KÖMÜR OLUŞUMU
Kömür, bitkisel kökenli organik maddeler ve inorganik bileşenlerden oluşan tortul bir kayaçtır. Bataklıklarda bitki ve ağaç kalıntılarının üst üste yığışarak çökelmesi ve milyonlarca yıllık bir süreç içerisinde kimyasal ve fiziksel etkilerle değişime uğraması sonucu oluşur. Kömürün diğer bir tanımını; bitki kalıntıları ile inorganik minerallerin yüksek basınç ve sıcaklığa maruz kalarak sıkışması ve katılaşması neticesinde oluşan organik ve inorganik bileşenlerden meydana gelen tortul bir kayaçtır, şeklinde de yapabiliriz.
Kömür, kömürleşme süreci denilen fiziksel (basınç, çökelme vb) ve kimyasal olaylar (ısı, bozulma ve dönüşme vb) sonucu meydana gelmektedir. Kömürün oluşum süreci kısaca şu şekilde özetlenebilir: Bitki topluluklarının birikimi ve çökelmesi şeklinde birinci faz, biyokimyasal ve jeokimyasal bozulmaların olduğu ikinci faz ve termokimyasal dönüşümlerle fiziksel, petrografik ve kimyasal özelliklerin oluştuğu üçüncü faz (Şekil 1).
Kömürleşme sürecinde jeolojik zaman önemli parametrelerden biri olup, karbonifer, permiyen ve kraters-tersiyer dönemleri kömürleşmenin oluştuğu dönemlerdir.
Kömürleşme derecesine rank adı verilmekte olup en düşük düşük kömürleşme derecesine (rank) sahip olanları turbalardır. Bunlar tam katılaşmamış, açık kahverenkli, gözenekli ve su oranı yüksek organik çökellerdir.
Turbalardan sonra daha yaşlı yani uzun dönemlerde oluşan kömürler sırasıyla linyit, alt bitümlü kömür, taş kömürü ve antrasit olarak adlandırılır. Sertlikleri de bu sıra ile artar ve turba en genç olanları antrasitler ise en yaşlı olanlarıdır. Rank değeri yükseldikçe yaş ile birlikte kalite ve ısıl değerler de artar. Aşağıda kömür oluşumu ve süreçleri verilmektedir (Şekil 2).
KÖMÜRÜN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Koklaşma: Kömürleşme derecesi yüksek olanlar (taşkömürleri) ısıl işlem altında önce yumuşarlar. Daha sonra şişerek gazlarını çıkartırlar ve yeniden sertleşirler. Bu olaylar sonucunda oluşan oldukça gözenekli ve hafif maddeye “kok kömürü” adı verilmektedir. Nem içeriği: Kömürlerin nem içeriği, farklılıkları, kömürleşme mertebeleri ilerledikçe hidrofil karakterdeki fonksiyonel grupların azalarak yok denecek oranlara düşmesiyle açıklanabilmektedir. Kömürler, bünye nemi, kaba nem ve molekül suyu olarak adlandırılan nem içeriklerine sahiptir.
Kömürün ısıtılmadan önceki ağırlığı ile özel fırınlarda 105-1100C’ ye kadar ısıtıldıktan sonraki ağırlığı arasındaki fark alınarak hesaplanmaktadır. Uçucu madde içeriği: Kömür oksijensiz ortamda ısıtıldığında kimyasal olarak değişikliğe uğrar ve karbondioksit ile su buharı gibi yanmayan gazları ve katran buharlarını da içeren uçucu madde çıkışı olur. Isıtmaya bağlı çıkan bu gaz ve sıvı maddelere, kömürün uçucu maddesi ve bunun toplam kömür ağırlığına olan oranına da, kömür uçucu madde oranı denilmektedir. Kömürün ısıtılmadan önceki ağırlığı ile 950±250C derecede (ABD, ASTM standardı) ısıtıldıktan sonraki ağırlığı arasındaki fark bulunarak hesaplanmaktadır. Kül İçeriği: Kömür yandığı zaman içerdiği mineral maddeler temel bazı değişikliklere uğrarlar ve sonucunda da arta kalan inorganik atık kül oluşur. Kül %’ si, kömürün kalitesini belirlemekte ve kül oranı arttıkça kalite düşmektedir. Kuru örneklerdeki kül yüzdelerine göre yapılan sınıflama;
• < % 5 çok düşük,
• %5-10 düşük,
• %10-20 orta,
• %20-30 oldukça yüksek,
• %30-50 yüksek.
