Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi
4(2), 65-74 (2012)
Benzin Motorlarında Biyoetanol Kullanımının Çevresel Etkilerinin
Belirlenmesi
*
Determination of Environmental Effect of the bio-ethanol used in
Gasoline Engines
Derya KOÇTÜRK
1,
Ayten ONURBAŞ AVCIOĞLU
2
1
Devlet Su Đşleri Genel Müdürlüğü Etüd ve Plan Dairesi Başkanlığı, Ankara
2
Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Ankara
Özet:Bu çalışmada; farklı hammaddelerden üretilmiş biyoetanollerin benzinle farklı karışım oranlarında buji
ateşlemeli bir motorda yakıt olarak kullanımıyla egzoz emisyonları ölçülmüştür. Ayrıca biyoetanol üretim
sürecindeki sera gazı emisyonları da dikkate alınarak çevresel etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Farklı
hammaddelerden elde edilmiş biyoetanoller %0, %5, %10, %15 ve %20 hacimsel oranlarında benzine
karıştırılarak motor performans değerleri yanında, tam gazda değişik devir sayılarında egzoz
emisyonlarından CO, NOx ve CO
2
değerleri ölçülmüştür.Yapılan ölçümler sonucunda; artan biyoetanol
karışım oranıyla birlikte güçte azalma ve yakıt tüketimindeki artışa rağmen, egzoz emisyonlarında, özellikle
de CO ve NOx emisyonlarında kayda değer bir azalma belirlenmiştir. CO
2
emisyonlarında ise; benzine göre
E5 ve E10 çalışmalarında değişiklik olmamış, E15 ve E20 denemelerinde azalma belirlenmiştir. Çalışmada;
egzoz emisyonları yanında; biyoetanol hammaddeleri yaşam döngü analizleri de dikkate alındığında; şeker
kamışı ve selülozik hammaddelerden üretilen biyoyakıtların sera gazı salımının azaltılmasında en yüksek
katkıyı yaptıkları, buna karşılık şeker pancarı ve mısırdan üretilen biyoyakıtların sera gazı salımı üzerinde
daha düşük etkisinin olduğu belirtilmiştir.
Anahtar sözcükler: Biyoetanol, biyoetanol hammaddeleri, biyoetanol egzoz emisyonları, biyoetanol yaşam
döngü analizi.
Abstract: In this study, exhaust emissions for different mixing ratios of the different raw materials produced
bioethanol with gasoline as a fuel in an spark ignition engine were measured.In addition, bio-ethanol
production process, taking into account the environmental effect of greenhouse gas emissions were
determined.Bioethanol which was obtained from different raw materials as 0%, 5%, 10%, 15% and 20%
gasoline by volume mixing ratio values of engine performance as well as the different engine speeds at full
throttle exhaust emissions of CO, NOx and CO2 concentrations were measured.As a result of the
measurements, decrease in power with increasing rate of bio-ethanol mixture, and despite the increase in fuel
consumption, exhaust emissions, in particular a significant reduction in CO and NOx emissions were
determined. In
CO
2
emissions,
t
here was no change in studies of E5 and E10 compared to gasoline,E15
and E20 trials showed a decrease.In this study besides the exhaust emissions, when the raw materials for
bioethanol life cycle analysis are also taken into consideration, sugar cane and cellulosic biofuels produced
from raw materials made the highest contribution to reducing greenhouse gas emissions, in turn, biofuels
which is produced from corn and sugar beet have shown the lower impact on greenhouse gas emissions.
Keywords: Bioethanol, bioethanol raw materials, bioethanol exhaust emissions, bioethanol life cycle
analysis.
*
Bu makale doktora tezinden üretilmiştir
Derya Koçtürk ve Ayten Onurbaş Avcıoğlu
66
1. Giriş
Hızlı kentleşme, yüksek nüfus artışı, teknolojideki gelişmeye bağlı olarak üretim ve tüketimdeki
artışlar, ormanların yok edilmesi, fosil yakıtların aşırı tüketimi, endüstrileşme ve tarımsal üretim gibi
faaliyetler sonucunda; sera gazları olarak bilinen karbondioksit (CO2), metan (CH4), azotoksit (N
2
O),
hidroflorokarbonlar (HFC), perflorokarbonlar (PFC) ve kükürt hekzaflorid (SF6) gibi gazların
atmosferdeki payları sürekli artmaktadır. Bu maddelerin çevreye yayılması; sadece su ve hava kirliliği
gibi bölgesel zararlara değil, aynı zamanda küresel ısınma ve bunun etkisi olan iklimsel
değişikliklerine de yol açmaktadır.
Küresel ısınmaya en fazla katkı yapan gaz karbondioksit olup, atmosferdeki sera gazlarının
%77’sini oluşturmaktadır. Diğer yandan, fosil yakıtların kullanımı sonucu ortaya çıkan karbondioksit
gazları toplam karbondioksit emisyonlarının %57’sine karşılık gelmektedir. Ormanların azalması ve
yangınlar ise karbondioksit salımına neden olan diğer önemli faktörler olarak öne çıkmaktadır.
