Türkiye İçin Endüstriyel Ve Konut Isınma Sistemleri Kaynaklı Emisyonların Coğrafi Bilgi Sistemi Kullanarak Mekansal Dağılımı

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı, Türkiye’de enerji ve endüstriyel kaynaklı emisyonlar ile konut ısınma sistemlerinden kaynaklanan emisyonların mekansal dağılımını oluşturmaktır. İlk olarak elektrik üretim kapasitesi 10 MW’tan büyük, fosil yakıt kullanan termik santraller belirlenmiş, çalışmada Türkiye’nin en önemli endüstrileri olan; petrol rafinasyonu, organik kimya endüstrisi, inorganik kimya endüstrisi, mineral endüstrisi, metalürji endüstrisi, kâğıt ve karton endüstrisi, şeker endüstrisi dikkate alınmıştır. Bu endüstrilere ek olarak alkollü içecek endüstrisinin de emisyon hesaplamaları çalışmaya dahil edilmiştir. Çalışmada emisyonları hesaplanan ana kirletici parametreleri SOx, NOx, CO, NH3, NMVOC, PM, CO2, TSP, PM10 ve PM2.5 olmuştur. Emisyon hesaplamaları hem kontrolüz hem kontrollü durumlar için yapılmış, ancak mekansal dağılımda sadece kontrollü durumlar göz önüne alınmıştır. Endüstriyel kaynaklı emisyonların Coğrafi Bilgi Sistemi’nde mekansal dağılımı için, 2011 yılında oluşturulan emisyon envanter çalışmasından yararlanılmıştır. Emisyon değerleri hesaplanan her endüstriyel sektör için üretici taraması yapılmıştır. Çalışmada bilgilerinden faydalanılan 382 endüstriyel tesis ve tesis bilgileri, açık kaynaklardan, internet sitelerinden, derneklerden ve sanayi birliklerinden elde edilmiştir. Belirlenen her tesisin adreslerine ve üretim kapasitelerine ulaşılmış, bilgilerine ulaşılamayan tesisler için işçi sayıları ile emisyon değerleri arasında yaklaşımda bulunulmuştur. Her endüstri için hesaplanan toplam emisyon değerleri, belirlenen üretim kapasiteleri ile doğru orantılı olarak dağıtılmıştır. Mekansal dağılım için en temel veri olan coğrafi koordinasyonların belirlenmesi için ise Google Earth programı kullanılmıştır. Endüstriyel tesisler için toplam CO2, SOX, NOX, CO, NMVOC, PM10, PM2.5 ve NH3 emisyonları kontrolsüz durumlar için 2010 yılında sırasıyla; 55.124.263 ton, 42.737 ton, 28.609 ton, 790.861 ton, 220.055 ton, 5.834.130 ton, 3.300.394 ton ve 8.920 ton olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, bazı sektörler için mevcut olduğu bilinen klasik emisyon kontrol sistemlerinin ortalama verimleri kullanılarak kontrollü durum emisyonları hesaplanmıştır. Toplam kontrollü durum endüstriyel emisyonlar, SOX, CO, NOX, NMVOC, PM10, PM2.5 ve NH3 kirleticileri için sırasıyla 24.720 ton, 28.565 ton, 13.234 ton, 36.042 ton, 44.019 ton, 7.926 ton ve 457 ton olarak hesaplanmıştır. Endüstri tesislerinde yakıt kullanımı sonucu açığa çıkan emisyonlar da emisyon envanterinde oldukça önem taşımaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada endüstrilerin yakıt kullanımı da göz önüne alınmıştır. Toplam emisyonlarda, endüstrilerin proses emisyonlarında olduğu gibi 2011 yılında oluşturulan emisyon envanter çalışmasından faydalanılmıştır. CO2, SOX, CO, NOX, NMVOC ve PM10 kirleticileri için toplam emisyonlar sırasıyla 57,663,913 ton, 156,037 ton, 156,844 ton, 69,242 ton, 15,120 ton ve 156,844 ton olarak belirlenmiştir. 