Denizcilik sektöründe sera gazı emisyonu önlemlerinin etki değerlendirmesinin sistem dinamikleriyle modellenmesi
System dynamics modelling of the impact assessment of greenhouse gas mitigation measures in maritime transportation
- Tez No: 986819
- Danışmanlar: DOÇ. DR. PELİN BOLAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Denizcilik, Marine
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel ticaretin omurgasını oluşturan denizcilik sektörü, düşük birim maliyetle yüksek hacimli yük taşıma kapasitesi sayesinde dünya ticareti için hem ekonomik ve hem de stratejik açıdan vazgeçilmez bir konumdadır. Denizcilik sektörünün, dünya ticaretindeki önemi gün geçtikçe artmaya da devam etmektedir. Ticaret üzerindeki avantajları her geçen gün artmasına rağmen sektörün iklim değişikliği ve çevresel bozulma üzerindeki etkileri de giderek daha görünür hâle gelmektedir. Gemilerden kaynaklanan sera gazı emisyonları ve diğer kirleticiler, Paris Anlaşması ve IMO'nun güncellenen sera gazı stratejisi doğrultusunda artık yalnızca teknik verimlilik önlemleriyle değil, politika geri-bildirimlerini, piyasa temelli araçları ve teknolojik geçiş dinamiklerini birlikte ele alan bütüncül yaklaşımlarla yönetilmesi gerekliliği yapılan son çalışmalar ile birlikte kendini göstermektedir. Bu bağlamda, sektör genelinde uygulanabilir, paydaşlar arası etkileşimleri hesaba katan ve ölçülebilir ara hedefler içeren bir yol haritasının oluşturulabilmesi için emisyon azaltım önlemlerinin sistem düzeyindeki etkilerinin sistematik ve matematiksel olarak değerlendirilmesi kritik önem taşımaktadır. Dolayısıyla bu tez, deniz taşımacılığında sera gazı salımı önlemlerinin etkilerini yalnızca tekil müdahaleler olarak değil, zaman gecikmeleri, geri besleme döngüleri ve belirsizlikler ışığında inceleyebilecek bir modelleme yaklaşımına ihtiyaç duyulduğu probleminden hareket etmektedir. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından kısa, orta ve uzun vadeli emisyon azaltım hedeflerine ulaşabilmek için gerekli teknik ve operasyonel iyileştirmeler, finansal teşvik ve yaptırım mekanizmaların, veri toplama ve paylaşım altyapısını ile performans göstergelerini içeren çeşitli çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Armatörler, liman otoriteleri, klas kuruluşları, yakıt tedarikçileri, kamu kurumları, finans kuruluşlar ve akademi ile sivil toplum kuruluşları arasında sürekli iletişim ve geri bildirim döngülerini sağlayacak bir yönetişim modeli kurulması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Emisyon azaltım stratejilerinin uygulama süreci düzenli izleme, doğrulama ve raporlama ile desteklenmelidir. Bu sayede teknik standartlarla uyumlu, ekonomik olarak sürdürülebilir ve çevresel etkileri somut biçimde azaltan bir dönüşüm sektörde yaygın ve kalıcı hâle getirilebilmektedir. Bu tezde, deniz taşımacılığında sera gazı emisyonlarını azaltmaya yönelik teknik, operasyonel ve piyasa temelli önlemlerin etkilerini sistem dinamikleri yaklaşımıyla nicel olarak değerlendirmek amaçlanmıştır. Çalışma, politika geri-bildirimlerini, teknoloji benimseme hızlarını ve belirsizlikleri içeren bir stok akış modeli geliştirerek, farklı senaryo setleri (BAU, IMO hedeflerine uyumlu, yüksek derecede alternatif yakıt/hız optimizasyonu vb.) altında 2020–2050 dönemi emisyon eğilimlerinin nasıl şekillendiğini ortaya koymayı hedefler. Bu kapsamda model, hem küresel ölçekte sektörel dinamikleri hem de Türkiye odaklı filo özelliklerini dikkate alarak, hangi politika paketlerinin hangi koşullarda en yüksek azaltımı sağladığını sorgular. Dolayısıyla tez,“Hangi önlemler hangi kombinasyonlarda ve hangi zamanlamayla uygulandığında deniz taşımacılığında net emisyon azaltımı en etkin biçimde elde edilir?”sorusuna yanıt