Prof. Dr. İskender Gökalp, ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü
2021’de olacağı gibi daha sonraki yıllarda da dünyanın en çok konuşacağı konulardan biri enerji ve çevre etkileşimi olacağı açık gözüküyor. Uzun zamandır da böyle zaten. Ama son dönemde ve önümüzdeki yılların farkı bazı olumlu etkileşimlerin mümkün olabileceğinin yavaş yavaş ortaya çıkması olacak.
Bu olumlu etkileşimin en kuvvetlisine Döngüsel Ekonomi-DE (Circular Economy) diyoruz. En basit ifadesiyle, DE bir faaliyet alanında ortaya çıkan ürünün kullanımı sonrasında geri kazanılması veya başka bir faaliyet alanına girdi olarak kullanılması şeklinde düşünülebilir.
Benzer olarak bir faaliyet alanında ortaya çıkan atıkların da geri kazanılması ve dönüştürülerek başka bir faaliyet alanına girdi oluşturması DE’nin diğer bir yüzüdür. Anlaşılacağı gibi DE sürdürülebilir küresel yaşamı etkileyebilecek bir yaklaşım. Hem kıt hammaddelerin kullanım sürelerinin uzatılmasını hem de çeşitli zararlı atıkların bertaraf edilmesini ve de yeniden ekonomik sürece dâhil edilmesini hedeflemekte.
Dolayısıyla bahsedilen döngü kesinlikle bir kısır döngü değil erdemli bir döngüdür. Aşağıdaki bölümlerde bolca kullandığımız iki teknolojik ürün etrafında bu konuyu açacağız; cep telefonu, bilgisayar veya televizyon gibi elektronik aletler ve taşıt araçlarının kullanılmış lastikleri.
Elektronik aletler ve değerli metaller
Elektronik aletlerin bileşenlerinde veya elektronik kartlarında önemli miktarda değerli çeşitli metal bulunuyor. Örneğin 1 ton elektronik kart 1 ton altın cevherinden 40 defa fazla altın içeriyor. Bu oran bakır için 30 ila 40 arasında.
Daha genel olarak, 1 milyon cep telefonu yaklaşık olarak 16.000 kg bakır, 350 kg gümüş, 35 kg altın, 15 kg paladyum içeriyor. Anlaşılacağı gibi bu kıymetli malzemeleri geri kazanmak şart.
Bunun nedenlerinden bir tanesi bu miktarlarda kıymetli maden üretebilmek için maden cevherlerini işlemenin karbon ayak izinin geri dönüşüme göre defalarca yüksek olması ve örneğin altın üretiminde siyanür, cıva gibi zararlı malzemelerin kullanılmasıdır.
Diğer bir neden de bu kıymetli metallerin rezervlerinin yenilenmediği. Bugünkü verilere göre dünya bakır rezervleri 830 milyon ton civarında. Her sene dünyada 28 milyon ton kadar bakır tüketildiği ve de bunun sadece 10 milyon tonunun geri kazanım kaynaklı olduğu düşünülürse, bu tüketim seviyesiyle rezervlerin 50 seneden az bir süreyi karşılayacağı ortaya çıkıyor.
Yani henüz 2 buçuk yaşında olan torunumun bakır için savaşan bir dünyada yaşamaması için geri kazanım oranını ne yapıp edip artırmamız gerekiyor.
Bakırın bugün esas olarak elektrik iletiminde kullanıldığı ve de hepimizin daha fazla elektrik istediği düşünülürse bu konunun önemi anlaşılıyor. Bu elbette diğer madenler için de geçerli. 2018 yılında elektronik aletlerde kullanılan altın miktarı 270 ton civarında. Dünyada her sene satılan 1,5 milyar cep telefonun içerdiği altın geri kazanılırsa bunun 52 tonunu yani yüzde 20’sini geri kazanmış oluyoruz. Altın kullanan diğer elektronik aletler için de bu yapılırsa 270 ton altının hepsi geri kazanılabilir. Altının kullanılsa bile altın olarak kaldığını biliyoruz, yani önemli olan onu hapsedildiği kullanılmayan elektronik karttan kurtarmak. İşte bunu söylemek kolay da yapmak zor…
Daha doğrusu ileri teknolojinin işin içine girdiği yer tam burası. Bugün kullanılan süreçler sürdürülebilir değil; kartların içerdiği organik maddeler çeşitli tehlikeli asitlerle eritilip kıymetli madenler kötü bir verimlilikle geri kazanılmaya çalışılıyor.