Karbondioksitten sonra havada en fazla bulunan sera gazı olan metan, atmosferdeki sera gazlarının
%14’ünü oluştururken, azotoksitin payı da %8 civarındadır (Hatunoğlu, 2010).
Motorlu taşıt egzoz emisyonları karbondioksit, metan ve nitröz oksidi gibi bir çok sera gazlarını
ihtiva ettiği için yer kürenin ısınmasında rol oynarlar. Dünya üzerindeki enerji faaliyetleri ile ilgili
CO
2
emisyonunun yaklaşık dörtte biri taşımacılıktan kaynaklanmaktadır (Anonymous 2002).
Motorlu taşıtların egzoz emisyonları; başta yanmamış hidrokarbonlar, karbon monoksit ve azot
oksitler olmak üzere kanserojen ve zehirleyici etkileri nedeniyle insan sağlığını ve çevreyi tehdit eden
maddelerdir. Dünyada, uygulanan yasal yaptırımlar ve düzenlemelerle motorlu taşıt yakıtlarının
ekosistem ve özellikle insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri azaltılmaya çalışılmaktadır. Son
yıllarda pek çok ülkede konvansiyonel yakıtların değiştirilmesi ve alternatif yakıtlarının daha fazla
kullanılması yönünde araştırmalar yapılmıştır. Kaliteli benzin, düşük molekül ağırlıklı
hidrokarbonlardan oluşmakta ve içerisine yanma kalitesini artırıcı maddeler, depoziti önleyici katkı
maddeleri ve kıvam artırıcılar ilave edilmektedir. (Harting et al. 1993). Benzin katkı maddesi olarak
çevre ve insan sağlığına zararlı olmayan oksijenli katkı maddeleri arasında önerilen maddeler; alkoller
(metanol, etanol) ve eterlerdir (metil tersiyer bütil eter (MTBE), etil tersiyer bütil eter (ETBE), tersiyer
amil metil eter (TAME), tersiyer amil etil eter (TAEE), dietil eter (DEE) ve diizopropil eter (DĐPE)
olarak bilinmektedir. Oksijenli bileşiklerin benzin karışımına ilavesi ile tam ve iyi yanma
sağlanmaktadır. Böylece egzozlardan çevreye atılan yanmamış hidrokarbon, karbon monoksit ve azot
oksitlerin miktarlarında azalma gerçekleştirilir (Oktar 2001).
Benzin motorları için en ilgi çekici alternatif yakıtlar; etanol ve metanol gibi alkollerdir. Etanol,
ısıl değerinin daha yüksek ve buharlaşma ısısının daha düşük olması gibi metanole göre daha iyi
özelliklere sahiptir. Çeşitli araştırmacılar, benzine belirli oranlarda etanol katılmasının motor
tasarımında herhangi bir değişikliği gerektirmediğini de vurgulamaktadırlar (Bayraktar 1997).
Yakıt alkolü, metil alkol ve etil alkolü kapsayan bir tanımlama olmasına karşın, yaygın olarak
bu isim biyokütle kaynaklarından elde edilen etil alkol (etanol-biyoetanol) için kullanılmaktadır
(Onurbaş Avcıoğlu vd., 2011). Dünyada biyoyakıtlar içerisinde en yaygın olarak kullanılan yakıt
biyoetanoldür ve biyoetanol üretiminin %95’inden fazlası tarımsal ürünlerin işlenmesi ile elde
edilmektedir. Dünyada biyoetanol üretimi ve kullanımı Türkiye’ ye oranla oldukça yüksektir.
Dünyanın pek çok ülkesinde, araçlarda biyoetanol kullanımı zorunlu hale getirilmiş ve bunun oranı her
ülkede kendi üretim büyüklüklerine göre çeşitlenmiştir (Bayrakçı 2009). AB ülkelerinde de biyoyakıt
kullanım şartı vardır. Minimum biyoetanol ilavesi 2010’da % 2’den % 5,75’e çıkarılmış, 2020’de %
10 ve 2030’da % 25’ e çıkması beklenmektedir (Onurbaş Avcıoğlu vd., 2011).
Biyoetanol, kökeni şeker olan organik maddelerin fermantasyon ortamında mikroorganizmalar
tarafından dönüşüme uğratılması ile elde edilmektedir. Kullanılan hammaddenin içerik özellikleri ve
ihtiva ettiği şeker oranı, fermantasyon sonunda elde edilecek biyoetanol verimini önemli derecede
Benzin Motorlarında Biyoetanol Kullanımının Çevresel Etkilerinin Belirlenmesi
67
etkilemektedir. Temel olarak şekerli bileşikler, nişastalı bileşikler ve selülozik materyaller olmak
üzere üç farklı hammaddeden biyoetanol üretim basamakları yürütülür. Genellikle şekerli ve nişasta
içeren ürünler ortak alanda ele alınırken, selülozik yapılı hammaddeler, ön işlem olarak daha
uzun ve karmaşık prosesler gerektirdiğinden ayrı tutulmaktadır. Nişastalı maddelerin temel yapısı
şekere dayandığından, bir kaç farklı ön işlem ile içerdikleri şeker kolayca açığa çıkartılabilir. Bunlara
örnek olarak, dünyanın pek çok yerinde kullanılan mısır verilebilir. Bunun dışında buğday, arpa gibi
tahıllar da yüksek oranda şeker içermektedirler. Şeker kamışı, şeker pancarı gibi tarımsal ürünlerde ise
şeker direkt olarak açığa çıkmaktadır (Koçtürk, 2011).