aramaktadır. Bu çalışma, deniz taşımacılığında sera gazı azaltım önlemlerinin etkilerini sistem dinamikleri (SD) yaklaşımıyla mental ve matematiksel olarak değerlendirmek üzere kurgulanmıştır. Problem alanı paydaşlar, politika araçları ve teknolojik geçişleri kapsayacak biçimde tanımlanmış ve geri besleme döngülerini görünür kılmak için nedensel döngü diyagramları oluşturulmuştur. Ardından bu diyagramlar stok ve akış yapısına dönüştürülerek filo büyüklüğü, yakıt bileşimi, hız ve yatırım kararları gibi temel değişkenler dinamik biçimde modellenmiş. Parametreler uluslararası raporlar ve literatürdeki çalışmalar ışığında kalibre edilmiştir. Müdahalesiz“mevcut durum”(BAU), IMO hedeflerine uyumlu düzenleme ve yakıt çeşitlendirmesi, ayrıca alternatif yakıt kullanımı, hız optimizasyonu ve karbon fiyatlamasını birlikte içeren yüksek iddialı politika paketleri olmak üzere çoklu senaryolar tasarlanmıştır. Türk bayraklı filo için yapılan modellemede tekil müdahalelerin sınırını görmek amacıyla yalnızca LNG'ye geçiş ya da yalnızca hız optimizasyonu gibi tek değişkenli senaryolar da çalıştırılmıştır. Model çıktıları, kümülatif ve yıllık CO₂ emisyon eğrileri üzerinden karşılaştırılmıştır. Böylece müdahalesiz senaryoda emisyonların yüksek düzeyde seyrettiği, düzenleme ve yakıt çeşitlendirmesinin olduğu senaryolarda kayda değer düşüş sağladığı, en entegre politika setinde ise emisyonların mevcut seviyenin yarısının da altına indiği nicel olarak ortaya konmuştur. Model üzerinde değerlendirmeler neticesinde yakıt dönüşümü, operasyonel önlemler ve piyasa temelli araçların birbirini tamamlayacak biçimde tasarlandığı entegre paketlerin gerekliliği görülmektedir. Model geçerliliği tarihsel veri karşılaştırmaları ile yürütülerek bulguların doğruluğu da test edilmiştir. Bununla birlikte çalışma, belirli varsayımlar ve kapsam sınırlılıkları içermektedir. Model, liman içi operasyonlardan kaynaklanan emisyonları kapsam dışı bırakmış, veri yetersizliği nedeniyle karbondioksit dışındaki sera gazlarını ve yakıtın yaşam döngüsü etkilerini hesaba katamamıştır. Yakıt arz zincirlerindeki bölgesel farklılıklar, teknoloji maliyetlerindeki oynaklıklar ve finansal teşviklerin zamanlaması gibi parametreler, duyarlılık analizlerinde önemli sapmalara yol açabilecek unsurlar olarak not edilmelidir. Bu nedenle elde edilen çıktılar nihai rakamlar olarak değil, karar destek amacıyla değerlendirilmesi gereken yol gösterici sonuçlar olarak ele alınmalıdır. Yeni veri akışları, belirsizlik analizleri ve politika geri-bildirimleriyle periyodik olarak güncellenmelidir. Sonuç olarak, bu çalışma hem Türk bayraklı dökme yük filosu hem de küresel konteyner taşımacılığı ölçeğinde karbonsuzlaşma hedeflerine ulaşmanın, tekil çözümler yerine birbirini tamamlayan politika ve teknoloji bileşimleriyle mümkün olduğunu göstermektedir. Yakıt dönüşümü, hız yönetimi, enerji verimliliği yatırımları ve karbon fiyatlaması gibi araçların eşgüdümlü ve aşamalı biçimde tasarlanmasının önemi üzerinde durulmuştur. Bu tasarımın da veri temelli, sayısal senaryo analizleriyle desteklenen yinelemeli bir yönetim döngüsüne oturtulması gerekmektedir. Sunulan sistem dinamikleri yaklaşımı, politika sürecindeki dinamik ilişkileri, gecikmeleri ve yan etkileri görünür kılarak güçlü bir analitik çerçeve sağlamıştır. Böylece politika yapıcılar ve sektör paydaşları için stratejik karar desteği sunan bir rehber niteliği kazanması için gayret edilmiştir. Bu bulguların, ulusal ve uluslararası düzenleyici çerçevenin güçlendirilmesi ve dünya ticaretinde denizcilik sektörünün tüm paydaşlarına harmonize karbon politikaları, alternatif yakıt altyapısının geliştirilmesi yönünde tavsiye niteliği taşıyan yol gösterici bir kaynak olarak değerlendirilmesini ümit ederiz.
