Comparison of thermophysical gas properties of hydrogen, methane, and carbon dioxide
Hidrojen, metan ve karbon dioksit termofiziksel gaz özelliklerinin karşılaştırılması
- Tez No: 963394
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER İNANÇ TÜREYEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 68
Özet
Enerji güvenliği, karbon yakalama ve hidrojen ekonomisi projeleri için yer altı gaz depolamaya olan ilgi arttıkça, gazların derin sıcaklık ve basınç koşullarındaki davranışlarını anlamak hayati önem taşımaktadır. Hidrojen (H₂), yakıt hücresi teknolojisi ve yenilenebilir enerji depolamasında temiz bir enerji taşıyıcısı olarak giderek daha fazla tanınmaktadır. Metan (CH₄), doğal gazın önemli bir bileşeni olduğu için dünyanın ısıtma altyapısı ve enerji arzı açısından hayati öneme sahiptir. Karbondioksit (CO₂), bir sera gazı olmasına rağmen, karbon yakalama ve depolama (CCS) yoluyla iklim değişikliğiyle mücadele çabalarında hayati bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, yoğunluk, viskozite, gaz sıkıştırılabilirliği, gaz sapma faktörü (z-faktörü), basınç/z-faktörü oranı (p/z), gaz oluşum hacim faktörü ve gaz rezervuar hacmi gibi çeşitli önemli gaz özellikleri bu üç gaz için karşılaştırılmaktadır. Bu nedenle, düşük karbonlu bir enerji sistemine geçişte bu üç gazın önemi giderek artmaktadır. Bu gaz özelliklerinin hesaplanmasında, deneysel özellikler ile gerçek gaz hal denklemleri arasındaki korelasyonları içeren Python programlama dili kullanılmıştır. Hesaplamalarda 313,15–343,15 K sıcaklık aralığı ve 0–300 bar basınç aralığı kullanılmıştır. Diğer parametreler bilinen termodinamik ilişkilerden türetilmiş, z-faktörü ise Dranchuk ve Abou-Kassem korelasyonu kullanılarak bulunmuştur. Sonuç olarak, eğilimleri ve sapmaları göstermek amacıyla sonuçların Kartezyen ve yarı-logaritmik grafiklerinden faydalanılmıştır. Python programlama dili kullanılarak hesaplama süreci tamamen otomatikleştirildi ve elde edilen tüm sonuçlar Kartezyen ve yarı-logaritmik ölçeklerde gösterildi. Bu görselleştirme yöntemi, sıcaklık-basınç etkilerini, kritik noktaya yakın davranış değişikliklerini ve çeşitli gazlar arasındaki eğilimleri daha iyi göstermektedir. Mühendislik açısından bulguların değerlendirilmesi aşağıdaki gibidir: Tüm basınç ve sıcaklık koşullarında z-faktörü 1'e en yakın gaz olarak hidrojen ideal gaz davranışına en yakındır. Bununla birlikte, düşük yoğunluk ve yüksek gaz oluşum hacim faktörü depolama kapasitesini kısıtlamaktadır. Enjeksiyon ve üretim işlemlerinde yüksek mobilite ve düşük viskozite faydalıdır. Metan gazın yoğunluğu ve viskozitesi orta düzeydedir. Metan, bu özellikler nedeniyle hem depolama verimliliği hem de akışkanlık açısından güvenilir bir seçenektir. Yüksek yoğunluğu ve düşük gaz oluşum hacim faktörü nedeniyle karbondioksit depolama alanının verimliliğini artırır. Ancak yoğunluk, viskozite ve sıkıştırılabilirlik değerlerinde ani değişiklikler meydana gelirse, operasyonel risklerin dikkatle yönetilmesi gerekir. Bu analiz, yer altı gaz depolama projelerinde gaz türünün seçilmesinde doğrudan kullanılabilecek teknik veriler sağlar. Örneğin, yüksek hacim verimliliği gerektiren karbon yakalama ve depolama projelerinde CO₂ öne çıkarken, yüksek enjeksiyon hızı ve düşük basınç kaybı gerektiren sistemlerde hidrojen daha uygundur. Mevcut doğal gaz altyapısına uyumlu olması ve dengeli özellikleri nedeniyle, metan uzun vadeli enerji