Doğal Gaz: Oluşumu, Çıkarılması ve Kullanımı

Doğal gaz bir fosil yakıttır. Diğer fosil yakıtlardan olan kömür ve petrol gibi doğal gaz da milyonlarca yıl önce yaşamış bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalardan geliyor. Fosil yakıtların nasıl oluştuğunu açıklayan birkaç farklı teori var. En yaygın teori yer altındaki yoğun koşullar altında oluştuklarıdır. Bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar ayrışırken yavaş yavaş toprak katmanları, tortu ve bazen kaya ile kaplanır. Bu süreç organik maddenin milyonlarca yıl boyunca sıkışmasına neden olur ve organik madde Dünya kabuğunun derinliklerine doğru itildikçe git gide daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşır.

Doğal gaz nasıl ve nerede oluşur?

Sıkışma ve yüksek sıcaklık bir araya gelince organik maddede bulunan karbon bağlarının bozulmasına neden oluyor. Bu moleküler parçalanma termojenik metan yani doğal gazı meydana getirir. Metan, Dünya'da en çok bulunan organik bileşikler olan karbon ve hidrojenden (CH4) oluşuyor.

Doğal gaz yatakları genellikle petrol yataklarının yakınında bulunuyor. Petrol yataklarına kıyasla Dünya yüzeyine yakın bulunan çok az doğal gaz kaynağı var. Daha yüksek sıcaklıklarda ve daha fazla basınç altında oluştuklarından daha derine inildiğinde petrolden daha fazla doğal gazla karşılaşılır. En derin birikintiler saf doğal gaza sahiptir.

Bununla birlikte, doğal gazın yeraltının derinliklerinde oluşması şart değil. Metanojen adı verilen küçük mikroorganizmalar doğal gaz meydana getiriyor. Metanojenler hayvanların bağırsaklarında (insanlar dahil) ve Dünya yüzeyine yakın düşük oksijenli alanlarda yaşar. Örneğin metanojenler çöplüklerdeki maddeleri bir tür biyojenik metan türüne dönüştürür. Metanojenlerin doğal gaz (metan) yaratma sürecine metanojenez deniyor.

Biyojenik metanların çoğu atmosfere sızmasına rağmen, bu potansiyel enerji kaynağını kontrol altına almayı ve toplamayı sağlayan yeni teknolojiler var.

Dünya yüzeyinin derinliklerinde oluşan doğal gaz türü olan termojenik metan da atmosfere sızıyor. Gazın bir kısmı gözenekli kaya gibi geçirgen maddelerden yükselir ve ardından atmosfere yayılır.

Bununla birlikte yüzeye doğru yükselen çoğu termojenik metan aslında geçirimsiz jeolojik oluşumlarla karşılaşıyor. Bu kaya oluşumlarına tortul havzalar denir.

Tortul havzalarda büyük doğal gaz rezervuarları var. Bu doğal gaz rezervuarlarına erişmek ve gazın yukarı sızmasını sağlamak için kayanın içinde delik açılır ve bu deliğe genelde "kuyu" denir. Sızan doğal gaz depolanmaya başlanır.

Doğal gaz yönünden zengin tortul havzalar dünyanın her yerinde var. Suudi Arabistan'ın çölleri, Venezuela'nın nemli tropik bölgeleri ve ABD'nin Alaska eyaletinin dondurucu Arktik bölgesi bu doğal gaz kaynaklarına örnek. Türkiye'de ise Adana ve Trakya havzası bunlar arasında.

Doğal Gazın Tarihi

Doğal gaz milyonlarca yıldır Dünya yüzeyinin altındaydı. Ancak insanlık doğalgazın ne olduğunu anlayana dek gizemini korudu. Dünya yüzeyinin altından sızan gaz yere düşen yıldırım ile birleştiğinde ortaya alev çıkardı. MÖ 500'de Çinliler ham doğal gazı taşımak için bambu filizlerinden yapılmış boru hatları kurdular. Gaz, deniz suyunu kaynatarak tuzdan arındırmak ve içme suyu haline getirmek için yakıt kaynağı olarak kullanıldı.

