İstanbul Boğazı'nda gemi kaynaklı egzoz emisyonlarının hesaplanması ve hava kalitesine etkisinin Aermod Dispersiyon Modeli ile belirlenmesi
Estimation of exhaust emissions from ships in the strait of Istanbul and determination of the effect on air quality by Aermod Dispersion Model
Yazar: ARAKS EKMEKÇİOĞLU
Danışman: PROF. UĞUR BUĞRA ÇELEBİ ; DR. KAAN ÜNLÜGENÇOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Deniz taşımacılığı sektörü, fosil yakıtlara bağımlılığı ve kıyı bölgelerine yakınlığı nedeniyle önemli bir çevresel risk oluşturmaktadır. Deniz trafiği ve çevresel etkilerin, özellikle de hava kirliliğinin kesişimi, giderek artan bir endişe ve kapsamlı araştırma alanı haline gelmiştir. Uluslararası Denizcilik Örgütü, değişen koşullara uyum sağlamak için emisyon önleme tedbirlerini düzenli olarak güncellemektedir.
Bu tez, İstanbul Boğazı'ndan geçiş yapan gemilerden kaynaklanan egzoz emisyonlarını ve bunların hava kalitesi üzerindeki etkilerini araştırmaktadır. Büyük bir kentsel alanı ayıran hayati bir su yolu olan İstanbul Boğazı, yoğun trafiği ve yoğun nüfuslu bölgelere yakınlığı göz önüne alındığında, bu çevresel etkileri anlamak için bir vaka çalışması sunmaktadır. Bu çalışma, 2014'ten 2021'e kadar sekiz yıllık bir süre boyunca Boğaz'dan geçen transit gemilerden kaynaklanan azot oksit, partikül madde, karbon monoksit ve kükürt dioksit emisyonlarını hesaplamaktadır. Çalışma ikili bir yaklaşım kullanmaktadır, emisyonların sayısal tahmini ve yer seviyesindeki kirletici konsantrasyonlarını hesaplamak için hava kalitesi dağılım modellemesi. Çalışmanın kapsadığı sekiz yıllık dönem boyunca, İstanbul Boğazı'ndaki deniz trafiğinden kaynaklanan emisyonlar kapsamlı bir şekilde tahmin edilmiş ve ölçüm istasyonlarının ortam hava kalitesi verileriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar daha sonra, kirleticiler için sınır değerler belirleyerek hava kalitesini korumayı ve iyileştirmeyi amaçlayan Türkiye'de Hava Kalitesi Değerlendirme ve Yönetimi Yönetmeliği tarafından belirlenen hava kalitesi standartlarıyla karşılaştırılmıştır. Denizcilik faaliyetlerinden kaynaklanan önemli kirleticilerin yer seviyesi konsantrasyonlarını hesaplamak için AERMOD dağılım modeli kullanılmıştır. Hesaplanan bu konsantrasyonlar daha sonra Kandilli hava kalitesi izleme istasyonundan alınan ölçüm verileriyle karşılaştırılmıştır. Bu yaklaşım, denizcilik sektörünün özellikle hava kalitesine ilişkin çevresel ayak izinin odaklanmış bir şekilde incelenmesini sağlamıştır. Sayısal emisyon hesaplamalarını gerçek ölçümler ile karşılaştıran bu çalışma, teorik tahminler ile gözlemlenebilir çevresel etkiler arasındaki boşluğu doldurmaktadır. Çevresel modellemede sofistike bir araç olan AERMOD Dağılım Modelinin kullanılması, yer seviyesindeki emisyon dağılımlarının ayrıntılı bir şekilde incelenmesine olanak sağlamaktadır. Bu uygulama, tahmin edilen emisyon rakamlarını mekânsal ve zamansal olarak çözümlenmiş çevresel etki haritalarına dönüştürerek gemi emisyonlarının Boğaz bölgesinin hava kalitesi üzerindeki etkilerini araştırmaktadır.
Bu çalışmadan elde edilen bulgular, çevre politikası ve düzenleyici çerçeveler için önemli çıkarımlara sahiptir. Çalışma, deniz trafiğinin bölgesel azot oksit ve kükürt dioksit emisyonlarına önemli katkısını vurgulamakta ve Uluslararası Denizcilik Örgütü kükürt üst sınırı gibi düzenleyici tedbirlerin kükürt dioksit seviyelerini azaltmadaki etkinliğini göstermektedir. Politikacılar ve denizcilik sektörü, gelişmiş emisyon azaltma teknolojilerinin benimsenmesine öncelik vermeli ve İstanbul'da ek Emisyon Kontrol Alanları uygulamayı düşünmelidir. Boğaz'ın hava kalitesini iyileştirmek için hava kalitesini olumsuz etkilemeyen alternatif yakıtların teşvik edilmesi agresif bir şekilde sürdürülmelidir. Daha hassas önlemler için daha iyi zamansal çözünürlüğe sahip ayrıntılı bir emisyon envanterinin geliştirilmesi de gereklidir. 