Özet (Çeviri)
It's still essential to the economy and to strategy to have global maritime transport since it can transport a lot of stuff at low unit costs, which is what international trade requires. The proportion of world trade that this industry accounts for is increasing, but its implications on climate change and the environment more generally are becoming more evident. The Paris Agreement and the International Maritime Organization's (IMO) new Greenhouse Gas (GHG) Strategy state that technology advancements by themselves will not be sufficient to address emissions as well as other pollutants from ships. Rather, they must be addressed in a manner that considers how technology is evolving simultaneously, as well as policy feedbacks and market-based instruments. Here, it is vital to consider the system-level implications of mitigation measures in order to create roadmaps that are sector-wide, all-stakeholder-inclusive, and have measurable phases. The first thing this thesis does is state that we shouldn't treat the impacts of greenhouse gas mitigation approaches in maritime transport as isolated, fixed actions. Rather, we should treat them as part of a modeling approach that can address time delays, feedback loops, and uncertainty. The IMO and other authorities have initiated various projects to assist them in achieving their short-term, medium-term, and long-term emission reduction targets. They comprise technical and operational enhancements (including EEXI and CII), economic incentive and penalty systems, data collection and sharing systems, and performance metrics. These activities demonstrate the significance of having a governance system that facilitates easy interaction and continuous feedback among shipowners, port authorities, classification societies, fuel suppliers, public authorities, financial institutions, academia, and civil society. Systematic monitoring, verification, and reporting need to underpin the execution of emission reduction measures. Only in this way can a technically correct, commercially effective, and ecologically significant change become widespread and sustainable in the sector. This research aims to quantitatively evaluate, through a system dynamics (SD) approach, the effects of technical, operational, and market-based measures for reducing GHG emissions in maritime transport. This thesis builds a stock-flow model with policy feedbacks, technology adoption rates, and uncertainties to explore the development of emission pathways under different scenarios (Business-as-Usual—BAU; IMO-aligned policies and fuel diversification; and high-ambition packages combining alternative fuels, speed optimization, and carbon pricing) for the 2020–2050 period. The model strives to replicate both global sectoral trends and the particular characteristics of the Turkish-flagged bulk carrier fleet, thus analyzing which policy mixes bring about highest mitigation under which circumstances. The main research question is:“What measures, in what combinations and timing, best achieve net emission reductions in maritime transport?”. The research is framed as a cognitive and quantitative assessment of greenhouse gas mitigation strategies using system dynamics. The issue space was originally conceived as encompassing stakeholders, policy levers, and technical transition routes. Causal loop diagrams (CLDs) were developed to explain reinforcing and balancing feedback loops. Conceptual frameworks were then translated into a stock-flow structure, allowing the dynamic modeling of key factors such as fleet size and composition, fuel mix, ship speed, investment decisions, and policy stringency. Model parameters were calibrated using international reports, industry-specific statistics, and empirical observations from the literature. Multiple scenario blocks were conceived and simulated. Besides the BAU reference case, scenarios illustrated compliance with IMO targets via regulatory strengthening and fuel diversification, as well as an ambitious plan involving alternative fuel take-up, speed optimization, and carbon price. In order to map the boundaries of single interventions, scenarios with a single lever, like a sole shift to liquefied natural gas (LNG) or merely optimizing speed, were also run. Results were compared across scenarios using cumulative and annual CO₂ emission pathways over 2020–2050. Historical data comparison and harsh condition tests validated the model's validity. Sensitivity and uncertainty tests on key parameters (e.g., fuel cost pathways, carbon pricing levels, take-up rates) also validated the results' validity. Quantitative