Geleneksel Enerji Kaynakları Dersi 7. Ünite Özet

Doğal Gazın Tarihçesi

Doğal gaz, küçük canlıların milyonlarca yıl süren çürümeleri sonucu oluşmuş, genelde petrol bölgelerinde bulunan fosil yakıt türü olarak tanımlanabilir. Tabiatta bağımsız yataklarda ve petrol yataklarının üzerinde yaklaşık 300 bar basınçta bulunur. Yanıcı, kokusuz, renksiz ve havadan hafif bir gazdır. Doğal gaz konutlarda, ticari kurumlarda (restoranlar, oteller, sağlık merkezleri, iş merkezleri ya da büyük alışveriş merkezleri gibi) ve kamu kurumlarında (devler daireleri, okullar ve sanat kurumları gibi) ısınma, elektrik, sıcak su elde edilmesi ve mutfak işlerinde; elektrik üretim tesislerinde enerji üretiminde; fabrikalarda ısıtma, soğutma ve kojenerasyon gibi işlemlerde enerji kaynağı olarak; amonyak, metan, hidrojen, petrokimyasal ürünler, gübre, mürekkep, yapıştırıcı, sentetik lastik, fotoğraf filmi, deterjan, boya, dinamit, plastik, antifriz ve bazı ilaçların üretiminde ise doğrudan ham madde olarak kullanılmaktadır.

Yunanistan’da Parnasus Dağı’nda (MÖ 1000 dolayları) bir çoban tarafından görülmüş ve bunun bir kehanet olduğu düşünülerek alevin oluş- tuğu yere bir mabet yapılmıştır. Bu ve benzeri alev kaynakları Eski İran, Hindistan ve Yunanistan toplumlarının inanışlarında doğaüstü güçler olarak kabul edilmiştir. MÖ 500 yıllarında, Çinliler gaz sızıntılarının bulunduğu alanları belirlemiş, bu alanlardaki doğal gazı bambulardan yapılmış boru hatları ile çeşitli bölgelere taşıyarak deniz suyunu tuzdan arındırmak için ısıtmada ve içme suyu elde etmede kullanmışlardır. İngiltere doğal gaz kullanımını ticaretleştiren ilk ülkedir. 1920’lerde boru hattı taşımacılığı yöntemlerinin kullanılmaya başlaması ile birlikte dünyada hızla artan doğal gaz tüketimi, özellikle II. Dünya Savaşı’ndan sonra sürekli olarak gelişmiştir. ABD’de ise doğal gaz ilk defa 1625 yılında Erie Gölü’nde Amerikan yerlileri tarafından bulunmuş ve 1816’dan itibaren Baltimor’da sokakların aydınlatılmasında kullanılmıştır. İlk doğal gaz kuyusu 1821 yılında Fredonia, New York’da açılmıştır. Türkiye’de doğal gazın varlığı ilk olarak 1970’de Kırklareli Kumrular bölgesinde tespit edilmiş ve doğal gaz 1976’da Pınarhisar Çimento Fabrikası’nda kullanılmaya başlanmıştır.

Doğal Gazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Doğal gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri ekonomik değerini, kalitesini ve satış fiyatını belirlemede büyük önem taşımaktadır. Gazlar katı ve sıvılardan farklı olarak düşük yoğunluk ve akmazlık değerlerine ve sıkıştırılabilme özelliğine sahiptir. Gazların hacimsıcaklık-basınç ilişkileri hâl denklemleri (gaz yasaları) ile ifade edilmektedir. İdeal gaz yasası düşük basınç değerlerinde kullanılabilen ve bazı temel varsayımlar içeren en yaygın hâl denklemlerinden biridir. Petrol endüstrisinde, yüksek basınç altındaki gazlar için en sık kullanılan hâl denklemi gerçek gaz yasası olarak isimlendirilmektedir. Yakıt olarak kullanılan doğal gazın en önemli özelliklerinden biri olan ısıl veya kalorifik değer incelenecektir. Kalorifik değer kısaca birim miktarda (birim kütle veya birim hacim) yakıt yandığında açığa çıkan ısı olarak tanımlanabilir. Doğal gazın kalitesini ve fiyatını etkileyen en önemli unsurlardan biri de kalorifik değeridir. Doğal gaz bir karışım olduğu için bileşenlerinin kalorifik değerleri de incelenmelidir.

