Life cycle and economic assessment of electricity generation from combined heat and power plants using woody biomass in Turkey

Abstract

ÖZETBiyokütle her yerde üretilebilir, yenilenebilir, sosyo-ekonomik gelişmeyi destekleyici, çevreci, elektrik üretilebilen ve araç yakıtı olabilen stratejik bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Bu tezde bazı biyokütle yakıtlarından enerji üretimi için seçilen çeşitli yöntemler yaşam döngüsü analizi, kütle ve enerji denklikleri ve ekonomik analiz bakımından incelenmiştir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi çevre ve insan üzerine birçok farklı kategorideki etkileri değerlendirmektedir. Bu tezde ise küresel ısınma potansiyeli etki kategorisi olarak seçilmiştir. 1 kWh elektrik üretimi sonucu ortaya çıkan eşdeğer CO2 emisyonu gram cinsinden hesaplanmıştır (gCO2eq/kWhe). Ekonomik analiz sonucunda elde edilen sonuçlar birim elektrik üretim maliyeti olarak gösterilmiştir. Tüm ekonomik hesaplamalar 2010 yılı baz alınarak hesaplanmıştır. İncelemeler sonunda küresel ısınma ve ekonomik fizibilite değerleri bulunmuştur. Aynı zamanda durumlar için kütle ve enerji denklikleri de hesaplanmıştır.Odunsu yakıt çeşitleri boyutları ve hammaddelerine göre yonga, biopellet ve briket gibi isimlendirilmektedir. Çalışmada orman ürünleri işleme sanayisi artık talaşlarından yapılan peletler ve ormaniçi artıklardan yapılan yongalar incelenmiştir. Bu yakıtlar 3 farklı tedarik zinciri içinde değerlendirilmiştir.İlk tedarik zinciri Durum A olarak isimlendirilmiştir ve biopellet hammadeleri Yalova ve çevresindeki 2 ilden (Kocaeli ve Sakarya) temin edilmiştir. Tesisler ise Yalova ilinde kurulmuştur. Yalova'nın orman ürünleri işleme sanayilerine yakın olması, % 50'den fazlasının ormanlarla kaplı olması, Marmara Kalkınma Ajansı (MARKA) üyelerinden biri olması bakımından tesislerin kurulumu için uygun bir bölgedir. İleride pellet tesisinin büyütülmesi, pelet satışının yapılması halinde deniz taşımacılığı bakımından da stratejik bir konumdadır. Farklı tedarikçilerden bilgi alınarak sistem için kapasite belirlenmiştir. 3 Şehirdeki tüm firmalarla görüşülmemiştir; hepsi göz önünde bulundurulursa birleşik ısıve güç tesisinin kapasitesi daha fazla olacaktır. 3 farklı şehirden gelen hammaddeler için ağırlıklı ortalama yöntemi ile ortalama taşıma mesafesi 58 km olarak belirlenmiştir. Odun sanayi artıkları peletleme tesisinde birleşik ısı ve güç sistemi yardımı ile kurutularak pellet haline getirilmiştir. Pellet üretim tesisi ve birleşik ısı güç tesisi entegre bir şekilde çalışmaktadır. Üretilen peletler Rankine çevrimine dayalı birleşik ısı ve güç sisteminde kullanılarak elektrik ve ısı üretilmiştir. Birleşik ısı ve güç tesisi 2.1 MW elektrik ve 4.2 MW ısı üretmiştir. Üretilen ısının %26'sı biopellet kurutma sürecinde kullanılmıştır. Kalan ısı bölgesel ısıtmaya ve üretilen elektrik şebekeye verilmiştir. Konut ısıtması doğal gaz ile ısınmanın yerini alacak şekilde düşünülmüştür. Isıtılacak konut sayısı belirlenirken Yalova ilinde bir konutun yıllık ortalama ısınıma eğrisi kullanılmıştır. 290 konutun bu sistem ile ısıtılabileceği tespit edilmiştir. Bölgesel ısınma sistemi ek bir sisteme ihtiyaç duymadan bölgedeki konutların ısınma ihtiyacını karşılayacak şekilde düşünülmüştür. Konut sayısına göre yerleşim planı tasarlanmış ve gerekli tesisat uzunlukları hesaplanmıştır. Konut girişlerindeki ısı istasyonu yaşam döngüsü ve ekonomik değerlendirme için son noktalar olmuştur.