YERLİ LİNYİTLERİMİZDEN DOĞAL GAZ, SIVI YAKIT VE KİMYASAL ÜRETİMİ

İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Ar-Ge Merkezi
Prof. Dr. Hasancan Okutan
İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü
Maslak-İstanbul

Giriş
2015 Yılında 7.3 milyara ulaşan dünya nüfusunun 2035 yılında 8.7 milyarı geçici öngörülmektedir. Afrika kıtasında ve Hindistan’da bir milyardan fazla insanın elektriksiz olduğu dünyamızın birincil enerji gereksinimi ile ilgili veriler Tablo 1 de verilmiştir.
Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) ve ABD Enerji Bakanlığı (DOE) tarafından yapılan enerji senaryoları çalışmaları küresel enerji denkleminin yüzyılımızın ortasına kadar çok fazla değişmeyeceğini, 2035 yılına kadar enerji tüketimi içinde fosil yakıtların payının %79, tek başına kömürün payının ise %29 civarında olacağını ve kömürün önümüzdeki yıllarda da en büyük birincil enerji kaynaklarından biri olarak hayati önemini koruyacağını göstermektedir. Bu nedenle, kömür tüm dünyada daha önemli ve daha stratejik bir enerji kaynağı niteliğini taşımaktadır. Öte yandan, kömür ve kömür endüstrisi, küresel ısınma ve iklim değişikliği tartışmalarının odak noktasında yer almaktadır. Bu sebeple, kömür endüstrisinin geleceği büyük ölçüde “Gazlaştırma” ve “Karbon Tutma/Depolama” teknolojilerinin gelişimine bağlanmıştır.
Ülke olarak kullandığımız yıllık birincil enerjinin yaklaşık %72’si yurtdışından ithal edilmektedir. Toplam ülke ithalatı içerisinde en önemli payın bu kaynaklara ayrılması nedeniyle enerji ithalatı ülkemizin en büyük cari açık kalemini teşkil etmektedir. Türkiye’nin jeopolitik konumu da göz önüne alındığında, enerji temininde mümkün olduğu kadar yenilenebilir (hidro, güneş, rüzgar ve jeotermal) ve yerli kömür kaynaklarımızı kullanmamız gerekmektedir. Enerji tasarrufu ve verimliliği de üzerinde durulması gereken önemli konulardan birisidir. Ülkemizin sahip olduğu kömürler ağırlıklı olarak, kül, nem ve kükürt oranları yüksek, ısıl değerleri düşük olan linyitlerden oluşmaktadır. Üretilen kömürlerin büyük bir bölümü, mevcut eski elektrik santrallerinde düşük verimlerle (%22-30) yakılmakta ve yüksek bir çevre kirliliği yaratmaktadırlar. Linyitlerimizin değerlendirilmesinde göz önünde tutulması gereken diğer önemli bir husus, uçucu madde miktarıdır. Bilindiği üzere ülkemiz linyitlerinin büyük bir kısmı uçuculuğu yüksek genç kömürlerdir. Uçucu madde içeriği yüksek olan kömürlerin reaktivitesi yüksek olduğu için bu tür kömürler gazlaştırma açısından uygunluk göstermektedir. Nitekim bazı Türk linyit örneklerinde yapılan TGA çalışmaları kapsamında uçuculuğu yüksek olan linyitlerimizin gazlaştırma potansiyelinin yüksek olduğu ispatlanmıştır (2). Şekil 1’den görüleceği üzere uçuculuğu yüksek olan ülkemiz linyitlerinin %80-85 oranında karbon dönüşümü 7-8 dakika içerisinde gerçekleşirken, daha yüksek ısıl değere sahip bitümlü kömür olan Kentucky 9 nolu kömürün %80 dönüşümü 25. dakikada gerçekleşmiştir. Bu sebeple linyitlerimizden daha fazla faydalanabilmemiz için temiz kömür teknolojilerine geçmemiz gerekmektedir.

Şekil 1: Afşin, Kangal, Soma Linyit Örneklerinin ve Kentucky (ABD) No:9 Kömür Örneğine Ait TGA Test Sonuçları (2).

Gazlaştırma Teknolojisi
Karbon içeren malzemelerin ana bileşenleri karbon monoksit (CO), hidrojen (H2) ve metan (CH4) olacak şekilde yapay gaza dönüştürülmesi gazlaştırmaprosesi olarak tanımlanmaktadır.
