Ünite 5: Doğal Gaz Üretimi

Giriş

Enerji kaynakları; birincil ve ikincil enerji kaynakları olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Birincil enerji kaynakları; odun, kömür, ham petrol, doğal gaz, uranyum, rüzgâr, hidrolik enerji ve güneş enerjisi gibi doğrudan tüketilebilen enerji kaynaklarıdır. İkincil enerji kaynakları ise birincil enerji kaynaklarından elde edilen “kullanılabilir” formdaki elektrik, benzin ve mazot gibi enerji kaynaklarıdır. İkincil enerji kaynakları elde edilirken termik santraller, rafineriler gibi tesislerde dönüşüm kayıpları oluştuğu için ikincil kaynaklar birincil kaynaklara göre çok daha pahalıdır.

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.

Doğal Gazın Tarihçesi

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. 1885 yılında, Robert Bunsen tarafından icat edilen ve oksijenle doğal gazı doğru oranlarda karıştırarak alev ve ısı elde edilmesini sağlayan Bunsen Beki sayesinde, doğal gaz evlerde de kullanılmaya başlanılmış ve kullanım alanları biraz daha genişlemiştir.

Sıcaklık ayarlamalı termostatik sistemlerin keşfedilmesi ile doğal gazın ısıtma potansiyelinden daha fazla yararlanılmaya başlanılmıştır. Doğal gaz taşımacılığı boru hatları kullanımı sayesinde gelişmiş ve bu hatlar sayesinde doğal gaz tüketimi evlerde, iş yerlerinde, sanayi ve elektrik üretimi gibi alanlarda hızla yaygınlaşmıştır. Güvenli taşıma ve depolama yöntemlerinin uygulanması da doğal gazın popüler bir enerji kaynağı olmasını sağlamıştır.

Türkiye’de Doğal Gazın Tarihçesi

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. 1975 yılında Mardin Çamurlu sahasında bulunan gaz 1982’de Mardin Çimento Fabrikası’na verilmiştir ancak kaynaklardaki rezervlerin sınırlı olması tüketimin artmasını engellemiştir. Doğal gazın sanayi ve şehir şebekelerinde kullanım çalışmalarına, 1984 yılında SSCB ile imzalanan Doğal Gaz Sevkiyatı Anlaşması’nın ardından başlanmıştır. 1986 yılında iki ülkenin yetkili kuruluşları doğal gaz alım-satım anlaşmasını imzalamışlar ve bu anlaşma ile doğal gazın sanayi ve şehir şebekelerinde yaygın kullanım çalışmaları başlamıştır. Doğal gaz, şehiriçi evsel ve ticari olarak ilk kez 1988’de Ankara’da kullanılmıştır. Hamitabat Doğal Gaz Çevrim Santrali’nde üretilen elektrik miktarı hızla artarken 1989’da Ambarlı Doğal Gaz Çevrim Santrali’nde de doğal gaz kullanılarak elektrik üretimi başlatılmıştır. SSCB ile imzalanan doğal gaz sevkiyatı anlaşmasını kaynak çeşitlenmesi amacıyla Cezayir ve Nijerya ile yapılan LNG ve çevre ülkelerle yapılan boru gazı anlaşmaları takip etmiştir. Doğal gaz pazarı, 1992’de İstanbul, Bursa, Eskişehir ve İzmit’i de içine alarak genişlemiştir. 1995’de BOTAŞ, TPAO’nun bağlı ortaklığı statüsünden çıkarılarak yeni bir Kamu İktisadi Teşekkülü (KİT) olarak yapılandırılmıştır.

Ülkemizde doğal gaz iletiminde kullanılan başlıca ana akım hatları Rusya Federasyonu ile aramızdaki 847 km’lik Batı Hattı, 893 km’lik Rusya Federasyonu-Karadeniz Türkiye Mavi Akım Hattı ve 1490 km’lik Doğu Anadoluİran İletim Hattı’dır. Bu ana hatlara ek olarak, Güney Kafkasya Gaz Boru Hattı; Azerbaycan’ın Şah Denizi sahasında üretilen gazı, Gürcistan üzerinden Türkiye’ye iletmeyi ve Erzurum’da BOTAŞ ağına bağladıktan sonra Avrupa’nın hızla artan gereksinimine yanıt vermeyi hedefleyen bir boru hattı projesidir. Son olarak, doğal gaz iletimi projeleri kapsamında, 14 Ekim 2014’te Trans Anadolu Doğal gaz Boru Hattı (TANAP) Ana Hat Boruları Alım Sözleşmeleri imza töreni yapılmıştır. TANAP, Türkiye’nin Gürcistan sınırından başlayarak Yunanistan sınırına uzanacak ve başlangıç olarak Azerbaycan’ın Şahdeniz Sahası’nın ikinci aşamasından üretilecek 16 milyar metreküp doğal gazı taşıyacaktır.

