Urban rail systems sustainability and green transformation: the use of renewable energy in Ankara, İstanbul, and İzmir

Abstract

This study investigates the integration of renewable energy and regenerative braking systems into urban rail networks in Ankara, Istanbul, and Izmir, emphasizing sustainability and green transformation. By leveraging regulatory reports, renewable energy potential maps, and international case studies, the research quantifies energy savings, carbon reduction, and economic viability. Methodologically, it employs seasonal energy production factors, regenerative braking, and levelized cost of energy (LCOE) models to evaluate scenarios. Key findings indicate that Ankara’s rail systems could reduce annual energy consumption by 22 GWh using regenerative braking, while Istanbul and Izmir could save 90 GWh and 44 GWh, respectively. Carbon emission reductions are projected at 47.3k, 193.5k, and 94.6k tons of CO2 for the three cities. Economic analyses reveal payback periods of 5.8, 4.2, and 3.7 years, with return on investment (ROI) rates reaching 17.2%, 23.7%, and 27.4%. The study highlights the critical role of infrastructure modernization, such as hybrid energy storage systems and solar-powered ventilation, in aligning with global sustainability frameworks like the EU Green Deal and the Paris Agreement. However, challenges such as grid compatibility and seasonal energy variability require targeted interventions. Policy recommendations include enhanced public-private partnerships and leveraging international green funds to accelerate Türkiye’s transition to low-carbon urban mobility.

Keywords

• Rail transport systems
• Sustainability
• Green transformation
• Renewable energy

Kent içi raylı sistemlerde sürdürülebilirlik ve yeşil dönüşüm: Ankara, İstanbul ve İzmir’de yenilenebilir enerji kullanımı

Abstract

Bu çalışma, sürdürülebilirlik ve yeşil dönüşüme vurgu yaparak yenilenebilir enerji ve rejeneratif fren sistemlerinin Ankara, İstanbul ve İzmir'deki kentsel raylı sistem ağlarına entegrasyonunu araştırmaktadır. Mevzuat raporları, yenilenebilir enerji potansiyeli haritaları ve uluslararası vaka çalışmalarından faydalanan araştırma, enerji tasarrufu, karbon azaltımı ve ekonomik uygulanabilirliği ölçmektedir. Metodolojik olarak, senaryoları değerlendirmek için mevsimsel enerji üretim faktörleri, rejeneratif frenleme ve seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) modelleri kullanılmaktadır. Temel bulgular, Ankara'nın raylı sistemlerinin rejeneratif frenleme kullanarak yıllık enerji tüketimini 22 GWh azaltabileceğini, İstanbul ve İzmir'in ise sırasıyla 90 GWh ve 44 GWh tasarruf edebileceğini göstermektedir. Üç şehir için karbon emisyonlarında 47,3 bin, 193,5 bin ve 94,6 bin ton CO2 azaltımı öngörülmektedir. Ekonomik analizler 5,8, 4,2 ve 3,7 yıllık geri ödeme sürelerini ve %17,2, %23,7 ve %27,4'e ulaşan yatırım getirisi (ROI) oranlarını ortaya koymaktadır. Çalışma, hibrit enerji depolama sistemleri ve güneş enerjili havalandırma gibi altyapı modernizasyonunun AB Yeşil Mutabakatı ve Paris Anlaşması gibi küresel sürdürülebilirlik çerçevelerine uyum sağlamadaki kritik rolünü vurgulamaktadır. Bununla birlikte, şebeke uyumluluğu ve mevsimsel enerji değişkenliği gibi zorluklar hedefe yönelik müdahaleler gerektirmektedir. Politika önerileri, Türkiye'nin düşük karbonlu kentsel hareketliliğe geçişini hızlandırmak için kamu-özel sektör ortaklıklarının geliştirilmesini ve uluslararası yeşil fonlardan yararlanılmasını içermektedir.

