YERALTI KÖMÜR GAZLAŞTIRMA YÖNTEMİYLE TEMİZ ENERJİ VE YAKIT ÜRETİMİ ÖN ÇALIŞMA RAPORU Hazırlayan : Mehmet CENAN Enerji Yük.Müh. / MBA PRİME TEKNOLOJİ LTD.ŞTİ. ANKARA-2014 www.primeteknoloji.com
1. GİRİŞ Alışılmış, yaygın kullanımlı (petrol, doğal gaz, kömür, nükleer) enerji kaynaklarının tükenebilirliği, atmosferik/iklimsel çevresel etkileri, giderek artan birim fiyatları, maliyetleri, ülkelere/bölgelere göre dengesiz dağılımları, tedarik ve taşıma riskleri dünya ülkelerini öz kaynaklara ve yeni teknolojilere dayalı alternatif enerji kaynaklarına yöneltmektedir. Linyit ve taş kömürünün gazlaştırılmasından elde edilen yakıtlar, gelecek yıllarda petrol ve doğal gazın yerini alacak en güçlü adaylar olarak görülmektedir. Yerinde kömür gazlaştırma (UCG) yöntemi, Dünya da uygulanan temiz kömür teknolojisi yöntemlerindendir. UCG yöntemi kalorifik değeri düşük, çıkarılmayan veya jeolojik yapı gereği (yüksek kırılma frekansları, volkanizmalar ve kompleks depolanma/tektonik yapılar) çıkarılamayan kömür yataklarındaki kömürün oksijen ve buhar karışımı (oxidant; hava, zenginleştirilmiş hava, O2/H2O, CO2/O2...) ile yanıcı gaz (syngas) haline dönüştürülmesinde kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde kömür yatakları reaktör görevini görmektedir. Böylelikle gazlaştırma yer yüzünde değil, yer altında yapılmaktadır. İşlem yanma değil kısmi oksidasyondur ve elde edilen yanıcı gaz(syngas) kurulan IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) santrallerinde elektrik üretiminde kullanılabildiği gibi özellikle FTS(Fischer- Tropsch ) yöntemiyle sıvı yakıt eldesinde ve kimyasallar üretiminde de kullanılmaktadır. 2. YERİNDE KÖMÜR GAZLAŞTIRMA (UCG) Petrol fiyatlarının sürekli tırmanışta olduğu, doğal gaz fiyatlarının son iki yılda %100 den fazla artması ve enerji arz güvenliği tehlikesi nedenleriyle ülkemizde artan enerji ihtiyacının karşılanmasında, yerli linyit ve kömürlerimizin kullanımının önemi bir kez daha ortaya çıkmıştır. Ülkemizin bugün belirlenmiş toplam linyit rezervi 13 milyar ton iken, çıkartılmaya hazır rezervi 8.5 milyar tondur ve gazlaştırma yoluyla enerji ve kimyasal madde üretimi için uygundur. Mevcut linyit rezervlerinin ısıl değerleri 1100-4500 kcal/kg olup nem içerikleri yüksektir. Ülkemizdeki linyitlerin kükürt miktarının yüksek oluşundan dolayı, herhangi bir işleme tabî tutulmadan yakılarak değerlendirilmeleri büyük hava kirliliğine yol açmaktadır. Gerek hava kirliliğinden dolayı gerekse bazı üretim tesislerinin hammadde ihtiyacını karşılamak amacıyla linyit kömürlerinin gazlaştırılarak değerlendirilmesi mümkündür. Ayrıca gaz yakıtın taşınması, kömüre nazaran daha kolay ve ucuz olacaktır. UCG prosesi kalorifik değeri düşük, çıkarılmayan veya jeolojik yapı gereği (yüksek kırılma frekansları, volkanizmalar ve kompleks depolanma/tektonik yapılar) çıkarılamayan kömür yataklarının oksijen ve buhar karışımı (oxidant; hava, zenginleştirilmiş hava, O 2/H 2O, CO 2/O 2...) ile yanıcı gaz (syngas CO+H 2)
haline dönüştürülmesinde kullanılan bir metotdur. Burada kömür yatakları reaktör görevini görmektedir. Böylelikle gazifikasyon yer yüzünde değil, yer altında yapılmaktadır. Yer üstü gazlaştırma verimliliği % 40-42 iken yer altı gazlaştırmada verimlilik % 50-55 dolaylarındadır. UCG de kömür buhar ve oksijen ile beraber yanma sıcaklığına getirilir, ancak oksijen miktarının dikkatlice ayarlanması ile kömür tamamen yakılmaz ve kimyasal olarak parçalanır. İşlem yanma değil kısmi oksidasyondur ve elde edilen yanıcı gaz (CO,H 2,CO 2 ve CH 4; syngas) elektrik üretiminde kullanılabildiği gibi sıvı yakıt eldesinde ve kimyasallar üretiminde de kullanılmaktadır. Elde edilen syngas, daha fazla buhar ile muamele edilerek yüksek miktarlarda hidrojen elde edilebilmekte, CO ve CO 2 ye dönüştürülmektedir. Kömür + O 2 + Buhar CO+H 2+CH 4 +CO 2 UCG de temel işlem; Oksidantları göndermek için enjeksiyon kuyusu, oluşan gazları almak için üretim kuyusu açmaktır.
