Geri Dön

Simulation and life cycle assessment of combined bioheat and biopower plant using hungary oak (Quercus frainetto L.) coppices as a feedstock

Macar meşesi (Quercus frainetto L.) baltalıklarını hammadde olarak kullanan birleşik biyoısı ve biyogüç santralinin simülasyonu ve yaşam döngüsü analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 856536
  2. Yazar: FAHRİYE ENDA TOLON
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 376

Özet

Neredeyse sıfır emisyonlu odunsu biyokütle kaynakları, enerji üretiminde özellikle kombine ısı ve enerji santralleri gibi tesislerde sürdürülebilir orman yönetiminin bir ürünü olarak etkili bir şekilde kullanılırken, enerjinin karbonsuzlaşması için önem arz etmektedir. Enerji üretimi sürecinde termal ve mekanik enerjiyi eş zamanlı olarak elde etme amacını taşıyan kojenerasyon tesislerinde odunsu biyokütle kullanılarak elektrik enerjisi üretilirken, yan ürün olarak ortaya çıkan ısının bir kısmı kullanılarak ısı enerjisi de üretilir. Bu entegre enerji üretim yaklaşımı, kaynak verimliliğini artırarak çevresel etkileri minimize etmeyi amaçlar, böylece sürdürülebilir bir enerji üretim modeli sunar. Biyokütleyi hammadde olarak kullanan kojenerasyon tesislerine birlikte biyoısı ve biyogüç tesisi denilmektedir. Bu tesisler, aynı anda elektrik enerjisi ve ısı üreterek enerji verimliliğini artırır ve sürdürülebilir bir enerji üretim modeli sunar. Türkiye'nin enerji sektöründe odunsu biyokütle, özellikle de orman varlığında büyük paya sahip meşe baltalıkları gibi kaynakların kullanımı, sürdürülebilir enerji üretimi ve Türkiye'nin 2053 Net Sıfır Emisyon Hedefini açısından önem arz etmektedir. Bu bağlamda, Türkiye'nin enerji politikalarında odunsu biyokütlenin kullanımı, yenilenebilir enerji kaynakları arasında çeşitliliği artırarak enerji güvenliği açısından katkı sağlayacaktır. Odunsu biyokütlenin enerji üretiminde kullanılması, aynı zamanda biyokütle kaynaklarının sürdürülebilir şekilde yönetilmesini teşvik ederek orman ekosistemlerinin korunmasına yönelik bir stratejiyi destekler. Türkiye'nin meşe baltalıkları gibi odunsu biyokütle kaynaklarına odaklanması, hem yerel enerji üretimini destekler hem de biyokütle temelli enerji üretiminin karbon ayak izini azaltma potansiyelini ortaya koyar. Orman kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi ve biyokütle üretimindeki enerji yoğunluğu, yaşam döngüsü değerlendirmesini çevresel açıdan gerekli kılmaktadır. Enerji üretiminde yaşam döngüsü değerlendirmesi, bir enerji kaynağının tüm aşamalarını, yani hammadde çıkarma, üretim, kullanım ve atık yönetimi süreçlerini kapsayan bütünlüklü bir analitik yaklaşımı temsil eder ve böylelikle sürdürülebilir bir enerji üretimi modelinin geliştirilmesine ve çevresel etkilerin minimize edilmesine katkıda bulunur. Bu metodoloji, bir enerji kaynağının çevresel, ekonomik ve sosyal etkilerini başlangıçtan sona kadar değerlendirerek sürdürülebilirlik açısından bir perspektif sunar. İlk olarak, enerji kaynağının çıkarılması veya üretilmesi aşamasında, doğal kaynakların kullanımı ve biyokütle hasadı gibi faktörler göz önüne alınır. Bu aşamada ortaya çıkan çevresel etkiler, toprak erozyonu, su kirliliği veya biyoçeşitlilik kaybı gibi unsurları içerir. Üretim aşamasında, enerji kaynağının işlenmesi, rafine edilmesi veya dönüştürülmesi süreçleri değerlendirilir. Bu