Doğalgazın Tarihçesi, Özellikleri Kullanım Alanları

DOĞALGAZ’IN TARİHÇESİ, ÖZELLİKLERİ VE KULLANIM ALANLARI

İnsanlığın varolduğu tarih sürecinde “Kutsal Ateş’’ deyimi kullanılmıştır. Eski Yunan ve Mısır ülkelerinde asırlar boyunca yanan gaz tezahürleri olduğu bilinmektedir. Azerbeycanda, Bakü çevrelerinde de, gaz alevlerinin bulunduğu tarihi bir gerçektir. Milattan sonra 221-263 yıllarında, Shu Han krallığı döneminde çinliler ilk defa doğal gazı bir enerji türü olarak tuz kurutma işlerinde kullanmışlardır. Hatta Çinliler doğal gazı içleri oyulmuş bambularla başka yerlere nakletme yolunu denemişlerdir.

17.asırda kuzey İtalyanların doğalgazı aydınlatma ve ısıtma maksadı ile kullandıklarına ait bilgiler mevcuttur. Amerika’da ilk gaz sahası keşfi 1815 yılında West Virginia’daki Charleston bölgesinde bir tuz madeni civarında olmuştur. Bundan 5 yıl sonrada ilk ticari gaz işletmeciliği 1820 yılında William Hart tarafından New York eyaletinde yapılmıştır.

Doğalgaz’ın ticari amaçla uzun bir mesafeye nakli ilk defa 1883’te gazın boru hatları ile Pitsburg’a getirilmesi ile gerçekleşmiştir. 1890 yılında aynı şehirde doğalgaz dağıtımı için tesis edilen boru hatlarının toplam uzunluğu 750 km’ye ulaşmıştı. Yine aynı tarihlerde Amerika sınırları içindeki diğer transmisyon hatlarının toplam uzunlukları ise 40.000 km mertebesinde idi.

2.Dünya savaşından sonra boru imalat ve kaynak teknolojilerinde daha da gelişmeler oldu ve bu, daha önceleri 25-30 bar olan boru hattı basınçlarının 60-70 bara, boru hattı çaplarının ise 75 cm’ye kadar çıkartılabilmesine imkan sağlayarak nakledilen doğalgaz hacimlerinin önemli ölçüde artmasına yol açtı. Kanada, kullanım fazlası olan bir kısım doğalgazı Amerika’ya ihraç etmeye başladı. Rusya’da ise doğalgaz yatakları geliştirilerek üretilen gaz merkez Asya ve Sibirya’dan Batı Rusya ve Doğu Avrupa ülkelerine sevk edilmeye başlandı.

1900’lü yılların ortalarında itibaren doğalgaz ülkeler arasında ihraç edilmeye ve dağıtım sistemine bağlandı. Almanya, İtalya, Fransa ve Avusturya kendi mevcut doğalgaz potansiyelini kullanmaya başladılar.

 DOĞALGAZIN FİZİKSEL ve KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Kimyasal  Denklemi                                       CH₄

C/H oranı                                                         0,25

Moleküler ağırlığı                                           16,04

         sıvı: kg/dm³                                                                  0,242

         gaz:kg/ dm³                                             0.78x10^-3

Isıl değeri

       (Mj/kg)                                                      50,8

         (Mj/litre)                                                   20,8

Stokiometrik karışım için

       Hava/  yakıt (kütlesel)                              17,2

       Hava / yakıt (hacimsel)                                         9,53

       (kj/ kitre)                                                  3,4

       molürünler / molreaktantlar                     1,00

Buharlaşma ısısı  (Mj /kg)                              0,509

Tutuşma sınırları

       % hacim                                                  5-15.4   

                                                                       0.59-2.0

Laminar alev hızı (m /s )                                0.37

Adyabatik alev sıcaklığı ( ⁰C )                       1954

Difüzyon katsayısı  (m² / s)                            0.16

Kaynama noktası   ( ⁰C)                                -161.3

Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (⁰C )            632

Oktan sayısı

        ROS                                                       130

        MOS                                                      105    

 

DOĞALGAZ HAKKINDA GENEL BİLGİLER

Hidrokarbon gazlarının hepsi yanıcı olup, parafin serisinin üyeleridir. Genel formülü “C_nH_2n+2” olarak gösterilebilir. Bunlardan en hafifi olan metan, pratik olarak, genel basınç ve ısı şartlarında gaz halinde olup, ya serbest halde ya da petrolde çözünmüş olarak bulunur. Metan aynı zamanda tabiatta birçok yerlerde, organik maddelerin bozuşmasından, petrole bağımlı olmayan diğer gaz akümlasyonlarına kadar çeşitli yerlerde en çok rastlanılan bir gaz türüdür.

