Enerji kaynağı olarak doğal gaz kullanımı ve doğal gaz kullanımına yönelik depolama sistemlerinin incelenmesi
Natural gas use as an energy source and investigation of storage systems for natural gas
Yazar: KASIM ÖNDER
Danışman: DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Enerji talebinin sürekli olarak artması kullanımdaki mevcut enerji kaynaklarının yeterliliğinin ve verimliliğinin sorgulanmaya başlamasına yol açmıştır. Küresel ısınmanın etkilerinin de somut olarak hissedilmesi ile birlikte hem verimli hem çevreci hem de ekonomik enerji kaynağı arayışları hız kazanmıştır.
Enerji kaynakları literatürde, kullanışlarına göre ve dönüştürülebilirliklerine göre iki ayrı grupta incelenmektedirler.
Kullanışlarına göre gruplandığında enerji kaynakları yenilenemez (tükenir) ve yenilenebilir (tükenmez) kaynaklar olarak sınıflandırılırken, dönüştürülebilirliklerine göre gruplandığında ise enerji kaynakları birincil (primer) ve ikincil (sekonder) kaynaklar olarak sınıflandırılmaktadır.
Yenilenemez (tükenir) enerji kaynakları; Kömür ve petrol gibi fosil yakıtların tüketilmesi ile elde edilmektedir. Yenilenebilir (tükenmez) enerji kaynakları ise doğada her daim bulunabilen rüzgar, güneş, hidrolik, jeotermal vb. enerji formlarının uygun enerji formlarına dönüştürülmesi ile elde edilmektedir. Çevresel kaygıların artması, son yıllardaki teknolojik gelişmelerin neticesinde yatırım maliyetlerinin nispeten azalması ve enerji üretim verimliliğinin de nispeten artması ile birlikte daha temiz enerji çözümler sunması açısından yenilenebilir(tükenmez) enerji kaynakları önem taşımaktadır.
Son yıllarda, Dünya genelinde yenilenebilir (tükenmez) enerji kaynakları için santral sayısında ciddi artış gözlense de günümüzde küresel enerjinin ancak maksimum yüzde 20 si yenilenebilir (tükenmez) enerji kaynaklarından temin edilebilmektedir. Bir başka ifade ile günümüzdeki enerji ihtiyacının minimum yüzde 80 i yenilenemez (tükenir) enerji kaynaklarından karşılanmaktadır.
Doğal gaz tam da burada fosil yakıt olarak sınıflandırılmasına karşın oksijen ile tam olarak yanmasının da etkisi ile geride atık bırakmadan tüketilebilmekte, yüksek verimliliği ve ekonomik olması ile de dikkatleri üzerine çekmektedir. Doğal gazın diğer fosil yakıtlardan olumlu (pozitif) yönde ayrışması onun kullanımına dair yeni çalışmaların yapılmasını teşvik etmektedir.
Dünya üzerinde hali hazırda 2018 yılı itibari ile keşfi yapılmış doğal gaz rezerv miktarlarının yaklaşık 196 Trilyon standart metreküp olduğu ilgili enerji kuruluşları tarafından açıklanmış olup, Dünyadaki enerji ihtiyacının aynı tüketim trendi ile devam etmesi durumunda ise ispatlanmış doğal gaz rezervinin minimum 55 yıllık enerji ihtiyacını karşılayabileceği öngörülmektedir.
Doğal gaz rezerv keşif ve üretim çalışmaları günümüzde halen devam etmektedir. Kaya gazı, kum gazı, metan hidratlar gibi konvansiyonel olmayan doğal gaz türlerinin keşif ve üretim teknolojilerinde yeni gelişmelerin olması ve bu gelişmelerin etkisi ile birlikte potansiyel doğal gaz rezervlerinin, mevcut rezerv miktarlarını neredeyse ikiye katlayabileceği tahminleri yapılmaktadır.
Doğal gazın küresel enerji kullanımı içerisindeki payı 2017 yılı itibari ile yüzde 20-25 aralığındadır. Doğal gazın doğru ve verimli kullanılması sureti ile enerji talebini karşılamaktaki payını güçlü bir şekilde arttırma potansiyeli taşıması doğal gaz ile ilgili çalışmaların hızlanarak yoğunlaşmasını sağlamaktadır.
Bu tez çalışmasında doğal gazın enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi yapılmış, üretim (rezervlerinden çıkartılması, saflaştırılıp filtrelenip, depolanması ve iletimi ile dağıtımının yapılması) işlemleri incelenmiş, ek olarak doğal gazın depolanmasındaki kullanılan güncel gelişmelere de yer verilmiştir. Doğal gazın depolanma metotları iletim metotları kullanım metotları hakkında genel bilgilendirmeler yapılmış, tabi olduğu yasal mevzuatlar incelenmiştir. Son olarak da doğal gazın alternatif enerji kaynakları ile kıyaslama ve verimlilik karşılaştırmaları somut örneklemeler ile sunulmuştur.