Böyle bir yaklaşım çevresel etki değerlendirmelerinin daha doğru yapılmasını sağlayacak ve geleceğe yönelik tahminlerin doğruluğunu arttıracaktır. Bulguların politika oluşturma sürecine entegre edilmesi sadece bilimsel bilgiyi ilerletmekle kalmayacak, aynı zamanda daha sürdürülebilir bir denizcilik endüstrisini teşvik edecek ve böylece kentsel hava kalitesi ve halk sağlığı üzerindeki etkisini azaltacaktır. Çalışmada hava kirliliğini azaltmak ve halk sağlığını korumak için kapsamlı ve ileri görüşlü stratejilerin benimsenmesinin gerekliliğini vurgulamaktadır. İstanbul'da emisyon envanteri için sağlam bir temel sunan bu araştırma, daha temiz denizcilik uygulamalarının ilerlemesini desteklemekte olup küresel sürdürülebilirliğe ulaşmayı ve iklim değişikliği hedeflerini ele almayı amaçlayan gelecekteki çevre politikalarına rehberlik edecektir.

Abstract:
The maritime transportation sector poses a significant environmental risk due to its dependence on fossil fuels and proximity to coastal areas. The intersection of maritime traffic and environmental impacts, particularly air pollution, has become an area of growing concern and extensive research. The International Maritime Organization regularly updates its emission prevention measures to adapt to changing conditions.
This thesis investigates exhaust emissions from ships passing through the Bosphorus and their impact on air quality. As a vital waterway cutting through a large urban area, the Bosphorus provides a case study to understand these environmental impacts, given its heavy traffic and proximity to densely populated areas. This study calculates emissions of nitrogen oxides, particulate matter, carbon monoxide and sulfur dioxide from transit vessels passing through the Bosphorus over an eight-year period from 2014 to 2021.  The study uses a dual approach, numerical estimation of emissions and air quality dispersion modeling to calculate ground-level pollutant concentrations. Over the eight-year period covered by the study, emissions from maritime traffic in the Bosphorus were comprehensively estimated and compared with ambient air quality data from measurement stations. The results were then compared with air quality standards set by the Regulation on Air Quality Assessment and Management in Turkey, which aims to protect and improve air quality by setting limit values for pollutants.  The AERMOD dispersion model was used to calculate ground-level concentrations of important pollutants from maritime activities. These calculated concentrations were then compared with measurement data from the Kandilli air quality monitoring station. This approach allowed for a focused examination of the environmental footprint of the maritime industry, particularly in relation to air quality. By comparing numerical emission calculations with actual measurements, this study bridges the gap between theoretical estimations and observable environmental impacts. The use of the AERMOD Dispersion Model, a sophisticated tool in environmental modeling, allows a detailed examination of ground-level emission distributions. This application investigates the impacts of ship emissions on the air quality of the Bosphorus region by transforming estimated emission figures into spatially and temporally resolved environmental impact maps.
The findings from this study have important implications for environmental policy and regulatory frameworks. The study highlights the significant contribution of maritime traffic to regional nitrogen oxides and sulfur dioxide emissions and demonstrates the effectiveness of regulatory measures such as the International Maritime Organization sulphur cap in reducing sulfur dioxide levels. Policymakers and the shipping industry should prioritize the adoption of advanced emission reduction technologies and consider implementing additional Emission Control Areas in Istanbul. To improve the air quality of the Bosphorus, the promotion of alternative fuels that do not adversely affect air quality should be aggressively pursued. The development of a detailed emissions inventory with better temporal resolution for more precise measures is also necessary.
Such an approach would enable more accurate environmental impact assessments and improve the accuracy of future estimations. Integrating the findings into the policy-making process will not only advance scientific knowledge, but also promote a more sustainable maritime industry, thereby reducing its impact on urban air quality and public health. The study emphasizes the need to adopt comprehensive and forward-thinking strategies to reduce air pollution and protect public health. By providing a solid basis for an emissions inventory in Istanbul, this research supports the advancement of cleaner maritime practices and will guide future environmental policies aimed at achieving global sustainability and addressing climate change targets.