2010 yılında çalışmaya dahil edilen yerli linyit, taş kömürü, ithal linyit, doğal gaz, fuel oil ve biyogaz kullanılan termik santrallerin toplam kurulu gücü 32.147 MW olarak hesaplanmıştır. Bu kapasite Türkiye’deki kayıtlı termal güç üretim kapasitesi olan 32.278 MW değerinin yaklaşık %99’una karşılık gelmektedir. EÜAŞ bünyesinde olanlar için emisyonlar, kesin işletme verileri dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Bunların kapasitesi ise 7.251 MW’tır. Geri kalanlar için temsil edici işletme planları tahmin edilmiş ve emisyon hesabında kullanılmıştır. Çalışmada hali hazırda faaliyette olan 110 adet termik santral belirlenmiştir. Bunlardan 16 tanesi yerli linyit, 1 tanesi taş kömürü, 5 tanesi ithal linyit, 75 tanesi doğal gaz, 10 tanesi fuel oil ve 3 tanesi de biyogaz kullanılan termik santrallerdir. Mekansal dağılım çalışmasında faydalanmak üzere, termik santrallerin coğrafi koordinatları ise Google Earth programı ile belirlenmiştir. Termik santraller için kullanılan yakıtın türüne göre yakıt tüketim miktarları hesaplanmıştır. Ancak sadece yerli linyitin kullanıldığı termik santraller için tesis işletme raporlarından 2010 yılında tüketilen yakıt miktarları elde edilmiş, hesaplamalara bu bilgiler ışığında devam edilmiştir. Diğer termik santrallerin toplam yakıt tüketim miktarı ise, yakıt türüne ve özelliğine göre yaklaşımda bulunarak elde edilen, yakıtın kalorifik değeri, kapasite kullanım oranı ve ısıl dönüşüm verimliliği ile hesaplanmıştır. İçerdiği kükürt miktarına bağlı olarak, özellikle yerli linyit kullanılan termik santraller için tesis bazından SOX emisyon faktörleri tek tek hesaplanmıştır. Yerli linyit kullanılan termik santraller için diğer emisyon faktörleri ise yakıtın ve yakma sisteminin karakteristik özelliklerine uygun olacak şekilde çeşitli kaynaklardan alınmıştır. Diğer termik santraller için emisyon faktörleri ise yine yakıt türlerine uygun olacak şekilde çeşitli kaynaklardan alınmıştır. Bu çalışma sırasında fosil yakıtların kullanıldığı termik santrallere ek olarak biyogaz kullanılan santraller için de emisyon envanteri oluşturulmuştur. Tüketilen toplam yakıt miktarları daha önceki termik santraller için uygulanan hesap yöntemi ile aynıdır ancak, emisyon hesaplamaları biyogaz içerisindeki metan miktarı ile belirlenmiştir. SOX emisyon faktörleri metan gazı içerisindeki hidrojen sülfür ve diğer sülfürlü bileşenlerin kükürt miktarına bağlı olarak hesaplanmıştır. Diğer kirleticiler için emisyon faktörleri çeşitli kaynaklardan alınarak hesaplamalar tamamlanmıştır. Hesaplamalar sonucunda enerji üretim tesisleri için kontrolsüz durum 2010 yılı için emisyonları CO2, SOX, NOX, CO, NMVOC, TSP, PM10 ve PM2.5 kirleticileri için 2010 yılında sırasıyla; 123.587.348 ton, 2.325.499 ton, 325.716 ton, 111.018 ton, 2.452 ton, 5.333.215 ton, 1.343.733 ton ve 201.795 ton, toplam kontrollü durum emisyonları ise SOX, TSP, PM10 ve PM2.5 kirleticileri için sırasıyla 1.528.192 ton, 106.664 ton, 26.875 ton ve 10.89 ton olarak hesaplanmıştır. Konut ısınma kaynaklı emisyonların hesapları 81 il ve ilçeler için Türkiye’nin 2013 yılı nüfus ile hanehalkı büyüklüğü verileri TÜİK’ten alınmış, bu veriler kullanılarak il ve ilçelerdeki konut sayıları elde edilmiştir. Isınma sistemlerinin kullanım oranları Aile ve Sosyal İlişkiler Bakanlığı’nın yayınladığı Aile Yapısı Araştırması 2011 raporundan alınmış, çalışmada ilgilenilen her ısıtma sistemi için (doğal gaz, yerli linyit, ithal linyit ve odun) konut sayıları il ve ilçe bazında hesaplanmıştır. Emisyon hesaplamaları, ilk olarak Türkiye’deki her konutun ortalama 80 m2 olduğu varsayımı ile yapılmış ancak hesaplanan yakıt tüketim miktarlarının Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından rapor edilen miktarlardan daha düşük olduğu görülmüştür. Bu nedenle, daha gerçekçi sonuçlar elde edebilmek için emisyon hesaplamalarına konut büyüklüğü ile ilişkili olacak yaklaşımlarla devam edilmiştir. Yine Aile ve Sosyal İlişkiler Bakanlığı’nın yayınladığı Aile Yapısı Araştırması 2011 raporundan Türkiye’de konutlardaki oda sayısı oranları elde edilmiştir. İlk etapta her il için hesaplanan toplam konut sayısı, illerdeki konut büyüklüğü oranlarına göre yeniden hesaplanmıştır. Böylece