İstanbul boğazından geçen ticari gemilerden kaynaklanan emisyonun incelenmesi
Analysis of the emissions from the ships passing through the istanbul strait
Yazar: CENK AY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF BAL BEŞİKÇİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Denizcilik = Marine

Özet:
Hava kirliliği, insan sağlığına ve bir bütün olarak tüm gezegene zararlı olan kirleticilerin havaya salınmasını ifade etmektedir. Hava kirliliğine sebep olan kirleticilerden bazıları; karbon oksitler, azot oksitler, sülfür oksitler, hidrokarbon bileşikleri, uçucu organik bileşikler ve partikül maddelerdir. Hava kirleticileri; solunum sistemi rahatsızlıklarına, dolaşım sistemi rahatsızlıklarına, kalp hastalıklarına, kansere, göz ve burunda irritasyona, otizme, zekâ geriliğine ve benzeri birçok sağlık problemlerine sebep olarak insan sağlığını olumsuz etkilemektedir. Ayrıca bu kirleticiler, sera gazı ve yer seviyesinde ozon oluşumuna, iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya sebep olarak tüm ekolojik dengeyi tehdit etmektedir. Yapılan araştırmalar neticesinde yaşanan olağan üstü hava olaylarında ve yıllık sıcaklık ortalamalarında artışlar ve hava kirliliği sebebiyle oluşan asit yağmurları ile tarım arazilerinde verim düşüklüğü gibi çok sayıda olumsuz sonuç gözlenmektedir. Hava kirliliği volkanik patlamalar gibi doğa kaynaklı veya insan aktivitelerine bağlı olarak suni kaynaklı meydana gelebilir. İnsan aktivitelerine bağlı suni hava kirliliği, genel olarak iç mekân ve açık hava kirliliği olmak üzere iki sınıfta incelenmektedir. Açık hava veya dış ortam hava kirliliği olarak adlandırılan hava kirliliğinin temel sebebi sanayi ile ulaştırma sektörü faaliyetleri olup genel hava kirliliğinin büyük çoğunluğunu oluşturmaktadır.
Ulaştırma faaliyetleri arasında karayolu taşımacılığının hava kirliliğindeki payı diğer taşımacılık türlerine göre daha yüksek olsa da seneler içerisinde azalan bir ivme ile bu değerin alçaldığı görülmektedir. Ancak ulaşım türleri arasında denizciliğin her yıl artan bir ivme ile hava kirliliğindeki payını arttırdığı yapılan hesaplamalar neticesinde görülmüştür. Günümüzde denizcilik; gemiler vasıtasıyla tek seferde, bir noktadan diğerine, daha çok yükü daha az maliyetle taşıyabilmesi özelliği ile küresel ekonomi faaliyetlerinin sürdürülebilmesi için son derece önemli bir taşımacılık türüdür. Fakat dünya genelinde artan gemi sayısı, gemi kapasitelerinin, boyutlarının ve makinelerinin büyümesi ile denizcilik sektörünün hava kirliliğine sebebiyet veren fosil yakıt kullanım ihtiyacı büyümektedir. Bu büyüme kontrol altına alınmadığı takdirde hava kirliliğinin de artarak devam etmesi kaçınılmaz olacaktır. Elbette ki Uluslararası Denizcilik Örgütü'nün bu konuda almış olduğu önlemler bulunmaktadır. Emisyon Kontrol Alanları, Sülfür Emisyon Kontrol Alanları, Azot oksit Teknik Kodu ile azot oksit salınımının sınırlandırılması bu önlemlere örnek gösterilebilirken bu önlemlerin yeterliliği ise küresel hava kirliliğinin artmaya devam etmesi sebebi ile tartışılmalıdır.