Biyoetanol yaygın olarak motorlarda kullanımı düşüncesi daha çok geniş tarım alanlarına sahip
ülkelerde görülmektedir. ABD’ de tarımla uğraşılan eyaletlerde, % 80 biyoetanol ile % 20 benzin
karışımından oluşan E80 yakıtı, yıllardan beri otomobillerde kullanılmaktadır. Petrol rezervlerinin
hemen hemen olmadığı fakat özellikle şeker kamışının bol bulunduğu Brezilya’da otomobiller 1988
yılından beri biyoetanolle çalışmaktadır (Yıldız vd. 2003).
Motorlarda benzinle birlikte biyoetanol kullanımının egzoz emisyonlarına etkisi ile ilgili pek
çok çalışma bulunmaktadır:
Guerrieri ve arkadaşları (1995) yüksek oranlı hacimsel olarak (%10-40) etanol karışımlarının
taşıt ve egzoz emisyonlarına etkilerini araştırmışlardır. En yüksek etanol konsantrasyonunda toplam
HC emisyonu %30, CO emisyonu %50, yakıt ekonomisi %15 azalmıştır.
Wang vd. (1999), mısırdan üretilen biyoetanol, selülozik biyoetanol ve petrol yakıtlarının
çevreye yaydıkları sera gazı emisyonlarını karşılaştırmışlardır. Mısırdan üretilen biyoetanol benzin ile
karıştırıldığında; E10 için %6 oranında petrol kullanımının, % 1 oranında sera gazı emisyonunun ve
%3 oranında fosil yakıt kullanımının azalacağını belirtmektedir. Aynı şekilde; E85 yakıt ile 73-75
oranında petrol kullanımı,% 14-19 oranında sera gazı emisyonu ve %34-35 oranında fosil yakıt
kullanımının azalacağı bildirilmektedir.
Al-Farayedhi (2002) tarafından; buji ile ateşlemeli bir motorda yaygın olarak kullanılan MTBE
(metil tersiyer bütil eter), metanol ve etanol, hacimsel olarak %10, %15 ve %20 oranlarında kurşunsuz
benzine katılarak yapılan çalışmada; yakıtın oktan sayısındaki artış CO ve HC emisyonlarını
azaltırken, NOx emisyonunu artırdığı görülmüştür.
Al-Hasan (2003) tarafından yapılan çalışmada, on farklı etanol-kurşunsuz benzin karışımları
hazırlanmıştır. Etanol-kurşunsuz benzin karışımları egzoz emisyonlarının azalmasında da etkili
olmuştur. CO emisyonu yaklaşık %46,5 ve HC emisyonu %24,3 azalmıştır. CO
2
emisyonu ise;
yaklaşık %7,5 artmıştır. Motor performansı ve egzoz emisyonlarında en iyi sonuçlar %20 etanolün
bulunduğu karışımda elde edilmiştir.
Wu et al. (2003), E0, E5, E10, E20 ve E30 yakıtlarının performans ve emisyonlara etkisini
değişik hava fazlalık katsayısı değerlerinde incelemişlerdir. E30 yakıtlı çalışmada motor torkunun
yaklaşık %4 oranında arttığı belirlenmiştir. Karışımdaki alkol miktarı arttıkça CO, HC ve
CO
2
emisyonların azaldığı belirlenmiştir.
Jia etal. (2005) dört zamanlı küçük bir motorda etanol-benzin karışımlarının emisyonlara
etkisini incelemişlerdir. Benzinli çalışmaya göre CO ve HC ve NO emisyonlarında azalma elde
etmişlerdir.
Özsezen ve ark. (2008) çalışmalarında, kurşunsuz benzin, etanol-benzin (E5, E10) ve metanol-
benzin (M5, M10) karışımlarının kullanıldığı bir taşıtta performans, yanma ve egzoz emisyon
karakteristikleri incelemiştir. Genel olarak, alkol-benzin karışımları kullanımı ile CO, HC, CO
2
ve
NOx emisyonlarında azalma olduğu gözlemlenmiştir.
Biyoetanol kullanımının CO
2
emisyon değeri üzerine etkisi bakış açısına göre değişmektedir.
Niven (2004), E10 tipi yakıt göz önüne alındığında ve tüm biyoetanol üretim süreci hesaba
Derya Koçtürk ve Ayten Onurbaş Avcıoğlu
68
katıldığında benzine göre %1 ila %5 arasında bir azalma, E85 gibi biyoetanol içeriği fazla olan
karışımlarda ise %19 ila %70 arasında bir azalma tespit edildiğini ortaya koymuştur. Anonymous
2004, tüm biyoetanol üretim süreci dikkate alınmadan; egzoz çıkışı emisyon değerleri göz önüne
alındığında CO
2
emisyon değerinin biyoetanol ve benzin için hemen hemen aynı seviyelerinde
olduğunu belirtmektedir. Tüm biyoetanol süreci denildiğinde bunun içerisine ürünlerin atmosferden
tuttuğu CO
2
miktarı, ürünlerin yetiştirilmesi sürecinde, ürünlerin fabrikaya taşınması sürecinde, tesiste
biyoetanol üretimi sürecinde ve biyoetanolün istasyonlara dağıtımı sürecinde kullanılan yakıt miktarı
dahil edilmektedir (Koçtürk, 2011).
