Techno-Economic Analysis of Biogas Energy from Agricultural and Animal Waste Sources: A Case Study of Bilecik Province

Öz

Currently, a significant proportion of the energy resources utilized worldwide consists of fossil fuels, which are depleting steadily. The growing global population has also led to an increase in energy demand. Moreover, the use of fossil fuels results in emissions that contribute to various environmental pollution problems. For these reasons, interest in environmentally friendly and sustainable alternative energy sources is steadily growing. This study aims to determine the biogas energy potential from animal and agricultural waste in the Bilecik province of Türkiye and to perform a techno-economic analysis of biogas plants. Currently, there are no biogas facilities in Bilecik, and a lack of scientific studies on this topic has been observed. This research seeks to address this gap in the literature. To this end, data on livestock numbers and agricultural production in Bilecik were obtained from the Turkish Statistical Institute (TÜİK). Using this data, the potential biogas yield from cattle and laying hen waste, as well as soybean and corn silage residues within the province, was calculated, along with the corresponding electricity generation potential. Additionally, the required installed capacity for energy production facilities to harness this potential was determined. Based on the installed capacity, a cost analysis was conducted, and a suitable district for plant installation was identified. The findings revealed that the annual biogas potential from animal and agricultural waste in Bilecik is approximately 4.5 million m³. This biogas could generate an estimated 21.7 GWh of electricity annually, corresponding to a total installed capacity of 2.58 MW. The analysis results indicate that the payback period for a biogas plant established in the region would be 5.7 years.

Anahtar Kelimeler

• Bilecik
• Animal waste
• Agricultural residues
• Biogas

Teşekkür

This study is derived from Merve Golec’s Master’s Thesis.

Tarımsal ve Hayvansal Atık Kaynaklı Biyogaz Enerjisi için Tekno-Ekonomik Analiz: Bilecik İli Örneği

Öz

Günümüzde, dünya genelinde kullanılan enerji kaynaklarının büyük bir kısmı fosil yakıtlardan oluşmaktadır ve bu fosil kaynaklar gün geçtikçe tükenmektedir. Artan nüfus etkisiyle enerji talebi de aynı şekilde yükselmektedir. Ayrıca, fosil yakıtların kullanımı sırasında ortaya çıkan salınım çeşitli çevresel kirlilik sorunlarına neden olmaktadır. Bu sebeplerle, çevre dostu ve sürdürülebilir alternatif enerji kaynaklarına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Buna yönelik olarak bu çalışmada, Bilecik ilinin hayvansal ve tarımsal atıklarıyla biyogaz enerjisi potansiyelinin belirlenmesi ve biyogaz tesislerinin tekno-ekonomik analizi yapılmıştır. Bilecik ilinde hali hazırda bir biyogaz tesisi bulunmamakta olup bu doğrultuda bilimsel çalışma eksikliği gözlenmektedir. Bu çalışma ile literatürdeki bu eksiklik giderilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, Bilecik iline ait hayvan sayıları ve tarımsal üretim verileri Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) aracılığıyla temin edilmiştir. Bu veriler kullanılarak, il sınırları içerisindeki büyükbaş hayvan ve yumurtacı tavuk atıkları ile fasulye, yeşil mercimek, nohut ve mısır hasıl atıklarından elde edilebilecek biyogaz potansiyeli ve bu potansiyele dayalı olarak gerçekleştirilebilecek elektrik üretimi hesaplanmıştır. Ayrıca, bu elektrik üretiminin sağlanabilmesi için gerekli olan enerji üretim tesislerinin kurulu güçleri hesaplanmıştır. Kurulu güce dayalı olarak maliyet analizi yapılmış ve tesis kurulumu için uygun ilçe belirlenmiştir. Elde edilen bulgulara göre, Bilecik ilindeki hayvansal ve tarımsal atıklardan elde edilebilecek biyogaz potansiyeli yıllık 4,5 milyon m³ olup, bu biyogazdan yıllık 21,7 GWh elektrik enerjisi potansiyeli ve bu elektrik enerjisinin karşılık geldiği toplam kurulu güç 2,58 MW olarak hesaplanmıştır. Analiz sonuçları, şehirde kurulacak biyogaz tesisinin geri ödeme süresi 5,7 yıl olarak hesaplanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Bilecik
• Hayvansal atık
• Tarımsal atık
• Biyogaz

Teşekkür

Bu çalışma Merve Göleç’in Yüksek Lisans tez çalışmasından düzenlenmiştir.