Keywords

• Raylı ulaşım sistemleri
• Sürdürülebilirlik
• Yeşil dönüşüm
• Yenilenebilir enerji

References

1. IEA (2024) CO2 emission in 2022. https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2022. Erişim 16 Kasım 2024
2. Zhang H (2022) Analysis of the low-carbon, environmental-friendly, energy-saving, and emission-reduction evaluation model of urban rail transit based on the spatiotemporal distribution of passenger flow. Sci Program 8995448. https://doi.org/10.1155/2022/8995448
3. Guo H, Zha L, Zang S, Wei Y (2024) Calculation of greenhouse gas emissions of urban rail transit systems in China. Proc Inst Civ Eng Eng Sustain 177(4):209-216. https://doi.org/10.1680/jensu.23.00001
4. Ghaviha N, Campillo J, Bohlin M, Dahlquist E (2017) Review of application of energy storage devices in railway transportation. Energy Procedia 105:4561-4568. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.980
5. Zhao Y, Zhong Z, Lin F, Yang Z (2024) Multi time scale management and coordination strategy for stationary super capacitor energy storage in urban rail transit power supply system. Electr Power Syst Res 228:110046. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2023.110046
6. Tian L, Huamg Y, Liu S, Sun S, Deng J, Zhao H (2021) Application of photovoltaic power generation in rail transit power supply system under the background of energy low carbon transformation. Alexandria Eng J 60:5167–5174. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.04.008
7. Binduhewa PJ (2021) Sizing algorithm for a photovoltaic system along an urban railway network towards net zero emission. Int J Photoenergy 5523448. https://doi.org/10.1155/2021/5523448
8. Aguado JA (2018) Optimal operation of electric railways with renewable energy and electric storage systems. IEEE Trans Smart Grid 9(2):993-1001.

