Biochar engineering and life-cycle performance of Biochar–BECCS systems for carbon dioxide removal
Biyoçar mühendisliği ve karbon dioksit giderimi için Biyoçar–BECCS sistemlerinin yaşam döngüsü performansı
- Tez No: 997142
- Danışmanlar: PROF. DR. ALMILA GÜVENÇ YAZICIOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ FEYZA KAZANÇ ÖZERİNÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, Chemical Engineering, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Oksidatif piroliz, Toprak üstü biyokütlesi, Oxidative pyrolysis, Aboveground biomass
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Climate change is driven by the accumulation of greenhouse gases, so alongside rapid CO2 emission reductions, carbon dioxide removal (CDR) is increasingly needed, and biomass offers a strategic pathway by converting photosynthetically fixed carbon into useful products and energy while enabling net CO2 removal. Building on this biomass utilization perspective, this thesis bridges sustainable materials science and system-level CDR assessment by first producing and engineering advanced biomass-derived carbon materials (biochar) through one-step impregnation and pyrolysis, and then evaluating biochar as a standardized carbon product within a high-level, integrated biochar (BC) – BECCS (bioenergy with carbon capture and storage) framework (BC+CCS), leveraging the fact that both technologies rely on the same biomass feedstock supply chains. In the first part, poplar wood (PW) and hazelnut shell (HS) are used as biomass feedstocks. These feedstocks are impregnated with either KOH or NaOH, with optional melamine addition as a nitrogen source, and then pyrolyzed at 500°C and 700°C under CO2 and N2 atmospheres to produce engineered biochars. The biochars were characterized using N2 adsorption, XPS, and Raman spectroscopy to evaluate their textural, chemical, and structural properties. The results show that activation outcomes are strongly condition-dependent: under 500°C (N2), NaOH produced higher surface areas than KOH in the corresponding undoped samples, whereas at 700°C KOH produced highly microporous carbons with the highest surface areas, reaching 986 m2 g-1. Melamine exhibited an alkali-dependent influence, including a strong synergy at 500°C with KOH, while at 700°C melamine reduced surface area in KOH systems but improved performance in NaOH systems. Overall, these trends establish practical design rules for tuning porosity and functional surface groups for adsorption and electrochemical applications. In the second part, a hybrid CDR concept is proposed by integrating biochar production with BECCS. Carbon balances and permanence were evaluated using climate-effect-based metrics across 30, 100, and 1000-year timeframes under leakage scenarios, and environmental performance was quantified via LCA. Results show that BC delivers strong short-term performance but declines over longer horizons due to biochar decay, whereas BECCS remains highly permanent. BC+CCS provides intermediate long-term permanence while maintaining high near-term sequestration. Heat-output variants of BECCS and BC+CCS generally reduce non-climate impacts but achieve smaller CO2 reductions than electricity-focused cases in the EU context. Overall, this thesis highlights biomass conversion as a complete strategy for achieving CO2 removal and sustainable advanced material production.
Özet (Çeviri)
İklim değişikliği, atmosferde sera gazlarının birikimiyle tetiklenmektedir; bu nedenle, CO2 emisyonlarının hızlı biçimde azaltılmasının yanı sıra karbon dioksit giderimi (CDR) yaklaşımlarına da giderek daha fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Biyokütle, fotosentez yoluyla atmosferden bağlanan karbonu yararlı ürünlere ve enerji taşıyıcılarına dönüştürebilmesi ve net CO2 giderimini mümkün kılması nedeniyle stratejik bir seçenek sunar. Bu biyokütle kullanım perspektifinden hareketle, bu tez; önce tek aşamalı emprenye ve piroliz yoluyla biyokütle türevi gelişmiş karbon malzemelerin (biyoçar) üretilmesini ve mühendisliğini, ardından aynı biyokütle tedarik zincirlerine dayanan iki teknoloji olarak