Ülkemizdeki gemilerden kaynaklı hava kirlilik boyutlarına somut örnek oluşturmak gerekirse, İstanbul Boğazı'na odaklanmak adresleme bakımından uygun olacaktır. İstanbul kenti, barındırdığı 15 milyonu aşkın nüfus ile Birleşmiş Milletlerin 2018 yılı verilerine göre; nüfus sayısı bakımından dünya üzerindeki en kalabalık on dördüncü, şehir sınırlarına göre barındırdığı nüfusa göre ise en yoğun beşinci şehirdir. Bu kalabalık şehir aynı zamanda, İstanbul Boğazı vasıtasıyla Asya ile Avrupa kıtalarını ve Akdeniz ile Karadeniz'i birleştirmesi vesilesi ile çok önemli bir jeopolitik konuma sahiptir. İstanbul Boğazı'nın sahip olduğu bu özel konum, çağlar boyunca çeşitli devletler arasında savaş konusu olmuş ve İstanbul Boğazı'ndan gemilerin geçiş rejimi, boğazlar üzerinde menfaatleri olan ülkelerin çıkar çatışmaları sebebiyle küresel bir gündem haline gelmiştir. Boğazlar bölgesinden gemilerin geçiş rejimi tarihsel süreçte o bölgede üstünlüğü sağlayan devletlerin çıkarları gözetilerek sürekli değişmiştir. Günümüzde Türk Boğazları olarak adlandırılan Çanakkale Boğazı, Marmara Denizi ve İstanbul Boğazı'ndan oluşan bölgede, 1936 yılında imzalanan Montrö Boğazlar Sözleşmesine bağlı olarak "serbest uğraksız" geçiş rejimi uygulanmakta olup 1998 yılında kabul edilen "Türk Boğazları Deniz Trafik Düzeni Tüzüğü" ile gemi trafiği düzenlenmektedir. İstanbul Boğazı stratejik konumu ve doğal yapısı sebebi ile yoğun bir deniz trafiğine ev sahipliği yapmaktadır. İstanbul Boğazı'ndan, 2010-2017 yıllarını kapsayan verilere göre, senelik ortalama 47000 gemi geçmektedir. Bu yoğun deniz trafiğinin karşılığında ise boğazdan geçiş yapan gemilerden kaynaklı yoğun bir emisyon salınımı bulunmaktadır. İstanbul'da ikamet eden 15 milyonu aşkın insanın sağlığını direkt etkileyen bu emisyon salınımının boyutlarının tespit edilmesi ve gemi kaynaklı bu hava kirliliğinin azaltılmasına yönelik alınabilecek tedbirler konusunda öneriler geliştirmek düşüncesi ile bu tez çalışması yapılmaya başlanmıştır.
İstanbul Boğazı'ndan geçiş yapan gemilerden kaynaklanan emisyon salınımının hesaplanabilmesi için Kıyı Emniyeti Genel Müdürlüğü'nden boğazdan geçiş yapan gemiler hakkında veri talebinde bulunulmuş ve elde edilen veriler seçilen emisyon hesaplama metodolojisine göre sınıflandırılarak işlenmiştir. Günümüzde gemi emisyon envanterleri oluşturmak amacıyla "top-down" (yukarıdan aşağıya) ve "bottom-up" (aşağıdan yukarıya) yaklaşımları kullanılmaktadır. Top-down yaklaşımı, yakıt bazlı; bottom-up yaklaşımı ise gemi aktivitelerine dayalı emisyon hesabında kullanılan yöntemlerdir. Bu çalışmada, elde edilen verilerin gemi aktivitelerine dayanması sebebi ile bottom-up yaklaşımı temelinde ENTEC ve EPA isimli iki metodolojiden yararlanılmıştır. ENTEC UK Limited, İngiltere'nin Çevre, Gıda ve Kırsal İşler Departmanı (Defra) tarafından; Kuzey Denizi, İngiliz Kanalı, İrlanda Denizi ve Kuzeydoğu Atlantik dahil olmak üzere İngiltere'yi çevreleyen sulardaki gemi hareketlerinden, sistemli bir atmosferik emisyon envanteri geliştirmek üzere atanan kurumdur. Bu kurumun gemi emisyonlarına dair yayınlamış olduğu son rapor 2010 tarihlidir. Tezdeki emisyon hesabında kullanılan metodolojilerden biri için, ENTEC'in 2010 yılında yayınlamış olduğu "UK Ship Emissions Inventory Final Report" isimli raporu referans alınmıştır. US EPA; Amerika Birleşik Devletleri federal hükümetinin, bireylerin ve çevrenin sağlığını destekleyen standartlar ve yasalar oluşturmaktan sorumlu Çevre Koruma Ajansı (EPA) kuruluşudur. Bu tez çalışmasında emisyon hesabı konusunda referans alınan diğer metodoloji için ise EPA'nın 2009 yılında yayınladığı "Current Methodologies in Preparing Mobile Source Port-Related Emission Inventories, Final Report" isimli raporu referans alınmıştır.