9. Wang X, Zhang X, Qin B, Guo L (2023) Improved multi-objective grasshopper optimization algorithm and application in capacity configuration of urban rail hybrid energy storage systems. J Energy Storage 72:108363. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108363
10. Wang X, Zhang X, Qin B (2024) Improved multi-objective differential evolution algorithm and its application in the capacity configuration of urban rail photovoltaic hybrid energy storage systems. J Energy Storage 98:113155. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113155
11. Li G, Or SW (2024) Multi-agent deep reinforcement learning-based multi-time scale energy management of urban rail traction networks with distributed photovoltaic–regenerative braking hybrid energy storage systems. J Cleaner Prod 466:142842. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142842
12. Ukpanah I (2024) Top Countries leading green public transport revolution: Innovations and global impact. https://www.greenmatch.co.uk/blog/green-public-transport. Erişim 16 Kasım 2024
13. Ou Y, Zheng J, Liang Y, Bao Z (2024) When green transportation backfires: High-speed rail's impact on transport-sector carbon emissions from 315 Chinese cities. Sustaina Cities Society 114:105770. https://doi.org/10.1016/j.scs.2024.105770
14. Anderson K (2024) How does the London Underground contribute to pollution? https://greenly.earth/en-gb/blog/ecology-news/how-does-the-london-underground-contribute-to-pollution. Erişim 16 Kasım 2024
15. Mavi Karbon Teknolojisi AŞ (2024) Yeni Delhi dünyanın ilk tam güneş enerjili metrosu olma yolunda mı? https://tr.bct-vnergy.com/news/the-first-fully-solar-powered-metro-53932642.html. Erişim 16 Kasım 2024
16. Önder HG, Akdemir F (2024) Kent içi raylı toplu taşıma sistemi performansının farklı çok ölçütlü karar verme teknikleri ile karşılaştırmalı değerlendirilmesi. Demir Müh 19:184-196. https://doi.org/10.47072/demiryolu.1395294
17. Avcı Karataş Ç (2023) Gaziantep banliyö projesi (Gaziray) raylı sistem hattı tünellerinde olası tren yangını durumunda tünel acil durum havalandırma sisteminin simülasyonu. J Innovative Eng Nat Sci 3(2):167-190. http://doi.org/10.29228/JIENS.70514
18. Avci Karatas C (2025). Optimizing fire safety and ventilation strategies for structural ıntegrity in rail tunnels. Civil Eng J 11(2):14. https://doi.org/10.28991/CEJ-2025-011-02-014
19. EPDK (2024) Enerji piyasası düzenleme kurumu 2024 elektrik piyasası ağustos sektör raporu. https://www.epdk.gov.tr/Detay/DownloadDocument?id=81YDfiCQjC4=. Erişim 16 Kasım 2024
20. EGO (2024) Ankara raylı sistemler ağ haritası. https://www.ego.gov.tr/resim/normal/31459.jpg. Erişim 16 Kasım 2024
21. EGO (2024) İstatistik. https://www.ego.gov.tr/tr/sayfa/61/istatistikler. Erişim 16 Kasım 2024
22. Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi (TEİAŞ) (2025) Türkiye elektrik üretim-iletim 2023 yılı istatistikleri. https://www.teias.gov.tr/turkiye-elektrik-uretim-iletim-istatistikleri. Erişim 29 Mart 2025
23. Metro İstanbul (2024) İstanbul raylı sistemler ağ haritası. https://www.metro.istanbul/yolcuhizmetleri/agharitalari. Erişim 16 Kasım 2024
24. Metro İstanbul (2024) Sürdürülebilirlik raporu. https://www.metro.istanbul/Dosyalar/efqm/surdurebilirlik_raporu2023.pdf. Erişim 16 Kasım 2024
25. İzmir Metro (2024) İzmir raylı sistemler ağ haritası. https://www.izmirmetro.com.tr/upload/güncel%20raylı%20sistem%20ağ%20haritası.jpg. Erişim 16 Kasım 2024
26. İzmir Metro (2024) Faaliyet raporu 2020. https://www.izmirmetro.com.tr/Sayfa/43/26/2015-faaliyet-raporu-ozet. Erişim 16 Kasım 2024
27. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2024) Güneş enerjisi potansiyeli atlası. https://gepa.enerji.gov.tr/. Erişim 16 Kasım 2024
28. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2024) Rüzgar enerjisi potansiyeli atlası. https://repa.enerji.gov.tr/REPA/. Erişim 16 Kasım 2024
29. Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği (TÜREB) (2025) Türkiye rüzgar enerjisi istatistik Temmuz 2024 raporu. https://www.tureb.com.tr//yayinlar/turkiye-ruzgar-enerjisi-istatistik-raporlari/5. Erişim 30 Mart 2025
30. Ankara Kalkınma Ajansı (2025) Ankara’da yenilenebilir enerji konusunda kümelenme analizi. https://www.kalkinmakutuphanesi.gov.tr/assets/upload/dosyalar/34.pdf. Erişim 30 Mart 2025
31. İstanbul Kalkınma Ajansı (2025) İstanbul’da yenilenebilir enerji teknolojileri ekosistemi. https://istka.org.tr/Archive/Content/94a3eabccc7accdece2e86d84fe6259283531fdc.pdf. Erişim 30 Mart 2025
32. İzmir Kalkınma Ajansı (2025) İzmir ili yenilenebilir enerji sektör analizi. https://izka.org.tr/wp-content/uploads/pdf/12_Yenilenebilir_Enerji_Sekto_r_Analizi.pdf. Erişim 30 Mart 2025
33. IRENA (2024) Renewable power generation costs in 2022. https://www.irena.org/renewable-power-generation-costs-in-2022/. Erişim 16 Kasım 2024
34. EIA (2024) Electric power monthly. https://www.eia.gov/electricity/monthly/. Erişim 16 Kasım 2024
35. IEA (2024) Gas market report 2023. https://www.iea.org/reports/gas-market-report-2023. Erişim 16 Kasım 2024
36. Lazard.com (2024) Levelized Cost of Energy Plus. https://www.lazard.com/research-insights/levelized-cost-of-energy-plus/. Erişim 16 Kasım 2024
37. Ökten M.(2023) Isı ve elektrik enerjisi üretimi için doğal gaza yeşil bir çözüm: Güneş enerjisi uygulamalarıyla bir örnek olay incelemesi. Gümüşhane J Sci (GUJS) 13(3):702-717. https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.123214
38. Bulut A, Özkardeş S (2025) Thies HH, Zdrallek M, Schwan M. Belli bir kalite düzeyi için sermaye harcamaları (CAPEX) ile işletme harcamalarını (OPEX) optimize edecek bir model. https://www.emo.org.tr/ekler/6c1810def62ed40_ek.pdf. Erişim 30 Mart 2025
39. Ökten M (2021) An investigation on provincial production & consumption of electric energy: A case analysis for Ankara. Kocaeli J Sci Eng (KOJoSE) 4(1):59-68. https://doi.org/10.34088/kojose.800608