Kaynakça

1. IEA (2023), World Energy Outlook 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023, Licence: CC BY 4.0 (report); CC BY NC SA 4.0 (Annex A)
2. Kaya, D., & Öztürk, H. H. (2012). Biyogaz teknolojisi: üretim-kullanım-projeleme. Umuttepe Yayınları.
3. Statista. https://www.statista.com/statistics/1032922/biogas-capacity-globally/. (22.08.2024).
4. Ekinci, K. (2011). Regional Distribution of Animal Manure and Biogas Potential in Turkey. 1st Turkish German Biogas Project Workshop. Izmir.
5. BiyogazDer. (2022). 2022 Yılı Yekdem Biyogaz Listesi. https://biyogazder.org/biyogaz-tesisleri/.
6. American Biogas Council. Biogas Market Snapshot. https://americanbiogascouncil.org/biogas-market-snapshot/, (22.08.2024).
7. Biyoenerji Dergisi. Türkiye’nin 35 milyar TL’lik gıda atığı biyogaz potanisyeli mi? https://biyoenerjidergisi.com/turkiyenin-35-milyar-tllik-gida-atigi-biyogaz-potansiyeli-mi/ (22.08.2024).
8. EPİAŞ. Duyurular. https://www.epias.com.tr/tum-duyurular, (20.11.2024).