Doğal gaz resmi olarak 1626'da Amerikan yerlilerinin Erie Gölü'nden sızan gazları tutuşturduğunu fark eden Fransız kaşifler tarafından keşfedildi. 100 yıldan fazla bir süre sonra, doğal gazı 1785'te deniz fenerlerini ve sokak lambalarını aydınlatmak için kullanan Britanya bu kaynağın kullanımını ticarileştiren ilk ülke oldu. ABD'de ise ilk başarılı kuyu 1821'de açıldı. II. Dünya Savaşı sonrası doğalgaz boru hattı endüstrisine ilgi son derece yükseldi.

Doğal Gaz Türleri

Çıkarılması ekonomik olan ve kolayca erişilebilen doğal gaz türüne "konvansiyonel" adı veriliyor. Konvansiyonel doğal gaz, geçirimsiz kayanın altındaki geçirgen malzemede hapsolmuş haldedir.

Diğer jeolojik ortamlarda bulunan doğal gazın çıkarılması ise her zaman o kadar kolay veya pratik olmuyor. Bu gaza "ankonvansiyonel" denir. Ankonvansiyonel doğal gazı daha erişilebilir ve ekonomik kılmak için her zaman yeni teknolojiler ve süreçler geliştiriliyor. Bununla beraber "ankonvansiyonel" kabul edilen bir doğal gaz zamanla kendiliğinden konvansiyonel hale gelebilir.

Organik madde oksijen olmadan parçalandığında üretilen doğal gaz türü biyogazdır. Bu işleme anaerobik ayrışma adı verilir ve çöplüklerde veya hayvan atıkları, kanalizasyon veya endüstriyel yan ürünler gibi organik materyallerin ayrıştığı yerlerde gerçekleşir.

Biyogaz, canlı veya cansız olabilen bitkilerden veya hayvanlardan gelen biyolojik maddedir. Orman kalıntıları gibi bu maddeler yenilenebilir enerji kaynağı oluşturmak üzere yakılabiliyor.

Biyogaz, doğal gaza göre daha az metan içerir, ancak istenirse rafine edilir ve enerji kaynağı olarak kullanılır.

1. Derin doğal gaz

Derin doğal gaz, ankonvansiyonel bir gaz türü. Konvansiyonel gazların çoğu sadece birkaç bin metre derinlikte bulunurken, derin doğal gaz, Dünya yüzeyinin en az 4.500 metre altındaki tortularda bulunuyor. Derin doğal gaz sondajı her zaman ekonomik anlamda pratik olmaz. Ancak çıkarma teknikleri geliştiriliyor ve iyileştiriliyor.

2. Kaya gazı

Şeyl veya kaya gazı başka bir ankonvansiyonel doğal gaz türü. Şeyl suda parçalanmayan ince taneli, tortul bir kayadır. Bilim adamları şeylin ne kadar geçirimsiz olduğunu açıklamak için mermerin buna kıyasla "süngerimsi" olduğunu belirtiyor. Bu geçirimsiz kayanın kalın tabakaları arasında doğal gaz vardır.

Kaya gazına erişmenin zorluğu kendisini ankonvansiyonel bir kaynak yapar. Bu yöntemler arasında hidrolik çatlatma ve yatay sondaj var. Çatlatma işleminde kaya yüksek basınçlı su ile ayrılır ve ardından açılan yere küçük kum, cam veya silika tanecikleriyle "destek" verilir. İşlem gazın kuyudan daha serbestçe akmasını sağlar. Yatay delme ise doğrudan aşağıdaki zemine doğru yapılan delmedir ve ardından Dünya yüzeyine paralel olarak devam edilir.

3. Sıkıştırılmış gaz

Sıkıştırılmış gaz yeraltındaki geçirimsiz kayada hapsolmuş ve çıkarılması son derece zor olan bir ankonvansiyonel doğal gaz türü. "Sıkıştırılmış" veya tight kayalardan gaz çıkarmak genellikle çatlatma ve asitleştirme gibi pahalı ve zor yöntemler gerektiriyor.

