz:

P = (8600 m3/saat x 19 MJ/m3) / 11.6 MJ/kWsaat = 14000 kW = 14 MW

Ornek vereyim:  Halen yasadigim Kanada’nin Toronto sehrinde 3.0 milyon insan yasiyor.  Yukaridaki hesabimiza gore 3.0 x 14 = 42 MW kapasitede enerji uretilmesi gerekir.  Gercekte 3 santral bulunuyor toplam kapasite 62 MW.  Aradaki fark Toronto’da ozellikle kisi basina atik miktarinin 0.5 ton/kisi’den fazla olmasindan dolayidir.  Bulgularimizi Istanbul’a uygularsak copluk gazindan en az 12 x 14 =168 MW ‘lik elektrik uretebilmemiz gerekir.       

Buraya kadar sayisal olarak atik, copluk gazi ve elektrik uretim degerlerini inceledik.  Ancak bu degerlere erisebilmemiz icin modern tasarimlara uygun kurulmus bir copluk sistemi, gaz toplama duzeni ve elektrik santralina ihtiyacimiz var. Ilk once modern coplukten baslayalim. 

 Modern Copluk Sistemi

Modern bir coplukten amac atiklarin cevreye zarar vermeyecek sekilde uzun sure depolanmasidir. Coplukte uretilen gazlarin yeraltina sizabilecek kirli akintilarin toplanmasi gerekir. modern bir coplugun kesitini sundum.  Atik depolama sahasi once kirli akintilarin yeraltina sizmasini onleyecek bir gecirgensiz bir tabaka ile kaplanir.  Bu tabaka genelikle 1.2 m kalinliginda sikistrilmis bir kil tabakasidir.  Son yillarda bunun da uzerine bir plastik tabaka (1.5 mm kalinliginda HDPE -High Density Polyethylene) serilmektedir. Bu takdirde kil tabakasinin kalinligi 50-60 cm’e indirilebilir. Kil tabakasinin hemen uzerine kirli akintilari toplayacak boru agi dosenir.  Akintilar bir kuyuda  toplanir ve buradan bir pompa ile sihhi atik su sistemine (kanalizasyon sistemi) pompalanir   

Gunluk atiklar birer hucre  halinde depolanir.  Her hucrenin yuksekligi yaklasik 6 m’dir.  Gunun bitiminde hucrenin uzeri 50-60 cm kalinliginda toprak kabakasi  ile ortulur.  Bu hem coplugun stabilitesini arttirir hem de atiklarincopluk disina dagilmasini azaltir.  Ayrica copluk civarina 5-6 m’ye yakin yukseklikte telorgu cit dosenir.  Boylece dokum esnasinda ruzgarla kagit ve plastik malzemelerin civara yayilmasi buyuk olcude onlenir.  Yine atik dokulurken toprak uzerine su sikilarak toz kalkmasi ve atiklar uzerine kimyasal sivi puskurtulerek koku yayilmasi azaltilir. 

Coplugun kapasitesi doldugunda uzeri kalin bir toprak tabakasi ile kapatilir .  Boylece yagmur sularinin copluge sizmasi ve coplukten metan gazinin havaya karismasi onlenir.  Yuzey yesil alana donusturulur.  Bati ulkelerinde bazen copluk yuzeyi golf sahasi olarak da duzenlenmektedir.     

Copluk icine ve gecirgen tabakanin altina yerlestirilmis aygitlarla surekli olarak ornekler alinir ve kirlilik degerleri kontrol edilir.  Bu islem copluk kapandiktan yaklasik 30 sene daha devam etmelidir. 

Coplukten Gaz Toplama Sistemi 

Copluk gazi bir boru agi ile toplanir.  Copluge delinen 30-50 cm capindaki dusey kuyulara 15-25 cm capinda delikli plastik borular yerlestirilir.  Borular gecirimsiz tabakadan 2-3 m’ye kadar iner.   Her borunun etrafina kuyuyu dolduracak sekilde cakil doldurulur. Dusey borularin arasina cesitli seviyelerde yatay borular da yerlestirilebilir. Borular yuzeye yakin bir seviyede santrala gidecek bir veya iki ana boruya baglanir.  Boru adedi hektar (100mx100m) basina 2-3 olarak hesaplanir.  Copluk gazindaki paslandirici maddeler dolayisiyla celik borular yerine plastik borular kullanilmali, vana ve diger aksamin seciminde gazin bu ozelligi goz onune alinmalidir. 

Ana borularin baglandigi pompalar vasitasiyla gaz coplukten az bir negatif basincla (-25mbar ve -120 mbar arasinda) emilir. Fazla emis yapildiginda disaridan copluge hava girer. Hava icindeki oksijen metan gazini ureten bakterileri imha ederek coplukte metan gazinin uretimini yavaslatir. Dolayisiyla gazdaki oksijen seviyesi surekli kontrol edilerek boru icindeki basinc seviyesi ayarlanir. Ayrica, coplukte metan gazi hacimsal konsantrasyonun %5’in altinda olmasi gerekir.  Daha yuksek degerlerde metan gazi hava ile karsilastiginda patlama olabileceginden metan gazinin konsantrasyonu da  gaz basincinin seviyesinin tesbitinde onemli rol oynar. 

Elektrik Uretim Sistemi

Elektrik uretim sisteminin baslica elemanlari  gorulmektedir.  Teknik terimlerin tercumesinde hata yapma ihtimali dolayisiyla Ingilizce karsitlarini da veriyorum.