Doğalgaz başlıca metan (CH₄), etan (C₂H₆) ve az miktarlarda propan (C₃H₈) ve bütan (C₄H₁₀)’dan teşekkül eder. Doğalgaz içinde ayrıca hidrocarbon türünden olmayan nitrojen, hidrojen sülfür, karbondioksit, helyum ve su buharı bulunabilir.

Yeraltında genellikle poröz tabakalar içinde gaz olarak veya petrollü tabakalarda petrol içinde erimiş olarak rastlanırlar ve bulundukları derinlik ve yeraltı jeolojik yapısının şartlarına uygun bir basınç ve ısı altındadırlar. Tablo-1’de, hidrokarbon karışımları içinde bulunuş sıralarına göre ve en hafif fraksiyondan en ağırına doğru düzenlenmiş olarak hidrokarbon türü doğalgazlar listelenmiştir. 

TABLO – 1

Atmosferik Basınçta Gazların Kaynama Noktaları, ^oC 

Likit Fraksiyonlar:  

Hidrokarbon fraksiyonunun kaynama noktası yükseldikçe normal şartlar altında gaz halinde bulunma kabiliyetleri azalır. Bazı proseslerde, buharlaştırılmış ağır hidrokarbonlar ekstraksiyon yolu ile tekrar likit hale dönüştürülürler, bunlar kendi aralarında LPG (Likit petrol gazları, bütan-propan), LNG (Likit Doğal Gaz, metan-etan) veya doğal gazolin (pentan ve daha ağırları gibi) sınıflara ayrılırlar. Ticari doğalgaz kompozisyonunda metan ve etan miktarları %85 ile %95 arasında değişmektedir. Geri kalan %5 ve %15 arasında değişen kısmı ise hidrokarbon olmayan inert gazlar tamamlar. Gazın spesifik gravitesi, yani ağırlığının havaya göre oranı 0.56 ile 0.78 arasında değişebilir. Kalorifik değeri yani 1 m³’ünün yanması ile açığa çıkan ısı miktarı 8 400 ile 10 600 Kcal arasında değişmektedir. Doğal gazların yanma karakteristiği şehir gazlarından daha farklıdır. Şehir gazları daha çok hidrojen ihtiva etmekte olup, yanma alev hızları 70-100 cm/sn arasında değişir. (Tablo –2)

 

TABLO – 2

Bazı Gazların Özelliklerinin Mukayeseleri  

Gaz endüstrisinde çalışan mühendis ve teknisyenler, yakıt maliyetleri ile çok yakından ilgilenmek zorundadırlar. Doğalgaz’ın petrol ve kömüre göre değeri, ısıtma kabiliyetleri ve yanma randımanları mukayesesi ile bazı çevrim formülleri yardımı ile tayin edilir. Bununla beraber doğalgazın bir yakıt olarak değerinin anlaşılması uzun süre almıştır.  

            Sanayi bölgelerinde ilk enerji konservasyonu hükümlerinin ortaya atılmaya başlandığı tarihlere kadar gerek gaz kuyularından ve gerekse petrol ile birlikte üretilen gaz’ın atmosfere atılarak yakıldığı bilinmektedir. Oklahama’da 1930-1934 yılları arasında bu şekilde heba edilen gazın miktarı 1 trilyon ft³’ü geçmektedir. Bu tarihlerde 1000 ft³ gaza biçilen değer 1-2 cent’ten daha fazla değildi ve bu 1 ton kömürün 25-50 cent’e veya 1 galon petrolü 0.07-0.15 cent’e satmak gibi bir şeydi. Ancak gazın bu derece ucuz olması, doğalgaz endüstrisinin hızla gelişmesine sebep olan en büyük amillerinden biri olmuştur.

