Küresel Dengeler, Kırgızistan ve Doğal Kaynaklar
Kasım 23, 2021
İklim Değişikliği Hedefleri ve Mevcut Gerçekler
Kasım 28, 2021

Enerji Sektörünün “Oyun Değiştiricisi” Gaz Hidratları

Nizami Piriyev
Tespam Azerbaycan Koordinatörü

 

Geleceğin en önemli enerji kaynağı olduğu düşünelen ve enerji sektörünün “oyun değiştiricisi” olarak nitelendirilen gaz hidratları nedir?

Ülkeler yenilenebilir enerjiye yönelmeye çalışsalar da, uluslararası kuruluşlar fosil yakıtlardan yeşil enerjiye geçmeyi planlayan raporlar hazırlasalar da ve devletleri buna teşvik etseler de günümüzde fosil yakıtlar enerjinin büyük çoğunluğunu oluşturuyor ve artan enerji ihtiyacımız nedeniyle yakın zamanda fosil yakıtların kullanımından vazgeçmemiz söz konusu bile değil. Ülkeler, enerji sektörlerinin geliştirilmesinde yenilenebilir enerjiye geçiş için planlar geliştirirken geleneksel ve geleneksel olmayan fosil yakıtları aramaya da devam ediyorlar. 2020’de dünya elektriğinin %61.3’i fosil yakıtlardan ve %35.2’i nükleer, hidro, rüzgar ve güneş enerjisinin birleşiminden üretildi. 2020, güneşten elektrik üretiminin petrolü geçtiği ilk yıl oldu. (Şekil 1)

 

Şekil 1. 2020 yılında dünya elektrik üretimi

 

Yakın geleceğin enerji kaynağı olarak düşünülen geleneksel olmayan fosil yakıtlarından gaz hidratları, su ve gazdan oluşan kristal bir katıdır. (Şekil 2) Yüksek basınç ve düşük sıcaklık koşullarında su molekülleri, metan moleküllerini çevreler ve metan molekülleri bu kafes içerisine hapsolarak gaz hidratlarını oluştururlar. Doğada yaygın olarak, kıta kenarı , deniz tabanı tortulları ve kutba yakın permafrost alanlarda bulunur. Normal deniz seviyesindeki basınçlarda ve sıcaklıklarda kararlı değildir. Standart basınç ve sıcaklık şartlarında 1 m3 gaz hidrat, 164 m3 gaz ve 0.8 m3 su içermektedir. Kendi hacminden 164 kat daha fazla gazı içermesi nedeniyle gaz hidratları yakın geleceğin enerji kaynağı olarak düşünülüyor. Gaz hidratlar bulundukları bölgelerde metan salımı gerçekleşiyor ve bu da ozon tabakasını olumsuz etkiler. Gaz hidratlarının çıkarılarak enerji kaynağı haline getirilmesi çevreye verdiği zararı aza indirerek çifte fayda sağlamış oluyor.

Şekil 2. Gaz hidrat kristalleri. Tortu örneğindeki gaz hidrat kristallerinin elektron mikroskobunda taranan görüntüsü. Ölçek 50 mikrometre (μm) veya yaklaşık 0,002

 

Şekil 3. Metan hidrat stabilite tablosu

 

Bu faz diyagramı dikey eksende su derinliğini (basınç) ve yatay eksende sıcaklığı gösterir. Kesik çizgiler su, su buzu, gaz ve gaz hidratın stabilite alanlarını ayırır. “Hidrattan gaza geçiş” etiketli satır önemlidir. Bu çizginin altında metan hidrat oluşumu için koşullar oluşur. Bu çizginin üzerinde metan hidrat oluşmayacaktır. Kırmızı çizgi bir jeotermi (belirli bir konumdaki derinlikle sıcaklığın değişimi) izler. Derinlik arttıkça jeotermin hidrattan gaza geçiş hattını nasıl geçtiğine dikkat edin. Bu, tortulardaki gaz hidratın genellikle serbest gazın üzerinde olduğu anlamına gelir. (Şekil 3)

1930’larda, gaz hidratları petrol ve gaz boru hatlarında tıkanmalar oluşturabilecek endüstriyel bir tehlike olarak kabul ediliyordu. 1970’lerin sonlarında ve 1980’lerin başında, bir dizi derin okyanus bilimsel sondaj gezisi gaz hidratlarının doğada varlığını doğruladı. Artan enerji talepleri ve iklim kaygıları, hem endüstrinin hem de hükümetlerin dikkatini nispeten temiz enerji kaynağı olan gaz hidratları üzerinde odakladı.