Doğal gazın efektif olarak kullanılması ve herkesçe ulaşılabilir olması sağlandığında doğal gazın enerji kullanımı ve tüketimindeki payının artması kaçınılmazdır. Doğal gaz; sanayi kuruluşları için, konaklama sektörü için, tarım ve hayvancılık sektörleri konutlar ve hatta motorlu taşıtlar için ideal bir yakıt olarak kullanılabilmektedir. Amaç doğal gaz kullanımını talep eden her kullanıcıya bir şekilde, boru hattı ile ya da dökme tabir edilen taşınabilir depolama sistemleri ile, doğal gazı ulaştırmak olmalıdır.
Bu tez çalışmasında Türkiye'de doğal gazın mevcut durumu incelenmiş, mevcut depolama kapasitesinin yeterli olmadığı özellikle belirtilmiştir. Türkiye gibi enerji de dışa-ithalata bağımlı ülkelerde depolama, arz güvenliğinin sağlanması adına büyük önem taşımaktadır.
EPDK 2017 yılı raporuna göre Türkiye'de doğal gaz depolama kapasitesinin tüketim miktarına oranı yüzde 5-6 bandındadır. Aynı oran Türkiye gibi enerji de dışa-ithalata bağımlı Avrupa birliği ülkelerinde ise yüzde 15-20 seviyelerine ulaşmış durumdadır.
Doğal gazın sıvı faz ve gaz fazları ayrı ayrı incelenmiş üstünlükleri, kullanımları ile ilgili incelemeler yapılmış ve yöntemler detaylandırılmıştır. Faz dönüşümleri için gerekli parametreler tanımlanmış bu parametrelerin nasıl sağlanabileceği ile ilgili bilgilendirmeler yapılmıştır.
Sıvı fazda ve gaz fazında depolama sistemleri için bileşenler ayrıca tanımlanıp, gerekli teknik şartlar tanımlanmıştır. Kullanılacak ekipmanların; tasarım, imalat, muayene ve onay aşamalarından geçmiş güvenliği kanıtlanmış ürünlerden oluşması gerektiğinin önemi belirtilmiştir.
Depolama elemanlarının, tanklarının birbirlerine karşı mukayesesi yapılmış avantaj ve dezavantajları sıralanmıştır. Tank imalat yöntemleri anlatılmış, malzeme seçiminde hangi parametrelerin önem taşıdığı belirtilmiştir.
Depolama sistemleri ayrıca tanımlanmış, sabit-statik tip ve mobilize-hareketli tiplerin amaçları ve kullanıldığı alanlar açıklanmaya çalışılmıştır. Depolama sistemlerinin doğal gaz iletimi ve taşımacılığına olan katkıları ortaya konmuştur.
Doğal gazın diğer yakıt türlerine olan avantajı iki farklı vaka analizi çalışmasıyla ortaya konmaya çalışılmıştır. Vaka analizlerinde fuel-oil (kalyak) ve LNG yakıt kullanımının CNG ile ikame edilmesi ele alınmış ve sonuçlar ortaya konmuştur.
Sonuç olarak doğal gaz kullanımını artırıcı faaliyetlerin teşvik edilmesinin gerekliliği ortaya konmuştur. Doğal gazın boru hatları ile iletimi en ekonomik ve verimli yöntemdir. Dolayısı ile boru hat ağlarının mümkün olduğunca artırılması gerektiği, boru hat iletiminin ulaşmadığı noktalara da sabit ve/veya mobilize CNG ya da LNG taşıma sistemlerinin yönlendirilmesi sağlanmalıdır. CNG ya da LNG taşıma sistemlerinin seçimi doğal gaz kullanacak müşterinin tüketim miktarı, tüketim sıklığı, tesisin donanımlarına ve konum, ulaşım verilerine göre yapılmalıdır.
Bunların dışında özellikle binek motorlu taşıtlarda CNG sistemlerin kullanılması teşvik edilmelidir. Bunun yanında CNG dolum istasyon sayısının hızla artması, istasyon ağının mümkün olduğunca genişletilmesi ve yaygınlaşması ile temiz, ekonomik, çevreci ve emniyetli yakıt olan doğal gazın kullanıcılara daha rahat ulaşması ve daha rahat kullanımına yardımcı olacaktır.

