Determination of the Best Energy Plant to be Used in Biogas Production by Using Multi-Criteria Decision Making Method and Calculation of the Energy Potential of this Energy Plant in Turkey

Year 2024, EARLY VIEW, 1 - 1

Rıfat Yıldırım , İsrafil Karadöl

Abstract

Approximately one-third of Turkey's total land area is cultivated, with important energy crops such as wheat, barley, corn, sunflower, and cotton. These products have high biogas potential when evaluated in energy production. Many studies, both experimental and theoretical, have been carried out to detect this potential. While carrying out these studies, some assumptions are made and some variables are ignored. For this reason, it is possible to obtain accurate results with calculations made using criteria when determining the biogas potential of energy plants. The aim of this study is to determine the energy plant with the highest biogas potential in Turkey using the Analytical Hierarchy Process (AHP). In the analytical hierarchy process, the criteria were determined as "The amount of waste required to produce 1 m3 of methane (CH4)", "Sales Price of Waste", "Area Where Plants Are Cultivated in Turkey", "Energy Efficiency" and "Product-Specific Amount of Evaluable Waste". The alternatives of the study were chosen as "Cotton", "Sunflower", "Wheat", "Barley" and "Corn". As a result of the study, Wheat Straw was determined as the best alternative with 0.374 points. According to these results, the best energy plant in Turkey was defined as wheat straw. The total biogas potential of this plant in Turkey is calculated as 156x106 m3 and the electrical energy potential of this biogas was 733.2x106 kWh/year.

Keywords

Energy Crop, Biogas, Methane, Wheat Straw

Çok Kriterli Karar Verme Metodu Kullanılarak Biyogaz Üretiminde Kullanılacak En İyi Enerji Bitkisinin Belirlenmesi ve Belirlenen Bu Enerji Bitkisinin Türkiye Ölçeğindeki Enerji Potansiyelinin Hesaplanması

Abstract

Türkiye yüz ölçümünün yaklaşık üçte birinde buğday, arpa, mısır, ayçiçeği ve pamuk gibi önemli enerji bitkileri ekilmektedir. Bu ürünler enerji üretiminde değerlendirildiğinde yüksek biyogaz potansiyeline sahiptir. Bu potansiyelin tespitine yönelik hem deneysel hem de teorik birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar yapılırken bazı kabuller yapılmakta ve birtakım değişkenler göz ardı edilmektedir. Bu nedenle enerji bitkilerinin biyogaz potansiyelleri belirlenirken kriterler kullanılarak yapılan hesaplamalarla doğru sonuçlar elde edilebilmesi mümkündür. Bu çalışmanın amacı, Türkiye ölçeğinde biyogaz potansiyeli en yüksek olan enerji bitkisinin Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) ile belirlenmesidir. Analitik hiyerarşi sürecinde kriterler “1 m3 metan (CH4) üretilebilmesi için gerekli atık miktarı”, “Atıkların Satış Fiyatı”, “Bitkilerin Türkiye genelinde Ekili Oldukları Alan”, “Enerji Verimliliği” ve “Ürüne Özgü Değerlendirilebilir Atık Miktarı” olarak belirlenmiştir. Çalışmanın alternatifleri ise “Pamuk”, “Ayçiçeği”, “Buğday”, “Arpa” ve “Mısır” olarak seçilmiştir. Çalışmada sonucunda Buğday Samanı 0,374 puan ile en iyi alternatif olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre Türkiye’deki en iyi enerji bitkisi buğday samanı olarak tanımlanmıştır. Bu enerji bitkisinin atıklarının (saman) Türkiye ölçeğindeki toplam biyogaz potansiyeli 156.106 m3 ve bu biyogazın enerji değeri 733,2.106 kWh/yıl olarak hesaplanmıştır.