Günümüzde, herhangi bir malzemenin, ürünün veya sürecin, bütün yaşam döngüsü boyunca
çevreye yaptığı etkileri sistematik biçimde değerlendiren bir yöntem bulunmaktadır. Yaşam Döngüsü
Analizi (YDA-Life Cycle Analysis) denilen bu yöntem fosil yakıtlar ve biyoyakıtlar için de
kullanılmakta ve iki yakıt türünün sera gazı salımları birçok farklı etkenler de dikkate alınarak birlikte
değerlendirilmektedir. YDA ile fosil yakıtların sera gazı salım miktarları hesaplanırken, ham petrolün
çıkartılması, rafinerilere ulaştırılması, rafinaj işlemleri, rafineriden çıkan benzin ve motorin gibi
ürünlerin petrol istasyonlarına taşınması ve son olarak nihai tüketicinin araçlarında kullanması gibi
bütün aşamalarda atmosfere yayılan sera gazı salımları hesaplanmaktadır. Diğer yandan,
biyoyakıtların YDA kullanılarak sera gazı salım miktarı hesaplanırken; biyoyakıt dönüşüm işleminin
sera gazı salımına etkisi, biyoyakıt üretiminde kullanılan tarımsal hammaddelerin yetiştirilmesinde
kullanılan gübre ve zirai ilaçların sera gazı salımlarının yanı sıra bu ürünlerin elde edilmesinde
kullanılan traktör ve biçerdöver gibi motorlu araçların yaymış olduğu gazlar da analize dahil
edilmektedir (Hatunoğlu, 2010).
Motorlarda yakıtın yanması sonucunda egzozdan çıkan gazlar değerlendirildiğinde,
biyoetanolün çevresel açıdan olumlu taraflarının bulunduğu görülmektedir. Bu noktada, Hill ve
arkadaşları (2006) tarafından yapılan bir çalışmada araç motorlarında kullanılan fosil yakıtların ve
biyoyakıtların sera gazı salım miktarları hesaplanmış ve biyoyakıtların daha az sera gazı salımına yol
açtığı ortaya konulmuştur. Söz konusu çalışmanın verilerine göre, taşıt motorlarında kullanılan benzin
net enerji başına 96,9 gr/MJ sera gazı salımına yol açarken, biyoetanolün motorda yanmasıyla ortaya
çıkan sera gazının 84,9 gr/MJ olduğu görülmüştür. Bu çalışmayı destekleyici nitelikte bir çalışma da
Ryan ve arkadaşları (2006) tarafından yapılmış olup, şeker kamışı ve lignoselülozik ürünlerden elde
edilen biyoetanolün, fosil yakıtlara kıyasla karbondioksit salımını en fazla azaltan biyoyakıtlar olduğu
hesaplanmıştır.
Bu çalışmada; farklı hammaddelerden üretilmiş biyoetanollerin farklı karışım oranlarında motor
yakıtı olarak kullanımıyla ölçülen egzoz emisyonları ve biyoetanol üretim sürecindeki emisyonlar da
dikkate alınarak çevresel etkileri belirlenmeye çalışılmıştır.
2. Materyal ve Yöntem
Biyoetanol benzin karışımı yakıtların performans özellikleri ve egzoz emisyonlarının
belirlenmesi amacıyla yapılan denemelerde materyal olarak, 5.4 BG’ne sahip motor (Honda GX160),
hidrolik dinamometre, yakıt tüketim ölçüm düzeni kullanılmıştır. Çalışmada atık gazların ölçümü için
TSI 6200 Combustion Analyzers marka mikroişlemci kontrollü egzoz gaz analiz cihazından
yararlanılmıştır.
Denemelerde yakıt olarak 95 oktan kurşunsuz benzin ile %96 saflıktaki şeker pancarı, buğday,
arpa, mısır ve patatesten elde edilmiş biyoetanoller kullanılmıştır. Farklı hammaddelerden elde edilmiş
%0, %5, %10, %15 ve %20 hacimsel oranlarında biyoetanol ve benzin karışımlarının yakıt olarak
motor performans özelliklerinin belirlenmesi amacıyla yapılan motor testlerinde devir sayısı, motor
momenti, saatlik yakıt tüketimi değerleri ölçülmüş, motor gücü ve özgül yakıt tüketimi değerleri
hesaplanmıştır (Saral ve Onurbaş Avcıoğlu 2006). Biyoetanol ve benzinin farklı karışım oranlarıyla
yapılan motor denemelerinde tam gazda değişik devir sayılarında egzoz emisyonlarından CO, NOx ve
CO
2
değerleri ölçülmüştür.