Basınç arttıkça ideal gaz yasasında kullanılan varsayımlar geçerliliğini kaybetmekte ve gazlar ideal gaz yasasından sapmaktadır. Bu nedenle yüksek basınçtaki gazların hacim, sıcaklık ve basınç ilişkilerini tanımlamak için ideal gaz yasasında bazı düzeltmeler yapmak gerekmektedir. Petrol endüstrisinde, yüksek basınç altındaki gazlar için en sık kullanılan hâl denklemi gerçek gaz yasası olarak isimlendirilmektedir. Bir gazın bir ml veya bir cm3’ünün sahip olduğu ağırlık o gazın yoğunluğu olarak tanımlanmaktadır. Gaz molekülleri arasındaki çekim kuvveti katı ve sıvılara oranla çok daha zayıf olduğu için moleküller serbestçe hareket edebilmektedir. Bu nedenle, gaz molekülleri arasındaki uzaklık ve dolayısıyla birim hacimdeki molekül sayısı katı ve sıvılara oranla oldukça azdır. Başka bir deyişle, gazların yoğunluğu katı ve sıvılardan oldukça düşüktür. İdeal gazların yoğunlukları ideal gaz yasası kullanılarak hesaplanabilir

Bir gazın 15,5°C ve 1 atm basınçtaki yoğunluğunun aynı koşullardaki havanın yoğunluğuna oranına gazın gravitesi denir. Viskozite ya da akmazlık bir akışkanın akmaya karşı direnci olarak tanımlanır. Sıvıların akmazlık değerleri gazlara göre çok daha yüksektir. Bu nedenle gazlar daha kolay akabilmektedir. Ancak sıcaklık artışı ile birlikte gazların akmazlıkları artar, sıvılarınki ise azalır. Akmazlık, akışkanın, yüzey gerilimi altında deforme olmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsü olarak da tanımlanabilir. Katı maddeler, molekülleri arasında boşluk bulunmadığı için sıkılaştırılabilme özelliğine sahip değildir. Sıvı maddelerde moleküller arası boşluklar az miktardadır. Bu nedenle, sıvılar çok az miktarda sıkıştırılabilir ve konuldukları kabın şeklini alacak akışkan yapıdadırlar. Gazlarda ise moleküller arasındaki boşluk oldukça fazladır. Bu nedenle sıkıştırılabilme özelliğine sahiptirler ve içinde bulundukları kabı tamamen kaplarlar.

Doğal gaz, sızıntı sonucu hava ile karıştığında parlama, yanma ve patlama riski taşıyan gazlardan biridir. Hava ile doğal gaz belli oranlarda karıştığında parlayarak ısı vermektedir. Alevlenme noktası bir gazın ya da sıvı buharının alev ile temasında geçici olarak alev aldığı (parlama), fakat yanmaya devam etmediği en düşük sıcaklık olarak tanımlanabilir. Alevin etkisi ortadan kalkınca parlama biter. Yanma noktası ise parlayıcı ya da yanıcı sıvı buharları ve gazların hava ile meydana getirdikleri karışımların alev olmaksızın kendi kendine yandığı minumum sıcaklıktır. Patlama olarak tanımlanan olaylar, belirli oranlardaki yanıcı gaz, toz veya buharın hava ile oluşturduğu uygun oranlar dahilindeki (parlama veya patlama aralığındaki) karışımın, ateşleme enerjisi ile temas etmesi sonucunda yanma (oksidasyon) olayının çok kısa sürede meydana gelmesine neden olan fizikokimyasal tepkimelerdir.