Keywords

Enerji Bitkisi, Biyogaz, Metan, Buğday Samanı

References

• [1] Bilal M., Wang Z., Cui J., Ferreira L. F. R., Bharagava R. N., Iqbal H. M. N., “Environmental impact of lignocellulosic wastes and their effective exploitation as smart carriers- A drive towards greener and eco-friendlier biocatalytic systems”, Sci Total Environ, 722, 137903, (2020).
• [2] Özütemiz E., “Avrupa Birliği Enerji İhtiyacının Karşılanmasında Biyoyakıtların Rolü”, Yüksek Lisans Tezi, Beykent Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, Uluslararası İlişkiler Anabilim Dalı, Uluslararası İlişkiler Bilim Dalı, (2017).
• [3] Khan A., Niazi M. B. K., Ansar R., Jahan Z., Javaid F., Ahmad R., Anjum H., Ibrahim M., Bokhari A., “Thermochemical conversion of agricultural waste to hydrogen, methane, and biofuels: A review”, Fuel, 351, (2023).
• [4] Demirel B., Pınar H., “Determination of Possible Energy Potential of Banana Residues in Turkey”, Turkish Journal of Agriculture- Food Science and Technology, 7(2): 41-45, (2019).
• [5] Kosamia N. M, Samavi M, Piok K, Rakshit S. K., “Perspectives for scale up of biorefineries using biochemical conversion pathways: Technology status, techno-economic, and sustainable approaches”, Fuel, 324: 124532, (2022).
• [6] Teodor A. H., Bruce B. D., “Putting photosystem I to work: Truly green energy”, Trends Biotechnol, 38(12): 29–42, (2020).
• [7] Nunes L. J. R., Causer T. P., Ciolkosz D., “Biomass for energy: A review on supply chain management models” Renew Sustain Energy Rev., 120, (2020).
• [8] Chen T., Wu C., Liu R., Fei W., Liu S., “Effect of Hot Vapor Filtration on the Characterization of Bio-Oil from Rice-Husks with Fast Pyrolysis in a Fluidized-Bed Reactor”, Bioresource Technology, 102: 6178-6185, (2011).
• [9] Çakal S., Çelik S. Ö., “Türkiye Genelinde En Çok Yetiştirilen Tarımsal Ürünlerin Atıklarının Biyogaz Potansiyelinin Belirlenmesi”, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 9(1): 1-11, (2022).
• [10] TÜİK, Türkiye İstatistik Kurumu. https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Bitkisel-Uretim-Istatistikleri-2022-45504, (Erişim: 09.07.2023), (2022).
• [11] Aybek A., Üçok S., Bilgili M., İspir M., “Kahramanmaraş ilinde bazı tarımsal atıkların biyogaz enerji potansiyelinin belirlenerek sayısal haritalarının oluşturulması”, Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Dergisi, 29(2): 25-37, (2015).
• [12] Himmetoğlu S., Aydoğan E. K., Özcan F., Karahan O., Atiş C., “Bina betonunun karışım oranı için Kaba-AHP ve MOORA tabanlı Taguchi optimizasyonu”, Politeknik Dergisi, 26(4): 1307-1317, (2023).
• [13] Yazıcı E., Özcan E., Alakaş H. M., Eren T., “Hidroelektrik santrallarda bakım strateji optimizasyonu için hiyerarşik bir karar modeli önerisi”, Politeknik Dergisi, 25(3): 933-945, (2022).
• [14] Adem A., “İş sağlığı ve güvenliğinde kullanılan risk analizi tekniklerinin değerlendirilmesi için bir rehber önerisi”, Politeknik Dergisi, 25(3): 1319-1328, (2022).
• [15] Karaaslan A., Aydın S., “Yenilenebilir enerji kaynaklarının çok kriterli karar verme teknikleri ile değerlendirilmesi: Türkiye örneği.", Atatürk Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Dergisi 34(4): 1351-1375, (2020).
• [16] Özcan N. A., Bulut M., Özcan E. C., Eren T., “Enerji Üretim Yatırım Alternatiflerinin Değerlendirilmesinde Çok Kriterli Karar Verme Yöntemlerinin İstatistiksel ve Analitik Olarak Karşılaştırması: Türkiye Örneği.”, Politeknik Dergisi, 25(2), 519-531, (2022).
• [17] Korkmazer C., Aktar Demirtaş E., Erol D., “Çok ölçütlü karar verme yöntemleri ile atık bertaraf firması seçimi.”, Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 22(4), (2016).
• [18] Tasri A,, Susilawati A., “Selection among renewable energy alternatives based on a fuzzy analytic hierarchy process in Indonesia.” Sustain Energy Technol Assessments, 7:34-44. doi:10.1016/j.seta.2014.02.008, (2014).