Doğalgaz’ın yeraltından çıkarılması, arıtılması, kontrolü ve dağıtımı  başlı başına bir ilim kolu haline gelmiştir. Buna bağlı olarak doğalgaz teknolojisi içinde mütalaa edilebilecek birçok metotlar geliştirilmiştir. Doğalgaz endüstrisi ile ilgili çalışmalar 5 ana grupta toplanabilir :

• Doğalgaz kaynaklarının sondajlarla aranıp bulunması,
• Doğalgaz’ın yer altı rezervuar taşlarından üretilmesi.              
• Yerüstü gaz arıtım ve proses faaliyetleri,
• Doğal gazın pazara taşınması

Doğal gazın endüstri ham maddesi olarak kullanılmasında talepler bir devamlılık arz etmekle beraber, ısınma amacına yönelik talepler mevsimden mevsime büyük değişimler gösterir. Kış aylarında yaz’a göre domestik konut ısıtımında meydana gelecek talep artışı 15 ile 20 misli olabilmektedir. Dolayısı ile, belirli kapasitelerde inşa edilen boru hatları ile nakledilen miktarlar kafi gelmediğinden, dağıtım sistemleri yeraltı depo kaynaklarından takviye edilirler. Bu depolama rezervuarları özel yöntemlerle bulunup inkişaf ettirilir ve taleplerin az olduğu yaz aylarında talep fazlası buralarda depo edilir.

Doğalgaz mühendisliğinde, herhangi bir gazın en önemli özelliklerini, şöyle sıralayabiliriz :

·         Difüzyon özelliği,

·         Sıkıştırılabilme özelliği, ve Vizkozite

·         Gaz ve likit hallerinin densiteleri,

·         Yüzey tansiyonları özelliği,

·         Termodinamik özellikleri (Isı kapasitesi, Gizli ısı, Entalpi değişimleri)

·         Isıtma kapasitesi,

·         Yanma sınırları

·         Kritik özellikler (kritik ısı, kritik basınç gibi)

·         Isı iletim özellikleri

Yukarıda belirtilen özelliklerin çoğu, gazların molekül yapıları ve moleküller arası kuvvetlerin ısı ve basınç altındaki değişimlerinin neticesidir. Hidrokarbon gazları diğer gazlar gibi, hidrojen için kabul edilen atomal ağırlık 16’ya göre bağıl olarak muhtelif atom ağırlıklarına haizdirler.

YAKIT OLARAK DOĞALGAZIN   

Doğalgaz hafif moleküler yapıya sahiptir ve silindire giden havanın %10’unu teşkil etmektedir. Hava miktarının azaltılması genellikle güç kaybına neden olurken sıkıştırma oranının artırılması bu durumu azaltabilir. Ayrıca doğalgazın yanması sonucu oluşan maksimum basınç ve sıcaklıklar benzin motorlarından daha düşük olduğundan, sıkıştırma oranının artırılması sonucu artacak olan basınç ve sıcaklıklar tehlikeli boyutlara ulaşmayıp, ancak benzin motorlarındaki değerlere gelecektir. Diesel motorlarının sıkıştırma oranının yüksek tutulabilmesinden dolayı, eğer diesel motorlarında uygun değişiklikler yapılırsa, doğalgazın diesel motorlarında rahatlıkla kullanılabileceğine yaygın olarak inanılmaktadır.

Doğalgazın difüzyon katsayısının benzine oranla iki kat fazla olması, hava ile daha kolay ve hızlı karışması, çift yakıtlı motorlarda kullanımı açısından yarar sağlamaktadır. Diesel ilkesine göre çalışan motorlarda doğalgaz, ortam içerisine yapılan pilot püskürtme yardımıyla tutuşturulabilmektedir. Bu özelliği nedeniyle doğalgaz, benzin ve diesel motorlarında önemli değişiklik yapılmadan kullanılabilmektedir .

DİESEL MOTORLARININ DOĞALGAZ MOTORLARINA DÖNÜŞTÜRÜLMESİ

 Doğalgazın diesel motorlarında kullanılması iki türlü gerçekleşmektedir.

1.      Diesel motoru otto motoruna dönüştürülür ve yakıt olarak sadece doğalgaz kullanılır.

2.      Motor diesel ilkesiyle çalışmaya devam eder fakat yakıt olarak hem doğalgaz hem de diesel yakıtı aynı anda kullanılır.