güvenliği stratejilerinde avantajlı bir seçimdir. Bu çalışma ayrıca rezervuar simülasyon modellerinin doğruluğunu artırıyor ve mühendislik tasarım süreçlerinde belirsizlikleri azaltıyor. Kullanılan hesaplama teknikleri açık kaynak kodlu olduğundan, çalışmanın çeşitli senaryolara ve gaz karışımlarına kolayca uyarlanması mümkündür. Bu çalışma, gelecekteki araştırmalar için bir temel oluşturmaktadır. Bu çalışma, çeşitli gaz karışımlarının (örneğin H₂ - CH₄, CH₄ - CO₂) termofiziksel özelliklerini modellemeyi ve ayrıca gazların çeşitli jeolojik formasyonlarda nasıl davrandığını incelemeyi amaçlamaktadır. Ek olarak, modelin saha verileriyle doğrulanması, elde edilen korelasyonların güvenilirliğini artıracak ve mühendislik uygulamalarında riskleri azaltacaktır. İlerleyen çalışmalarda gaz karışımlarının özelliklerinin araştırılması, çeşitli jeolojik formasyonların etkisinin modellenmesi ve saha verileri kullanılarak model doğrulaması planlanabilir. Bu nedenle, daha karmaşık durumlara uyarlanabilir ve riskleri azaltabilecek daha sofistike mühendislik çözümleri geliştirilebilir. Dünya genelinde sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yönelik Karbon Yakalama ve Depolama projeleri bulunmaktadır. Örneğin, Norveç'te yer alan Sleipner sahası, dünyanın ilk ticari CCS projesi olarak önemli bir girişimdir. 1996 yılındaki başlangıcından bu yana, Kuzey Denizi'nin altındaki Utsira Formasyonu'nda 23 milyon tondan fazla CO₂ başarıyla depolanmıştır. Benzer şekilde, Kanada'nın Alberta eyaletindeki Quest projesi, 2015 yılında CO₂ enjeksiyonuna başlamıştır. Proje; bir yakalama tesisi, boru hattı ve üç enjeksiyon kuyusu sahasından oluşmakta olup, hidrojen üretim süreçlerinden yılda yaklaşık 1 milyon ton CO₂ yakalamakta ve bunu derin tuzlu akiferlere depolamaktadır. CO₂ depolama gibi hidrojen depolama çalışmaları da, ülkelerin düşük karbonlu enerji sistemlerine geçiş sürecinde hız kazanmaktadır. Hollanda'daki HyStock projesi, arz-talep dalgalanmalarını dengelemek amacıyla tuz mağaralarında büyük ölçekli yer altı hidrojen depolama sistemi geliştirmektedir. Doğal gaz depolama ise enerji güvenliğinin temel unsurlarından biri olarak önemini korumakta, mevsimsel talep değişimlerini karşılayarak arz güvenilirliğini sağlamaktadır. 2023 yılı sonunda dünya genelinde yer altı doğal gaz depolama kapasitesi yaklaşık 437 milyar metreküpe ulaşmıştır. Türkiye'de Silivri Yer Altı Doğal Gaz Depolama tesisi ve Tuz Gölü Depolama tesisi, doğal gaz altyapısının önemli bileşenleri arasında yer almaktadır. Silivri tesisinin kapasitesi 4,6 milyar metreküpe çıkarılmış, Tuz Gölü Depolama tesisinin kapasitesi ise 1,2 milyar metreküp olup her iki tesis de ülkenin enerji gücünü artırmaktadır. Yüksek potansiyele sahip bir diğer yer altı doğal gaz depolama tesisleri ise Azerbaycan'da bulunmaktadır. Kalmaz ve Garadağ UGS tesisleri, Garadağ bölgesinde yer almakta olup toplamda yaklaşık 3,5 milyar metreküp depolama kapasitesine sahiptir (Kalmaz 1,5 milyar ve Garadağ 2 milyar metreküp). Ancak, bu kapasitenin 5 milyar metreküpe çıkarılması planlanmaktadır. Elde edilen sonuçlar, enerji güvenliği politikalarının geliştirilmesine, karbon nötr hedeflere ve uluslararası güvenlik standartlarına uygun sistemlerin oluşturulmasına yardımcı olur. Karbon Yakalama ve Depolama projelerinde yasal gerekliliklere uygunluk ve hidrojen depolama sistemlerinde güvenlik standartlarının karşılanması için gerekli teknik bilgileri sağlar. Sonuç olarak, bu araştırma, yer altı depolama koşullarında hidrojen, metan ve karbondioksitin termofiziksel özelliklerini kapsamlı bir şekilde açıklar. Bu, enerji geçiş sürecinde güvenli, etkili ve sürdürülebilir depolama sistemlerinin geliştirilmesine yardımcı olur. Elde edilen veriler, hem akademik çalışmalar hem de endüstriyel projeler için rehberlik edebilir.