Doğal Gazın Aranması ve Üretilmesi

Petrol ve doğal gaz sektöründeki faaliyetler “upstream” ve “downstream” olarak iki ana grupta toplanır. Arama ve üretim faaliyetlerini kapsayan grup “upstream”; üretim sonrası, yani taşıma, rafinaj, depolama ve dağıtım faaliyetlerini kapsayan ikinci grup ise “downstream” faaliyetleri olarak adlandırılır. Arama faaliyetleri, petrol ve doğal gaz bulmak amacıyla yapılan jeolojik, jeofizik ve sondaj çalışmaları kapsar. Bu çalışmalar, arama alanı ve arama alanının yer aldığı havzada daha önce yapılmış olan bütün jeolojik, jeofizik, jeokimyasal araştırmalardan ve sondaj kuyularından elde edilen yeraltı verilerinin toplanmasıyla başlar. Doğal gaz üretiminde kullanılan jeolojik, jeofizik ve jeokimyasal metotların amacı yeraltını mümkün olduğunca detaylı olarak tanımaktır. Sürekli olarak yeni bilgiler ışığında yeniden değerlendirilen arama alanında, doğal gaz rezervinin bulunması muhtemel yerlerde, sondaj kuyusu delinir. Eğer ekonomik boyutta bir doğal gaz birikimine rastlanırsa sahanın geliştirilmesi için tespit ve üretim kuyuları delinerek üretim faaliyetleri yapılır. Doğal gaz üretiminde kullanılan metotlar, geleneksel ve geleneksel olmayan metotlar olarak iki ana grupta toplanabilir. Geleneksel petrol ve doğal gaz üretimi, geçirimsiz kaya tabakalarının altında rastlanan ve hidrokarbonların biriktiği yeraltı rezervuarlarına inen kuyular açılarak gerçekleştirilmektedir. Geleneksel olmayan yöntemler ise şeyl ve sıkı kumtaşı gibi çökelti kayalarının gözeneklerinde hapsolmuş hidrokarbonların yeni teknolojiler kullanılarak yüzeye çıkartılmasını içermektedir. Rezervuardan çıkarıldığı hâldeki doğal gaza ham doğal gaz denir. Ham doğal gaz, tüketime sunulmadan önce bünyesindeki ağır hidrokarbonlardan, su buharından, sülfür bileşenlerinden (hidrojen sülfür gibi) ve inert gazlardan ayrıştırılmalıdır. Milyonlarca yıl aynı ortamda bulunan doğal gaz ve su denge hâlinde olup doğal gazın bünyesinde doymuş oranda su buharı bulunmaktadır. Su buharına doymuş olarak yüzeye çıkarılan doğal gazın içerdiği su buharının bir kısımı azalan basınç ve sıcaklık nedeniyle yoğunlaşır. Kalan su buharının ilerki işlemlerde yoğunlaşmaması amacıyla üretilen doğal gaz ilk olarak kurutma işlemine tabi tutulur. Doğal gaz, su buharı ve sıvılaşabilen gaz içeriğine göre ıslak veya kuru (metan >%85) olarak isimlendirilir.

Doğal Gazın Taşınması ve Depolanması

Doğal gaz, üretim noktası ile tüketim noktası arasındaki mesafe 2000 km’den az ise boru hatları ile gaz fazında, daha uzak mesafelerde ise sıkıştırılmış ya da sıvılaştırılmış gaz hâlinde tankerler ile taşınmaktadır. Gaz, rezervinden küçük çaplı toplayıcı boru hatlarıyla alınarak işleme fabrikasına taşınır, buradan çıkan işlenmiş doğal gaz ayrı boru hatlarıyla siteler arası ve/veya site içi dağıtıma verilir. Doğal gaz atmosferik basınçta -161°C’de sıvılaştırılarak sıvı fazda depolanabilmektedir. Bu sırada hacmi yaklaşık 650 defa daha küçüldüğü için özel imal edilmiş gemilerle taşınabilmektedir. Sıkıştırılmış doğal gaz (Compressed Natural Gas) boru hatlarında bulunan değişik basınçlardaki doğal gazın CNG kompresörü ile yüksek basınca (200 veya 250 bar) sıkıştırılmış şeklidir. CNG başlıca iki alanda kullanılmaktadır: CNG OTOGAZ, bir motor yakıtı olarak araçlarda kullanılır, CNG ENERJİ ise özel taşıma kaplarına doldurularak doğal gaz kullanacak tüketicilere taşınır ve basıncı düşürülerek tüketilir. Kullanılmayan doğal gazın büyük miktarlarda depolanması önem taşımaktadır. Doğal gazın depolanması hem mevsimsel arz-talep dengesi sağlar. Hem kısa süreli kullanımın çok arttığı arzlarda arz güvenliği sağlanmış olur hem de anlaşmalar ile taahhüt edilen gaz talebi gerçekleşmiş olur. Tedbir amaçlı yapılan doğal gaz depolamaları aynı zamanda boru hatlarında oluşabilecek kazalara ve jeopolitik sebeplerle oluşabilecek olumsuz durumlara karşı da kullanılır. En zor durumlarda kullanılacak olan depolanmış doğal gaz miktarına “stratejik” rezerv denir. Doğal gaz için kullanılan yeraltı ve yerüstü depolama teknikleri şu şekilde sıralanabilir: Boru hatlarında depolama, sıvılaştırılmıs doğal gaz (LNG) depolanması, yüksek basınçlı tanklarda depolama, yeraltında açılan boşluklarda depolama, akiferlerde depolama ve terk edilmiş petrol ya da gaz rezervuarlarında depolama.