Doğal Gaz Rezervleri

Küresel Doğal Gaz Rezervleri, 2014 yılına ilişkin veriler çerçevesinde 197 trilyon m ³ olarak kaydedilmiştir. Bu rezervlerin %40,3’ü Orta Doğu’da, %31,2’si eski SSCB ülkelerinde, %8,7’si Afrika’da, %7,9’u Orta ve Güney Amerika’da, %7,8’i Asya-Pasifik ülkelerinde, %6’sı Kuzey Amerika’da ve %3,8’si Avrupa’da bulunmaktadır. Petrol ve doğal gaz ile ilgili merak edilen önemli unsurlardan biri de rezerv ömrüdür. Petrol ve doğal gaz rezervlerinin ömrü, kanıtlanmış toplam rezerv miktarının (R) yıllık toplam üretime (P) bölünmesi ile bulunur (R/P).

Ülkemizdeki doğal gaz rezervi ise 2013 yılında 5 milyar m3 olarak tespit edilmiştir. Yeni keşifler yapılmadığı takdirde, kalan üretilebilir doğal gaz rezervinin yaklaşık 10 yıllık ömrü bulunmaktadır. Her geçen gün artan doğal gaz ihtiyacının yerli kaynaklardan karşılanması için son yıllarda Karadeniz ve Akdeniz’deki deniz alanları gibi yeterince aranmamış bölgelerde yapılan çalışmalar büyük ivme kazanmıştır.

Doğal Gazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Doğal gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri ekonomik değerini, kalitesini ve satış fiyatını belirlemede büyük önem taşımaktadır.

Fiziksel Özellikler

Eşitlik 7.1 ile tanımlanan ideal gaz yasası düşük basınç değerlerinde kullanılabilen ve bazı temel varsayımlar içeren en yaygın hâl denklemlerinden biridir. İdeal gaz yasasının kapsadığı varsayımlar aşağıdaki gibidir:

1. Gaz moleküllerinin toplam hacmi, içinde bulundukları kabın hacmi yanında ihmal edilebilecek düzeydedir.
2. Gaz molekülleri arasındaki çekim ve/veya itme kuvvetleri ihmal edilmektedir.
3. Gaz moleküllerinin kendi aralarında çarpışmaları sonucunda enerji kaybetmedikleri varsayılmaktadır.

PV = NRT (7.1)

Bu eşitlikte;

P : Basınç, (atm)

V : Gazın içinde bulunduğu kabın hacmi, (litre)

N : Gazın mol saysı, (mol)

R : Evrensel gaz sabiti, (=0,08206 litre-atm/mol-K)

T : Sıcaklık, K)

anlamına gelmektedir.

Petrol endüstrisinde, yüksek basınç altındaki gazlar için en sık kullanılan hâl denklemi gerçek gaz yasası olarak isimlendirilmektedir. Gerçek gaz yasası, Eşitlik 7.2’de görüldüğü gibi:

PV = zNRT

ideal gaz yasasına bir sıkıştırılabilme katsayısı (z) eklenerek elde edilmektedir. Doğal gaz için basınç, sıcaklık, hacim gibi fiziksel özellikler hesaplanırken düşük basınçlarda ideal gaz yasası kullanabilir ancak yüksek basınçlarda gerçek gaz yasası kullanılmalıdır.

Gazın Yoğunluğu

Bir gazın bir ml veya bir cm ³ ’ünün sahip olduğu ağırlık o gazın yoğunluğu olarak tanımlanmaktadır.

Bilindiği gibi bir maddenin yoğunluğu ? sembolü ile gösterilir ve birim hacminin sahip olduğu kütle (m/V) olarak tanımlanır.