süreçlerde enerji tüketimi, sera gazı salımları ve atık üretimi gibi faktörler incelenir. Üretim aşamasındaki çevresel etkiler, genellikle enerji kaynağının türüne ve kullanılan teknolojiye bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Kullanım aşamasında, enerji kaynağının tüketilmesi ve enerji üretiminin gerçekleştiği tesislerin işletilmesi değerlendirilir. Bu aşama, enerji kaynağının karbon emisyonları, hava ve su kalitesine olan etkileri gibi çevresel faktörleri içerir. Aynı zamanda, enerji kaynağının ekonomik etkileri, enerji maliyetleri ve istihdam yaratma potansiyeli de değerlendirilir. Atık aşamasında ise, enerji üretim sürecinin sona erdiği ve atık ürünlerin yönetildiği süreçler incelenir. Atık çıkma süreçleri, geri dönüşüm olanakları, atık depolama veya bertaraf yöntemleri gibi çevresel ve ekonomik faktörleri içerir. Bu tez çalışması ile odunsu biyokütle yakan birleşik ısı ve güç santralinin benzetimi ve yaşam döngüsü analizi yapılmıştır. Çalışma enerjinin sürdürülebilirliği açısından önem arz etmekte olup enerji sürdürülebilirliğinin üç temel boyutu olan enerji güvenliği, enerji eşitliği ve enerji sistemlerinin çevresel sürdürülebilirliği konularını kapsamaktadır. Türkiye enerji görünümü, odundan enerji üretimi, odunsu biyokütle tedarik zinciri, odunsu biyokütle yakan birleşik biyoısı ve biyogüç santrali modellemesi ve biyokütleden enerji eldesinin yaşam döngüsü senaryolarının analizi tez çalışmasının literatür araştırması alt başlıklarını oluşturmaktadır. Bu tezin teorik analizinin bir parçası olarak, Aspen Plus V12.1 yazılımı kullanılarak dört farklı vaka analizi için süreç simülasyonları oluşturulmuş ve birlikte biyoısı ve biyogüç santrallerinin ilgili süreç parametrelerinin çevresel etkisini analiz etmek için dokuz farklı senaryonun yaşam döngüsü açısından kıyaslanmasında SimaPro V9.5 yazılımı kullanılmıştır. 1 megavat elektrik (MWe), 2 MWe, 5 MWe ve 10 MWe kurulu gücüne sahip birlikte biyoısı ve biyogüç üretimine sahip vakaların süreç benzetimleri Aspen Plus V12.1 yazılımı vasıtasıyla eko-tasarım yaklaşımı benimsenerek oluşturulmuştur. İlgili vakaların hammadde kaynağı olarak, Türkiye orman varlığında önemli paya sahip meşe baltalık ormanları seçilmiştir. Marmara bölgesinin Kırklareli ile Vize ilçesinde bulunan Meşe baltalık ormanlarından Macar Meşesi (Quercus Frainetto L.) hammadde örneği alınıp, meşe yongası haline getirilmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır. Birlikte biyoısı ve biyogüç süreç benzetimi çıktıları yaşam döngüsü değerlendirmesi çalışmasında kullanılmıştır. Çalışmanın amacı ve kapsamı belirlenmiş, envanter analizi yapılmış ve ardından oluşturulan senaryolar (S1-S9) ile SimaPro V9.5 yazılımı vasıtasıyla yaşam döngüsü envanteri hazırlanmıştır. Oluşturulan senaryolar üretim kapasitesi farklılıkları, tedarik zinciri yönetimi farklılıkları ve atık yönetimi farklılıkları kategorilerinde hazırlanmıştır. Teze konu yaşam döngüsü sistem sınırı, ormanda meşenin hasat edilmesi ile başlayıp, elektrik ve ısının şebekeye iletilmesi noktasında son bulmaktadır. Sistemin çevresel etkilerini çeşitli seçenekler ile araştırmak ve karar verme konusunda rehberlik etmek için üretim kapasitesi, tedarik zinciri yönetimi ve atık yönetim sistemi kriterlerine göre dokuz farklı senaryo oluşturulmuştur. Çalışmada fonksiyonel birim üretim kapasitelerinin, karbon