Benzin Motorlarında Biyoetanol Kullanımının Çevresel Etkilerinin Belirlenmesi
69
Bu çalışmada farklı biyoetanol-benzin karışım oranlarının egzoz emisyon değerleri incelemesi
yanında, dünyada az sayıda da olsa farklı biyoetanol hammaddelerinin yaşam döngü analizleri de
dikkate alınarak değerlendirme yapılmıştır.
Biyoyakıt üretim sürecinde kullanılan tarım ürününün iklim, toprak gibi yetiştirilme şartlarına,
ürünün çeşidine, dönüşüm sürecinde gerçekleştirilen işleme ve sahip olunan teknolojiye bağlı olarak
biyoyakıtların sera gazı salımları farklılık arz etmektedir. Biyoyakıtların sera gazı salımına etki eden
faktörlerden en önemlisi ise kullanılan tarımsal hammadde çeşididir. YDA hesaplamasının kullanıldığı
çeşitli araştırmalarda, biyoyakıtların üretim sürecinde kullanılan tarımsal hammadde çeşidine
göre sera gazı salımını fosil yakıtlara kıyasla farklı oranlarda azalttığı gözlemlenmiştir (Hatunoğlu
2010).
Yapılan çalışmalarda elde edilen sonuçlar birtakım farklılıklar içerse de elde edildiği
hammaddelere göre biyoetanolün benzine kıyasla sera gazı salımını azaltmada daha iyi seçenekler
olduğu görülmektedir. Biyoyakıtların fosil yakıtlara kıyasla sera gazı salımını azaltma oranlarının
hesaplandığı iki adet çalışmanın analiz sonuçları Şekil 1 ve Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 1. Biyoyakıtların fosil yakıtlara kıyasla sera gazı salımını azaltma oranları (Childs ve Bradley, 2007)
Şekil 1’de görüldüğü üzere, sera gazı salımında gerçekleşen en fazla azalma atıklardan ve
selüloz içeren odunsu bitkilerin hammadde olarak kullanıldığı biyoyakıtlar tarafından sağlanmaktadır.
Selülozik sap-saman ve ot-çimen gibi hammaddelerden elde edilen biyoetanolün, en düşük tahmine
göre fosil yakıtlara kıyasla %60’ın üzerinde daha az sera gazı salımı yaptığı belirtilirken, yüksek
tahminde bu oran %95’lere varmaktadır. Fosil yakıtlara kıyasla atmosferdeki sera gazı salımına ikinci
olarak en büyük olumlu katkıyı yapan biyoyakıtlar, tarımsal hammadde olarak üretim sürecinde şeker
kamışının kullanıldığı biyoetanoldur. Aynı çalışmanın verilerine göre, şeker kamışından üretilen
biyoetanol de fosil yakıtlara kıyasla yüksek tahminde %90, düşük tahminde %60’a yakın sera gazı
salımını azaltmaktadır. Sera gazı salımının azaltılmasında en düşük katkıyı ise mısırdan üretilen
biyoetanol sağlamaktadır.
Derya Koçtürk ve Ayten Onurbaş Avcıoğlu
70
Biyoyakıtların fosil yakıtlara kıyasla sera gazı salımını azaltma oranlarının hesaplandığı ve FAO
tarafından da yayınlanan diğer bir çalışmanın verilerine, Şekil 2’de yer verilmiştir. Şekil
incelendiğinde, selülozik maddelerden elde edilen ikinci nesil biyoyakıtların ve hammadde olarak
şeker kamışının kullanıldığı biyoetanolün, fosil yakıtlara kıyasla %70 ile %90 arasında sera gazı
salımını azalttığı görülmektedir. Özellikle ABD’deki mısırdan üretilen biyoetanolün fosil yakıtlara
kıyasla sera gazı salımının azaltılması üzerindeki etkisinin çok küçük olduğu anlaşılmaktadır.
Şekil 2. Biyoyakıtların fosil yakıtlara kıyasla sera gazı salımını azaltma oranları (Anonymous 2008).
* Tarım ve ormancılık atıkları gibi gıda amaçlı kullanılmayan lignoselülozik biyokütlelerin üretim sürecinde
hammadde olarak yer aldığı biyoyakıtlardır.
3. Bulgular ve Tartışma
Motor denemelerinde belirlenen farklı hammaddeler ve karışım oranları için egzoz emisyonları
değerleri aynı karışım oranlarında ortalamaları alınarak benzinle karşılaştırmalı olarak Şekil 3, 4 ve
5’te verilmiştir.
Motor devir sayısına bağlı olarak CO emisyonunda bir artış görülmektedir. CO emisyonun en
yüksek değerleri benzinde en düşük değerleri ise; E20 yakıtlarında elde edilmiştir. Karışım
yakıtlarında biyoetanol miktarı artıkça CO emisyonları düşmüştür. Elde edilen bu sonuç daha önce
yapılan çalışmaları destekler niteliktedir (Al-Farayedhi, 2002; Al-Hasan, 2003; Guerrieri ve
arkadaşları, 1995; Jia etal., 2005; Özsezen ve ark.,2008; Wu et al. 2003). En yüksek CO emisyonu
değeri 3560 1/min’da elde edilmiş olup CO emisyonundaki benzine göre azalma; E5 yakıtında %2.8,
E10 yakıtında %5.8, E15 yakıtında %8.6 ve E20 yakıtında %11’dir.