ENTEC metodolojisi ile NOX, SO2, CO2, VOC ve PM emisyon türleri hesaplanmış olup bu emisyon türleri arasında %96'lık oran ile CO2 oranının oldukça yüksek bir seviyede olduğu görülmüştür. CO2'yi takiben NOX ve SO2 emisyonları dikkat çekmektedir. EPA metodolojisi ile ise NOX, SO2, CO, HC, PM10 ve PM2.5 emisyon türleri hesaplanmış olup bu türler arasında NOX ve SO2'nin diğer emisyon türlerine nazaran daha yüksek seviyelerde olduğu görülmüştür. Her iki metodoloji ile hesaplanan ortak emisyon türleri olan NOX ve SO2'nin değerleri karşılaştırılmış olup bu iki yöntem ile ayrı ayrı hesaplanan değerler arasında büyük bir fark olmadığı görülmüştür. Çalışmadaki bir diğer dikkat çekici unsur ise boğazdan geçiş yapan gemi sayısı ile salınan emisyon miktarı arasında herhangi bir doğru ya da ters orantı kurulamamasıdır. Geçiş yapan gemi sayısı azalsa bile emisyon miktarlarında artmalar olduğu da belli seneler arasında yapılan kıyaslama sonucu görülmüştür. Daha doğru bir yaklaşım kurulabilmesi açısından tezdeki değerlendirmelerde; gemi sayısı ile birlikte, gemilerin kapasiteleri ve makine güçleri ile doğrudan ilişkili olan senelik geçiş yapan toplam gros tonaj miktarları kullanılmıştır. Gemi sayısı ve gros tonaj miktarı ile hesaplanan emisyon miktarları kullanılarak 2018 ve 2019 yıllarındaki emisyon miktarlarının bulunabilmesi için ise Matlab programı üzerinden regresyon analizi ile tahmin metodundan yararlanılmıştır.
Regresyon analizi ile bulunan tahmini emisyon miktarları ile hesaplanan emisyon miktarları arasında anlamlı bir ilişki tespit edilmiş olup boğazdan geçen gemi sayısında genel olarak bir azalma görülmesine karşın gemi kaynaklı üretilen emisyon miktarında beklenen şekilde bir düşüş görülmemiştir. Bunun da bir sebebi geçen yıllar içerisinde gemilerin; kapasitelerinin, boyutlarının, makine güçlerinin, yakıt tüketimlerinin ve dolayısıyla da emisyon salım miktarlarının artmasıdır ki senelik geçiş yapan toplam gros tonaj miktarlarındaki artış bu durumu desteklemektedir. Bu veriler ışığında, iyimser bir tablo ile boğazdan geçiş yapan gemi sayısının devamlı düşeceği varsayılsa bile, gemi kaynaklı emisyon miktarında aynı şekilde azalma olacağı söylenemez. Bu sebeple, ülkemizde öncelikle Türk Boğazları Bölgesi gibi uluslararası deniz ticaretine bağlı yoğun deniz trafiğinin bulunduğu alanlarda, emisyon kontrol alanı ilan edilmesine yönelik çalışmalar yapılarak, halk sağlığını yakından tehdit eden bu hava kirliliğinin azaltılması gereklidir. Emisyon hesaplarında kullanılmak üzere veri saklama ve istatistik işlemleri geliştirilmeli ve bu işlemin yapılabilmesi ve sürdürülebilmesi için İngiltere ve Amerika örneğinde olduğu gibi milli bir çevre koruma ajansı belki de Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'na bağlı olarak kurulmalıdır. Bu şekilde ülkemiz denizlerinde seyir yapan her bir gemiye özgü, emisyon hesaplarında doğrudan kullanılabilecek gemilerin kapasite, boyut, makine, yardımcı makine ve yakıt bilgisi envanteri de oluşturulmuş olacaktır. Emisyon hesaplamalarında kullanılan emisyon faktörleri ENTEC ve EPA'nın kendi veri tabanlarına göre yapmış oldukları hesaplamalara dayanmaktadır. Milli bir çevre koruma ajansı vasıtasıyla ülkemiz denizlerinde seyreden gemi profiline dayanan emisyon faktörleri geliştirmek, hesaplanan emisyon miktarlarının gerçekçiliği ve alınacak önlemlerin belirlenmesi üzerinde oldukça önemlidir.