İkinci sistemde de biopellet kullanmıştır ve Durum B olarak isimlendirilmiştir. Durum B'de hammaddeler Yalovadan tedarik edilmiştir. Hammadde taşımadan kaynaklanan emisyon ve maliyet unsurları azaltılmıştır. Bu zincirde orman üzürnleri işleme sanayi ve pellet fabrikası birbirine çok yakın bir bölgede bulunmakta ve entegre tesislermiş gibi çalışmaktadırlar; fakat birleşik ısı ve güç tesisi pellet fabrikasının 20 km uzağında bulunduğu kabul edilmiştir. İlk tedarik zincirinden farklı olarak sanayi artıkları değil peletler taşınmaktadır. Pelet üretiminde kullanılan ısı ise doğal gazdan temin edilmiştir. Doğalgaz kullanımı çevresel etki yanında elektrik üretim maliyetlerini de arttırmıştır. Birleşik ısı ve güç sisteminde üretilen ısının tamamı bölgesel ısınmada kullanılabileceği için ısıtılan konut sayısı artmıştır. 460 konut için ısı temin edilmiştir. Bu sistem daha fazla konut ısıtmasına rağmen Durum A'dakinden daha fazla kullanılmayan ısıya sahiptir. Yaz aylarında konutlarda sürekli bir ısı talebi olmaması nedeniyle ısının %33 `ü değerlendirilememiştir.Son tedarik zinciri Durum C olarak isimlendirilmiştir. Kullanılan hammadde ve yöntemler itibarıyla Durum A ve B'den farklılıklar göstermektedir. Orman içinde bulunan odun artıkları orman içinde toplanmıştır. Bu artıklar orman içinde bir yonga makinesi yardımı ile yonga haline getirilmiştir. Yongalar kamyonlarla birleşlik ısı ve güç stesisine taşınmı?tır. Yongaların yakılması ile ısıtılan ev sayısı Durum B'deki ile aynıdır. Birleşik ısı ve güç sistemleri ile bölgesel ısınma sistemlerinin yerleşimi Durum B ve Durum C için özdeştir.Yaşam döngüsü değerlendirmesi ve ekonomik analiz operasyonların ve sistemin genel ömrü dikkate alınarak yapılmıştır. Ayrıca durumlar için kütle ve enerji denklikleri 1 kWh ve yıllık elektrik üretime göre hesaplanmıştır.Yaşam döngüsü değerlendirmesi sonucu elde edilen sonuçlara göre Durum A, Durum B ve Durum C için emisyon değerleri sırası ile -15.00, 74.43 ve -78.63 gCO2eq/kWhe olarak hesaplanmıştır. Türkiye elektrik üretim emisyonu değeri ise 523.94 gCO2eq/kWhe'dır. Türkiye elektiriği ile karşılaştırıldığında tüm durumlar göreceli olarak daha az emisyon ortaya çıkarmıştır. Hatta Durum A ve Durum B negatif emisyon değeri göstermektedir. Doğal gaz kullanımının yerine birleşik ısı ve güç sistemi kullanılması sisteme emisyon kazancıgetirmiştir. Bu kazanç sistemin tüm emisyonundan fazla olduğu için negatif değerlere düşmesine yol açmıştır. Negatif terimin daha net bir ?ekilde açıklanması için Durum A emisyon değerlerine bakılması faydalı olacaktır. Eğer Durum A sadece elektriği değerlendirse idi 90.1 gCO2eq/kWhe emisyonu oluşturacaktı ama oluşan ısının doğalgazla konut ısısı yerine kullanıması -105.1 gCO2eq/kWhe kadar emisyon azaltılmasına yol açtı. Sistemin net emisyonu ise sadece -15.0 gCO2eq/kWhe olmuştur.Ekonomik inceleme sonucu elde edilen sonuçlara bakıldığında Durum A, Durum B ve Durum C için birim elektrik üretim maliyeti sırasıyla, 0.276, 0.294 ve 0.166 TL/kWh olarak hesaplanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimine ili?kin kanuna göre biyokütle kullanarak üretilen elektrik için devlet yakla?