Benzin Motorlarında Biyoetanol Kullanımının Çevresel Etkilerinin Belirlenmesi
71
Şekil 3. Biyoetanol benzin karışımı yakıtlarının CO emisyonu değişimi
Motorun değişik devirlerinde yapılan ölçümlerde devir sayısı artışıyla CO
2
emisyonunda da artış
görülmektedir. CO
2
emisyonu en yüksek benzinle çalışmada, en düşük E20 yakıtlarıyla çalışmada elde
edilmiştir. Karışım yakıtlarında biyoetanol miktarı artıkça, CO
2
emisyonları daha önce yapılan
çalışmaları da destekler nitelikte düşmüştür(Özsezen ve ark. 2008; Wu et al. 2003). En yüksekCO
2
emisyonu değerleri 3560 1/min’da elde edilmiş olup; CO
2
emisyonlarında E5 ve E10 yakıtlarında
benzinle aynı değer elde edilmiş, E15 ve E20 yakıtlarında ise benzine göre %8.3 azalma olmuştur.
Şekil 4. Biyoetanol benzin karışımı yakıtlarının CO
2
emisyonu değişimi
NOxemisyonları en yüksek benzinle çalışmada, en düşük E20 yakıtlarıyla çalışmada elde
edilmiştir. Etanolün benzine göre daha düşük alev sıcaklıklarına sahip olması, yanma işleminin
iyileşmesini ve yanma ürünleri içindeki NOx’lerin azalmasını sağlamaktadır. Elde edilen bu sonuç
daha önce yapılan çalışmaları destekler niteliktedir (Jia etal., 2005; Özsezen ve ark.,2008). Karışım
yakıtlarında biyoetanol miktarı artıkça NOxemisyonları düşmüştür. En düşük NOxemisyonu değeri
3500 1/min’da elde edilmiş olup benzine göre azalma; E5 yakıtında %5, E10 yakıtında %13.5, E15
yakıtında %18.6 ve E20 yakıtında %28.8 olmuştur.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3560
DEVĐR SAYISI(1/min)
C
O
(p
p
m
)
BENZĐN
E5
E10
E15
E20
0
2
4
6
8
10
12
14
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3560
DEVĐR SAYISI(1/min)
C
O
2
(
%
)
BENZĐN
E5
E10
E15
E20
Derya Koçtürk ve Ayten Onurbaş Avcıoğlu
72
Şekil 5. Biyoetanol benzin karışımı yakıtlarının NO
x
emisyonu değişimi
Denemelerde ölçülen performans ve egzoz emisyon değerleri topluca Çizelge 1’de verilmiştir.
Çizelge 1. Biyoetanol karışımlı yakıtların benzine göre motor performans ve egsoz emisyon değerlerinin değişimi
“
-
“
B
e
n
z
i
n
e
g
ö
r
e azalma
“+” Benzine göre artış
Benzin-biyoetanol karışımlarıyla yapılan motor denemeleri sonucunda;
• Benzin içerisine biyoetanol ilavesiyle motor gücünde azalma olmaktadır ve karışımdaki
biyoetanol oranı arttıkça güçteki azalma da artmaktadır. Etanolün ısıl değerinin benzine göre
düşük olması ve %4 oranındaki su içeriği güçte azalmaya neden olmaktadır.
• Karışım içerisindeki biyoetanol miktarı arttıkça benzine göre yakıt tüketimi ve özgül yakıt
tüketimi değerlerinde artış olmuştur.
• Egzoz emisyonlarında da; karışım oranındaki biyoetanol miktarı arttıkça CO, CO
2
ve NO
x
değerlerinde artan bir azalma belirlenmiştir.
Deneme sonuçları, buji ateşlemeli motorlarda benzin yerine biyoetanol kullanıldığında
motorda çok büyük bir güç kaybı olmadan, CO, CO
2
ve NOx emisyonlarında azalmalar
olduğunu göstermektedir.