• [19] Kutlu Gündoğdu F., Kahraman C., “A novel spherical fuzzy analytic hierarchy process and its renewable energy application”, Soft Comput, 24(6):4607-4621, (2020)
• [20] Abdullah L., Najib L., “Sustainable energy planning decision using the intuitionistic fuzzy analytic hierarchy process: choosing energy technology in Malaysia.” Int J Sustain Energy, 35(4):360-377, (2016)
• [21] Solangi YA, Tan Q, Mirjat NH, Ali S., “Evaluating the strategies for sustainable energy planning in Pakistan: An integrated SWOT-AHP and Fuzzy-TOPSIS approach.” J Clean Prod, 236:117655, (2019)
• [22] Bottero M., Datola G., de Angelis E., “A system dynamics model and analytic network process: An integrated approach to investigate urban resilience.” Land, 9(8): 24-26, (2020)
• [23] Kapluhan E., “Enerji Coğrafyası Açısından Bir İnceleme: Biyokütle Enerjisinin Dünyadaki ve Türkiye’deki Kullanımı”, Marmara Coğrafya Dergisi, 5 (15): 97-125, (2014).
• [24] Erensoy A., Çek N., “Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Kullanılan Saf Kültür Mikroorganizmaları ve Genel Özellikleri”, European Journal of Science and Technology, 18: 109-117, (2020).
• [25] Üçok S., “Sebze ve meyve pazar atıklarının biyogaz üretim potansiyelinin belirlenmesi üzerine bir araştırma”, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, (2016).
• [26] Yıldırım R., “Biyogaz üretim süreçlerinde kullanılacak en uygun risk değerlendirme metodolojisinin analitik hiyerarşi prosesi ile belirlenmesi”, NÖHÜ Müh. Bilim. Dergisi, 12(4), 1130-1140, (2023).
• [27] Koçar G., Eryaşar A., Ersöz Ö., Arıcı Ş., Durmuş A., “Biyogaz teknolojileri”, Ege Üniversitesi Basımevi, İzmir, Turkey, (2010).
• [28] FNR, “Biyogaz Üretimi ve Kullanımı El Kitapçığı (Çeviri). (5. baskı).” FNR Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow-Prüzen, (2010).
• [29] Henze M., Loosdrecht M. C. M., Ekama G. A., Brdjanovic D., “Biological Wastewater Treatment: Principles”, Modelling and Design, IWA Publishing, 511p, London, (2008).
• [30] Metcalf & Eddy, Tchobanoglous G., Stensel H. D., Tsuchihashi R., Burton F. L., Franklin L., Abu-Orf M., Pfrang W., “Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, (5th Edition)”, McGraw-Hill Education, 2018p, New York, (2014).
• [31] Gerardi M. H., “The Microbiology of Anaerobic Digesters”, John Wiley & Sons, Inc., 177p, Hoboken, New Jersey, (2003).
• [32] Yin C., Shen Y., Yu Y., Yuan H., Lou Z., Zhu N., “In-situ biogas upgrading by a stepwise addition of ash additives: Methanogen adaption and CO2 sequestration”, Bioresource Technology, 282: 1-8, (2019).
• [33] Kushkevych I., Vítězová M., Vítěz T., Bartoš M., “Production of biogas: relationship between methanogenic and sulfate-reducing microorganisms”, De Gruyter, 12: 82–91, (2017).
• [34] Görmüş C., “Türkiye’deki Hayvan Gübrelerinin Biyogaz Enerji Potansiyelinin Belirlenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Namık Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekirdağ, (2018).
• [35] Deublein D., Steinhauser A., “Biogas from Waste and Renewable Resources: an Introduction”, John Wiley & Sons, Weinheim, (2011).
• [36] Kaya D., Öztürk H. H., “Biyogaz Teknolojisi: Üretim-kullanım-projeleme”, Ümüttepe Yayınları, İzmit/Kocaeli, (2012).
• [37] Ömürbek N., Karaatlı M. Yetim T., “Analitik Hiyerarşi Sürecine Dayalı TOPSIS ve VIKOR Yöntemleri ile ADIM Üniversitelerinin Değerlendirilmesi”, Selçuk Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, Dr. Mehmet YILDIZ Özel Sayısı, 189-207, (2014).
• [38] Atıcı K. B., Ulucan A., “Enerji Projelerinin Değerlendirilmesi Sürecinde Çok Kriterli Karar Verme Yaklaşımları ve Türkiye Uygulamaları”, H.Ü. İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi, 27(1): 161-186, (2009).
• [39] Wind Y., Saaty T. L., “Marketing Applications of the Analytic Hierarchy Process”, Management Science, 26: 641-658, (1980).