Eşitlik 7.10; ideal gazların yoğunluklarını hesaplamada kullanılabilir. Benzer şekilde, gerçek gazların yoğunluklarını hesaplamak için Eşitlik 7.11;

kullanılabilir.

Gazın Akmazlığı

Viskozite ya da akmazlık bir akışkanın akmaya karşı direnci olarak tanımlanır. Sıvıların akmazlık değerleri gazlara göre çok daha yüksektir; yani gazlar daha kolay akabilmektedir. Ancak sıcaklık artışı ile birlikte gazların akmazlıkları artar, sıvılarınki ise azalır.

Gazın Sıkıştırılabilirliği

Gazların hacimsel değişiklikleri (sıkıştırılabilirlikleri) sahip oldukları basınç ile ters orantılıdır. Bu ters orantı Eşitlik 7.15’te görülebilir:

Cg: Gazın sıkıştırılabilirliği,

V : Gazın sıkıştırma öncesi hacmi,

?V: Basınç değişimi ile gaz hacminde oluşan değişim,

?P : Basınç değişimi.

Kimyasal Özellikleri

Kalorifik değer kısaca birim miktarda (birim kütle veya birim hacim) yakıt yandığında açığa çıkan ısı olarak tanımlanabilir.

Karışımın Toplam Kalorifik Değeri = ?y _i *(Bileşenin kalorifik değeri)

Hava ile gaz karışımlarının iki önemli patlama limiti vardır: Alt patlama limiti bir gazın ortam havasında bulunduğunda, hacimsel olarak patlamaya sebep olabilecek minimum derişim değeridir; bu limitin altındaki derişimlerde patlama riski yoktur. Üst patlama limiti ise bir gazın hacimsel olarak ortam havasında bulunduğunda, patlama riski taşıyan en yüksek derişim değeridir; bu derişimin üstünde oksijen miktarı oksidasyon reaksiyonu (patlama) için yeterli olmadığından karışımın patlama riski yoktur.

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.

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 Geleneksel (konvansiyonel) olmayan gazlar kaya (şeyl) gazı, kömür yataklı metan ve sıkı kumtaşı gazı olarak üç ana başlıkta değerlendirilmektedir.

Saflaştırma İşlemleri

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.

Kurutma İşlemi

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 kısmı azalan basınç ve sıcaklık nedeniyle yoğunlaşır. Kalan su buharının ileriki 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.

H ₂ S ve CO ₂ Giderimi

Doğal gaz tüketime sunulmadan önce ayrıştırılmaları gerekmektedir. Sülfür içeriği yüksek doğal gaz acı veya sert, sülfür içeriği düşük doğal gaz ise yumuşak veya tatlı olarak isimlendirilir. Hidrojen sülfür ve karbondioksit giderimi için biyolojik desülfürizasyon, ektraksiyon, absorplama, karbon moleküler elek kullanma, membrane ayrıştırma gibi farklı metotlar kullanılır.

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.

Boru Hattı Taşımacılığı

Doğal gaz taşımacılığında 2000 km’den kısa mesafelerde en ekonomik taşınım metodu boru hattı taşımacılığıdır. 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. Boru hatları sisteminde kompresör istasyonları, ölçme istasyonları, çeşitli vanalar, veri toplama düzenekleri ile çeşitli kontrol ve dağıtım ekipmanları bulunur. Sistem uzman ekipler tarafından çalışması, bakımı ve güvenliği için devamlı takip edilir.

Sıvılaştırılmış Doğal Gaz (LNG)

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. Boru hattı taşımacılığında çoğu kez boru hattının çok ve çeşitli ülkelerden geçmesi gerekirken LNG iletiminde böyle bir problem yoktur.

Sıkıştırılmış Doğal Gaz (CNG)

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. CNG doldurmaya uygun tüpler temelde çelik ve karbon fiber gibi kimyasal maddelerden üretilmektedir.

Doğal Gaz Depolama Metotları

Doğal gaz için kullanılan yeraltı ve yerüstü depolama teknikleri şu şekilde sıralanabilir:

• Boru hatlarında depolama
• Sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) depolanması
• Yüksek basınçlı tanklarda depolama
• Yeraltında açılan boşluklarda depolama
• Akiferlerde depolama
• Terk edilmiş petrol ya da gaz rezervuarlarında depolama