Sabit Karbon İçeriği: Sabit karbon içeriği doğrudan analiz edilememektedir, nem, kül ve uçucu madde yüzde değerleri toplamının yüzden çıkarılması ile tespit edilmektedir. %su + %mineral madde + %uçucu madde + %sabit karbon (C) = %100 Kömürün Isıl Değeri: Bir yakıtın ısıl değeri; birim kütlesindeki yakıtın tamamen yanması sonucunda açığa çıkan ısı miktarıdır. Karbon ve Hidrojen İçeriği: Kömüre ait organik madde içinde; C ağırlık %’ si olarak % 70 – 95, H ise % 2-6 oranındadır. Kükürt İçeriği: Kömürün kalitesini belirleyen bileşenlerdendir. Kömürün içerdiği kükürt türleri organik kükürt ve inorganik (sülfit ve sülfat) kükürttür. Organik kükürt oranı ağırlık yüzdesi olarak:<%3, Sülfatlara ait “S” oranı genelde % 0,1’den küçüktür. Kömür 13500C’de yakılmakta, kömür içindeki S, SO2’ ye; SO2 de sülfürik asite dönüştürülmekte ve elde edilen sülfürik asitten toplam S miktarı hesaplanmaktadır. Azot içeriği: Kömürdeki azot, genellikle protein kaynaklı olup, azot ihtivası zengin olan bitkilerden kaynaklanmaktadır.
Azot içeriği kömürün yaşıyla orantılı olarak değişmemektedir. Azot içeriği Kjeldahl yöntemi ile belirlenmektedir. Sülfürik asit kullanılarak azot, amonyum sülfata dönüştürülmekte, oluşan amonyum sülfat miktarından hesaplama yapılmaktadır. Oksijen İçeriği: Kömürdeki organik bileşenlerde, suda, kil ve karbonat minerallerinde bulunmakdır. Organik oksijen miktarı, kömürleşme derecesinin belirleyicisidir. Linyit ağırlık %’si olarak ortalama %25, taşkömürü, %10 ve antrasit %3 oksijen bulundurmaktadır (Ediger, 2014). Ediger (2014)’e göre oksijen yüzde hesabı altta sunulmaktadır:
O2 (%) = 100 – (C + H + N + S org.)%.
Dünya kömür üretimi son otuz beş yılda iki katına yakın artmıştır. Kömür üretimindeki artış, büyük ölçüde başta Çin olmak üzere Asya kıtasındaki elektrik enerjisi talebinden kaynaklanmaktadır. Son on yılda Asya-Pasifik Bölgesi’nin toplamındaki elektrik enerjisi üretim artışı yaklaşık 2 kat olup, elektrik üretiminde en yoğun olarak kullanılan kaynak, kömür olmuştur.
ENERJİ
Enerji, kısaca hareket ettirici güç veya iş yapabilme gücü şeklinde tanımlanmaktadır. Her üretim faaliyeti, belli bir enerji harcamasını gerektirir. Çeşitli yöntem ve teknikler kullanılarak ekonomik amaçlarla enerji elde edilebilen kaynaklara enerji kaynakları denilmekte olup çeşitli biçimlerde sınıflandırılmaktadır:
A- Sürdürülebilirlik (Daimilik, Tükenebilirlik) Durumlarına Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynağının kendini yenileyebilme durumuna göre yapılan sınıflandırma türüdür. 1- Yenilenebilir (Alternatif) Enerji Kaynakları: Kendini yenileyebilmesi ile tanımlanır. Güneş, rüzgar, hidrolik, jeotermal, biyokütle, hidrojen, dalga ve gelgit enerjileri yenilenebilir enerji kaynaklarıdır.