her yakıt türü ve her konut büyüklüğü için konut sayısı elde edilmiştir. Konutların yıllık ısınma ihtiyacı, konut büyüklükleri ile ilişkili olacak şekilde hesaplanmıştır. Konutların yakıt tüketim miktarları ise yıllık ısınma ihtiyacı ve konut sayısı ile hesaplanmıştır. Emisyon faktörleri her yakıt türü için yakıtların karakteristik özelliklerine bağlı olarak ayrı ayrı belirlenmiş ve emisyon miktarları hesaplanmıştır. Türkiye’de toplam konut sayısı 19.053.629 olarak hesaplanmıştır. Çalışma sonuçlarına göre toplam konut sayısının Türkiye’de konutların %40’ının doğal gaz, %33’ünün ithal linyit, %15’inin yerli linyit ve %12’sinin odun ile ısınma ihtiyacını karşıladığı belirlenmiştir. Tüketilen toplam yakıt miktarları doğal gaz, ithal linyit, yerli linyit ve odun için hesaplanmış ve sonuçlar sırasıyla; 4.718.312.578 m3/y, 5.718.951 t/y, 3.899.285 t/y and 3.119.285 t/y olarak elde edilmiştir. Bu değerler resmi kurumlardan kişisel temaslarla alınan tüketim verileri ile uyumludur. Hesaplamalar sonucunda konut ısınma sistemleri için CO2, SOX, NOX, CO, NMVOC, PM10, PM2.5 ve NH3 emisyonları 2013 yılı için sırasıyla; 38.195.817 ton, 232.559 ton, 37.471 ton, 1.059.298 ton, 136.015 ton, 127.182 ton, 124.877 ton ve 3.803 ton olarak hesaplanmıştır. Emisyonların mekansal dağılımını incelemek için kullanılan program olarak Coğrafi Bilgi Sistemi uygulamalarından olan, ArcGIS, seçilmiştir. Her endüstriyel sektör ve enerji üretim tesislerinden kaynaklanan toplam kirletici emisyonlarının görülebildiği haritaları elde edebilmek ve konut ısınma kaynaklı kirletici emisyonlarının mekansal dağılımını inceleyebilmek için Google Earth programı ile kaydedilen coğrafi koordinatlar ArcGIS uygulamasında kullanılmış, kirleticilerin mekansal dağılımı elde edilmiştir. Çalışma sonunda, CO2, SOX, CO, NOx, NMVOC, PM10, PM2.5 ve NH3 kirleticilerinin toplam kontrollü durum emisyonları enerji üretim, endüstriyel ve konut ısınma sistemleri için sırasıyla 216.907.428 t/y, 1.785.512 t/y, 1.198.882 t/y, 376.421 t/y, 174.509 t/y, 198.076 t/y, 142.892 t/y ve 4.260 t/y olarak hesaplanmıştır. Kontrollü durumda toplam SOX emisyonunun kaynaklar arasındaki oransal dağılımı; termik santrallerde %79, konut ısınma sistemlerinde %12, endüstriyel tesislerde %1 ve endüstriyel yakıt kullanımında %8 şeklindedir. Bu değerler Türkiye’ye ait ulusal ve uluslar arası bir çok çalışma sonucu ile karşılaştırılmış ve ilginç benzerlikler ve farklılıklar tespit edilmiştir. Hesaplanan emisyon miktarları Türkiye’nin 7 coğrafi bölgesi arasında incelenmiş, kirliliğin en fazla olduğu bölgeler İç Anadolu, Akdeniz, Marmara ve Ege bölgeleri olarak belirlenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde ise bu bölgelerde termik santrallerin, kentleşmenin ve sanayileşmenin yoğun olduğu görülmüştür. Ayrıca bu çalışmada Türkiye’deki kirliliğin en fazla olduğu 10 il her kirletici için ayrı ayrı belirlenmiş, Kahramanmaraş, Zonguldak, Ankara ve İzmir kirliliğin en yoğun olduğu iller olarak görülmüştür. Özellikle Afşin Elbistan termik santrali ülkede kirliliğe sebep olan en büyük etkenlerden biri olarak belirlenmiştir. Diğer illerde de termik santrallerin, endüstriyel tesislerin ve konut ısınma sistemlerinin kirliliği belirleme de oldukça önemli bir yere sahip olduğu görülmüştür.