 Birinci yöntemde diesel motorunun tüm yakıt sistemi çıkartılır, yanma odasında değişiklikler yapılır, ateşleme sistemi ve gaz karbüratörlü yeni yakıt sistemi takılır. Bu yöntemin avantajları şu şekilde sıralanabilir.

ü      İs emisyonu ortadan kalkar.

ü      Emisyon sorununa kesin çözüm olma şansı vardır.

ü      Diesel motorundan daha iyi güç ve moment elde edilebilir.

ü      Yakıt sistemi basittir.

ü      Görüntü emisyonu çok azalır.

 Bu yöntemin dezavantajları ise şunlardır :

ü      Dönüşüm için birçok değişiklikler yapılır.

ü      Diesel motoruna geri dönüş çok zordur.

ü      Çift yakıtlı sisteme göre daha pahalıdır.

ü      Verimi ancak tam yükte bir diesel motoru verimine yaklaşabilir.

DİESEL/DOĞALGAZ MOTORUNDA EMİSYON

Pilot püskürtmeli çift yakıtlı diesel / doğalgaz motorunda, yakıtın büyük bölümünü doğalgaz oluşturduğundan  emisyon karakteristikleri, en azından tam yük bölgesinde buji tutuşturmalı, ön yanma odalı, fakir karışımlı bir doğalgaz motorununkine  benzer.

M.Ergeneman, C. Soruşbay’ın yaptığı Şekil 2.11 de silindir çapı 125 mm, stroğu 135 mm ve sıkıştırma oranı 17 olan oyuk pistonlu, direkt püskürtmeli bir deney motorunda kullanılan doğalgaz  yüzdesiyle NO_x emisyonunun değişimi verilmiştir. 

            Diesel / Doğalgaz motorundaki NO_x emisyonunun önemli bir kısmından pilot diesel yakıtının sorunlu olma ihtimali çok yüksektir. Emme havasına katılan doğalgaz tutuşma gecikmesinin artmasına neden olmaktadır. Tutuşma gecikmesi arttığında, gecikme fazını izleyen kontrolsüz ( hızlı ) yanma fazına katılan yakıt miktarı artacağından, bu fazdaki basınç artma oranı ve maksimum basınç artacaktır. Kontrolsüz yanma fazında stokiometrik karışım oranı civarındaki yakıt hava karışımı ani tutuşma sonucu yanar, yüksek sıcaklık ve basınçta yanan gazlarda, NO_x  oluşumu için kritik hava / yakıt oranı stokiometrik oran civarlarıdır. NO_x oluşumu için önemli anlar, yanmış gazların sıcaklığının maksimum olduğu yanmanın başlangıcı ile, maksimum basıncı biraz geçildikten sonraki noktalar arasındadır. Yüksek sıcaklık ve basınç altında NO_x oluşum hızı yüksek olduğundan, başlangıçta yanan yakıt- hava karışımının NO_x emisyonundaki önemi büyüktür.

            Pilot yakıt miktarının önemli bir bölümü büyük bir olasılıkla kontrolsüz yanma fazında yanacağından NO_x emisyonunda beklenenden az bir düşüş sağlanacaktır. Yine de, bir diesel / doğalgaz motorunun NO_x emisyonu, taşıtın görev yaptığı çevrime bağlı olarak, normal dieseldekinden %20-60 az olacaktır.

            Normalde, gaz yakıtların yanması sonucu partikül oluşmadığından partikül emisyonu artan doğalgaz yüzdesiyle birlikte azalır. Şekil 2.12 de Şekil 2.11 de NO_x emisyonu değişimi verilen motorda kullanılan doğalgaz yüzdesinin is emisyonunu nasıl etkilediği görülmektedir.

 İs Emisyonu (Bosch)

          Artan yükle birlikte kullanılan doğalgaz miktarı arttırıldığına göre çift yakıtlı bir motorda is emisyonu artan yükle azalmaktadır.