ayak izinin ve su ayak izinin kıyaslamaları için 1 kilovat saat (kWh) biyogüç, 1 kWh biyoısı olarak alınmıştır. Tedarik zinciri yönetimi kıyaslamaları için fonksiyonel birim 1 ton meşe talaşı ve atık yönetimi sisteminin kıyaslanmasında fonksiyonel birim 1 kg meşe külü olarak alınmıştır. Çevresel etkilerin saptanması adına orta nokta yöntemi olarak“ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H)”etki değerlendirme yöntemi ve son nokta yöntemi olarak“ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H/A)”etki değerlendirme yöntemi seçilmiştir. Karbon ayak izi hesaplaması için metot olarak“IPCC GWP100”metodu ve su ayak izi hesaplaması için“AWARE”tekniği seçilmiştir. Senaryoların yaşam döngüsü kıyaslamaları orta nokta karakterizasyonu, orta nokta normalizasyonu, hasar değerlendirmesi, etki kategorisine göre hasar değerlendirmesi, ağırlıklandırma, tek puan ve etki kategorisine göre tek puan sonuçlarıyla tüm senaryoların karbon ve su ayak izi sonuçlarını içermektedir. En iyi senaryoların seçimi, üretim kapasitesi, karbon ayak izi, su ayak izi sonuçlarına, tedarik zinciri kıyaslaması sonuçlarına ve atık yönetimi sonuçlarına bakılarak yapılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırma ve simülasyon sonuçları, CBHBP sisteminin uygulanabilirliğini ve çevresel etkilerini ortaya koyarak orman biyokütlesi kaynaklarından sürdürülebilir ve etkili enerji üretimi için bir seçenek sunmaktadır. Elde edilen veriler ve sonuçlar mevcut araştırmalarla metodik bir şekilde karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın, CBHBP tesislerinin karmaşıklığını anlamak adına LCA senaryolarının sunduğu içgörülerle disiplin içinde önemli bir katkı sağladığı söylenebilir. Senaryoların karbon ve su ayak izleri ile yapılan karşılaştırmalı analizi sonucunda, S1'in en olumlu seçenek olarak öne çıktığı görülmektedir. Toplam zarar, insan sağlığına etki, ekosistem hasarı ve kaynaklara olan etki açısından çevresel etkisi en düşük senaryo olarak S8 değerlendirilmektedir. Atık yönetimi açısından ise S9 senaryosu daha avantajlı bir seçenek gibi görülmektedir. Tedarik zinciri yönetimi senaryoları (S5, S6, S7 ve S8), tesis konumu, lojistik seçenekleri ve hammadde kaynakları arasındaki karmaşık etkileşimi vurgulamaktadır. Araştırmanın kritik katkıları arasında, emisyon azaltma hedeflerine yönelik olarak karbon ayak izinin azaltılması, enerji güvenliğinin sağlanması için enerji arzında çeşitliliğin teşvik edilmesi, enerji ormancılığı yatırımları ile uzun vadeli kaynak güvenliğinin sağlanması, sürdürülebilir uygulamalara destek vermek için eğitim ve farkındalık çalışmaları, bilgi ve deneyimin paylaşılması amacıyla politika destek ve uluslararası işbirliği bulunmaktadır. Gelecek çalışmalar, CBHBP teknolojisinin daha büyük kapasiteler için yönetilebilirliğini araştırmak için daha fazla araştırma ve simülasyon içermelidir. Kazan ve türbinlerin verimliliğini artırmaya odaklanarak enerji üretimini maksimize etme ve kaynak tüketimini minimize etme amacıyla çalışmalar yoğunlaşmalıdır. Katı kirleticilerin yönetimi için kapsamlı stratejiler geliştirilmelidir, bu stratejiler geri dönüşümü, kül bertarafını ve çevresel kirleticilerin azaltılmasını içermelidir. CBHBP tesisleri için etkili atık su arıtma ve geri dönüşüm teknolojileri de dahil olmak üzere ek araştırmalar yapılmalı ve uygulanmalıdır.