9. Karaca, C. (2017). Hatay ilinin hayvansal gübre kaynağından üretilebilir biyogaz potansiyelinin belirlenmesi. Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 22(1), 34-39.
10. Altıkat, S., & Çelik, A. (2012). Iğdır ilinin hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli. Journal of the Institute of Science and Technology, 2(1), 61-66.
11. Yetiş, A. D., Gazigil, L., Yetiş, R., & Çelikezen, B. (2019). Hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli: Bitlis örneği. Academic Platform-Journal of Engineering and Science, 7(1), 74-78.
12. Çağlayan, G., & Koçer, N. (2014). Muş ilinde hayvan potansiyelinin değerlendirilerek biyogaz üretiminin araştırılması. Muş Alparslan Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2(1), 215-220.
13. Ay, Ö., & Kaya, A. (2020). Kahramanmaraş ilinin hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli. Journal of the Institute of Science and Technology, 10(4), 2822-2830.
14. Seyhan, A. K., & Badem, A. (2018). Erzincan ilindeki hayvansal atıkların biyogaz potansiyelinin araştırılması. Academic Platform-Journal of Engineering and Science, 6(1), 25-35.
15. Kandemir, S. Y., & Açıkkalp, E. (2019). Bilecik İli Hayvansal Atıklarının Biyogaz Potansiyellerinin İncelenmesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(1), 104-108.
16. Aybek, A., Üçok, S., Bilgili, M. E., & İspir, M. A. (2015). Kahramanmaraş ilinde bazı tarımsal atıkların biyogaz enerji potansiyelinin belirlenerek sayısal haritalarının oluşturulması. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 29(2).
17. Akbulut, A., & Dikici, A. (2004). Elazığ ilinin biyogaz potansiyeli ve maliyet analizi. Fırat Üniversitesi Doğu Araştırmaları Dergisi, 2(2), 36-41.
18. Şenol, H., Elibol, E. A., Açıkel, Ü., & Şenol, M. (2017). Biyogaz üretimi için Ankara’nın başlıca organik atık kaynakları. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(2), 15-28.
19. Ulusoy, Y., Arslan, R., Ulukardeşler, A. H., Kaplan, C., Kul, B., & Arslan, R. (2015). Bursa ili tarımsal organik atık kaynaklı biyogaz potansiyeli ve biyogazın dizel motorlarda yakıt olarak kullanımının incelenmesi. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 29(2).
20. Tufaner, F. (2020). Zeytin Karasuyunun Anaerobik Arıtılabilirliği ve Biyogaz Üretim Potansiyelinin Araştırılması. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 9(4), 1766-1778.
21. Karagöz, M. (2016). Hayvansal atıkların kofermentasyonu ile biyogaz üretimi. Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Doktora Tezi.
22. Uçar, İ. R., Özer, Z., & Sarıbıyık, O. Y. (2021). Biyogaz Üretiminde Atıkların Verim Üzerine Etkilerinin Araştırılması. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi dergisi, 36(3), 581-589.
23. Aktaş, T., Özer, B., Soyak, G., & Ertürk, M. C. (2015). Tekirdağ ili’nde hayvansal atık kaynaklı biyogazdan elektrik üretim potansiyelinin belirlenmesi. Tarım Makinaları Bilimi Dergisi, 11(1), 69-74.
24. Özer, B. (2013). Biogas potential of animal wastes for electricity generation in ardahan city of Turkey. Causes, Impacts and Solutions to Global Warming, 697-707.
25. Zupančič, M., Možic, V., Može, M., Cimerman, F., & Golobič, I. (2022). Current status and review of waste-to-biogas conversion for selected European countries and worldwide. Sustainability, 14(3), 1823.
26. Pavičić, J., Novak Mavar, K., Brkić, V., & Simon, K. (2022). Biogas and biomethane production and usage: technology development, advantages and challenges in Europe. Energies, 15(8), 2940.
27. Pablo-Romero, M. D. P., Sánchez-Braza, A., Salvador-Ponce, J., & Sánchez-Labrador, N. (2017). An overview of feed-in tariffs, premiums and tenders to promote electricity from biogas in the EU-28. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 73, 1366-1379.
28. Pence, I., Kumaş, K., Cesmeli, M. S., & Akyüz, A. (2024). Future prediction of biogas potential and CH4 emission with boosting algorithms: the case of cattle, small ruminant, and poultry manure from Turkey. Environmental Science and Pollution Research, 31(16), 24461-24479.
29. Şenol, H., Çolak, E., & Oda, V. (2024). Forecasting of biogas potential using artificial neural networks and time series models for Türkiye to 2035. Energy, 131949.
30. Bilecik Valiliği. Coğrafi yapı. http://www.bilecik.gov.tr/cografi-yapi, (22.08.2024)
31. T.C. Milli Savunma Bakanlığı Harita Genel Müdürlüğü. İndirilebilir il haritaları. https://www.harita.gov.tr/urun/bilecik-mulk-idare-il-haritasi/441, (22.08.2024).
32. TÜİK. Tarım. https://data.tuik.gov.tr/Kategori/GetKategori?p=Tarim-111, (22.08.2024).
33. Başçetinçelik, A., Karaca, C., Öztürk, H. H., Kacıra, M., ve Ekinci, K. (2005). Agricultural biomass potential in Turkey. In Proceedings of the 9th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture and 27th International Conference of CIGR Section IV: The Efficient Use of Electricity and Renewable Energy Sources in Agriculture (pp. 27-29).
34. Kestioğlu, P. D. (2016). DAP Bölgesi Kırsal Alanda Biyogaz Üretimine Yönelik Sektör Raporu Hazırlanması Projesi, Nihai Rapor. Doğu Anadolu Kalkınma Ajansı.
35. Karabaş, H. (2019). Sakarya ilinin bitkisel biyokütle açısından atık miktarının ve enerji potansiyelinin araştırılması. Ulusal Çevre Bilimleri Araştırma Dergisi, 2(1), 35-43.
36. DAKA (2022). Van Büyükşehir Belediyesi Erçek Biyogaz Enerji Üretim Santrali projesi fizibilite raporu.
37. DOĞAKA (2020). Kahramanmaraş ilinde biyogaz tesisleri kurulmasına yönelik fizibilite raporu.
38. GMKA (2022). Balıkesir ili biyogaz sektörü. Ön fizibilite raporu.
39. BEBKA (2015). Nilüfer Belediyesi organik atıklardan biyogaz üretim tesisi fizibilite çalışması.
40. Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası. Döviz kurları. https://www.tcmb.gov.tr/wps/wcm/connect/TR/TCMB+TR/Main+Menu/Istatistikler/Doviz+Kurlari, (15.04.2024).
41. Ercan, Z., & Pınarbaşı, M. (2024). Çok Kriterli Karar Verme Yöntemleri ile Biyogaz Enerji Santrali Kuruluş Yeri Seçimi: Ankara İli Polatlı İlçesi İçin Bir Örnek. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 10(2), 395-408.
42. Osmaniye Belediyesi. Osmaniye ilinde hayvansal biyogaz ve enerji potansiyelinin araştırılmasına yönelik fizibilite raporu. https://www.dogaka.gov.tr/assets/upload/dosyalar/osmaniye-belediyesi-biyogaz-fizibilite-raporu.pdf.
43. Seyitoglu, S. S., Avcioglu, E., & Haboglu, M. R. (2022). Determination of the biogas potential of animal waste and plant location optimisation: A case study. International Journal of Energy Research, 46(14), 20324-20338.
44. Lampropoulos, A., Varvoutis, G., Athanasiou, C., & Marnellos, G. E. (2025). Assessing the electricity potential from agricultural residues in Western Macedonia, Greece. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 214, 115530.
45. Vongvisith, B., Wudi, Z., Fang, Y., Kai, W., Ming, L., Xiyan, J., ... & Hong, Y. (2018). Agricultural waste resources and biogas energy potential in rural areas of Lao PDR. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 40(19), 2334-2341.