The purpose of the thesis is spatial distribution of energy and industrial production plants emissions and residential heating systems emissions. Firstly all fossil fuel using thermal power plants, thats generating capacities greater than 10 MW electricity were determined and investigated. The key industries are; petroleum refining, organic chemicals industry, inorganic chemicals industry, mineral products industry, metallurgical industry, pulp and paper industry, sugar industry and alcoholic drink industry. Additionally residential heating emission inventory was build up for natural gas, wood, domestic lignite and imported lignite systems. In this study there are several air pollutants investigated for spatial distribution, such as; SOX, NOX, CO, NH3, NMVOC, PM, CO2, TSP, PM10 and PM2.5. Emission inventory was calculated for uncontrolled and controlled conditions, but spatial distribution was investigated only controlled conditions. In this study there were taken benefit from previous emission inventory study for spatial distribution of industrial emissions. To distribute the total emissions of 382 industrial production plant, each one of them identified in web searches and open sources. Production capacity of industrial plants was recorded and geographical coordinates are collected with Google Earth Map. According to results of this study for industrial facilities, overall uncontrolled emissions of CO2, SOX, CO, NOX, NMVOC, PM10, PM2.5 and NH3 pollutants of Turkey were calculated as 55,124,263 ton, 42,737 ton, 28,609 ton, 790,861 ton, 220,055 ton, 5,834,130 ton, 3,300,394 ton and 8,920 ton respectively. Also, total controlled emissions were calculated for SOX, CO, NOX, NMVOC, PM10, PM2.5 and NH3 pollutants and results were 24,720 ton, 28,565 ton, 13,234 ton, 36,042 ton, 44,019 ton, 7,926 ton and 457 ton respectively. Industries energy usage is one of the important emission source in air pollution. Because of that, also, emissions of industial fuel combustion were considered in this study. Total emissions were taken from previous emission inventory study as well as industrial process emissions. Emissions of CO2, SOX, CO, NOX, NMVOC and PM10 pollutants were taken as 57,663,913 ton, 156,037 ton, 156,844 ton, 69,242 ton, 15,120 ton and 156,844 ton respectively. When the emissions of energy production plants were calculated, power plants selected according to type of fuel. Domestic lignite-fired, hard coal-fire, imported lignite-fired, natural gas-fired, fuel oil-fired and biogas-fired power plants were determined as the power plants which were the most of the pollutants released. Before to start emission inventory of power plants; geographical coordinates of plants were collected and installed capacities were determined as 32,147 MW in 2010. The capacity value which was registered as 32,278 MW of thermal power capacity is close approximately 99% to the calculated capacity value. EUAS facilities for those considering emission calculations were carried out certain operating data. Operating reports for rest of representative emissions were estimated and were used in the calculation. Total capacity value of these EUAS facilities were determined as 7,251 MW. Emission factors were determined according to characteristics of fuel, such as; calorific value, sulphur and carbon content. Thus, emissions were calculated for 110 power plant. According to results of this study for energy production plants, overall emissions of CO2, SOX, NOX, CO, NMVOC, TSP, PM10 and PM2.5 pollutants of Turkey was calculated for uncontrolled conditions as; 123,587,348 ton, 2,325,499 ton, 325,716 ton, 111,018 ton, 2,453 ton, 5,333,215 ton, 1,343,733 ton, 201,794 ton respectively. Total controlled emissions of power plants were calculated for SOX, TSP, PM10 and PM2.5 pollutants and results were determined as 1,528,192 ton, 106,664 ton, 26,875 ton and 10,089 ton respectively. To calculate the emissions of residential heating, population of 81 province and associated counties and average size of households by province was taken