Abstract:
The continuous increase in energy demand has led to the questioning of the adequacy of available energy resources in use. As the effects of global warming are felt in a concrete way, the search for an efficient, environmentalist and economic energy source has accelerated. Energy sources are examined in two different groups according to their usage and convertibility in the literature. Energy sources are classified as non-renewable (exhaustible) and renewable (inexhaustible) sources when grouped according to their use, while energy sources are classified as primary and secondary sources when grouped according to their transformability. Primary sources can be used directly, as they appear in the natural environment: coal, oil, natural gas and wood, nuclear fuels (uranium), the sun, the wind, lakes-rivers, geo-thermal energy. Secondary sources derive from the transformation of primary energy sources. Renewable (inexhaustible) energy sources are of importance in terms of increasing environmental concerns, lowering investment costs as a result of technological developments in recent years and providing cleaner energy solutions with a relatively increased energy production efficiency. In recent years, although there has been a significant increase in the number of power plants for renewable (inexhaustible) energy sources around the world, only a maximum of 20 percent of global energy is now available from renewable (inexhaustible) energy sources. In other words, at least 80 percent of today's energy needs are met from non-renewable energy sources. Although natural gas is classified here as a fossil fuel, it can be consumed without leaving any waste due to its complete combustion with oxygen and attracts attention with its high efficiency and economic efficiency. The positive decomposition of natural gas from other fossil fuels encourages further studies on its use. It has been announced by the related energy institutions that the amount of natural gas reserves proven in the world as of 2018 is approximately 196 Trillion standard cubic meters. If the world's energy demand continues with the same consumption trend, it is predicted that the proven natural gas reserve can meet the energy requirement of minimum 55 years Natural gas reserve exploration and production studies are still continuing today. It is estimated that potential natural gas reserves can almost double the amount of existing reserves due to new developments in the discovery and production technologies of non-conventional natural gas types such as shale gas, sand gas and methane hydrates. The share of natural gas in global energy use is between 20-25 percent as of 2017. By using natural gas correctly and efficiently, it has the potential to increase its share in meeting the energy demand strongly and thus accelerating and intensifying the activities related to natural gas. In this thesis, natural gas is evaluated as an energy source, production (extraction from its reserves, purification, filtration, storage and transmission and distribution) processes are examined and in addition, current developments in natural gas storage are also included. General information about the storage methods of natural gas, transmission methods and methods of use were made and the legal regulations to which it was subjected were examined. Finally, the comparison of natural gas with alternative energy sources and efficiency comparisons are presented with concrete examples. When natural gas is used effectively and accessible to all, it is inevitable that natural gas will increase its share in energy use and consumption. Natural gas; It can be used as an ideal fuel for industrial establishments, for the accommodation sector, for agriculture and livestock sectors as well as for residential and even motor vehicles. The aim should be to provide natural gas to every user who demands the use of natural gas in some way, either by pipeline or by portable storage systems. Examined the current situation of natural gas in Turkey in this thesis and specifically mentioned there is not enough available natural gas storage capacity. Energy storage in the import dependent countries such as Turkey, in order to ensure security of supply is of paramount importance. According to the 2017 report of EPDK is the consumption rate of 5-6 per cent of natural gas storage capacity in Turkey. The same rate has reached the level of 15-20 percent of the import dependent countries in the European Union like Turkey Liquid phase and gas phases of natural gas have been examined separately and their advantages and uses have been examined and methods have been detailed. Necessary parameters for phase transformations have been defined and information has been given about how these parameters can be provided. Components for liquid phase and gas phase storage systems are also defined and the necessary technical requirements are defined. The equipment to be used; It is stated that it should be composed of safety proven products which passed through design, manufacturing, inspection and approval stages. The advantages and disadvantages of the storage elements and their tanks compared to each other are listed. Tank manufacturing methods are explained and which parameters are important for material selection. Storage systems have also been defined, the aims of fixed-static and mobile-moving types and the areas where they are used are explained. The contribution of storage systems to natural gas transmission and transportation has been demonstrated. The advantage of natural gas over other fuel types has been tried to be demonstrated by two different case studies. In case analyzes, the substitution of fuel oil and LNG fuel use by CNG was discussed and the results were presented. As a result, the necessity of encouraging activities to increase the use of natural gas has been demonstrated. Transmission of natural gas through pipelines is the most economical and efficient method. Therefore, it should be ensured that the fixed and / or mobile CNG or LNG transport systems are directed to the points where the pipeline networks should be increased as much as possible and where the pipeline transmission does not reach. The choice of CNG or LNG transport systems should be made according to the consumption amount, consumption frequency, plant equipment and location and transportation data of the customer who will use natural gas. In addition, the use of CNG systems, especially in passenger motor vehicles, should be encouraged. In addition, the rapid increase in the number of CNG filling stations, expanding and expanding the station network as much as possible, will help users to reach and use the natural gas, which is clean, economical, environmentally and safe fuel.