Benim de üzerinde çalıştığım yenilikçi bir süreç elektronik kartları süper kritik suyun içinde çözüyor ve kıymetli madenleri klasik metalürjik tekniklerle ayırıyor. Bir reaktör içinde 220 bar (atmosfer) basınca ve de 374 °C sıcaklığa çıkarılan suyun fiziksel ve termodinamik özellikleri tümüyle değişiyor ve kuvvetli bir çözücü haline geliyor, yani organik maddeleri tümüyle gaz haline getirebiliyor. Geri kalan metaller böylece ayrıştırılabiliyor. Ayrıca elde edilen gaz da ısı değeri olan bir gaz, hidrojen de ihtiva eden bir nevi sentetik gaz. Dolayısıyla reaktörü ısıtmak için gereken enerji üretimi için kullanılabiliyor. Bu süreci optimize edebilmek için aşılması gereken safhalar arasında en önemlisi reaktörün yüksek basınç ve sıcaklıkta korozyona dayanabilecek bir malzemeden imal edilmesi [1]. Bu örnek Ar-Ge’ye dayanan yeni çözümlerin bulunabileceğini gösteriyor. Elbette araştırma laboratuvarı ortamında çözüm bulunduktan sonra bunu ticari boyuta geçirmek gerekiyor. Umarım 2020’li yıllarda bunu becereceğiz, önce Türkiye de sonra da bu teknolojiyi dünyaya yayarak.
Ömrünü tamamlamış lastikler-ÖTL
Yukarıdaki örnek kullanma süresi tamamlanmış bir ürünün içerdiği kıymetli ve kıt maddeleri geri kazanıp dönüştürülmemiş şekilde aynı tipten ürünler için (elektronik aletler) kullanılması üzerine idi. Yani tam anlamıyla geri kazanım örneği ama aynı faaliyet alanı içinde kalarak.
Aşağıda geliştireceğimiz ikinci örnek ömrünü tamamlamış taşıt araçları lastiklerinin geri kazanımıyla ilgili. Bu daha karmaşık bir örnek ve de atıkların bertaraf edilmesi ve dolayısıyla çevre boyutu daha önemli. Lastiklerin ihtiva ettikleri kauçuk malzemenin geri kazanılması ve yine taşıt araçları lastiği imalatında veya başka ürünlerde kauçuk olarak kullanılması söz konusu olabileceği gibi bambaşka bir amaçla, mesela enerji (elektrik ve ısı) üretilmesi için de kullanılması mümkün. Dolayısıyla bu örnekte bir sektörün atık malzemesinin başka bir faaliyet alanına girdi veya hammadde oluşturabileceğini göreceğiz.
Her sene dünyada yaklaşık bir milyar ömrünü tamamlamış araç lastiği atık kategorisine giriyor. Bunlar dünyanın hemen hemen her yerinde lastik dağları oluşturuyorlar ve çeşitli çevresel ve sağlık sorunlarını tetikliyorlar. Bu lastik dağlarının tutuşması ile ortaya çıkan yangınların söndürülmesi aylar sürebiliyor ve önemli hava, toprak ve su kirliliğine yol açıyor.
Aynı şekilde çeşitli hastalıklara yuva oluşturuyorlar (sıtma gibi). Bu atıkların da bugünkü bertaraf şekilleri sürdürülebilir değil. Granüle haline getirilip çeşitli zeminlerde kullanılması elbette nihai bertaraf değil.
Çimento üretimi fırınlarında yakılmaları ÖTL’lerin içerdikleri çeşitli ağır metallerin ve diğer hava kirleticilerinin atmosfere salınmasına yol açıyor. Kauçuk malzeme lastik üretiminde kullanılabilmesi için pişiriliyor ve lastik hammaddesi olarak yeniden kullanılması da zorlaşıyor. Bir çözüm organik bir madde olan kauçuk malzemenin, lastiğin çelik kısımlarından ayrıldıktan sonra, çeşitli ısısal yöntemlerle enerji üretiminde kullanılması. Bu yöntemler arasında gazlaştırma en sürdürülebilir ve temiz süreç olarak ortaya çıkıyor [2].
Kömür veya biyokütle gazlaştırmasında olduğu gibi akışkan yataklı sistemlerde gazlaştırılan kauçuk malzeme sadece ısıl değeri kuvvetli bir sentetik gaz üretiyor (ve de gazlaştırılan malzemenin ağırlığının yüzde 5 oranında kül, dolayısıyla bertaraf oranı yüzde 95 oluyor).