Gaz hidrat araştırmaları

Gaz hidratlar ilk olarak 1800’lerin başında Humphrey Davy ve Michael Faraday tarafından bir klorin-su karışımı ile yapılan deneyler sırasında keşfedildi. Büyük miktarlarda gaz hidratlarının birikmesiyle ilgili ilk bilgi, 1972’de Batı Sibirya’da keşfedilen Messoyakha sahasıyla ilgilidir. Sovyet bilim adamları, hidrat oluşumunun sadece donmuş alanlarda değil, düşük sıcaklık/yüksek basıncın hâkim olduğu tüm denizel ortamlarda var olabileceğini ileri sürmüşler. Küresel hidrat araştırmaları böylece başlamıştır. 1982’de Amerika, 1995’te Japonya, 1996’da Hindistan, 1999’da Kore; 2004’te Çin ve 2005’ten günümüze Hindistan, Kore, Amerika, Kanada, Rusya, Norveç, İngiltere, Almanya, Yeni Zelanda gibi ülkeler büyük bütçeli doğal gaz hidrat arama projelerini uygulamaya koymuşlardır.

 

Şekil 4. ABD Jeolojik Araştırma veri tabanından 2019’un sonu itibariyle geri kazanılan veya gözlemlenen gaz hidrat (kırmızı daireler) ve çıkarsanan gaz hidratın (sarı daireler ve mavi semboller) küresel haritası

 

Gaz hidratları yeraltı ortamlarından çıkarma işlemi karmaşıktır, çünkü bileşikler çıkarıldığında parçalanma eğilimi gösterir. Teknoloji, malzemenin hala deniz tabanındayken basıncının düşürülmesine ve ardından gazı yüzeye kanalize etmeye dayanır. Japonya ve Çin, Güney Çin Denizi’nde ve başka yerlerde metan hidrat ekstraksiyon prosedürlerini başarıyla test etmiş olsalar da, süreç ticari olarak uygulanabilir olmaktan uzaktır. Çin ve Japonya’dan gelen son projeler umut vericiydi, ancak teknolojiyi ticarileştirme çabalarına daha yıllar var.

Metan hidrat, petrol veya kömürden daha temiz bir şekilde yanar, ancak yine de bir fosil yakıttır, bu nedenle yakıt uygun maliyetli bir şekilde kullanılabilse bile, yine de iklim değişikliğine katkıda bulunacaktır. Ancak özellikle kendi doğal gaz kaynakları az olan Japonya ve Güney Kore ile birlikte Çin ve Hindistan’da petrol ve kömür tüketiminin yerini alabilirse metan hidrat kaynaklarının geliştirilmesi olumlu bir hareket olabilir.

2017 yılında China Geological Survey tarafından açıklanan araştırmada çinli araştırmacılar, Güney Çin Denizi’nde petrol platformunu kullanarak tahmini 99,5 % metan içeriği ile yaklaşık 113.200 m3 metan hidrat çıkarmayı başardılar. Yine 2017 yılının mayıs ayları başlarında Japonya’nın merkez kıyılarından metan hidratı çıkartıldı. Reuters’e göre, 2013 yılında yapılan bir araştırma, “kuyuya akan kumla ilgili sorunlar nedeniyle bir haftadan kısa bir süre sonra aniden sona erdi”. Japonya’nın Pasifik kıyılarındaki doğu Nankai Çukurunda, yaklaşık 11 yıllık Japon gaz tüketimine eşit en az 40 trilyon fit küp (1,1 trilyon metreküp) metan hidratın bulunduğu tahmin ediliyor.

ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenen Texas Üniversitesi Jeofizik Enstitüsü (UTIG), Meksika Körfezi’ndeki çok disiplinli bir metan hidrat çalışmasına öncülük ediyor. Dokuz yıllık proje (2014-2023) boyunca, birden fazla keşif yoluyla metan hidrat yataklarını bulmak, delmek ve örneklemek için çalışıyor. Aldıkları basınçlı numuneleri depolamak, manipüle etmek, analiz etmek ve dağıtmak için altyapı oluşturulmuş. Anlaşma, ABD Enerji Bakanlığı finansmanında yaklaşık 64,3 milyon dolar ve endüstri, araştırma ortaklarından ise 29,6 milyon dolar içeriyor. Ekibin numune alacağı Meksika Körfezi’nde, deniz tabanının yakınında bulunan kum ağırlıklı rezervuarlarda yaklaşık 7.000 trilyon fit küp (tcf) metan olduğu tahmin ediliyor. Karşılaştırma için, Amerika Birleşik Devletleri 2013’te yaklaşık 26 tcf doğal gaz kullandı. Dolayısıyla metan hidratların Amerika Birleşik Devletleri ve yurtdışında uzun vadeli enerji güvenliğine katkıda bulunma potansiyeli var. Dokuz yıllık proje boyunca toplanan veriler, bilim adamlarının deniz hidratlarının oluşumunu ve dağılımını daha doğru bir şekilde tahmin etmelerine ve gelecekteki üretim çabaları için zemin hazırlamasına yardımcı olacak.

Araştırma ayrıca, metan hidratın Dünya’nın karbon döngüsünde oynadığı role ışık tutma potansiyeline de sahip. Metan güçlü bir sera gazıdır ve çekirdekleri inceleyen bilim adamları, büyük tortulardan metanın doğal salınımının geçmiş iklim değişikliği dönemlerinde bir eli olabileceğini teorileştirir.

 

Tablo 1. Hidrat üretiminin ekonomik çalışması

 

Varsayılan rezervuar özellikleri: h=25 ft, φ = 40 %, k = 600 md

Varsayılan süreç: 300°F’de 30,000 varil/gün su enjeksiyonu

Tablo 1.-de Alaska’da yürütülen gaz hidrat projesinde hidrat üretiminin ekonomik çalışması gösterilir.

Doğu Akdeniz’deki hidrokarbon rezervleri Türkiye’nin yaklaşık 572 yıl, Avrupa’nın ise 30 yıl doğal gaz ihtiyacını karşılamaya yeterlidir. Doğu Akdeniz’de yaklaşık olarak toplam değeri 1,5 trilyon dolar olan 30 milyar varil petrole eşdeğer hidrokarbon yatakları bulunduğu değerlendirilmektedir.

Antalya Körfezi ve civarı da dahil olmak üzere Türkiye’nin Doğu Akdeniz’deki yaklaşık 80.000 kilometrekarelik deniz yetki alanlarında zengin gaz hidrat yatakları mevcuttur. (Şekil 5)

 

Şekil 5. Gaz hidrat yatakları

 

Gaz hidrat üretimi

Bugüne kadar gaz hidratlarından gazı serbest bırakmak için yerinde ayrışma konseptine dayanan ve daha sonra yüzeye iletilebilen üç ana gaz hidrat üretim konsepti önerilmiştir (Şekil 6). Basınçsızlaştırma tekniği, yerel oluşum basınçlarını azaltarak gaz hidratları ayrıştırır, ısıtma tekniği oluşum sıcaklığını yükseltir ve kimyasal uyarı tekniği kimyasal denge koşullarını değiştirir.

 

Şekil 6. Üretim yöntemleri ve gaz hidrat stabilitesine etkileri

Önerilen üç gaz hidrat üretim yönteminin (sol çerçeve) her biri için, başlangıçta kararlı hidrat içeren tortu içindeki koşullar, o konumdaki hidratın artık kararlı olmadığı ve ayrışmaya başlayacağı şekilde kaydırılır. Sağ çerçeve: Basınçsızlaştırma: oluşum basıncının denge limitlerinin altına düşürülmesiyle elde edilir. Termal uyarım: oluşum basıncını denge koşullarının ötesinde artırarak elde edilir. Kimyasal uyarım: gaz hidrat denge koşullarındaki değişiklikler inhibitör enjeksiyonu ile indüklenir.

Gaz hidrat “savaşları”

Deepwater Horizon patlamasına metan hidratlar mı neden oldu?