Yüz seneyi aşkın bir süredir ticari ölçekte uygulama bulan gazlaştırma teknolojisi son 20 yıldır tekrar öne çıkarak tüm dünyada yükselen bir teknoloji olmuş, geleneksel pulverize kömür yakma sistemlerine göre çok daha yüksek verim ve düşük emisyon değerlerine sahip en gelişmiş elektrik üretim santrali olan Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrim (IGCC) teknolojisinin bir parçası haline gelmiştir. Dünyada uygulaması giderek artan IGCC uygulaması Şekil 2’de verilmiştir (3).
Şekil 2: IGCC Teknolojisi Proses Akım Şeması (3).
Kömürün nem, kül, sabit karbon ve uçucu madde içerikleri ile aktivitesinin elementel analizinin, tane boyutunun, kekleşme özelliğinin ve külün erime sıcaklığının gazlaştırmaya önemli ölçülerde etkileri vardır. Gazlaştırma işleminin başlayabilmesi için katı yakıt içerisindeki karbon elementinin bir kısmının yakılarak suyun buhar faza geçmesi, sonra piroliz fazına ulaşması daha sonra da gazlaşma reaksiyon sıcaklıklarına yükselmesi gerekmektedir. Gazlaştırıcı içerisinde oluşan kuruma, piroliz, karbonlaşma, indirgeme ve yanma işlem ve reaksiyonları göz önüne alındığında gazlaşmaprosesinde ardışık pek çok reaksiyonun olduğu anlaşılmaktadır. Gazlaştırma reaksiyonları Tablo 2’de gösterilmiştir (3).
Kömür gazlaştırmasında kullanılan kömürün cinsi, elde edilecek gazın içeriği ve ısıl değerine göre gazlaştırıcı türü seçilmektedir. Kömür yatağının geçirgenlik ve süreklilik arz etmesi ve uygun yapıda bulunması halinde yer altı gazlaştırma teknikleri de uygulanabilir. Genelde gazlaştırma reaktörleri aşağıdaki şekilde gruplandırılır:
a) Sabit Yatak Gazlaştırıcı,
b) Akışkan Yatak Gazlaştırıcı,
c) Sürüklemeli Yatak Gazlaştırıcı,
d) Basınçlı ve Buhar/Oksijen Beslemeli Gazlaştırıcı,
e) Plazma Gazlaştırıcı
Elektrik üretiminin yanı sıra sıvı yakıt (dizel), metan, hidrojen, amonyak, metanol ve diğer kimyasalların üretiminde de ticari ölçekteki uygulanabilirliği ispatlanmış olan gazlaştırma teknolojisinin ülkemiz açısından önemi büyüktür. Ülkemiz linyit kaynakları kullanılarak gazlaştırma reaksiyonları ile yüksek basınçta oksijen ve buhar ile üretilen yapay gazdan sentetik doğalgaz, metanol, amonyak, dizel yakıtı ve kimya endüstrisinin temel hammaddelerini üretmek mümkündür. Gazlaştırma teknolojilerinin bu amaçla ülkemizde kullanılmaya başlanmasıyla milyarlarca dolarlık ithalat harcamalarımızda önemli azalmalar olacaktır.Gazlaştırma yöntemi ile elde edilen yapay gazdan üretilebilecek kimyasal maddeler Şekil 3’de gösterilmiştir (4).
Şekil 3: Gazlaştırma Tekniği ile Üretilebilecek Kimyasal Maddeler (4).

1995 yılından itibaren dünyanın pek çok ülkesinde yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanan gazlaştırma teknolojisi bugün en hızlı gelişen enerji teknolojilerinden birisi haline gelmiştir. 28 ülkede 272 ticari ölçekte çalıştırılan gazlaştırma tesislerindeki gazlaştırıcı sayısı 686 adettir. Toplam kurulu gücü 2015 yılı itibariyle 150.000 MWt olan bu gazlaştırıcı tesislerinde gazlaştırılan kömür, petrol koku, biyokütle ve atıkların yüzdesi sırasıyla %49, %36 ve %15’tir. Bu tesislerden elde edilen gaz ürünlerin %27’si elektrik üretiminde, %37’si kimyasalların üretiminde, %36’sı ise sıvı ve gaz yakıt olarak kullanılmaktadır (5).
İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Ar-Ge Merkezi
T.C. Kalkınma Bakanlığı’nın “2015 Yılı Yeni Araştırma Altyapı Projeleri – Kömürden Doğalgaz Üretme Teknolojileri” başlıklı 3.1 no’lu çağrı kapsamında Bakanlıkça desteklenmesine karar verilen “İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Araştırma Geliştirme Merkezi Projesi”, 1 Nisan 2016 tarih, 29671 sayılı T.C. Resmi Gazete’de yayımlanan 2016 Yılı Yatırım Programında 2016 K 121 250 proje no’su ile yer almaktadır. Projenin süresi 2 yıl (2016-2018) olup, 2 yıl için verilen destek 12,7 milyon TL’dir.
İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Araştırma ve Geliştirme Merkezi adlı projenin temel amacı gazlaştırma teknolojisi yoluyla linyit kaynaklarımızdan sentetik doğalgaz, hidrojen, sıvı yakıtlar ve kimyasallar üretmek için bilimsel ve teknolojik araştırma alt yapısını oluşturan, geliştireceği sentetik yakıt teknolojileri ile geniş kapsamlı patent havuzu yaratan, ürettiği bilgileri enerji ve kimya sektörleriyle paylaşarak konuyla ilgili teknolojik uygulamaları/teknolojiyi geliştirmeye yardımcı olan, böylece ülkemizin enerji ve teknoloji konusunda dışa olan bağımlılığını azaltmaya katkıda bulunan bir araştırma-geliştirme merkezinin kurulmasıdır. Alt yapı projesi desteği ile kurulması planlanan merkezin diğer bir amacı ise temiz kömür teknolojileri konusunda bilgili, deneyimli ve yaratıcı bilim insanı ve mühendislerinin yetiştirilmesidir.
İTÜ’de kurulacak merkezde; başta sentetik doğalgaz olmak üzere hidrojen, sıvı yakıtlar ve çeşitli kimyasalların üretimi için ülkemiz linyitlerinin gazlaşma ve piroliz potansiyelinin tespiti, linyitlerimiz için en iyi gazlaştırma reaktörlerinin ve süreçlerinin araştırılması ve geliştirilmesi; istenen bileşimde sentez gazının üretilmesi, temizlenmesi ve saflaştırılması; temizlenmiş sentez gazının doğalgaz, sıvı yakıt ve çeşitli kimyasallara dönüştürülmesi için katalizör, reaktör ve katalitik süreçlerin geliştirilmesi gibi, kömürden başlayarak katma değeri yüksek ürünlere geçişi sağlayan ve birbirini tamamlayan teknolojik Ar-Ge çalışmalarını yapmak mümkün olacaktır.
Kuruluş çalışmalarına Temmuz 2016’da başlanan İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Ar-Ge Merkezi projesi aşağıda belirtilen iki önemli iş paketi kapsamında tamamlanacak ve çalışmalara başlanacaktır.

a) Merkezin Kurulacağı Binanın Tadilatı:
İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü Laboratuar Bloğu içinde yaklaşık 800 m2’lik uygun alt yapıya (su, elektrik ve gaz şebekesi, topraklama, havalandırma, güvenlik, gazlar için özel güvenlik ve yangın donanımı, yüksek basınçta çalışmaya uygun bölümler, ulaşım ve tahliye giriş çıkışları, acil durum çıkışı, hareketli vinç sistemi gibi) sahip bir mekân oluşturulması planlanmış, mimari, elektrik ve mekanik projeleri tamamlanmıştır.
b) Merkez İçinde Yer Alan Laboratuvarların Ar-Ge Alt Yapısının Oluşturulması:
Merkezin kurulacağı mekanın fiziki ve güvenlik altyapısı tamamlanırken, merkezi oluşturan laboratuvarların deneysel Ar-Ge alt yapısı kurulmasına geçilecektir. Merkezde kurulacak başlıca Ar-Ge laboratuvarları şunlardır:
1. Karakterizasyon Laboratuvarı: Merkez bünyesinde kurulacak Karakterizasyon Laboratuvarı, proje çerçevesinde İTÜ Sentetik Gaz Yakıtlar Araştırma ve Geliştirme Merkezinde gerçekleştirilecek olan Ar-Ge çalışmalarında kullanılacak/sentezlenecek/üretilecek çeşitli girdi ve ürünlerin (katı, sıvı, gaz), sorbentlerin, membranların, katalitik vb. malzemelerin karakterizasyonunda kullanılacaktır.