Hidrojen ve karbon içeriği yüksek olan bu gaz yakıcılarda veya gaz motorlarında yüksek verimle yakılıp ısı ve elektrik üretiminde kullanılabiliyor. Yaptığımız çalışmalar, Türkiye de her sene ortaya çıkan 300 bin ton atık lastiğin gazlaştırma yoluyla bertaraf edilmesi ile 50 MW civarında elektrik güç elde edilebileceğini gösteriyor.
Bu teknolojinin yılda 20 milyon ton ÖTL civarındaki dünya pazarına açılması elbette önemli. Bu örneği vermemin nedeni hem döngüsel ekonomiye faaliyet alanlarını birleştiren bir örnek olması hem de vahim bir çevresel soruna nihai çözüm teşkil etmesi.
CO2 ile ne yapabiliriz?
Son senelerde küresel olarak en çok konuştuğumuz atık malzeme karbondioksit yani CO2. Aslında CO2’nin atık olup olmadığı da tartışılıyor. Tartışılması da gerekiyor. CO2’nin bitkiler ve canlılar için önemli rolünü biliyoruz. Dolayısıyla karbon ve oksijen içeren bu kıymetli malzemeye düşman gibi bakılması beni açıkçası hüzünlendiriyor.
Ayrıca benim gibi yanma uzmanları hayatları boyunca karbon ihtiva eden malzemeleri en verimli şekilde yani en fazla CO2 salarak nasıl enerjiye dönüştürebiliriz konusuna kafa patlattılar.
Dolayısıyla CO2’ye son 10 senelerde düşman gibi bakılması hepimizi biraz depresyona sokmadı değil. Ama çabuk toparlandık ve bu hayatsal değeri yüksek malzemenin rehabilitasyonuna çalışmaya başladık.
Üstelik yepyeni olanaklar da ortaya çıkmıştı. Bu örneği aşağıda biraz derinleştireceğiz çünkü yukarıdaki ÖTL örneğinin de ötesinde, faaliyet alanlarını ilişkilendiren ve tam anlamıyla düşük karbonlu döngüsel ekonomiye katkı imkânları görüyoruz.
Yeni durumlardan bir tanesi yenilenebilir elektrik üretiminin bilhassa güneş ve rüzgâr enerjisini kullanarak gelişmesi. (HES’leri de unutmamak gerekiyor aslında). Bu enerji kaynaklarının bir özelliği bilindiği gibi sürekli olmamaları: güneş için gündüz gece, rüzgâr için eser esmez süreçleri var. Dolayısıyla bu enerji kaynaklarının etkin olduklarında ürettikleri enerjiyi depolamak gerekiyor. Elektriği depolamak zor, ısıyı da depolamak kolay değil. Ama yavaş yavaş bir çözüm ilgi çekiyor: artık elektrikle (mesela elektrik tüketimi gece saatlerinde iyice azalınca ama rüzgâr türbinleri dinlenmeden döndükçe) suyun elektrolizi İLE hidrojen üretmek, yani yenilenebilir temiz hidrojen elde etmek.
Elektrik gibi bir enerji taşıyıcısı olan hidrojeni depolamak daha kolay. Yöntemlerden bir tanesi doğalgaz ile karıştırıp gaz şebekesinde depolanmasını ve taşınmasını sağlamak. Böylece doğalgazı hidrojenle zenginleştirmiş de oluyoruz. Bu bilhassa Türkiye için önemli bir konu ama burada hidrojene başka bir şekilde bakacağız. Hidrojen ile CO2’yi katalizörlerin de yardımıyla kimyasal tepkimeye sokup metanol gibi sıvı yakıtlar (hatta sentetik metan gazı da) üretmesini biliyoruz.
Bunu büyük ölçeklerde yapabilirsek sürekli olmayan yenilenebilir elektriği depolamış oluyoruz ve daha da rahat depolanabilen bir sıvı yakıt elde etmiş oluyoruz. Ama bir şey daha yapmamız gerekiyor. Önemli miktarlarda CO2’ye ihtiyacımız var. Bunu da fosil yakıtlı enerji santrallerinin ve çimento, demir çelik, cam sanayi, kâğıt sanayi gibi faaliyet alanlarının saldığı CO2’yi tutarak yapabiliriz. CO2 tutma teknolojileri giderek gelişiyor, bunların detayına girmeyelim ama zaten bu faaliyet alanlarının karbon ayak izlerini azaltmak için bu teknolojileri geliştirmek gerektiğini biliyoruz [3].