Deepwater Horizon patlamasına metan hidratlar mı neden oldu?
Meksika Körfezi’ndeki engin derin su metan hidrat yatakları, büyük enerji çevrelerinde açık bir sırdır. Metan hidratlar uçucu bileşiklerdir , derin suyun aşırı soğuk ve ezici ağırlığında stabildirler, ancak bir kuyunun sondaj kolonunun içinde biriktiklerinde son derece tehlikelidirler. Isı veya basınç düşüşü ile kararsız hale gelirse, metan hidratlar hızla hacimlerinin 164 katına kadar genişleyebilir.

BP kulesi patlamasından kurtulanlar, görüşmecilere 20 Nisan’daki patlamadan hemen önce işçilerin sondaj kolonundaki basıncı azalttığını ve kuyunun etrafına çimento conta yerleştirmek için ısı uyguladıklarını söyledi. Ardından, okyanus yüzeyindeki platformda patlamadan önce, hızla genişleyen bir metan gazı balonu sondaj sütununu havaya kaldırdı. Katı bir çelik borunun bile 164 katlık bir hacim genişlemesine karşı çok az şansı vardır.

Bilim adamları, bu garip hidrokarbonların müthiş gücünün gayet iyi farkındalar. Aniden büyük ölçekli bir metan hidrat salınımının 55 milyon yıl önce kitlesel bir yok oluşa neden olduğuna inanılıyor. Mega felaketlerle ilgilenen planlamacılar arasında, onların ani kaçışları, bir asteroit saldırısı veya nükleer savaşla karşılaştırılabilir bir tehdit olarak kabul edilir. Livermore, Ca. merkezli bir silah tasarım merkezi olan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, metan hidratların büyük ölçekte salındığında tsunamiye bile neden olabileceğini bildiriyor.

Bu nedenle, Deepwater Horizon teçhizatının bir doğa kuvveti tarafından buruşmuş bir su sineği gibi kaybolması, bu bileşiklerin fiziğini bilen herkes için şaşırtıcı değildir.

Bermuda üçgeninin sırrı gaz hidratları mı?

“Bermuda Üçgeni” terimi ilk kez 1964 yılında Amerikalı yazar Vincent Gaddis tarafından Argosy dergisinde kullanılmışdır. Bermuda Üçgeni Kuzey Atlantik Okyanusu’nun batısında yerleşen bir bölgedir. Her bir kenarı 1.600 km’ye yakın olmakla uç noktaları Bermuda, Florida ve Puerto Rico’dadır. 50’den fazla gemi, 20 uçağın ve binden fazla kişinin burada gizemli bir şekilde ortadan kaybolduğu söyleniyor.

Eskiden manyetik alan olduğu sanılan Bermuda üçgeni şimdi doğalgaz kaynağı olarak düşünülüyor. Okyanusların derinliklerinden çıkmak isteyen doğal gazlar, düşük ısının da etkisiyle hidrat hale dönüşürler. Derin daldırma robotik kameralar kullanılarak bölgedeki okyanus tabanı ve gemi enkazlarının resimlenmesinden sonra bilimsel açıklama yapılmıştır. Bu bölge Körfez akıntısının geçtiği yer olduğundan tabanının bazen ısınması ile hidratlar erir ve yüzeye doğru yükselirler. Bu durumda suyun yoğunluğu azalır, kaldırma kuvvetini yitirir ve gemilerin yüzebilme kabiliyetlerini olumsuz etkiler. Böylece o sırada oradan geçen ne varsa, hızla okyanusun dibine doğru batar. Su yüzeyine ulaştığında yükselmeye devam eden metan gazı sudan salındığında su yoğunluğu eski haline gelir. Gemi tamamen batmazsa tekrar yükselir ve normale döner.

Uçakların düşerek kaybolması ise sudan ayrılan metan gazının atmosferin yoğunluğunu düşürmesile meydana gelir. Yoğunluğun azalması ile havadakı oksigen miktarı benzinin yanması ve motorların çalışması için yeterli olmadığından uçak irtifa kaybeder ve motorları durur. Böylece uçak okyanus tabanına doğru iniş yapar.

Metan gazının bir diğer olumsuz etkisi de yarattığı devasa dalgalardır. Basınç çok hızlı düştüğünde veya sıcaklık çok hızlı yükseldiğinde, gaz hidratlarının patlayıcı ayrışmasının bir sonucu olarak büyük dalgalar oluşur.