Abstract:
Air pollution refers to the release of pollutants that are harmful to human health and the entire planet as a whole. Some of the pollutants that cause air pollution are; carboxides, nitrogen oxides, sulfur oxides, hydrocarbon compounds, volatile organic compounds, and particulate matter. Air pollutants; affect human health negatively by causing respiratory system disorders, circulatory system disorders, heart diseases, cancer, irritation of the eyes and nose, autism, mental retardation, and many other health problems. In addition, these pollutants threaten the entire ecological balance by causing greenhouse gas and ground-level ozone formation, climate change, and global warming. As a result of the researches, many negative results are observed in extraordinary weather events and annual temperature averages and acid rains caused by air pollution and low yields in agricultural lands. Air pollution can occur due to nature or artificial origin depending on human activities such as volcanic eruptions. Artificial air pollution due to human activities is examined in two classes as indoor and outdoor pollution in general. The main reason for air pollution, called open-air or outdoor air pollution, is industry and transportation sector activities and constitute the majority of general air pollution.
Although the share of road transport in air pollution among transport activities is higher than other types of transport, it is observed that this value decreases with a decreasing momentum over the years. However, it has been observed as a result of calculations that the maritime shipping has increased its share in air pollution with an increasing momentum every year. Maritime today; is an extremely important form of transportation for sustaining global economic activities, with the ability to transport more cargo from one point to another at a lower cost by means of ships. However, the need for fossil fuels, which causes air pollution in the maritime sector, is growing with the increasing number of ships worldwide, the growth of ship capacities, sizes, and machinery. If this growth is not taken under control, it will be inevitable that air pollution will continue to increase. Of course, there are measures taken by the International Maritime Organization on this issue. Emission Control Areas, Sulfur Emission Control Areas, the restriction of the release of nitrogen oxide with the NOx Technical Code can be cited as an example of these measures, and the adequacy of these measures should be discussed as the global air pollution continues to increase.
If we need to set a concrete example for the air pollution dimensions caused by the ships in our country, it will be appropriate to focus on the İstanbul Strait in terms of addressing. According to 2018 data of the city of Istanbul with a population of more than 15 million; It is the fourteenth most populous city in the world in terms of population and the fifth busiest city according to its population. This crowded city has a very important geopolitical position on the occasion of connecting the Asian and European continents, the Mediterranean and the Black Sea from the Istanbul Strait.
This special position of the İstanbul Strait has been the subject of war between various states throughout the ages and the regime of the ships' passage from the straits has become a global agenda due to the conflicts of interest of the countries interested in the straits. The regime of the ships' passage at the Straits region has changed constantly, taking into account the interests of the states that have taken advantage in that region. The vessel traffic in the region consisting of the Çanakkale Boğazı, the Marmara Sea and the İstanbul Strait, which is called the Turkish Straits, is regulated by the "Turkish Straits Maritime Traffic Regulation" adopted in 1998 and in accordance with the Montreux Straits Convention signed in 1936. İstanbul Strait hosts intense sea traffic due to its strategic location and natural structure. According to data covering the years 2010-2017, an average of 47000 ships pass through the İstanbul Strait. In accordance with the vessel traffic, there is an intense emission from the ships passing through the İstanbul Boğazı. This thesis started with the idea of determining the dimensions of this emission, which directly affects the health of more than 15 million people living in Istanbul, and developing suggestions on measures to reduce this air pollution from ships.