from TurkStat. According to Ministry of Familiy and Social Policies, rates of heating systems which were given as Nomenclature of Territorial Units for Statistics (NUTS) were taken from Researh of The Family Structure report. To determine more realistic result, size of residences’ were calculated for each province and county. Also, amount of total fuel consumption and annual heating demands were calculated for each province and county. After the first calculations were completed, emission factors were analyzing. With the emission factors and amount of fuel consumption, emission inventory calculations were completed for each province. Geographical coordinates of counties and provinces were determined with Google Earth programme for spatial distribution. In this study, residential heating system emissions were calculated by consider amount of residences’ and type of fuel which was natural gas, wood, domestic lignite and imported lignite. Total amount of residence was calculated as 19,053,629. Total fuel consumptions’ were calculated for natural gas, imported coal, domestic coal and wood; 4,718,312,578 m3/yr, 5,718,951 t/yr, 3,899,285 t/yr and 3,119,285 t/yr respectively. The consumption values were taken from official institutions with personal contact are compatible with calculated consumption values. In Turkey, there were not found any control technologies in residential heating systems. Because of that, total emissions of residential heating were calculated for only uncontrolled conditions. Results of CO2, SOX, CO, NOX, NMVOC, PM10, PM2.5 and NH3 pollutants were determined as 38,195,817 ton, 232,599 ton, 1,059,298 ton, 37,471 ton, 136,015 ton, 127,182 ton, 124,877 ton and 3,803 ton respectively. ArcGIS is the key application of this study. The spatial distribution of industrial and power plant emissions and residential heating system emissions were the applied by ArcGIS. This study was completed in six stages; determination of energy and industrial production plants, collection of geographical coordinates with Google Earth, distribution of emissions between each production plant, activity data and emission factor research for residential heating systems and final calculation of emissions for residential heating systems and finally spatial distribution of emissions with Geographical Information System. According to results of this study for energy production, industrial production plants and residential heating systems’ overall controlled emissions of CO2, SOX, CO, NOX, NMVOC, PM10, PM2.5 and NH3 pollutants of Turkey was calculated as 216,908,038 t/yr, 1,785,512 t/yr, 1,198,882 t/yr, 376,421 t/yr, 174,509 t/yr, 198,076 t/yr, 142,892 t/yr and 4,260 t/yr respectively. These values were compared with Turkey’s national and international study results and some interesting similarities and differences were confirmed. Results of this study was examined according to seven geographical regions of Turkey. When the regions were compared, Central Anatolia, Mediterranean, Marmara and Aegean regions were determined as the most polluted regions of Turkey. This results were explained with power plants which were located in these regions and high rate of urbanization and industrialization in the regions. Also, in this study, most polluted 10 province was listed for each pollutant. Kahramanmaraş, Zonguldak, Ankara and Izmir was determined as the most polluted provinces in Turkey. Afşin Elbistan power plant was determined as the major source of the air pollution in the country, besides other plants, especially hard coal-fired and imported lignite-fired power plants and industrial facilities were effective in emissions.