Coplukten gelen bir veya iki ana boru (10) ilk once kaba filtre ve nem alici sistemden (12) gecer. Burada coplukteki kirli sividan dolayi ortaya cikan nem suzulur ve gazdaki kaba toz taneleri filtrelenir (“wet-scrubber”). Bazen nem suzme ve filtre sisteminin tamamina Ingilizcede “knockout” sistemi denilmektedir.  Buradan gaz ozel pompalara (“blower” veya “fan”) gelir (13).  Eger santral bakim dolayisiyla devre disinda kalirsa, gaz firinlarda (“incinerator”) (14) yakilarak metan gazi etkisiz hale getirilir. Santral calisir durumdaysa, gaz islem sistemine girer (15). Burada once gaz icinde kalan nem tamamen alinir (“condensate remover”), ince toz filtrelenir (“wet-scrubber”), kompresorlerden (“compressors”) gecip basinc yukseltilir.  Basincla birlikte yukselen gaz sicakligi “chiller” vasitasiyla dusurulur ve motora gonderilir.

Gaz bir veya birkac gaz motorunda yakilarak mekanik enerji ortaya cikar  Genellikle 12 vaya 16 silindirli motorlar kullanilmaktadir. Motora bagli bir jeneratorle de elektrik uretilir. Her motor-jenerator unitesinin gucu 1-3 MW civarindadir.  Benim gorebildigim kadariyla Kuzey Amerikada en cok Caterpillar, Waukesha, Wartsila ve Jenbacher firmalarinin urunleri kullaniliyor.  Egzos gazi bir baca (17) ile atmosfere verilir. Jenerator cikisi 415 V – 4160 V arasinda degisebilir.  Bir trafo (18) vasitasiyla gerilim 22000 - 44000 V seviyesine yukseltilerek dagitim sebekesine (19) baglanir. 

Motor cikisinda egzos gazinin sicakligi 500 oC’den fazladir.  Bu egzos enerjisi ile buhar uretilerek (yani kojenerasyon) yoluyla sistemin verimi %31’den %80’e kadar cikarilabilir, yeter ki yakinlarda buhari kullanabilecek bir tesis olsun.

Copluk gazinin debisinin yuksek olmasi halinde (ornegin 10000 m3/saat’den buyuk) bir kac gaz motoru yerine bir buhar turbini ile enerji ureterek maliyet dusurulebilir.   

Cesitli projelerin fotograflari yazinin sonunda listelenen web sitelerinde gorulebilir.

Copluk Gazinin Elektrik Uretimi Disinda Kullanimi

Copluk gazinin elektrik uretimi disinda baslica iki kullanim sahasi bulunmakta:

a.       Dogrudan isi ve buhar uretimi:  Gazin icindeki rutubet alindiktan ve kaba filtreden gecirildikten sonra isi uretiminde veya buhar kazaninda yakit olarak kullanilir.   Elektrik uretiminin aksine bu uygulama icin detayli gaz islem sistemlerine gerek yoktur.  Dolayisiyla eger coplugun 1-2 km yakininda seralar ile ilac, gida, kiremit ve tekstil fabrikalari gibi yogun isi ve buhar kullanici tesisler varsa copluk gazi elektrik uretiminden daha ekonomik olarak kullanilabilir. 

b.       Dogal Gaza Donusum: Copluk gazinin komplex aritma sistemlerinden gecirilerek dogal gaz seviyesine getirilmesi ve sivilastirilmasi uzerine calisilmaktadir.  Ancak bu uygulama elektrik uretimi ve dogrudan kullanilmaya kiyasla daha pahali olmaktadir.   

3. Maliyet

Normal sartlarda, 5 MW’dan buyuk santrallar icin gaz toplama ve yakma firinlari icin gerekli yatirim yaklasik $0.4 milyon/MW, santral icin $1.0 milyon/MW civarindadir.  Toplam maliyet $1.4 milyon/MW olmaktadir. Senelik isletme ve bakim masraflari tahmini icin de ilk yatirimin %4’ini alabiliriz.

Daha kucuk kapasiteli tesisler icin bu maliyetler artabilir.  Ornegin 1 MW kapasiteli santral icin yukaridaki maliyetleri %30 arttirmak uygun olur. 

Simdi yaklasik 5 MW’lik bir santral icin kWsaat basina toplam maliyeti hesaplayalim:

Kabuller:

Kapasite:
 5 MW
 
Kapasite faktoru:
 %90
 
Yatirim maliyeti:
 $7 million ($1.4M/MW)
 
Proje finans:
 %100 kredi
 
Kredi faizi:
 %10
 
Vergi Haddi
 %0
 
Amortisman suresi:
 15 sene
 
Isletme ve bakim maliyeti:
 Yatirim maliyetinin %4’u
 

Bu kabullere gore assagidakileri hesaplayabiliriz:

·        Senelik elektriki uretimi = 5 MW x 365 gun x 24 saat/gun x %90 = 39 500 MWh =  39 500 000 kWh

·        Senelik yatirim maliyeti = $920 000 x $100 cent/$ / 39 500 000 kWh =  2.33 cent/kWh

(Burada $920 000 degeri $7 milyonluk yatirimin 15 senede amortisi icin senelik $ cinsinden yatirim masrafidir. Yani $7 milyonluk ve %10 faizli bir borcu her sene $92