Özet (Çeviri)
As interest in projects for underground gas storage for energy security, carbon sequestration, and hydrogen economy projects grows, it is essential to comprehend how gases behave at deep temperatures and pressures. Hydrogen (H2) is becoming increasingly well-known as a clean energy alternative. While methane (CH4) is essential to the world's heating infrastructure and energy supply, because it is an important component of natural gas. Carbon dioxide (CO2) plays a vital role in the mitigation of climate change through carbon capture and storage (CCS), despite being a greenhouse gas. Thus, in the shift to a low-carbon energy system, all three gases are becoming more significant. In this study, several important gas properties are evaluated, including density, viscosity, gas compressibility, gas deviation factor (z-factor), pressure over z-factor (p/z), gas formation volume factor, and gas reservoir volume. For the calculation of these gas properties Python programming was applied, which included correlations between empirical properties and real gas equations of state. The calculations used a temperature range of 313.15–343.15 K and a pressure range of 0–300 bars. Other parameters were generated from known thermodynamic relations, and the z-factor was found using the Dranchuk and Abou-Kassem correlation. As a result, cartesian and semi-log graphs of the results were utilized to show trends and deviations.
Benzer Tezler
- Türkiye linyit kömürleri için yer altında kömür gazlaştırmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of underground coal gasification for Turkish lignite
OĞUZ BÜYÜKŞİRİN
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT GÜR
- Çoklu çarpan jet sisteminin sayısal olarak incelenmesi ve genetik algoritma ile çok hedefli tasarım optimizasyonu
Numerical investigation of multiple impinging jet system and multi objective design optimization using genetic algorithm
ALPEREN YILDIZELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Nanoakışkanların termofiziksel ve reolojik özelliklerinin yapay sinir ağları ile tahmin edilmesi
Prediction of the thermophysical and rheological properties of nanofluids with artificial neural network
KASIM ERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDUSSAMET SUBAŞI
- He ve Xe'nun termodinamik özelliklerinin belirlenmesi için önerilen gerçek gaz hal denklemi ve ikinci virial bağıntısı
A real gas equation of state and second virial expression proposed for determination of the thermodynamical properties of He and Xe
ALAİDDİN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Fizik ve Fizik MühendisliğiZonguldak Karaelmas ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ETEM KİŞİOĞLU
- Farklı iklim bölgelerinde yapı kabuğunda ısıl kütlenin bina enerji etkinliğine ve ısıl konforuna olan etkisi
The influence of building envelope thermal mass on building energy efficiency and thermal comfort in different climate zones
İBRAHİM AGAH TAŞTEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU