Ankara, İstanbul ve İzmir illerine ait karbon ayak izi hesaplaması ve Monte Carlo simülasyonu ile belirsizlik analizi
Carbon footprint calculation of Ankara, Istanbul and Izmir provinces and uncertainty analysis with Monte Carlo simulation
Yazar: SENA ECEM YAKUT
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Belirsizlik analizleri = Uncertainty analysis ; Karbon ayak izi = Carbon footprint ; Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation

Özet:
Atmosferde bulunan sera gazları dünya açısından oldukça önemlidir. Sera gazı olmayan bir dünyada kavurucu sıcaklar ve aşırı soğuk geceler yaşanırken, dünyanın yaşanabilir özelliği daha az olurdu. Ancak doğal faaliyetlerin etkisiyle atmosferde bulunan sera gazları dünya sıcaklığının 15°C olmasını sağlayarak, daha yaşanabilir bir dünya sağlamaktadır. Sanayi Devrimi ile birlikte sera gazı konsantrasyonları her geçen gün artmaya başlamıştır. Sanayi Devriminden önce sera gazı konsantrasyonu 285 ppm iken 2022 yılında 417 ppm'e kadar yükselmiştir. İnsan kaynaklı sera gazı konsantrasyonlarının artmasına en büyük neden ise enerji sektörüdür. Enerji sektöründen sonra tarım, orman ve diğer arazi kullanımı, endüstri, ulaşım ve inşaat sektörleri de sera gazı konsantrasyonlarını arttırıcı etki yaratmaktadır. İklim değişikliğinin etkileri hissedildikçe, konu hakkında yapılan çalışmalar artmaya başlamıştır. İklim değişikliği ile mücadeleye yönelik uluslararası olarak yapılan ilk sözleşme Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesidir. Sözleşmenin amacı, iklim sisteminde antropojenik etkiyi ve dolayısıyla atmosferdeki insan kaynaklı sera gazı konsantrasyonlarını azaltmaktır. Sözleşme, taraf olan ülkelere zorunluluk yüklememektedir. Kyoto Protokolü iklim değişikliği ile mücadele konusunda yapılacak faaliyetlerin somutlaştırılması yönünden önem taşımaktadır. Taraf olan ülkelere sera gazı azaltımları yönünden çeşitli sınırlama yükümlülükleri getirmiştir. Son yapılan Paris Antlaşması'nda ise ilk defa uzun dönemli sıcaklık hedefi konmuştur. Antlaşmanın amacı öncelikle küresel sıcaklık artışının Sanayi Devrimi öncesine göre 2°C'nin altında tutulması ve hatta 1.5°C ile sınırlandırmasıdır. Küresel ısınma küresel ölçekte pek çok değişikliğe sebep olmaktadır. Deniz ve kara yüzeylerinde ve hava sıcaklığında artışı, deniz seviyesinin yükselmesi, buzulların erimesi ve hacimlerinin azalması, ekstrem hava olaylarının görülme sıklığının artması, biyoçeşitliliğin azalması bu değişiklikler arasındadır. Sera gazlarındaki artışa bağlı olarak yaşanan iklim krizi tüm dünyanın ortak sorunudur. Pek çok ülke küresel ısınmayı azaltmak için işbirliği yaparak çözüm bulmaya çalışmaktadır. Bunun için öncelikle atmosfere verdikleri zararı ölçmeye başlamışlardır. Dünya genelinde ülkeler, kurumlar ve kişiler tarafından atmosfere verilen sera gazları karbondioksit eşdeğeri (CO2e) cinsinden hesaplanmakta ve bu karbon ayak izi (KAİ) olarak adlandırılmaktadır. Küresel veya şehir ölçeğinde, kurumsal veya bireysel olarak atmosfere verilen karbon miktarının hesaplanıp takip edilmesi, emisyonu azaltmak için geliştirilecek stratejilerin ve eylem planlarının temelini oluşturmaktadır.
KAİ, bireylerin, kurumların veya ülkelerin yaptıkları faaliyetler sonucunda atmosfere verdikleri sera gazlarının CO2 cinsinden karşılığı olarak tanımlanmaktadır. KAİ, birincil ve ikincil ayak izi olarak ikiye ayrılmıştır. Birincil ayak izi; ulaşım ve enerji tüketimi gibi faaliyetlerde fosil yakıtların kullanılması sonucu doğrudan ortaya çıkan CO2 emisyonlarını ifade ederken; ikincil ayak izi, kullanılan bütün ürünlerin yaşam döngüsü içinde üretiminden bozulma sürecine kadar olan dolaylı CO2 emisyonlarını ifade etmektedir. KAİ'nin zamanla artması bölgesel ve küresel ölçekte doğrudan veya dolaylı olarak canlılara ve dünyaya zarar vermektedir. Bunu önlemek için öncelikle KAİ hesaplanmalı ve hesaplamalar doğrultusunda gerekli önlemler alınmalıdır. Dünya'daki toplam emisyon miktarı 2020 yılında 34.807 milyon ton karbondioksit eşdeğeri (MtCO2)'dir. Türkiye'nin de 1990 yılındaki sera gazı emisyonu 220 MtCO2e iken 2020 yılında 524 MtCO2e yükselmiştir. Yıllar içerisindeki nüfus artışı, ekonominin gelişmesi, ulaşım araçları, tüketimin artması ve bunlar gibi pek çok sebep bu yükselişe sebep olmuştur. Gönüllü Karbon Piyasalarında yer alan Türkiye, zorunluluğu bulunmamasına rağmen emisyon hesaplamaları yapmaya başlamıştır. Bireysel, kurumsal, şehir ölçeğinde veya ülke genelinde hesaplanan bu emisyon miktarları, Türkiye'nin iklim değişikliği mücadele konusundaki çalışmalarının temelini oluşturmaktadır. Şehirler pek çok çalışmada sera gazlarının başlıca sorumlusu olarak görülmektedir. Dünya genelinde kentsel alanlar kırsal alanlarının önüne geçmiştir. Kentsel nüfusun artışı beraberinde ısınma amaçlı tüketilen yakıt miktarını, sanayideki üretimi, taşıt kullanımını, oluşan atık miktarını, hayvansal ürünlerin üretim ve tüketim miktarını arttırmaktadır. Tüm bu süreçler doğaya KAİ olarak dönmektedir. Bu nedenle şehir ölçeğinde sera gazı emisyonlarını hesaplamak önem kazanmaktadır. Şehirlerden ortaya çıkan sera gazı emisyonu hesaplamak ve bu hesaplanan miktarları birbirleri ile kıyaslamak için çeşitli kılavuzlar geliştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında IPCC 2006 Kılavuzuna göre hesaplama yapılmıştır. Kılavuzun önerisine göre hesaplamalar üç aşama olarak hesaplanabilir. Tier 1 olarak ifade edilen yöntem en basit olandır, yalnızca yakıt tüketimine bağlıdır. Emisyon faktörleri (EF) olarak kılavuzdaki değerler alınmaktadır. Tier 2 yönteminde ise ülkeye özgü EF'leri kullanılmaktadır. Tier 3, kullanılan yakıta, yanma teknolojisine, çalışma koşullarına, kontrol teknolojisine, bakım kalitesine ve yakıtın yanması için kullanılan ekipmanın yaşına bağlıdır. Bu çalışmada Tier 3 yönteminin gerektirdiği verilere erişilemediği için hesaplamalar Tier 1 ve Tier 2 yöntemleri ile yapılmıştır. Türkiye'de nüfus, gayrisafi yurt içi hasıla, taşıt sayısı, ısınma amaçlı tüketilen yakıt, sanayideki üretim ve atık üretimi gibi pek çok konuda Ankara, İstanbul ve İzmir ilk üç sırada yer almaktadır. Üç şehrin birbirlerinden farklı bölgelerde bulunması, iklimsel farklılıkları, farklı sosyo-ekonomik özelliklere sahip olması nedeni ile bu üç şehir üzerinde çalışma yapılmış, 2010-2020 arasındaki emisyonlar hesaplanarak birbirleri ile kıyaslanmıştır. IPCC 2006 Kılavuzunda yer alan sabit yanma, mobil yanma, enterik fermantasyon, katı atıkların bertarafı ve biyolojik arıtımları alt sektörleri için hesaplama yapılmıştır. Bu sektörlerden atmosfere verilen CO2, metan (CH4) ve nitröz oksit (N2O) hesaplanmıştır. IPCC'nin 5. Değerlendirme Raporu'na göre CH4'ın küresel ısınma potansiyeli 28 ve N2O'in 265 olarak alınmıştır. Bu değerler kullanılarak emisyon miktarları CO2e olarak hesaplanmıştır. Sabit yanma sektörü altında konutlarda tüketilen doğal gaz, kömür, fuel oil ve elektrik ticari ve resmi kurumlarda tüketilen doğal gaz ve elektrik, sanayi ve enerji endüstrisindeki doğal gaz ve elektrik, sokak aydınlatması, tarımsal sulamadan kaynaklanan sera gazı emisyonları hesaplanmıştır. Sonuçlara göre Tier 1 ve Tier 2 yöntemleri arasında çok küçük farklar olduğu görülmüştür. Sabit yanmadan kaynaklanan emisyon miktarları Ankara'da 2015 senesinde 16 bin ktCO2e, 2020 yılında 20 bin ktCO2e, İstanbul'da 2015 senesinde 43 bin ktCO2e, 2020 yılında 45 bin ktCO2e ve İzmir'de 2015 senesinde 22,3 bin ktCO2e, 2020 yılında 22,8 bin ktCO2e'dir.
Mobil yanmadan kaynaklanan Tier 1 emisyonları hem şehir içi hem de transit geçişteki yakıt tüketimine bağlı olarak hesaplanmıştır. Ankara'da ulaşımda tüketilen yakıt miktarına bağlı olarak 2010 senesinde 5,3 bin ktCO2e, 2020 yılında 8,2 bin ktCO2e, İstanbul'da 2010 senesinde 11,5 bin ktCO2e, 2020 yılında 14,3 bin ktCO2e ve İzmir'de 2010 senesinde 4 bin ktCO2e, 2020 yılında 5,5 bin ktCO2e salım gerçekleşmiştir. Karayolu için Tier 2 ile yapılan hesaplama sonuçları daha düşük çıkmıştır. Havayolu için de iniş-kalkış sayılarına göre Tier 2 yöntemi ile emisyon hesabı yapılmıştır. En yüksek iniş-kalkış sırasındaki emisyonun İstanbul'da gerçekleştiği gözlenmiştir.
Enterik fermantasyondan kaynaklanan emisyon miktarına göre üç şehirde de en yüksek emisyonun sığır türünden kaynaklandığı hesaplanmıştır. Enterik fermantasyon kaynaklı emisyon en fazla İzmir şehrinde, en düşük ise İstanbul'da gözlenmiştir. Katı atık bertarafından kaynaklanan emisyonlar, şehir sınırları içerisinde toplanan katı atık miktarı ve katı atık kompozisyonuna bağlı olarak hesaplanmıştır. Katı atık bertaraf sahalarında büyük oranda CH4 emisyonu oluşmaktadır. Toplanan CH4 gazından elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu sayede atık bertarafı için harcanan enerji geri kazanılmaktadır. Atık miktarı en fazla İstanbul'da olduğu için en yüksek emisyon İstanbul'da gözlenmiştir. Ayrıca İstanbul'da bulunan kompostlaştırma tesislerindeki CH4 ve N2O emisyon miktarları da hesaplanmıştır. Orman amenajman planlarına göre 2010 senesine ormanlarda depolanan karbon miktarı hesaplanmıştır ve en yüksek karbon depolamasının İzmir ilinde olduğu gözlemlenmiştir. Son olarak Monte Carlo Simülasyonu ile faaliyet verileri ve EF'lerindeki belirsizlik aralıklarına göre yapılan hesaplamaların güven aralığında olup olmadığı kontrol edilmiştir.
Belediye Başkanları Sözleşmesine taraf olan bazı belediyeler envanter ve azaltım planları oluşturmaya başlamıştır. Envanter hazırlama sürecinde pek çok kurumdan veri toplanması gerekmektedir. Ülkemizde veri toplama sürecinin kolaylaştırılması ile emisyon envanteri hazırlamanın kolaylaşacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Greenhouse gases in the atmosphere are very important for the world. In a world without greenhouse gases, there would be scorching heat and extremely cold nights, and the world would be less habitable. However, with the effect of natural activities, the greenhouse gases in the atmosphere ensure a more livable world by keeping the world temperature at 15°C. While the greenhouse gas concentration was 285 ppm before the Industrial Revolution, it increased to 417 ppm in 2022. Natural activities can be counted as El Niño, displacement of main continents, volcanic activities, changes in insolation and plate tectonics. The biggest reason for the increase in anthropogenic greenhouse gas concentrations is the energy sector. After the energy sector, agriculture, forestry and other land use, industry, transportation and construction sectors also have an increasing effect on greenhouse gas concentrations. Increasing concentration causes global warming. The global annual mean temperature anomaly reached 0.85°C in 2021. The world continues to warm with each passing time. Globally, the highest temperatures were observed in 2016, and the second in 2020. Scientific studies are predicted that if no make provision for it, temperatures will gradually increase and global temperatures will rise by 4.1-4.8°C in 2100. As the effects of climate change are felt, studies on the subject have begun to increase. Discussions on climate change on a global scale first started in 1972 with the United Nations Conference on the Human Environment. Afterwards, the Intergovernmental Panel on Climate Change was established in order to provide objective information to decision makers in the struggle against climate change. Especially since the 1980s, the number of international negotiations, agreements and conferences on climate change has increased. The first international convention to struggle climate change is the United Nations Framework Convention on Climate Change. The purpose of the Convention is to reduce the anthropogenic impact on the climate system and therefore the anthropogenic greenhouse gas concentrations in the atmosphere. The Convention does not impose any obligations on the countries that are side to it. The Kyoto Protocol is important in terms of concretizing the activities to be carried out on the struggle against climate change. It has imposed various limitation obligations on the countries that are sides in terms of greenhouse gas reductions. In the last Paris Agreement, for the first time, a long-term temperature target was set. The aim of the agreement is primarily to keep the global temperature increase below 2°C compared to the pre-Industrial Revolution and to limit it to 1.5°C if possible. Global warming causes many changes on a global scale. Among these changes are the increase in sea and land surfaces and air temperature, the rise in sea level, the melting of glaciers, the increase in the frequency of extreme weather phenomenons, and the decrease in biodiversity. The climate crisis due to the increase in greenhouse gases is a common problem of the whole world. Many countries are trying to find solutions by cooperating to reduce global warming. For this, they first started to measure the damage they caused to the atmosphere. The greenhouse gases given to the atmosphere by countries, institutions and individuals around the world are calculated in terms of CO2e and this is called the carbon footprint (CF). Calculating and monitoring the amount of carbon released into the atmosphere forms the basis of strategies and action plans to be developed to reduce emissions. CF is defined as the CO2e of greenhouse gases released into the atmosphere as a result of the activities of individuals, institutions or countries. CF is divided into primary and secondary footprints. Primary footprint; it refers to CO2 emissions that arise directly as a result of the use of fossil fuels in activities such as transportation and energy consumption. Secondary footprint refers to the indirect CO2 emissions of all products used throughout their life cycle, from production to degradation. The increase in CF over time harms living things and the world directly or indirectly on a regional and global scale. In order to prevent this, CF should be calculated first and necessary precautions should be taken as a result of the calculations. The amount of emissions in the world is 34,807 MtCO2 in 2020. China causes the highest carbon emission among countries. China's emission amount in 2020 is 10,668 MtCO2. The next country after China is the United States, which released 4,713 MtCO2 in 2020. Due to the increase in energy consumption in Turkey, the amount of greenhouse gases given to the atmosphere is increasing. While Turkey's greenhouse gas emission was 220 MtCO2e in 1990, it increased to 524 MtCO2e in 2020. The increase in population over the years, the development of the economy, vehicles, the increase in consumption and many other reasons have caused this rise. Turkey, which is in the voluntary carbon markets, has started to make emission calculations although it is not compulsory. These emission amounts calculated at individual, institutional, city scale or country-wide form the basis of Turkey's efforts to struggle climate change. Cities are seen in many studies as the main culprit of greenhouse gases. Throughout the world, urban areas have outstripped rural areas. The increase in the urban population increases the amount of fuel consumed for heating purposes, the production in the industry, the use of vehicles, the amount of waste, the production and consumption of animal products. All these processes return to nature as CF. For this reason, it is important to calculate greenhouse gas emissions at the city scale. Various guidelines have been developed to calculate greenhouse gas emissions from cities and to compare these calculated amounts with each other. Within the scope of this thesis, calculations were made according to the IPCC 2006 Guidelines. According to the suggestion of the guide, the calculations can be calculated in three stages. The method referred to as Tier 1 is the simplest, it only depends on fuel consumption. The values in the guide are taken as EFs. In the Tier 2 method, country-specific EFs are used. Tier 3 depends on the fuel used, combustion technology, operating conditions, control technology, quality of maintenance and age of equipment used for fuel combustion. Since the data required by the Tier 3 method could not be accessed in this study, the calculations were made with Tier 1 and Tier 2 methods. Ankara, Istanbul and Izmir are in the first three places in Turkey in many subjects such as population, gross domestic product, number of vehicles, fuel consumed for heating purposes, production in industry and waste generation. Due to the fact that the three cities are located in different regions from each other, their climatic differences and different socio-economic characteristics, a study was carried out on these three cities, and the emissions between 2010-2020 were calculated and compared with each other. Calculations were made for the sub-sectors of stationary combustion, mobile