In order to calculate the emission from the ships crossing the İstanbul Strait, data was requested from the General Directorate of Coastal Safety about the vessels crossing the İstanbul Strait, and the data obtained were classified and processed according to the selected emission calculation methodology. Today, "top-down" and "bottom-up" approaches are used to create ship emission inventories. The top-down approach, fuel- based; The bottom-up approach is the methods used to calculate emissions based on ship activities. In this study, two methodologies named ENTEC and EPA were used on the basis of the bottom-up approach since the data obtained was based on ship activities. ENTEC UK Limited, by Britain's Department of Environment, Food and Rural Affairs (Defra); It is the agency appointed to develop a systematic atmospheric emission inventory from ship movements in the waters surrounding England, including the North Sea, the English Channel, the Irish Sea, and the Northeast Atlantic. The last report published by this institution on ship emissions is from 2010. For one of the methodologies used in the emission calculation in the thesis, ENTEC's report "UK Ship Emissions Inventory Final Report" published in 2010 was taken as reference. US EPA; It is the agency of the Environmental Protection Agency (EPA) of the United States federal government responsible for establishing standards and laws that support the health of individuals and the environment. In this thesis, for the other methodology that is taken as reference in terms of emission calculation, EPA's report titled "Current Methodologies in Preparing Mobile Source Port-Related Emission Inventories, Final Report" was taken as reference.
With the ENTEC methodology, NOX, SO2, CO2, VOC, and PM emission types have been calculated and it has been observed that the ratio of CO2 with a rate of 96% among these emission types is quite high. Following CO2, NOX and SO2 emissions draw attention. With the EPA methodology, NOX, SO2, CO, HC, PM10, and PM2.5 emission types were calculated, and it was observed that NOX and SO2 were higher than other emission types. The values of NOX and SO2, which are the common emission types calculated by both methodologies, were compared and it was observed that there was no big difference between the two methods calculated separately. Another striking factor in the study is that no correct or inverse ratio can be established between the number of ships passing through the İstanbul Strait and the amount of emissions released. Even if the number of passing ships decreases, there is an increase in the amount of emissions as a result of the comparison between certain years. In order to establish a more accurate approach, in the evaluations in the thesis; Together with the number of ships, the annual gross tonnage amounts, which are directly related to the capacities of the ships and the machine powers, were used. In order to find the emission amounts in 2018 and 2019 by using the emission amounts calculated with the number of ships and gross tonnage amount, the regression analysis and the prediction method were used on the Matlab program.
A significant correlation was found between the estimated emission amounts found by the regression analysis and the calculated emission amounts, and although there was a general decrease in the number of ships passing through the strait, there was not an expected decrease in the amount of emissions generated from the ship. One reason for this is the fact that ships over the past years; This is due to the increase in their capacity, size, machine power, fuel consumption, and thus emission emissions, and the increase in the total gross tonnage that passes annually supports this situation. In the light of these data, even if it is assumed that the number of ships passing through the İstanbul Strait will decrease continuously with an optimistic picture, it cannot be said that there will be a decrease in the amount of emissions originating from the ship in the same way. For this reason, it is necessary to reduce this air pollution, which threatens public health closely, by conducting studies to declare an emission control area in areas where there is intense marine traffic related to international maritime trade, such as the Turkish Straits Region. Data retention and statistical processes should be developed for use in emission accounts, and a national environmental protection agency may be established under the Ministry of Environment and Urbanization, as in the case of England and America, in order to carry out and maintain this process. In this way, an inventory of capacity, size, machine, auxiliary machinery, and fuel information of ships that can be used directly in emission calculations will be created for each ship cruising in the seas of our country. Emission factors used in emission calculations are based on the calculations made by ENTEC and EPA according to their own databases. Developing emission factors based on the ship profile navigating the seas of our country through a national environmental protection agency is crucial for the realism of the calculated emission amounts and the determination of the measures to be taken.