Biyoetanollü çalışmada, benzinli çalışmaya göre CO emisyonu düşük çıkmasının nedeni
etanollerin tek bir kaynama noktasına sahip oldukları için, benzine göre çok daha
buharlaşması ve daha temiz yanmalarıdır. Ayrıca etanollerin alev sıcaklıklarının düşük olması
yanma ürünleri içerisindeki CO emisyonunun azalmasını sağlamaktadır. Biyoetanolün
soğutma etkisi ve alev sıcaklığının düşük olması nedeniyle yanma sonucu sıcaklığı düşmekte
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1000
1250 1500
1750
2000 2250
2500
2750 3000
3250
3500 3560
DEVĐR SAYISI(1/min)
N
O
x
(p
p
m
)
BENZĐN
E5
E10
E15
E20
Yakıtlar
Maksimum güç
(kW)
Maksimum
güçteki özgül
yakıt tüketimi
(kg/kWh)
Maksimum güçteki egzoz bileşenleri
3560
1/min
Benzine
göre
değişim
(%)
3560
1/min
Benzine
göre
değişim
(%)
CO
(ppm)
Benzine
göre
değişim
(%)
CO
2
(%)
Benzine
göre
değişim
(%)
NOx
(ppm)
Benzine
göre
değişim
(%)
Benzin
3,68
-
0,410
-
3290
-
12
-
59
-
E5
3,60
-2,2
0,444
+8,0
3198
-2,8
12
-
56
-5,0
E10
3,57
-3,0
0,454
+10,5
3099
-5,8
12
-
51
-13,5
E15
3,54
-3,8
0,470
+14,6
3008
-8,6
11
-8,3
48
-18,6
E20
3,52
-4,3
0,482
+17,3
2928
-11,0
11
-8,3
42
-28,8
Benzin Motorlarında Biyoetanol Kullanımının Çevresel Etkilerinin Belirlenmesi
73
bu da NOx emisyonun düşmesine neden olmaktadır. Etanolün yapısında bulunan karbon
atomunun benzine göre az olması ve C/H oranının benzinden düşük olması da
CO
2
emisyonlarını düşürmektedir (Kızıltan 1988, Çolak 2006).
Çevresel etki konusunda yapılan ve yöntem bölümünde verilen çalışmalardan
yararlanılarak; yakıtların yaşam döngüsünde benzine göre sera gazı salımını azaltma oranları;
-
Mısırdan elde edilen biyoetanolde %15-%40 oranında (Childs ve Bradley, 2007) ve %25-%35
oranında (Anonymous 2008) azalma,
-
Şeker kamışında %55-%90 oranında (Childs ve Bradley, 2007) ve %68-%88 oranında
(Anonymous 2008) azalma,
-
Selülozik (sap-saman) biyoetanolde %60-%70 oranında azalma (Childs ve Bradley, 2007),
-
Selülozik (ot-çimen) biyoetanolde %65-%90 oranında azalma (Childs ve Bradley, 2007),
-
Şekerpancarından elde edilen biyoetanolde %39-% 59 oranında (Anonymous 2008) azalma
olarak belirtilmektedir.
Bu konuda yapılan çalışmalarda görüldüğü üzere; biyoyakıtların sera gazı salımını
azaltmadaki oranları hammaddeye göre değişmektedir. Şeker kamışı ve selülozik hammaddelerden
üretilen biyoyakıtların sera gazı salımının azaltılmasında en yüksek katkıyı yaptıkları, buna karşılık
şeker pancarı ve mısırdan üretilen biyoyakıtların sera gazı salımı üzerinde daha düşük etkisinin olduğu
vurgulanmaktadır.
4. Sonuç
Benzin-biyoetanol karışımlarıyla buji ateşlemeli bir motorda yapılan çalışmada; artan
biyoetanol karışım oranıyla birlikte güçte azalma ve yakıt tüketimindeki artışa rağmen, egzoz
emisyonlarında, özellikle de CO ve NOx emisyonlarında kayda değer bir azalma belirlenmiştir.
CO
2
emisyonlarında ise; benzine göre E5 ve E10 çalışmalarında değişiklik olmamış, E15 ve E20
denemelerinde azalma belirlenmiştir.
Buğday, arpa, şeker pancarı, mısır ve patates gibi farklı hammaddelerden elde edilmiş
biyoetanollerin kimyasal bileşenleri aynı olduğu için; ısıl değerleri de aynı olmakta, dolayısıyla
ölçümler sonucunda belirlenen performans ve egzoz emisyonları değerlerinde farklılık olmamaktadır.
Ancak, farklı hammaddelerden üretilmiş biyoetanollerin tüm yaşam döngüsü dikkate alındığında,
çevresel etkileri konusunda farklılıklar ortaya çıkmaktadır. Yaşam döngüsü içerisinde en düşük sera
gazı salımına sahip olan biyoetanol hammaddeleri şeker kamışı ve ot, saman, çimen gibi selülozik
hammaddelerdir. Bunları şeker kamışı ve mısır takip etmektedir.
Farklı hammaddelerden biyoetanollerin yaşam döngü analizi yapılarak sera gazı salım miktarı
hesaplanırken; biyoyakıt dönüşüm işleminin sera gazı salımına etkisi, biyoyakıt üretiminde kullanılan
tarımsal hammaddelerin yetiştirilmesinde Ülkemizde kullanılan gübre ve zirai ilaçların sera gazı
salımlarının yanı sıra, bu ürünlerin elde edilmesinde kullanılan traktör ve biçerdöver gibi motorlu
araçların yaymış olduğu gazlar da analize dahil edilmelidir. Böylece farklı biyoetanol
hammaddelerinin, özellikle de gıda amaçlı üretilen hammaddelerle gıda amaçlı kullanılmayan tarım ve
ormancılık artıklarının çevresel etkileri de karşılaştırılabilir.
Derya Koçtürk ve Ayten Onurbaş Avcıoğlu
74
Kaynaklar
Al-Farayedhi, A. A., 2002. Effects of octane number on exhaust emissions of a spark ignition engine, International Journal of
Energy Research, 26 (4): 279-289.
Al-Hasan, M., 2003. Effect of ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission, Energy
Conversion and Management, 44 (9): 1547-1561.