combustion, enteric fermentation, solid waste disposal and biological treatment in the IPCC 2006 Guidelines. CO2, methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) released into the atmosphere from these sectors were calculated. According to the 5th Assessment Report (AR5) of the IPCC, the global warming potential of CH4 is 28 and that of N2O is 265. Emission amounts were calculated as CO2e using these values. Under the stationary combustion sector, greenhouse gas emissions from natural gas, coal, fuel oil and electricity consumed in residences, natural gas and electricity consumed in commercial and public institutions, natural gas and electricity in industry, street lighting, and agricultural irrigation are calculated. According to the results, it was seen that there were very small differences between Tier 1 and Tier 2 methods. Emissions arising from stationary combustion are 16 thousand ktCO2e in Ankara in 2015, 20 thousand ktCO2e in 2020, 43 thousand ktCO2e in Istanbul in 2015, 45 thousand ktCO2e in 2020 and 22.3 thousand ktCO2e in 2015, 22.8 thousand ktCO2e in İzmir in 2020. Tier 1 emissions from mobile combustion are calculated based on both urban and transit fuel consumption. Depending on the amount of fuel consumed in transportation in Ankara, 5.3 thousand ktCO2e in 2010, 8.2 thousand ktCO2e in 2020, 11.5 thousand ktCO2e in Istanbul in 2010, 14.3 thousand ktCO2e in 2020 and 4 thousand ktCO2e in İzmir in 2010, 5.5 thousand ktCO2e was released in 2020. Calculation results with Tier 2 for road were lower. For the aviation, emission calculations were made with the Tier 2 method according to the number of landing and take-off . The highest LTO emission was observed in Istanbul. According to the amount of emissions caused by enteric fermentation, it was calculated that the highest emission in all three cities was from the cattle species. Emissions originating from enteric fermentation were observed the most in Izmir and the lowest in Istanbul. In Ankara, there were 496.1 ktCO2e emissions in 2010 and 1,308.5 ktCO2e emissions in 2020. In Istanbul, 139.1 ktCO2e emissions were generated in 2010 and 213.8 ktCO2e emissions in 2020. In İzmir, 748.1 ktCO2e emissions were generated in 2010 and 1,492 ktCO2e emissions in 2020. Emissions from solid waste disposal are calculated based on the amount of solid waste collected within the city limits and the solid waste composition. A large amount of CH4 emissions occur in solid waste disposal sites. Electricity is produced from the collected CH4 gas. In this way, the energy spent for waste disposal is recovered. The amount of CH4 from solid waste disposal is 361.3 ktCO2e in 2010 and 429.4 ktCO2e in 2020 in Ankara. In Istanbul, it is 2,628.3 ktCO2e in 2010 and 2,973.6 ktCO2e in 2020. In İzmir, it is 427.5 ktCO2e in 2010 and 470.2 ktCO2e in 2020. Since the amount of waste is highest in Istanbul, the highest emission was observed in Istanbul. In addition, the amount of CH4 and N2O emissions in the composting facilities in Istanbul were also calculated. Emissions from composting were 23.34 ktCO2e in 2010 and 19.06 ktCO2e in 2020.
According to forest management plans, the amount of carbon stored in forests for 2010 was calculated and it was observed that the highest carbon storage was in İzmir. 45.6 million tons of carbon was stored in İzmir, 25.6 million tons in Istanbul and 35.4 million tons in Ankara. In this thesis study, uncertainty analysis was also carried out with the Monte Carlo method. This step is very important because activity data and EFs contain uncertainty. Monte Carlo Simulation has only been applied to Tier 1. The main reason for this is that Tier 2 accounts cannot be made for each sector. In Monte Carlo Simulation, the uncertainty range is selected for each sector. This selection has been made according to the recommendation in the IPCC 2006 Manual. Accordingly, it is accepted that the activity data in stationary combustion has +-10% uncertainty. It is assumed that the activity data in mobile combustion has +-5% uncertainty. The uncertainty range of the activity data in enteric fermentation was accepted as +-20%. The uncertainty ranges in the EFs have been selected for each sector and fuel separately. The values recommended by the IPCC 2006 Guidelines have been chosen for these ranges. Approximately 21 municipalities in Turkey are sides to the Agreement of Mayors. Therefore, they have started to create inventory and mitigation plans. During the inventory preparation process, data must be collected from many institutions. It is thought that by facilitating the data collection process in our country, it will be easier to prepare an emission inventory.