       Çift yakıtlı diesel / doğalgaz motorlarında gaz kelebeği kullanılmamaktadır. Motor boşta çalışırken sadece diesel yakıtı kullanılır, artan yükle beraber, doğalgaz yüzdesi de artar. Pilot yakıtın miktarı yaklaşık sabittir. %50 yükün altında silindirdeki dolgu diesel alevinin içinde kalan kısım hariç, kendi difüzyon alev ilerlemesini  sağlayamayacak kadar fakirdir. Yerel olarak yanmasını tamamlayamayan  karışım HC ve CO emisyonunda artışa neden olur. Bu nedenle CO ve özellikle HC emisyonları normal dieseldekinin üzerine çıkar.

HC  Emisyonu (Düzeltilmiş) ppm

            Doğalgazın büyük bölümünü metan oluşturduğundan, toplam HC emisyonu içindeki ağır ( reaktif) hidrokarbonların büyük bölümünden pilot diesel yakıtı sorumlu olacaktır. Taşıt kısmi yüklerde fazla çalışıyorsa dieselden kaynaklanan reaktif hidrokarbon emisyonu önemli bir yer tutacaktır.

CO emisyonunda bir azalmaya gitmek için düşük debili küçük enjektör kullanılabilir bu durumda doğalgaz ile de yakıt tüketimini paralel olarak %100  diesel yakıtının CO emisyonu seviyesine inmek mümkün olmaktadır. Ancak bu durumda pilot püskürtme miktarı %10-15’i geçmemelidir. Aksi durumda püskürtme süresi çok uzadığından CO ve HC emisyonlarında yeniden artma başlamaktadır.

Sonuç olarak doğalgaz ile çalışmada is ve NO_x emisyonlarının normal diesel yakıtı ile çalışmadaki seviyeleri yarısının da  altına inmesi, doğalgazı özellikle toplu taşımacılıkta kullanılan taşıtların motorları için çekici hale gelmiştir. Bu amaçla doğalgaz orta güçlü (silindir çapı=125-150 mm, V_H= 8-12 l, 150-250 KW) diesel motorlarında giderek daha yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Diesel   yakıtı yerine doğalgaz kullanıldığında, orta güçlü diesel motorlarının CO ve özellikle HC emisyonları artar. Bunun nedeni, yanma odasına yayılan doğalgazın yerel olarak yanmasını tamamlayamamasıdır. Gaz yakıt yüzdesi sıfır iken, yani diesel yakıtı ile çalışırken 2.5 olan “Bosch is sayısı” %90’lık gaz çalışmasında 0.6’ya düşmüştür. Pilot püskürtme enjektörü kullanılırsa is pratik olarak ortadan kalkmaktadır. Aynı motorda ölçülen NO_x emisyonu değerleri gaz çalışmasına geçildiğin de NO_x emisyonunda yarıdan fazla bir düşme elde edilmektedir.

Doğalgazın diesel ortamlarında kullanılması ile gürültü emisyonunda da büyük bir azalma elde edilir. Bunun nedeni, sadece %10’luk diesel yakıtı püskürtmesi sonucu, tutuşma gecikmesi süresince yanma odasında biriken ani olarak yanan yakıt miktarının da hızlı bir şekilde azalmış olmasıdır .

DÜNYA GAZ KAYNAKLARI

Dünya Doğalgaz potansiyelinin dağılımında toplam olarak, OPEC ülkeleri en büyük hisseye sahip görünmektedirler. Münferit olarak en zengin doğalgaz kaynaklarına sıra ile Sovyet Rusya, Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada, ve takiben Batı Avrupa sahip bulunmaktadır.        

Tablo-3’te, dünya gaz potansiyelinin dağılımı ile ilgili bilgiler verilmiştir. Bu değerlere göre halihazırda ispatlanmış gaz rezervleri toplamı 67.5 trilyon m³ civarında tahmin edilmektedir.

Tablo-3 

 

TÜRKİYENİN DOĞALGAZ POTANSİYELİ

Türkiye’mizde ispatlanmış toplam doğalgaz kaynakları 30 milyar m³ civarındadır. Bu potansiyelin kabaca %70’i yani 20 milyar m³’ü üretilebilir görünmektedir. Halen, 2000 yılı sonu itibari ile 3 Milyar m³ doğalgaz üretimi yapılmıştır. Ancak, ülkemizde jeolojik ve jeofizik araştırmalarının ve özellikle sondaj edilerek araştırılmış bölgelerinin tarihinin yeni olduğu düşünülürse henüz keşfedilememiş muhtemel rezervlerin önümüzdeki gelecekte yukarıda verilen potansiyel değere ilavesi pekala mümkündür. Tablo-4’te ülkemizin ispatlanmış ve muhtemel doğalgaz kaynakları ile ilgili bazı değerler verilmiştir. Ülkemizin 300-400 milyar m³ civarında bir doğalgaz potansiyeline sahip olabileceğini görmekteyiz. Bugün, gelişmiş bir Avrupa ülkesinin ortalama yıllık gaz tüketimi olan 15 milyar m³’lük bir tüketimi, en az 20 yıl süre ile besleyebilecek bu potansiyelin, Türkiye gelecek ekonomisi için ne derece önemli olduğu açıktır. 

 Tablo-4    Türkiye Doğalgaz Potansiyeli  

^(*) Bu potansiyelin 14x10⁹ m³’ü, yanıcı olmayan gazlardır.

 

DOĞAL GAZIN TAŞIT ÜZERİNDE DEPOLANMASI 

            Doğalgaz taşıtta yüksek basınçlı tüpler içinde gaz veya sıvı olarak depolanır. Depolamanın gaz veya sıvı olarak yapılması motor açısından bir değişiklik göstermez. Günümüzde yaygın olarak sıkıştırılmış doğalgaz kullanılır (CNG). Daha  yüksek basınçlı tüpler olmasına rağmen, kullanılan tüplerin basıncı genelde 200 bar’dır. 200 bar’da depolanmış doğalgaz, aynı enerjiye sahip dizel yakıtının 5, benzinin ise 4 katı hacim işgal etmektedir. Tüplerin çelikten imal edilmelerinden ve yükse basınçta olmalarından dolayı ağırlıkları 400-800 kg arasında değişmektedir. Bu fazla ağırlık nedeniyle dizel motoruna göre % 20 –25 daha fazla enerji sarf etmektedir. Bu durum özellikle binek taşıtları için önemli bir sorun teşkil etmektedir. Bu durum özellikle binek taşıtlar için önemli bir sorun teşkil etmektedir. Otobüs ve kamyonların genelde depo hacmine ayıracak yerleri olmakla beraber, artan depo ağırlığı onlar içinde dezavantaj olmaktadır. Bu durumu ortadan kaldırmak amacı ile çok ağır olan çelik tüpler yerine, üzerine reçine emdirilmiş cam elyaf sarılan hafif malzemeden (alüminyum) dişsiz olarak imal edilmiş tüpler kullanılabilmektedir.

Ayrıca tüp sarılan malzemeler olarak aramid ve karbon kömürü elyafı kullanıldığında daha hafif bir yapı elde edilmekte ancak çok daha pahalıya mal olmaktadır. Depolama tüpleri çok yüksek basınç nedeniyle silindirik olarak imal edilirler, çünkü silindirik kaplar basınca daha mukavimdir.

Biten tüplerin doldurulması, taşıt üzerinde ve yavaş olmak üzere iki şekilde yapıla bilmektedir. Hızlı dolum 3-6 dakika, yavaş dolum 4-8 saat sürmektedir. Hızlı ve yavaş dolum taşıta bağlı olmayıp, dolum tesisinin bir özelliğidir .   

Doğal gazın taşıtlarda depolanmasının iyileştirilmesi için yapılan çalışmalar sonucu bir çok avantajlar sağlayan ve yeni bir tüp olan yarıkriyojenik tanklar geliştirilmiştir. Yarıkriyojenik tank gazının püskürtülmesinden önce basıncın artırılmasına olanak tanır ve tanka giren ısıyı, tankta sıvı halde bulunan doğal gazın buharlaşmasında kullanılır. Tanka olan ısı transferini ve gaz basıncı artışını sınırlandırmak için tankın iyi bir şekilde yalıtılması gereklidir. Bununla beraber gaz basıncını artırmak için gerektiği kadar ön ısıtmaya tabi tutulmalıdır.  Doğal gazın basınç ve sıcaklıkta tutulması için yarıkriyojenik tankın elektronik olarak kumanda edilmesi gerekir. Ön ısıtma sisteminde motorun egzoz gazlarının ısısından yararlanılmaktadır. Bu şekilde sıcak doğal gazın püskürtülmesi sonucunda termal verim arttırılır .