2- Yenilenemeyen (Fosil, Konvansiyonel, Geleneksel) Enerji Kaynakları: Bunlara, birincil kaynaklar, primer kaynaklar, konvansiyonel kaynaklar gibi adlar da verilir. Bu grup enerji kaynaklarının özelliği, yenilenemez yani bir kez kullanılır veya tükenir olmalarıdır. Kömür, bitümlü şeyl, petrol, doğal gaz, uranyum ve toryum gibi kaynaklar bu grupta yer almaktadır.
B- Dönüştürülebilirliklerine Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynaklarının doğrudan/dolaylı olarak enerji kaynağı olarak kullanılması durumuna göre yapılan sınıflandırmadır.
1- Birincil Enerji Kaynakları: Kullanıldıklarında esas nitelikleri değiştirilmeden doğrudan doğruya enerji veren kaynaklar bu kategoride yer almaktadır. Kömür, nükleer, biyokütle, hidrolik, dalga enerjisi bu kategoride sayabileceğimiz enerji kaynaklarıdır.
2- İkincil Enerji Kaynakları: Farklı bir enerji kaynağı durumuna getirildikten sonra yararlanılan kaynaklar bu kategoride yer almaktadır. Elektrik, benzin, mazot, ikincil kömür, kok, LPG enerjisi bu kategoride sayabileceğimiz enerji kaynaklarıdır.
C- Yeraltı-Yerüstü Kaynaklı Olmalarına Göre Enerji Kaynakları: Enerji Kaynağının yerüstünde/yeraltında oluşmasına göre yapılan sınıflandırmadır.
1-Yeraltı Enerji Kaynakları: Bunlar kömür, petrol, doğalgaz, jeotermal, bitümlü şeyl ve nükleer (radyoaktif) gibi enerji kaynaklarıdır.
2-Yerüstü Enerji Kaynakları: Güneş, rüzgar, biyokütle gibi kaynaklar bu kategoridedir.
D- Fiziksel Haline Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynağının oda koşullarındaki fiziksel durumuna göre yapılan sınıflandırmadır.
1- Katı Enerji Kaynakları: Kömür, odun, biyokütle atıkları, uranyum gibi kaynaklardır.
2- Sıvı Enerji Kaynakları: Petrol, LPG, Mazot, biyodizel gibi kaynaklardır.
3- Gaz Enerji Kaynakları: Doğalgaz, metan gazı, biyogaz gibi kaynaklardır.
BİRİNCİL ENERJİ KAYNAKLARI ve KÖMÜR
Dünya birincil enerji arzı 1973 ve 2017 yılları arasındaki 44 yılda 2,2 kat artarak 2017 yılı itibariyle 13.511 mtep (milyon ton eşdeğer petrol) düzeyine ulaşmıştır. 2017 yılında toplam enerji arzı bir önceki yıla göre %2 artmıştır (BP, 2018). Enerji arzı yeni yüzyılın ilk 17 yılında %34 oranında büyürken, artışın yaklaşık dörtte üçü Asya kıtasından kaynaklanmıştır.
Söz konusu 17 yılda, enerji arzı Çin’de %169 ve Hindistan’da ise %87 oranında büyümüş, buna karşılık Avrupa Birliği’nde (AB) %7,7 ve ABD’de ise %2 oranında azalmıştır (Şekil 1) (BP, 2018). Enerji arzındaki en önemli değişim şüphesiz, gelişmiş ülkelerde birincil enerji arzının azalması ya da aynı düzeyde kalmasına rağmen, Asya Pasifik ülkelerinden özellikle Çin ve Hindistan’da birincil enerji arzının sürekli artmasıdır. 1973-2017 yılları arasındaki dönemde; Dünya’da petrolün payı %46,2’den %34’e düşerken, doğalgazın payı %16’dan %23’e, nükleer enerjinin payı %0,9’dan %4’e ve yenilenebilir enerji kaynaklarının payı ise %1,9’dan %4’e yükselmiştir (BP 2018, s.9). Aynı dönemde kömürün payı 3,5 puan artışla %24,5’dan %28 düzeyine ulaşmıştır (Şekil 9).