Asitleme, çatlatmaya benzer. Doğal gaz kuyusuna bir asit (genellikle hidroklorik asit) enjekte edilir. Asit, gaz akışını engelleyen sıkıştırılmış kayayı çözer.

4. Kömür yatağı metanı

Kömür yatağı metanı, konvansiyonel olmayan başka bir doğal gaz türü. İsminden de anlaşılacağı gibi kömür yatağı metanı genellikle yeraltında akan kömür damarlarında bulunur. Eskiden kömür çıkarılırken doğal gaz atık ürün olarak görülürdü ve madenden dışarıya, atmosfere salınırdı. Günümüzde kömür yatakları metan çıkarmak için popüler bir enerji kaynağı olmuş durumda.

5. Jeo-basınçlı bölgelerde doğal gaz

Diğer bir konvansiyonel olmayan doğal gaz kaynağı da jeo-basınçlı bölgelerde bulunur. Bu jeo-basınçlı bölgeler Dünya yüzeyinin 3.000-7.600 metre altında oluşuyor.

Bu bölgeler, hızla oluşan kil katmanlarının kum veya silt gibi gözenekli maddelerin üzerinde birikmesiyle meydana gelir. Doğal gaz sıkıştırılmış kilden dışarı itildiğinden çok yüksek basınca maruz kalır ve kum, silt veya daha aşağıdaki diğer emici malzemenin içerisinde birikir.

Jeo-basınçlı bölgelerden doğal gaz çıkarmak çok zor. Ancak çok yüksek miktarda doğal gaz içerebiliyor.

6. Metan hidrat

Metan hidratlar, başka bir ankonvansiyonel doğal gaz türü. Metan hidratlar son zamanlarda keşfedildiler ve Kuzey Kutbu'ndaki okyanus çökeltileri ve permafrost bölgelerinde bulunuyorlar. Metan hidratlar düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 0°C) ve yüksek basınç altında oluşuyor. Çevresel koşullar değişince metan hidratlar atmosfere salınır.

Bilim adamları metan hidratların dünyadaki tüm kömür, petrol ve geleneksel doğal gazın toplamından iki kat fazla karbon içerebileceğini tahmin ediyor.

Okyanus çökeltilerine gelindiğinde, bakteri ve diğer mikroorganizmalar okyanus tabanına batar ve silt içerisinde ayrışarak kıta yamacında metan hidrat meydana getirir. Çökelti içerisinde hapsolmuş olan metan gevşek tortuları bir araya yapıştırır ve kıta sahanlığını sabit kılma özelliği vardır. Bununla birlikte, su ısınırsa metan hidrat bozulur. Bu da su altında toprak kaymasına neden olur ve doğal gaz açığa çıkar.

Permafrost ekosistemlerde sular dondukça metan hidrat oluşuyor ve su molekülleri her bir metan molekülünün etrafını (kafesle) kaplıyor. Donmuş su kafesinde hapsolmuş olan doğal gaz, gaz halinden çok daha yüksek yoğunlukta olur. Buz kafesler çözüldükçe metan açığa çıkmaya başlar.

İklim değişikliğinin sonucu olan küresel ısınma metan hidratın hem permafrost hem de okyanus tortu katmanlarından salınmasını etkiliyor.

Metan hidratlarda depolanan çok büyük miktarda potansiyel enerji var. Bununla birlikte çok kırılgan jeolojik oluşumlar oldukları için–çevre koşullarını bozma yetenekleri var–onları çıkarmak için geliştirilen yöntemler son derece dikkatli şekilde uygulanır.

Doğal Gaz Nasıl Çıkarılır?

Doğal gaz metreküp ile ölçülür. 2020 itibariyle dünyada yaklaşık 200 trilyon metreküp doğal gaz rezervi var. Rusya %19 ile en yüksek doğal gaz rezervine sahip ülke. Bunu %16 ile İran, %12 Katar, %9,8 Türkmenistan ve %6,5 ile ABD izler.

Gaz yatağına ulaşıldığında, çökeltinin içindeki sıcaklık, doğal gazı sıvı hale getirecek kadar düşürülür. Bu işlem sıvı nitrojen ile yapılır. Sıvı doğal gaz daha sonra pompalarla yüzeye taşınır ve büyük özel tanklarda depolanarak ihtiyaç duyulan yere taşınır.

Doğal gaz Dünya yüzeyinden en çok dikey delme işlemiyle çıkarılır. Hidrolik çatlatma, yatay delme ve asitleştirme işlemleri ise bir kuyunun erişebileceği gaz miktarını genişletmek için yapılan işlemlerdir. Ancak bu uygulamaların olumsuz çevresel sonuçları da var.

Hidrolik çatlatmada kaya oluşumu yüksek basınçlı su, kimyasal ve kum ile yarılmakta. Açığa çıkan gaz ardından depolanır ve taşınır. Ancak çatlatma işlemi çok fazla miktarda su gerektiriyor ve bu da bölgedeki su tablasını önemli oranda azaltır ve su canlılarını olumsuz etkiler. Süreç iyi yönetilmezse içme, hijyen, endüstriyel ve tarımsal kullanım için kullanılan yer altı su kaynaklarının sızmasına ve kirlenmesine neden olacak oldukça toksik ve sıklıkla radyoaktif atık su meydana gelir.

Ek olarak, çatlama işlemi mikro depremlere neden olabilir. Bu temblorları yüzeyde hissetmek zor olsa da bazı jeologlar ve çevreciler depremlerin binalarda veya yer altı boru ve kablo ağlarında yapısal hasara neden olabileceği konusunda uyarıyor.

Bu olumsuz çevresel etkiler nedeniyle, hidrolik çatlatma ile doğal gaz çıkarmak eleştirilir ve bazı bölgelerde yasaklanmıştır.

Yatay sondaj, çok sayıda pahalı ve çevreye zararlı sondaj sahası oluşturmaya gerek kalmadan doğal gaz kuyusu açmayı sağlar. Önce Dünya yüzeyinden direk delme işlemi ile başlanır ve sonra yatay sondaj ile kuyu yanlara doğru yönlendirilebilir. Bu da yüzeyde birden fazla sondaj sahası kurmaya gerek kalmadan kuyunun üretkenliğini artırıyor.

Asitleme, asidik bileşenleri çözme ve bunları doğal gaz kuyusuna yerleştirme işlemidir. Asit, gaz akışını engelleyen kayaları çözer.

Doğal Gazın Taşınması

Doğal gaz çıkarıldıktan sonra, çoğunlukla çapı 5 ila 150 cm arasında olabilen boru hatlarda taşınıyor. Dünyanın en çok doğal gaz rezervi olan ülkelerinden Amerika Birleşik Devletleri, 48 eyalete gaz aktaran 490.850 kilometre iletim boru hatlarından oluşan 210'dan fazla boru sistemine sahip. Bu sistemde gazın yoluna devam etmesini sağlayan 1.400'den fazla kompresör istasyonu, 400 yer altı depolama tesisi, gazı dağıtmak için 11.000 konum ve gazı almak içinse 5.000 konum var.

Doğal gaz yaklaşık -162°C'ye soğutulursa sıvılaştırılabilir doğal gaza dönüştürülür hale gelir yani LNG'ye. LPG sıvılaştırılmış petrol gazıyken LNG sıvılaştırılmış doğal gaz demek. Doğal gaz sıvı haldeyken gaz halindeki hacminin yalnızca 600'de 1'i kadar yer kaplıyor. Bu sayede boru hattı bulunmayan yerlerde kolayca depolanabilir ve taşınabilir hale gelir.

LNG tankerde taşınırken, tanker LNG'yi kaynama noktasında tutan özel bir yalıtıma sahiptir. LNG en ufak oranda bile buharlaşırsa depolama alanından dışarı atılır ve nakliye aracına güç sağlamak için kullanılır. Trinidad, Tobago ve Katar, LNG ithal eden ülkeler arasında. ABD gibi ülkeler de şu anda yerli LNG üretimini artırıyor.

Doğal Gazın Kullanım Alanları

Doğal gaz milyonlarca yıl önce oluşmuş olmasına rağmen yalnızca son birkaç bin yıldır enerji olarak kullanılmaya başlandı. Doğal gaz günümüzde endüstriyel, ticari, konut ve ulaşım amaçlı sayısız şekilde kullanılıyor. Doğal gazın elektrikten yüzde 68'e kadar daha ucuz olabileceği bulunmuştur.

Konutlardaki doğal gazın en yaygın kullanımı ısıtma ve yemek pişirme oluyor. Sobalar, klimalar, oda ısıtıcıları, dış mekan lambaları, garaj ısıtıcıları ve çamaşır kurutucuları gibi ev aletlerine güç sağlamak için de kullanılıyor.

Ancak doğal gaz bundan daha büyük ölçekte kullanılmaktadır: Restoranlar ve alışveriş merkezleri gibi ticari ortamlarda, su ısıtıcılarına, alan ısıtıcılarına, kurutuculara ve sobalara güç sağlamanın son derece verimli ve ekonomik bir yoludur.

Doğal gaz, endüstriyel ortamlarda da ısıtma, soğutma ve pişirme için kullanılır. Bununla birlikte, atık işleme, gıda işleme ve metal, taş, kil ve petrol rafine etme gibi çeşitli işlemlerde de kullanılır.

Doğal gaz ayrıca arabalar, otobüsler, kamyonlar ve diğer araçlar için alternatif yakıt olarak kullanılabilir. Şu anda dünya çapında 5 milyondan fazla doğal gazlı araç (NGV) var.

NGV'ler benzinle çalışan araçlardan daha pahalı olsa da, yakıtları daha ucuzdur ve dünyanın en çevreci araçlarıdır. Benzinli ve dizel motorlu araçlar arsenik, nikel ve nitrojen oksit gibi zararlı ve toksik maddeler yayıyor. Buna karşılık NGV'ler çok az miktarda propan veya bütan yayar ve atmosfere yüzde 70 daha az karbon monoksit bırakır.

Doğal Gazın Elektriğe Dönüştürülmesi

Doğal gaz evlere ve iş yerlerine elektrik sağlamak için kullanılacağı zaman boru hattından brülöre sokulur. Brülördeki alev, gazın ısıya dönüşmesini sağlıyor. Bu ısı daha sonra suyu kaynatmak ve buhar açığa çıkarmak için kullanılır. Buharın yavaşça basınç oluşturmasına izin verilir. Buharın basıncı daha sonra aniden serbest bırakılır. Salınan basınç türbinden geçerek onu döndürür. Türbin, jeneratöre bağladır ve o döndüğünde jeneratör de döner. Jeneratörün dönmesi elektrik oluşturuyor. Bu elektrik daha sonra evlere ve işyerlerine güç sağlamak için kullanılıyor. Tüm bunlar çevreyi etkileyebilecek zararlı sera gazları veya toksinler salmaz.

Yeni teknoloji yakıt pilleri sayesinde doğal gazdan elde edilen enerji elektrik üretmek için de kullanılıyor. Doğal gazı enerji için yakmak yerine, yakıt pili üzerinden elektrokimyasal reaksiyon ile elektrik üretilir. Bu reaksiyonlar, başka hiçbir yan ürün veya emisyon olmaksızın su, ısı ve elektrik açığa çıkarıyor. Bilim adamları bu elektrik üretme yöntemini elektrik ürünlerine ekonomik bir şekilde uygulamak için araştırma yapmaya devam ediyor.

Doğal Gazın Çevreye Rtkisi

Doğal gazın kullanılmadan önce işlenmesi gerek. Dışarı çıkarılan doğal gazın içinde etan, bütan, propan, pentan, hidrojen sülfür, karbon dioksit, su buharı ve bazen helyum ve nitrojen vardır. Metan enerji için kullanılmak üzere işlenir ve diğer bileşenlerden ayrılır. Evlerde enerji için kullanılan gaz neredeyse saf metandan oluşuyor.