biyoçar karbon giderimi (BC) ve BECCS'in (karbon yakalama ve depolama ile biyoenerji) bütünleşik bir çerçevede değerlendirilmesini bir araya getirerek (BC+CCS), sürdürülebilir malzeme bilimi ile sistem düzeyinde CDR değerlendirmesi arasında bir köprü kurmaktadır. İlk bölümde, biyokütle hammaddesi olarak kavak odunu (PW) ve fındık kabuğu (HS) kullanılmış; bu hammaddeler KOH veya NaOH ile emprenye edilmiş, deney matrisine bağlı olarak azot kaynağı olarak melamin eklenmiş ve CO2 ile N2 atmosferlerinde 500°C ve 700°C'de pirolize edilerek biyoçarlar üretilmiştir. Üretilen biyoçarlar, doku (tekstürel), kimyasal ve yapısal özelliklerini değerlendirmek üzere N2 adsorpsiyonu, XPS ve Raman spektroskopisi ile karakterize edilmiştir. Bulgular, aktivasyon çıktılarının koşullara güçlü biçimde bağlı olduğunu göstermektedir: 500°C (N2) koşullarında dopantsız örneklerde NaOH, KOH'a kıyasla daha yüksek yüzey alanları üretirken; 700°C'de KOH, en yüksek yüzey alanlarına sahip yüksek derecede mikrogözenekli karbonlar oluşturmuş ve 986 m2 g-1 değerine ulaşmıştır. Melaminin etkisi alkali türüne bağlıdır; 500°C'de KOH ile belirgin bir sinerji gözlenirken, 700°C'de melamin KOH sistemlerinde yüzey alanını azaltmış, ancak NaOH sistemlerinde performansı artırmıştır. Genel olarak bu eğilimler, adsorpsiyon ve elektrokimyasal uygulamalar için gözeneklilik ve fonksiyonel yüzey gruplarını ayarlamaya yönelik pratik tasarım kuralları ortaya koymaktadır. İkinci bölümde, biyoçar üretiminin (BC) BECCS ile entegre edilmesiyle hibrit bir CDR konsepti önerilmiştir. Karbon dengeleri ve kalıcılık, sızıntı senaryoları altında 30, 100 ve 1000 yıllık zaman ölçeklerinde iklim-etkisi temelli metrikler kullanılarak incelenmiş; çevresel performans ise YDA (LCA) ile nicelendirilmiştir. Sonuçlar, BC'nin kısa vadede güçlü bir performans sunduğunu ancak biyoçar bozunması nedeniyle daha uzun zaman ufuklarında performansının azaldığını; buna karşılık BECCS'in yüksek derecede kalıcı olduğunu göstermektedir. BC+CCS, yüksek yakın dönem sekestrasyonunu korurken uzun vadeli kalıcılık açısından ara bir performans sunmaktadır. BECCS ve BC+CCS'in ısı çıktısı odaklı varyantları genel olarak iklim dışı etkileri azaltmakla birlikte, AB bağlamında elektrik odaklı senaryolara kıyasla daha düşük CO2 azaltımı sağlamaktadır. Genel olarak bu tez, biyokütle dönüşümünü hem CO2 giderimi hem de sürdürülebilir, gelişmiş malzeme üretimini birlikte mümkün kılan bütüncül bir strateji olarak ortaya koymaktadır.
Benzer Tezler
- Life cycle assessment of energy and value-added product generation from biomass by pyrolysis
Biyokütle atıklarının pirolizinden enerji ve değerli ürünler eldesinin yaşam döngüsü analizi
YASEMİN KILINÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN CILIZ
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
- Coupling ozone with GAC, AIX and biochar: Removal of pharmaceuticals from the biologically treated wastewater and fate of their transformation products
Ozonun granüler aktif karbon, iyon değişimi veya biyokömürle kombinasyonu ile farmasötiklerin biyolojik arıtılmış atıksudan giderilmesi ve transformasyon ürünlerinin akıbeti
MALHUN FAKIOĞLU KUTLU
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Süperkapasitörler için metal oksit-biyokömür kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of metal oxide-biochar composites for supercapacitors
ŞEYMA ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYTEN ATEŞ
- Farklı atık malzemelerden elde edilen biyo-kömür ile bitüm ve bitümlü sıcak karışımların modifikasyonu
Modification of bitumen and hot mixed asphalt by bio-char obtained from different waste materials
MAHYAR YEGANE
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiEge Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PERVİZ AHMEDZADE
PROF. DR. MESUT TIĞDEMİR
- Atıkların hidrotermal karbonizasyonunun araştırılması ve çevresel etkilerinin belirlenmesi
Investigation of hydrothermal carbonization of wastes and determination of environmental effects
SEBİLE AÇIKALIN
Doktora
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiSakarya ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİYE SUNA ERSES YAY