results reveal a clear divergence between possibilities. In the BAU case, emissions continue at elevated levels, tracking sectoral growth and limited technological change. Imposing IMO concordant regulatory constraints and fuel diversification leads to a dramatic decrease in emissions relative to business as usual, revealing the substantial impact of coordinated regulatory and technology evolution. The most aggressive policy package embracing alternative fuels, speed regulation, energy efficiency investments, and carbon pricing cuts emissions to below half current levels by mid-century, revealing the compounding effect of holistic approaches. The study illustrates the partial effectiveness of single measures. Encouraging a switch to LNG alone delivers double-digit but still limited savings, but speed optimization combined with efficiency gains registers an additional circa 25% cumulative cut over solo attempts. This comparison of performance underlines that fuel switch, operational measures, and market-based tools need to be jointly designed to reinforce each other within an integrated policy package. Partial solutions will not deliver the required depth of decarbonisation; synergistic packages are required. The analysis is based essentially on specific assumptions and boundary choices. Port side emissions were excluded from the scope of the model; due to data constraints, non-CO₂ greenhouse gases and the well-to-wake life-cycle effects of fuels could not be fully included. Regional variations in fuel supply chains, variability in technology costs, and the phasing of financial incentives are elements that can cause significant deviations in sensitivity analyses. The numerical results are therefore to be treated not as definitive forecasts but as decision support outcomes benchmarks subject to periodic revision with new data, improved uncertainty assessments, and policy feedback iterations. This study suggests that meeting decarbonisation goals for the Turkish-flagged bulk carrier fleet and the world container segment involves multiple, not singular, solutions. Success depends on synergistic combinations of policy and technology. The importance of strategically developing and ordering instruments such as fuel transition incentives, speed regulation, energy efficiency measures, and carbon pricing in a coordinated and stepwise fashion is highlighted. This architecture needs to be embedded in a data-informed, iterative management process based on quantitative scenario analysis. The system dynamics framework offered here gives an overall analytical vision by explaining dynamic interdependencies, time lags, and side effects for decision-makers. As a result, it delivers strategic guidance and decision support for policymakers and industry stakeholders. We expect the results to offer valuable insights for improving Turkey's national regulatory policy and for fostering harmonized carbon policies, alternative fuel infrastructures, and digital monitoring systems across the global maritime industry. Future studies should incorporate multi-gas assessments, port activities, and life-cycle analyses, while exploring hybrid modeling approaches (e.g., system dynamics coupled with agent-based models) to strengthen the decision-making framework.
Benzer Tezler
- Limanlar için bütünleşik yenilenebilir enerji güç sistemlerinin tekno-ekonomik analizi
Techno-economic assessment of hybrid power systems for ports
MEHMET MİRDALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PELİN BOLAT
- Determination of greenhouse gas emissions; Case study for a turkish marine technology company
Sera gazı emı̇syonlarının belı̇rlenmesı̇; Bı̇r Türk denı̇z teknolojı̇sı̇ şı̇rketı̇ ı̇çı̇n uygulama çalışması
YASİR NUMAN BALÇIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN MENTEŞ
- Denizcilik eğitiminde karbonsuzlaştırma bilgi durumunun değerlendirilmesi: Bir eğitim modülünün etkililik sınaması
Bridging the knowledge gap: Evaluating the impact of decarbonization training in maritime education
BATURAY ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ZİNCİR
- İstanbul boğazından geçen ticari gemilerden kaynaklanan emisyonun incelenmesi
Analysis of the emissions from the ships passing through the istanbul strait
CENK AY
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF BAL BEŞİKÇİ
- Analysis of the availability and applicability of fuel cell as a main power unit for a commercial ship
Bir ticari gemi için yakıt pilinin ana güç üreticisi olarak kullanılabilirliği ve uygulanabilirliğinin analizi
ÖMER BERKEHAN İNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ DENİZ