Diğer fosil yakıtlar gibi doğal gaz da enerji için yakılabiliyor. Aslında, en temiz yanan yakıttır, yani çok az yan ürün açığa çıkarır.

Fosil yakıtlar yakıldığında ise farklı elementler, bileşikler ve katı parçacıklar açığa çıkarırlar. Kömür ve petrol, çok karmaşık moleküler oluşumlara sahip fosil yakıtlardır ve yüksek miktarda karbon, nitrojen ve kükürt içeriyorlar. Yakıldıklarında yüksek miktarda zararlı emisyon yayarlar. Tıpkı nitrojen oksit ve kükürt dioksit gibi. Açığa çıkan parçacıklar atmosfere yükselir ve hava kirliliğine katkıda bulunur.

Buna karşılık doğal gazdaki metanın moleküler yapısı basittir: CH4. Yani yandığında sadece karbondioksit (C) ve su buharı (H) açığa çıkıyor. Biz insanlar da nefes aldığımızda aynı iki bileşeni soluyoruz.

Ozon ve azot oksit gibi gazların yanı sıra karbondioksit ve su buharı da sera gazı olarak bilinir. Atmosferdeki artan sera gazı miktarı küresel ısınmayla bağlantılı ve feci çevresel sonuçlara yol açabiliyor.

Doğal gaz yakmak sera gazı oluştursa da petrolden neredeyse yüzde 30 daha az CO2 ve kömürden yüzde 45 daha az CO2 salınır.

Doğal Gazın Güvenliği

Her doğal kaynak çıkarma faaliyetinde olduğu gibi, doğal gaz sondajı sızıntılara neden olabiliyor. Delgi beklenmedik derecede yüksek basınçlı bir doğal gaz kaynağına çarparsa veya kuyu hasar görürse başlayan sızıntı anında tehlikeli hale gelebilir.

Doğal gaz havaya çok çabuk karıştığı için her zaman patlamaya veya yanmaya neden olmuyor. Ancak doğal gaz sızıntısı sonucu çevreye çamur ve petrol yayıldığından çevresel tehlikesi olur.

Doğal gazı kuyusunu genişletmek için hidrolik çatlatma kullanılmışsa, bu işlemden çıkan kimyasallar yakındaki su habitatlarını ve içme suyunu yüksek düzeyde radyoaktif maddeyle kirletebilir. Havaya salınan kontrolsüz metan insanların bölgeyi geçici olarak boşaltmasını gerektirir.

Bir sızıntı zamanla yavaş yavaş olabilir. Dökme demir 1950'lere doğal gaz dağıtım boruları için en popüler seçimdi. Ancak yüksek miktarda doğal gaz sızıntısına yol açıyordu. Dökme demir borular, yıllarca süren donma-çözülme döngüsü, toprağın üstündeki yoğun trafik ve değişen topraktan kaynaklanan basınç sonucu sızıntı yapar. Bu doğal gaz boru hatlarından gelen metan sızıntıları, ABD gibi ülkelerde doğal gaz dağıtım sektöründeki metan emisyonlarının yüzde 30'undan fazlasını oluşturuyor. Doğal gaz boru hatları günümüzde sızıntıyı azaltmaya yarayan çeşitli metal ve plastiklerden üretiliyor.

Kehanetin Sızıntısı

Gazın doğal olarak yüzeye çıktığı doğal gaz sızıntıları birçok antik uygarlık tarafından doğaüstü veya ruhsal kabul edildi. Bu sızıntıların en ünlülerinden biri, Yunanistan'ın Delphi kasabası yakınlarındaki Parnassus Dağı'nın tepesindedir. 1000 civarında insan bir araya gelerek geleceği söyleyebilen bir rahibe veya dini ve ruhani lidere bir tapınak kurdular. Sıradan vatandaşlardan politik ve askeri liderlere kadar milyonlarca insan yüzlerce yıl "Delphi Kahini"ne akıl danıştı.