3. UCG için GEREKLİ JEOLOJİK KOŞULLAR ve YER SEÇİMİ Kömürün yaşı/olgunlaşma seviyesi, kömür rezervuarının kompozisyonu (kil, kum,kireçtaşı), rezervuarın geçirgenliği ve gözenekliliği, jeolojik kırık ve çatlak yapıları, lokal jeolojik tabaka ve katmanlar oluşan syngas ın üretim kuyusundan alınabilmesi için çok önemli parametrelerdir. Yukarıdaki verilerin eldesi için; tespit edilen sahada pilot bir kuyu açılarak örnekleme yapılmalı, özellikle 3D sismik ile saha tanımlanmalı, sahada yer altı suları açısından hidrojeoloji modellemesi yapılmalıdır. Yer altı kömür gazlaştırılmasında tercih edilen parametreler; Tablo; Yeraltı kömür gazlaştırılmasında tercih edilen parametreler 4. PROSES TEKNOLOJİSİ AVANTAJLARI ve MALİYETLERİ UCG su ile doygunlaşmış derin kömür yataklarına uygulanmaktadır. Bununla beraber su ile doygunlaşmamış su seviyesi üstündeki yataklara da uygulanabilmektedir. Dünyada UCG için iki farklı teknoloji vardır. Birincisi Sovyetler Birliği teknolojisi olarak olarak bilinmekte ve kuyular kömür kaynağına dikey olarak açılmaktadır. Burada ters yanma (reverse combustion linking) metodu uygulanmaktadır. Bu metod 1999-2003 tarihleri arasında Avustralya/Chinchilla daki yüksek küllü kömürlerde kullanılmıştır. Oksitleyici olarak hava ve su kullanılmaktadır. İkinci metod Amerika ve Avrupa Kömür bantlarında test edilmiştir. Petrol/doğal gaz üretim ve kuyu tamamlama teknikleri ile aynı metotdur. Gazifikasyon için oksijen veya zenginleştirilmiş hava kullanılmaktadır. Kullanılan kuyu dibi sondajı dizi elemanları kömür katmanı çevresinde bulunan çatlaklar ve kırıkları tespit eden sensörlere sahip olduğundan bu tip sondaj sayesinde proses kontrolu daha verimli olmakta ve daha kolay kontrol edilebilmektedir. UGC prosesi, yer altında gaz ve ısı depolama kapasitesine sahip bir prosestir. Farklı reaktörlerden gaz kompozisyonları elde edilebilir. Kül veya cürufların uzaklaştırılması işlemi yapılmamaktadır. Çünkü
kalıntılar yer altında kalmaktadır. Sıcak yer altı suları reaktörlerin çevresinde ısı koruma görevi yapmaktadır. Böylelikle prosesdeki ısı kaybı minimum seviyelerdedir. Uygulanan basınç yer altı suyunun kömür bantlarına akışını kolaylaştırmakta ve kimyasal reaksiyonlarla yer altı kirliliğini minimuma indirmektedir. Oluşan UCG gazları kullanılan oksidant ve proses koşullarına bağlı olarak CO2 gazı içermektedir. Bu gaz bilinen bazı yöntemler ile proses sürecinde tutulmaktadır. Tutulan gaz, tükenmiş petrol /doğal gaz rezervuarlarına, derin akiferlere depolanabilmekte (geological sequestration) ve ayrıca EOR (Enhanced Oil Recovery) veya EGR (Enhanced Gas Recovery) olarak da değerlendirilmektedir. UCG gazları konvansiyonel IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) prosesinde %55 lik verim ile kullanılmaktadır. UCG-IGCC proses verimi %43 dolaylarındadır. Dünyadaki kurulu tesislerin fizibilite çalışmaları sonucunda, UCG gazının (syngas) 2 Euro - 2.5 Euro/GJ olan birim fiyatı, 6 Euro/GJ olan doğal gazdan daha ucuzdur. Petrol fiyatlarının 35 $/varil i aşması durumunda ekonomik olacağı belirtilmiştir. 5. ÇEŞİTLİ ÖRNEK SANTRALLER - Avustralya 1; - Avustralya 2;