Toparlarsak ne yapmış olduk. Yenilenebilir elektriğin depolama sorunu çözdük, temiz hidrojen ürettik, önemli sanayilerin CO2 ayak izini azalttık, tutulan CO2’ye değerlendirme alanı bulduk, depolanabilen, taşınabilen ve de var olan teknolojik sistemlerde kullanılabilen (içten yanmalı motorlar, gaz türbinleri) bir yakıt elde etmiş olduk.
Diyeceksiniz ki, o yakıtı yakınca yine CO2 salacaksın, neye yaradı bu kadar çaba. Doğrudur, ama yenilik şurada; örneğin içten yanmalı motorlu araçları besleyecek yakıtı yeni yani yerin altından çıkarılan fosil yakıtlardan değil taşıma dışındaki faaliyet alanlarının saldığı CO2’den ve de yenilenebilir hidrojenden ürettik.
Yani tam anlamıyla aynı CO2’yi bir faaliyet alanından diğerine transfer ettik. Aynı karbonu bir defadan fazla kullanmış olduk. Döngüsel ekonomiye katkıda bulunmuş ve de taşıma harici faaliyet alanlarının karbon ayak izini azaltmış olduk.
Anlatılan bu süreç elbette düşük karbonlu döngüsel ekonomiye geçebilmek için bir aşama; ürettiğimiz yenilenebilir hidrojeni araçlarda mesela yakıt pilleri vasıtasıyla da kullanabiliriz. Burada şu gözlemler yapılabilir. Enerji sistemleri son derece karmaşık sistemlerdir. Bunlara geniş boyutlu sosyo-teknik sistemler diyoruz. Bir sürü alt sistemlerden oluşurlar. Alt sistemin birini değiştirince bütün sistemi yeniden tasarlamak gerekir.
Taşıma sektörünü alırsak, karbon ihtiva eden sıvı yakıtlardan hidrojene geçmek, bu sektörün hem yakıtını hem de yakıtı hareket verici güce çeviren sistemi değiştirdiğimiz anlamına gelir. Yani içten yanmalı motordan yakıt piline geçmemiz gerekiyor. Bugün yakıt pilleri içten yanmalı motorlar kadar optimize edilmiş değildir ve de platin gibi nadir metallere ihtiyacı vardır. Ayrıca hidrojenin dağıtımı ve kişisel araçlarda depo edilmesi güvenlik ve toplumsal kabul görme açısından yeterli seviyede değildir.
Hidrojenin, çevresel açıdan sempatik bir yakıt olmasına rağmen, güvenlik açısından bir sürü sorunu vardır ki bunlardan en önemlisi kaçak ve patlama özelliklerinin doğalgaza ve de sıvı yakıtlara göre çok yüksek olmasıdır. Yani kaş yaparken göz çıkarma potansiyeli çok yüksektir. Döngüsel düşük karbonlu ekonomiye çabuk bir şekilde geçmek için çeşitli safhaları atlamamak gerektiğini ve de fosil yakıtlardan kurtulmak isterken hidrojeni doğrudan kullanarak daha güvensiz bir sistemi tetiklememek gerektiğini düşünüyoruz.
Döngüsel sürdürülebilir ekonomiye geçişte etkin olabilecek birkaç örnekten bahsettik bu yazıda ama daha başka imkânların da olduğunu hatırlatalım. Türkiye için olduğu gibi tüm dünya için hem bertaraf edilmeyi hem de değerlendirilmeyi bekleyen bir dizi atık daha var. Bunların bir kısmı var olan teknoloji ile geri kazanabilir olsa da (mesela nemli olmayan katı organik atıklar), bir kısmı da yeni teknolojilerin gelişmesini bekliyor. Bunların arasında en zorlu olanlar nemi çok yüksek atıklar. Her gün dünyada milyonlarca ton olarak ortaya çıkan kullanılmış su arıtma tesislerinin çamuru, ıslak tarımsal atıklar (mesela zeytinyağı üretiminde ortaya çıkan karasu, gıda atıkları, hayvansal atıklar (kümes altlıkları, deri sanayinin atıkları) gibi. Bu atıkların döngüsel ekonomiye kazandırılmaları için gerekli olan ve de geliştirilmekte olan teknolojilerden bir başka yazıda bahsedeceğiz.
[1] İ. Gökalp et al., Journal of the European Ceramic Society 32: 2219–2233 (2012)
[2] İ. Gökalp et al., A techno-economic feasibility analysis for the gasification of scrap tires for energy generation in Turkey. DETRITUS 7: 68-75 (2019)
[3] İ. Gökalp et al., PROCEEDINGS OF THE COMBUSTION INSTITUTE 36: 3959-3968 (2017)