Metan hidrat birikimleri zorlu ortamlarda bulunsa da ve çok sayıda teknik zorluk sunsa da, bunlar geniş çapta dağılmış ve dünya üzerindeki en büyük hidrokarbon kaynağıdır. Basınç düşürme, iyon değişimi, benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerinden yararlanan işlemler kullanılarak gaz hidratları üretmek için çeşitli teknolojiler geliştirilebilir. Bunun için öncelikle araştırma programlarının oluşturulması önemlidir ve bu araştırma gruplarına sürekli destek verilmesi gerekmektedir. Metan hidrat muhtemelen gelecekteki enerji sektöründe önemli bir rol oynayacaktır.

 

KAYNAKLAR

1. World Energy Data, World Electricity Generation, https://www.worldenergydata.org/world-electricity-generation/ (Erişim Tarihi: 17.11.2021)

2. U.S. Geological Survey, Gas Hydrate Crystals, https://www.usgs.gov/media/images/gas-hydrate-crystals (Erişim Tarihi: 17.11.2021)

3. Dr. Carolyn Ruppel, Gas Hydrates Offshore Southeastern United States, https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/03windows/background/hydrates/hydrates.html (Erişim Tarihi: 18.11.2021)

4. Tracy Zhang, Timescales and Processes of Methane Hydrate Formation and Breakdown, With Application to Geologic Systems, C. D. Ruppel, W. F. Waite, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JB016459 (Erişim Tarihi: 18.11.2021)

5. Japan, China have extracted methane hydrate from the seafloor, Megan Guess, https://arstechnica.com/science/2017/05/energy-dense-methane-hydrate-extracted-by-japanese-chinese-researchers/ (Erişim Tarihi: 18.11.2021)

6. GOM²: Methane Hydrates at the University of Texas, https://ig.utexas.edu/energy/gom2-methane-hydrates-at-the-university-of-texas/ , (Erişim Tarihi: 21.11.2021)

7. Tracy Zhang, UT Austin Studies Mysterious Substance that Could Transform the Future of Energy, https://news.utexas.edu/2021/05/10/ut-austin-studies-mysterious-substance-that-could-transform-the-future-of-energy/ , (Erişim Tarihi: 21.11.2021)

8. T.Collett, M. Lee, D. Taylor, T. Lorenson, W. Agena, J. Miller, Energy Resource Potential of Gas Hydrates on North Slope of Alaska, https://dggs.alaska.gov/webpubs/dggs/mp/oversized/mp135_TimCollett.pdf (Erişim Tarihi: 22.11.2021)

9. Reuters, Japan reports successful gas output test from methane hydrate, https://www.reuters.com/article/japan-methane-hydrate-idUSL4N1IA35A (Erişim Tarihi: 22.11.2021)

10. Bahçeşehir Universitesi, Doğu Akdeniz’deki Hidrokarbon Rezervleri Türkiye’nin 572 Yıllık İhtiyacını Karşılıyor, https://bau.edu.tr/haber/15966-dogu-akdeniz%E2%80%99deki-hidrokarbon-rezervleri-turkiye%E2%80%99nin-572-yillik-ihtiyacini-karsiliyor , (Erişim Tarihi: 24.11.2021)

11. Ankara Universitesi, Gaz Hidrat Nedir?, https://acikders.ankara.edu.tr/pluginfile.php/65987/mod_resource/content/0/Gaz%20Hidrat-Tight%20sand%20gaz-Asfalt.pdf , (Erişim Tarihi: 24.11.2021)

12. Beaudoin, Y. C., Dallimore, S. R., and Boswell, R. (eds), 2014. Frozen Heat: A UNEP Global Outlook on Methane Gas Hydrates. Volume 2. United Nations Environment Programme, GRID-Arendal.

13. The Guardian, Did Deepwater methane hydrates cause the BP Gulf explosion?, https://www.theguardian.com/environment/2010/may/20/deepwater-methane-hydrates-bp-gulf (Erişim Tarihi: 27.11.2021)

14. Hillary Mayell, Bermuda Triangle: Behind the Intrigue, https://www.nationalgeographic.com/history/article/bermuda-triangle-mystery-disappearance (Erişim Tarihi: 27.11.2021)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bir cevap yazın