Anonymous 2002. Bus Systems for the Future: Achieving Sustainable Mobility Worldwide, International Energy Agency,
Paris, Fransa.
Anonymous 2004. Biofuels for Transport: An International Perspective, International Energy Agency, Nisan 2004.
Anonymous 2008. The State of Food and Agirculture. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.
Bayrakçı, A.G., 2009. Değişik Biyokütle Kaynaklarından Etanolün Elde Edilmesi Üzerine Bir Araştırma. Ege Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek lisans tezi, Đzmir.
Bayraktar, H., 1997. Benzin-Etanol Karışımlarının Benzin Motorlarında Yanma Karakteristikleri Üzerindeki Etkilerinin
Teorik Olarak Đncelenmesi. 11. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi. 17-19 Eylül 1997, Edirne.
Childs, B., Bradley, R., 2007. Plants at the Pump: Biofuels, Climate Change, and Sustainability, World Resource Institute.
Çolak A., 2006. Buji Ateşlemeli Motorlarda Farklı Sıkıştırma Oranlarında Etanol Kullanımının Performans ve Emisyonlara
Etkisinin Đncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük.
Guerrieri, D. A., Caffrey, P. J. and Rao, V., 1995. “Investigation into the vehicle exhaust emissions of high percentage
ethanol blends”, SAE Paper, 950777: 85-95.
Harting, G.L. And Shannon, H., 1993. Oxygenates as gasoline blending components, Chemical Reactor Technology for
Environmentally SafeReactors and Products, 225:7-15.
Hatunoğlu, E,E., 2010. Biyoyakıt Politikalarının Tarım Sektörüne Etkileri. DPT. Uzmanlık Tezleri Đktisadi Sektörler ve
Koordinasyon Genel Müd. Ankara.
Hill, J., Nelson, E., Tılman, D., Polasky, S., Tıffany, D., 2006. Environmental, Economic, and Energetic Costs and Benefits
of Biodiesel and Ethanol Biofuels, PNAS, Vol.103, NO.30, 2006, pp.11203- 11210.
Jia, L.W., Shen, M.Q., Wang, J., Lin, M.Q., 2005. Influence Of Ethanol-Gasoline Blended Fuel On Emission Characteristics
From A Four-Stroke Motorcycle Engine, Jaurnal Of Hazardous Materials A123 29-34.
Kızıltan., E.E., 1988. Motor Yakıtlarına Alkol Katılmasının Motor Performansına Etkisi. Yüksek lisans tezi. Karadeniz
Teknik Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü.
Koçtürk, D., 2011. Farklı Özelliklerdeki Etanol-Benzin Karışımı Yakıtların Buji ile Ateşlemeli Motorlarda Kullanılmasının
Çevresel ve Ekonomik Yönden Değerlendirilmesi. Yayınlanmamış Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Ankara.
Niven, R.K., 2004. Ethanol in Gasoline: Environmental Impacts and Sustainability Review Article, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 9, 535-555.
Oktar, N., 2001. Kurşunsuz Benzin Katkı Maddesi Tersiyer Eterlerin Üretim Reaksiyon Kinetiği. Doktora Tezi, Gazi
üniversitesi fen bilimleri enstitüsü, Ankara, 1-4, -27, 119-120.
Onurbaş Avcıoğlu, A., Türker, U., Atasoy, Z. Ve Koçtürk, D., 2011. Tarımsal Kökenli Yenilenebilir Enerjiler-Biyoyakıtlar.
Nobel Yayınevi ISBN: 978-605-5426-71-2, 519 s, Ankara.
Özsezen, N.Ö., Çanakçı, M., Kılıçaslan, Đ., 2008. Alkol-Benzin Karışımlarının Kullanıldığı Bir Taşıtta Yanma Veriminin
Đncelenmesi. Kocaeli Üniversitesi, Otomotiv Teknolojileri ABD.
Ryan, L., Convery, F., Ferreıra, S., 2006. Stimulating the use of biofuels in the European Union: Implications for climate
change policy, Energy Policy, Vol.34, No.17, pp.3184-3194.
Saral, A., Avcıoğlu O.A., 2006. Termik Motorlar Kitabı. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makineları Bölümü.
Yayın no:1550 Ders kitabı:503. Ankara Üniversitesi Basım Evi.
Wang, M., Saricks, C., and Santini, D., 1999. Effects of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy and Greenhouse Gas
Emissions. Center for Transportation Research Argonne National Laboratory, United States Department of Energy,
Ocak 1999.
Wu, C.W., Chen, R.H., Qu, J.Y., Lin, T.H., 2003. The Influence Of Air-Fuel Ratio On Engine Performance And Pollutant
Emission Of An SI Engine Using Ethanol- Gasoline Blended Fuels, Atmospheric Environment 38. 7093-7100.
Yıldız, R., Karataş, H., Tekin, E., Aktaş, A., 2003. Karaelmas Üniversitesi Karabük Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi
Bölümü Otomotiv Öğretmenliği Programı, “Buji Ateşlemeli Motorlarda Kullanılan Alternatif Yakıtlar”, Zonguldak.
Dostları ilə paylaş: |