2. Gazlaştırma Laboratuvarı: Gazlaştırma Laboratuvarında, kömürlerimizin gazlaştırma potansiyellerinin/özelliklerinin incelenmesi ve bunlardan yüksek gazlaştırma verimleriyle hidrojen içeriği yüksek, katran içeriği düşük sentez gazı üretme çalışmaları gerçekleştirilecektir. Bu doğrultuda, lab- ve yarı-pilot ölçeklerde gazlaştırıcı reaktörler ve bir piroliz sistemi kurulacaktır.
3. Gaz Temizleme Teknolojileri Laboratuvarı: Bu laboratuvar kömürlerin gazlaştırmasıyla üretilen sentez gazlarının temizlenmesi çalışmalarının yapılması için kurulacaktır. Sentez gazları partiküler madde (toz), katran (tar), karbondioksit (CO2) kükürtlü bileşikler (H2S, COS), amonyak (NH3) gibi çeşitli safsızlıkları/kirleticileri içermektedir. Bu kirleticiler sentez gazının kullanıldığı katalitik dönüşüm süreçlerinde (metan, sıvı yakıt ve kimyasalların üretimi) ve diğer uygulamalarda önemli sorunlar yaratmakta ve bu nedenle giderilmeleri gerekmektedir. Kurulacak laboratuvarda sentez gazlarını temizlemek amacıyla kullanılması hedeflenen membran, sorbentve katalizör çalışmaları için alt yapı da oluşturacaktır.
4. Kataliz Laboratuvarı: Kataliz laboratuvarı katalizör hazırlama/sentez ve test etme ünitelerinden oluşmaktadır. Katalizör çalışmalarında kullanılacak karakterizyon alt yapısı, Karakterizasyon Laboratuvarı bünyesinde yer alacaktır. Laboratuvarda, çok sayıda katalizörü sentezlemeye, aynı anda (paralel) test etmeye olanak sağlayacak olan iki adet hızlı test sistemi kurulacaktır. Bunlar:
1. Yüksek hızlı kataliz geliştirme (high throughput catalysis, HTC) sistemi: Atmosferik basınçta çok sayıda (yaklaşık 80 adet) katalizörü aynı anda test etme özelliğine sahiptir.
2. Yüksek basınçlı çoklu bir reaktör sistemi: Bu sistem 4 katalizörü aynı anda yüksek basınç ve sıcaklıklarda test edebilme yeteneğine sahiptir.
Kurulacak katalizör laboratuvarı, katalizör çalışmalarını geleneksel katalizör geliştirme yöntemlerine göre çalışan laboratuvarlara kıyasla yaklaşık 10-100 kez hızlandırabilecektir/kısaltabilecektir. Bu sistem Türkiye’de ilk defa bu proje çerçevesinde kurulacaktır.
İki sene içerisinde alt yapısı tamamlanacak olan merkezde, İTÜ ile birlikte bu kapsamda T.C. Kalkınma Bakanlığı’ndan proje desteği alan Boğaziçi Üniversitesi ve TÜBİTAK-MAM proje yürütücülerinin mutabakatı ile oluşturulan “ortak metin”de belirtildiği gibi, gazlaştırma, gaz saflaştırma, katalizörler ve sentetik doğalgaz üretim teknolojileri ile ilgili Ar-Ge çalışmalarında çok sıkı bir işbirliği yapılacaktır. Bu çalışmaların temel hedefi başta TKİ olmak üzere enerji ve kimya sektöründeki diğer kamu ve özel firmalar ile ticarileşmeye yönelik projelerde işbirlikleri oluşturmaktır.