ık 0.206 TL/kWh (13.3 US$cent/ kWh) ücret garantisi vermektedir. Bu durumda odunsu yakıtlardan elektrik üretimi yalnızca yonga kullanan durum için karlı gözükmüştür. Ayrıca Türkiyede ortalama elektrik üretimi 0.125 TL/kWh gibi bir maliyete sahiptir. Yenilenebilir kaynakların çevresel etkisi göz önünde bulundurulduğunda yatırıma teşvik için daha çok destek verilmesi gerektiği açıkça görülmü?tür. MARKA destekleri de hesaplamalar içine katıldığında elektrik maliyetinde iyileşme görülmekte fakat bu yeterli olmamıştır. Çalışmada eğer tüm ısı satılsaydı durumda bir değişiklik olurmu bu da incelenmiştir. Durum A, Durum B ve Durum C için elektrik üretim maliyeti sırasıyla 0.234, 0.227 ve 0.099 TL/kWhe olarak hesaplanmıştır. Durum A ve Durum B için devlet fiyat garantisinin yeterli olmadığı, Durum C için maliyetlerin ortalama Türkiye elektrik üretim maliyetlerinin altına düştüğü hesaplanmıştır.Sonuç olarak çevresel etki bakımından biyokütle kullanımının olumlu sonuçlara sahip olduğu bulunmuştur. En etkili sonucu orman yongası kullanan Durum C vermiştir. Ekonomik olarak bakıldığında ise biyokütleye yatırım yapılmasını sağlamak amacı ile devletin desteklerini arttırması gerekmektedir. Mevcut durumlarda yatırım yapılabilecek tek tedarik zinciri Durum C'dir. Tedarik zincirlerinin ekonomik açıdan iyileştrilmesi için tüm ısının kullanılması sağlanmalıdır. Bunun için ısı talebi sürekli olan sanayilere ısı sağlamak gibi seçenekler değerlendirilebilir. Çalışmanın son kısmında sonuçlar ışığında biyokütle yakıtlı güç santralleri kurmak isteyenler için tavsiyeler ve öneriler verilmiştir.

Biomass is a strategic renewable energy resource which is produced everywhere, renewable, environmental and derived into fuels for vehicles, which gives support to socio-economic development and from which electricity is produced. In this thesis, some selected wood fuel based energy generation pathways are observed regarding life cycle assessment (LCA), mass and energy balance and economic assessment for Turkish conditions. After these assessment methods global warming potential, mass&energy balance and economic feasibility is found.First of all, there are different kinds of woody fuels such as chips, biopellets, and briquettes and these fuels also change depending on the size and raw material used. In this study biopellet made of sawmill residues and woodchips made of forest residues are obseved. Additionally, there are three wood based energy generation pathways. First pathway (Case A) produced biopellet from sawmill residues which are collected from Yalova and from two close cities. Produced biopellets are consumed in the Rankine cycle combined heat and power (CHP) plant and 26% of heat produced is used in biopellet drying. The rest of the heat is send to the district heating and produced electricity is sent to the existing grid. In the second chain (Case B) sawmill residues collected in Yalova and biopellets are dried with natural gas. Final chain (Case C) is based on forest residues wood chips. Forest residues are collected and chipped in the forest, and then wood chips are transported to CHP plant. The electricity and heat evaluation of three cases are the same. LCA and economic assessment is done regarding to lifetime of unit operations and whole cases. By the way mass and energy balances are calculated for three cases regarding 1 kWh of electricity generation and one year of production. In respect of given information, comparison of the cases is done with each other and Turkish electricity mix and electricity cost and prices. Application suggestions for the biomass based plant candidates are explained regarding the results of this study.