- Kanada; - İspanya; - Güney Afrika; 6. PİLOT PROJE TASARIMI Bilindiği üzere Türkiye yeraltı kömür gazlaştırma projelerine uygun linyit rezervlerine sahip olmakla birlikte bu kaynakları yeterince değerlendirememektedir. Bu kapsamda pilot proje tasarımında aşağıdaki parametreler değerlendirmeye alınmıştır,
- 5 m kömür damarı kalınlığı, - 300-500 m ortalama derinlik, 350 m panel uzunluğu, - Enjeksiyon ve üretim sondajları arası mesafe (panel genişliği) 25 m, - O 2+Buhar karışımının kömür damarına iletilmesini sağlayan enjeksiyon sondajı, - Kömürün yeraltı oksidasyonunu sağlayan ateşleme sondajı, - Üretilen sentetik gazın yüzeye çıkarılmasını sağlayan üretim sondajı, Üretim Parametreleri; 5 m x 25 m x 350 m: 35 000 m 3 kömür paneli 26 923 ton = 35 000 m 3 (1 ton linyit : 1,3 m 3 ) 26 923 ton = 35 000 000 m 3 (1 ton linyit : 1 300 m 3 sentetik gaz ) 35 000 000 m 3 sentetik gaz = 140 000 000 kwh (1 m 3 sentetik gas: 4 kwh elektrik)
Hesaplanan Sistem Parametreleri; Kurulu Güç 16.8 MWe Sentetik Gas Üretimi/Saat 158 GJ/hr İçsel Tüketim 1.8 MWe Satılabilir Net Elektrik Miktarı 15 MWe Elektriksel Verim 55% CO 2 Emisyonu 15 t/h Öngörülen Yatırım Maliyetleri (CAPEX); STAGE DURATION COST (USD) (week) 1. GEOLOGICAL & GEOPHYSICAL STUDIES 12 300.000,00 2. IDENTIFICATION WORKS OF PILOT LOCATION 15 400.000,00 3. PILOT PLANT BUILDING and DRILLINGS 15 3.500.000,00 4. COAL BURNING TEST STAGE FOR SYNGAS 24 600.000,00 5. INSTALLATION OF GAS TURBINE POWER PLANT (15 MW) 10 8.000.000,00 TOTAL COST 12.800.000,00 Contingency 20 % of total cost TOTAL COST FORECAST 15.360.000,00 USD Öngörülen İşletme Giderleri (OPEX); O 2 (Bir panel için yaklaşık 5 milyon m 3 ) Buhar (Bir panel için 5200 ton,enerji,iletim,ve diğer) Personel (1 işletme müdürü,4 mühendis,15 tekniker ve işçi) Bakım,onarım,saha geliştirme,laboratuvar,gözlem vb. TOPLAM YILLIK OPEX 5.500.000,00 TL 300.000,00 TL 800.000,00 TL 500.000,00 TL 7.100.000,00 TL
Hesaplanan Gelir Miktarı; Net Satılabilir Elektrik Miktarı Santral Çalışma Süresi Toplam Satılabilir Elektrik Miktarı Ortalama Satış Fiyatı* Toplam Yıllık Gelir* Ortalama Satış Fiyatı** Toplam Yıllık Gelir** Geri Ödeme Süresi 15.000 KWh 8300 saat/yıl 124.500.000 KWh/yıl 0,15 TL/KWh 18.675.000 TL 0,18 TL/KWh 22.410.000 TL 4 Yıl
7. SONUÇ VE ÖNERİLER UCG araştırma ve yatırımları petrol potansiyeli zayıf, kömür rezervleri fazla olan ülkelerde yoğunlaşmıştır. Özellikle son yıllarda Avustralya, Kanada, USA, Çin, Güney Afrika, ve Rusya gibi ülkeler yoğun olarak yeraltı kömür gazlaştırma projelerine ağırlık vermektedirler. Ülkemiz kömürlerinin UCG ve ticari üretim çalışmalarının başlatılmasında bugünkü yüksek petrol fiyatlarının tetikleme etkisi altında yarar görülmektedir. Elektrik üretiminin yanı sıra, üretilen sentetik gazın doğrudan şebeke hattına verilebilmesi, FT reaktörler vasıtasıyla temiz dizel, jet yakıtı, etanol, metanol, üre gibi uç ürünlerin üretilerek ülkemiz ekonomisine ciddi katkılar sağlanması planlanmaktadır. Ülkemizde özellikle yeraltı madenciliğinin uygun ve ekonomik olmadığı kömür rezervlerinde, kalorifik değerleri düşük yüksek kül ve nem oranlarına sahip olan linyit havzalarında değerlendirilmesi gereken UCG yatırımlarının gerek ülke ekonomisine gerekse enerji ithalatının önüne geçilebilmesi ve yeni istihdam alanları yaratılması konularına sağlayacağı yüksek katkılar ortaya konulmalıdır.