• [40] Bertolini M., Bevilacqua M., “A Combined Goal Programming-AHP Approach to Maintenance Selection Problem”, Reliability Engineering and System Safety, 91: 839-848, (2006).
• [41] Dar T., Rai N., Bhat A., “Delineation of potential groundwater recharge zones using analytical hierarchy process (AHP)”, Geology, Ecology and Landscapes, 22(3): 1–16, (2020).
• [42] Mohammed H. J., Al-Jubori I. A. M., Kasim M. M., ”Evaluating project management criteria using fuzzy analytic hierarchy Process”, AIP Conference Proceedings, 2138(1): 400181–400186, (2019).
• [43] Hashemi S., Marzuki A., Mohammed H. J., Kiumarsi S., “The effects of perceived conference quality on attendees’ behavioural intentions”, Anatolia, 31(3): 360–375, (2020).
• [44] Baffoe G., “Exploring the utility of analytic hierarchy process (AHP) in ranking livelihood activities for effective and sustainable rural development interventions in developing countries”, Evaluation and Program Planning, 72: 197–204, (2019).
• [45] Mohammed H. J., Kasim M. M., Shaharanee I. N., “Evaluation of e-learning approaches using AHP-TOPSIS technique. Journal of Telecommunication”, Electronic and Computer Engineering, 10: 1–10, (2018).
• [46] Marinis P. D., Sali G., “Participatory analytic hierarchy process for resource allocation in agricultural development projects”, Evaluation and Program Planning, 80: 101793, (2020).
• [47] Mohammed H. J., Daham H. A., “Analytic Hierarchy Process for Evaluating Flipped Classroom Learning”, Computers, Materials & Continua, 66(3): 2229-2239, (2021).
• [48] Özgür C., “Dezenfeksiyon ünitesi risk analizi: içme suyu arıtma tesisi”, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 10(1): 16-22, (2021).
• [49] Özbek A., “Çok Kriterli Karar Verme Yöntemleri ve Excel ile Problem Çözümü”, Seçkin Akademik ve Mesleki Yayınlar, Ankara, (2017).
• [50] Yıldırım B. F., Önder E., “Operasyonel, Yönetsel ve Stratejik Problemlerin Çözümünde Çok Kriterli Karar Verme Yöntemleri”, Dora Yayıncılık, Bursa, (2018).
• [51] Saaty R. W., “The analytic hierarchy process—what it is and how it is used”, Math Modell. 9(3-5), 161-176, (1987).
• [52] Ransikarbum K., Pitakaso R., Kim N., Ma J., ”Multicriteria decision analysis framework for part orientation analysis in additive manufacturing”, J Comput Des Eng, 8(4): 1141-1157, (2021).
• [53] Dağtekin M., Aybek A., Bilgili M. E., “Adana ve Mersin’de Bulunan Etlik Piliç Kümeslerinde Oluşan Gübrenin Biyogaz ve Elektrik Üretim Potansiyelinin Belirlenmesi”, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(2): 9-22, (2019).
• [54] Yağlı H., Koç Y., “Hayvan Gübresinden Biyogaz Üretim Potansiyelinin Belirlenmesi: Adana İli Örnek Hesaplama”, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(3): 35-48, (2019).
• [55] Tırınk S., “Hayvansal Atıkların Biyogaz Üretim Potansiyelinin Hesaplanması: Iğdır İli Örneği”, Journal of the Institute of Science and Technology, 12(1): 152-163, DOI: 10.21597/jist.1026987, (2022).
• [56] Cui Z., Shi J., Li Y., “Solid-state anaerobic digestion of spent wheat straw from horse stall”, Bioresource Technology, 102: 9432–9437, (2011).
• [57] Jaffar M., Pang Y., Yuan H., Zou D., Liu Y., Zhu B., Korai R. M., Li X., “Wheat straw pretreatment with KOH for enhancing biomethane production and fertilizer value in anaerobic digestion”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 24: 404–409, (2016).
• [58] Liu X., Zicari S. M., Liu G., Li Y., Zhang R., “Pretreatment of wheat straw with potassium hydroxide for increasing enzymatic and microbial degradability”, Bioresource Technology, 185: 150–157, (2015).
• [59] Türkiye Un Sanayicileri Federasyonu (TUSAF). https://www.tusaf.org/Eklenti/1322,tusaf-2022-yili-bolgelere-gore-bugday-uretimipdf.pdf?0&_tag1=592749FC6D1AE3DAF66B2F144785F3524C415FEB#:~:text=T%C3%BCrkiye'de%20bu%20y%C4%B1l%206,5%20milyon%20ton%20oldu%C4%9Funu%20g%C3%B6steriyor.