Özet (Çeviri)

Almost zero-emission woody biomass resources are vital for the decarbonization of energy while effectively using them as a product of sustainable forest management in energy production, especially in facilities such as for instance cogeneration plants. In cogeneration facilities, which aim to obtain thermal and mechanical energy simultaneously during the energy production process while producing electrical energy using woody biomass, heat energy is also produced by using some of the heat that emerges as a result of the process. This integrated energy production approach aims to minimize environmental impacts by increasing resource efficiency, thus providing a sustainable energy production model. Cogeneration facilities that use biomass as raw material are collectively called bioheat and biopower facilities. In Turkey's energy sector, the use of woody biomass, especially resources such as oak coppices, which have a significant share in forest assets, is essential in terms of Turkey's 2053 Net Zero Emission Target and sustainable energy production. In this context, the use of woody biomass in Turkey's energy policies will contribute to energy security by increasing diversity among renewables. Obtaining energy from woody biomass promotes sustainable management of biomass resources and enables the formation of a strategy to protect forest ecosystems. Turkey's focus on woody biomass resources such as oak coppices both supports local energy production and demonstrates the ability to lower carbon footprint of energy production processes from biomass. Sustainable management of forest and biomass production's energy intensity make life cycle assessment (LCA) environmentally necessary. LCA in energy production represents a holistic analytical approach that covers all stages of an energy source, namely feedstock extraction, energy production, energy use and waste management processes. Thus, it contributes to minimizing environmental impacts and developing a sustainable energy production model. This methodology provides a perspective on sustainability by assessing environmental, economic and social effects of an energy source from start to finish. First, during the extraction or production of the energy source, factors for instance the use of natural resources and harvesting of biomass are taken into account. Environmental impacts that occur at this stage include elements such as soil erosion, water pollution or biodiversity loss. During the production phase, the processes of processing, refining or transforming the energy source are evaluated. In these processes, factors such as use of energy, greenhouse gas emissions (GHGs) and waste production are examined. Environmental impacts during the production phase generally differ based on the kind of energy source and the technology used. In the usage phase, the consuming of energy resources and the operation of the facilities where energy production takes place are evaluated. Environmental aspects including the energy source's carbon emissions and its impact on the quality of the air and water are included at this stage. In addition, the economic impacts of the energy source, energy costs and employment creation potential are also evaluated. In the waste stage, the processes where the energy production process ends and waste products are managed are examined. It includes environmental and economic factors such as disposal processes, recycling possibilities, waste storage or disposal methods. In this thesis study, the simulation and LCA of a combined heat and power (CHP) plant burning woody biomass was carried out. The study is essential in terms of energy sustainability and covers the three basic dimensions of energy sustainability: energy security, energy equality and energy systems' sustainability in terms of the environment. Turkey's energy outlook, energy production from wood, woody biomass supply chain (BSC), modeling of combined bioheat and biopower (CBHBP) power plants burning woody biomass and analysis of life cycle scenarios of generation of energy from biomass constitute the subheadings of the literature research of the thesis study. As part of the theoretical analysis of this thesis, process simulations were created for four different case studies using Aspen Plus V12.1 software, and together, SimaPro V9.5 software was used in the LCA of nine various scenarios to examine the effects on the environment of the related bioheat and biopower plant process parameters. To characterize the production of bioheat and biopower together, process simulations of cases with 1, 2, 5 and 10-megawatt electricity (MWe) installed power using the technique for producing steam using direct combustion technology and the classical Rankine cycle were created using an eco-design methodology by Aspen Plus V12.1 software. Oak coppice forests, which have a significant share in Turkey's Forest Assets, were chosen as the raw material source of the relevant cases. A raw material sample of Hungarian Oak (Quercus Frainetto L.) was taken from the Oak Coppice forests in Kırklareli, Vize district of the Marmara Region, turned into oak chips and characterized. Bioheat and biopower process simulation outputs were used together in the LCA study. The purpose and the study's scope were determined, inventory analysis was made, and then the life cycle inventory (LCI) with the created scenarios was prepared using SimaPro V9.5 software. The life cycle system boundary that is subject to the thesis begins with the oak coppices harvesting in the forest and ends with the transmission of electricity and heat to the grid. Nine different scenarios were created according to production capacity, supply chain management and waste management system criteria to evaluate how different alternatives for the system would affect the environment and to help with decision-making. In the study, 1 kilowatt-hour (kWh) of biopower and 1 kWh of bioheat were taken for comparisons of functional unit production capacities, carbon footprint and water footprint. For supply chain management comparisons, functional unit was taken as 1 ton of oak chip and 1 kg of oak ash and in the waste management system comparison. To determine environmental impact“ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H)”impact assessment method was chosen as the midpoint method, and“ReCiPe 2016 Endpoint (H)/World 2010 (H/A)”impact assessment method was selected as the endpoint method.“IPCC GWP100”method was chosen as the method for carbon footprint calculation and“AWARE”technique was chosen for water footprint calculation. Life cycle comparisons of the scenarios include carbon and water footprint results of all scenarios with midpoint characterization, midpoint normalization, damage assessment, damage assessment by impact category, weighting, single score, and single score results by impact category. The selection of the best scenarios was made by looking at production capacity, carbon footprint, water footprint results, supply chain benchmarking results and waste management results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    486579

    Life cycle assessment of combined bioheat and biopower production and cost: Simulated case studies based on combustion utilizing turkish oak (Quercus cerris L.) coppices

    Birlikte biyoısı ve biyogüç üretimi yaşam döngüsü değerlendirmesi ve maliyeti: Türkiye meşe (Quercus cerris L.) baltalıklarını kullanan yanma temelli benzetilmiş durum çalışmaları

    GÜNER EKŞİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU

  2. Tez No

    756453

    A life cycle assessment of the membrane processes applied for salt recovery in reactive dyeing

    Reaktif boyamada tuz geri kazanımı için uygulanan membran proseslerinin yaşam döngüsü değerlendirmesi

    NAZ ZEYNEP ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜLKÜ YETİŞ

  3. Tez No

    808551

    Design of hybrid solar wind system for sustainable energy storage: A case study Rutba city

    Sürdürülebilir enerji depolaması için hibrit güneş rüzgar sisteminin tasarımı: Rutba şehiri örnek çalışması

    AHMED BASEM MOHAMMD ALDULAEMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENK YAVUZ

  4. Tez No

    356013

    Evaluating the LCA of two buildings with close embodied energy which have different functions

    Farklı işlevlere sahip olan iki binanın üç tür duvar kullanarak yaşam döngüsünün değerlendirilmesi

    POOYA PAKMEHR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER

  5. Tez No

    389243

    Istanbul'daki konut binalarının cephe kaplamalarında oluşan hasarların incelenmesi : Kadıköy - Moda örneği

    Investigation of damages occured at facade claddings of residential buildings in istanbul: The case of Kadıkoy - Moda

    ESRA TANRIKULU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. İKBAL ÇETİNER

Geri Dön