Sonuç
Ülkemiz petrol ve doğalgaz bakımından çok büyük ölçekte dışa bağımlıdır (doğalgazda %98, petrolde %94) ve bu bağımlılık her geçen gün sürekli artmaktadır. Ülke olarak kullandığımız yıllık birincil enerjinin yaklaşık %72’si yurtdışından ithal edilmektedir. Toplam ülke ithalatı içerisinde en önemli payın bu kaynaklara ayrılması nedeniyle enerji ithalatı ülkemizin en büyük cari açık kalemini teşkil etmektedir. Ülkemizin sahip olduğu en büyük enerji kaynağı kömürdür. Dolayısıyla bu kaynaktan yararlanılması ülkemiz açısından öncelikli görülmektedir. Öte yandan fosil yakıtlı enerji santralleri için çevreye yönelik yasal düzenlemelerin giderek sıkılaştırıldığı, yüksek verimlilik ve düşük karbon dioksit emisyonlarına sahip çözümlerin öne çıktığı hususlar göz önüne alındığında 150 yıl önce ticari ölçekte uygulama bulan ve son senelerde tüm dünyada öne çıkan kömürün gazlaştırılması tekniğinin ülkemiz açısından önemi büyüktür. Son yıllarda gerek enerji ihtiyacını karşılamak gerekse kimyasal madde üretmek üzere başta Çin Halk Cumhuriyeti olmak üzere Güney Afrika, ABD, Kanada, Avustralya ve Avrupa ülkeleri hızlı şekilde kömür gazlaştırma yatırımları yapmaktadır.
İTÜ’de kurulacak merkezde; başta sentetik doğal gaz olmak üzere hidrojen, sıvı yakıtlar ve çeşitli kimyasalların üretimi için ülkemizdeki linyit kaynaklarının gazlaşma ve piroliz potansiyelinin tespiti, bunlar için en iyi gazlaştırma reaktörlerinin ve süreçlerinin araştırılması ve geliştirilmesi; istenen bileşimde sentez gazının üretilmesi, temizlenmesi ve saflaştırılması; temizlenmiş sentez gazının doğalgaz, sıvı yakıt ve çeşitli kimyasallara dönüştürülmesi için katalizör, reaktör ve katalitik süreçlerin geliştirilmesi gibi, kömürden başlayarak katma değeri yüksek ürünlere geçişi sağlayan ve birbirini tamamlayan teknolojik Ar-Ge çalışmalarını yapmak mümkün olacaktır.
Ülkemizde son birkaç yıldır Türkiye Kömür İşletmeleri (TKİ), TÜBİTAK-MAM ve üniversiteler bünyesinde kömür ve biyokütle gazlaştırma konusunda bazı çalışmalar başlatılmıştır. Ancak, kömürün gazlaştırılması ve gazlaştırma ile elde edilen sentez gazından metan üretimi konusunda hiçbir çalışma bulunmamaktadır. Dolayısıyla, kurulacak merkezde gerçekleştirilecek Ar-Ge çalışmaları öncelikle kömürden sentetik doğalgaz (metan), hidrojen, sıvı yakıt ve çeşitli kimyasalların (amonyak, metanol, monomerler) üretimi ile ilgili yerli teknolojinin geliştirilmesine öncülük edecektir. Bu şekilde ülkemizin enerji gereksiniminin önemli bir kısmı ve bazı temel kimyasalların kömürden temiz bir şekilde eldesinin önü açılmış olacaktır. Tüm bu çalışmalar petrol ve doğalgazda dışa bağımlılığımızın ve cari açığımızın azalmasına; rekabet gücümüzün ve yenilikçiliğin artmasına önemli katkılar sağlayacaktır.
Günümüzde gazlaştırma teknolojisinin en önemli uygulama alanlarından birisi enerji ve kimyasallar üretimi amacıyla kömürün gazlaştırılmasıdır. Ancak, gazlaştırmada organik atıklar da en az kömür kadar güçlü bir hammadde alternatifi olabilmektedir. Tüm dünyada evsel, endüstriyel atıklarla birlikte biyokütlenin gazlaştırılmasına yönelik ilgi ve ticari uygulamalar hızla artmaktadır. Dolayısıyla, kurulacak merkezde kömür gazlaştırma teknolojileri konusunda üretilecek veriler ve elde edilecek tecrübeler, benzer şekilde atıklardan enerji ve kimyasallar üretimi konusunda da kullanılabilecektir.

Kaynaklar
(1) International EnergyAgency (IEA), World Energy Outlook, 2014.
(2) Lau, F., Miles, K. 2011. Turkish Coal Characterizationfor EnerjiSA, Özel Rapor.
(3) Higmann, C., van der Burgt, M. Gasification, 2nd Edition, 2007.
(4) Liu, K.,Song, C., Subramani, V. Hydrogen and syngasProduction and Purification Technologies, Wiley, 2010.
(5) www.gasification.org (30.07.2015)
-Ocak 2017