Dünya ve Türkiye'deki çimento endüstrisinin CO2 emisyonunu azaltmayöntemlerinin karşılaştırılması
Comparison of CO2 emission reduction methods of the cement industry in the world and Türkiye
Yazar: FATMA DİKÇAL AKARSU
Danışman: PROF. DR. DİDEM SALOĞLU DERTLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Afet ve Acil Durum Ana Bilim Dalı / Afet Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Tıbbi Ekoloji ve Klimatoloji = Medical Ecology and Climatology
Dizin: Karbon emisyonu = Carbon emission

Özet:
Sera gazlarından olan ve çoğunluğu fosil yakıtların yanması sonucunda ortaya çıkan CO2, dünyamızın ısınmasında büyük rol oynamaktadır. Dünyamızın ısınması, iklim değişikliği, aşırı hava olayları, buzulların erimesi, deniz ve okyanus seviyelerini yükselmesi, gıda ve su kıtlığı, biyoçeşitlilikte azalma gibi insan yaşamını olumsuz etkileyen durumlara sebep olmaktadır. Bu nedenle başta CO2'i azaltmak amacıyla Paris Anlaşması ve Avrupa Yeşil Mutabakatı gibi geniş kapsamlı emisyon azaltma hedefleri ve yol haritaları belirlenmiş ülkeler tarafından imzalanarak, kabul edilmiştir. 
Paris Anlaşması'nda alınan kararlara bağlı olarak ülkelerin, 2030 yılına kadar sera gazı emisyonlarının %45 oranında azaltması, 2050 yılına kadar ise net sıfır hedefine ulaşması gerekmektedir. Lakin ABD Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi (NOAA) ve Scripps Enstitüsü, Hawaii'deki Mauna Loa Atmosferik Temel Gözlemevi'nin yaptığı ölçümlere bakıldığında 2023 Mayıs ayında 422,39 ppm olan CO2 konsantrasyonunu, 2024 Mayıs ayında 426,3 ppm değerine ulaşmıştır. Buna göre, 2023 yılı baz alındığında yıllık değişim %0,92 olurken 1990 yılına göre %20, sanayi önceki devre göre ise %50 civarında bir artış meydana gelmiştir. Küresel enerji talebi bu hızla artmaya devam ederse ve belirlenen emisyon azaltma hedefleri uygulanmazsa yüzyılın sonunda CO2 konsantrasyonu 800 ppm veya daha yüksek seviyelere ulaşabilir. 
İnsan faaliyetleri nedeniyle atmosferdeki konsantrasyonu artan CO2'ın sektörel birçok kaynağı mevcuttur. Enerji sektörü başta olmak üzere sanayi, tarım ve atıklar hem CO2'in hem de diğer sera gazlarının ana kaynağıdır. Sanayi de yoğun enerji gerektiren faaliyetlerde CO2 salınımı toplam emisyonu oldukça fazla etkilemektedir. Çimento sektörü de fosil yakıtların kullanıldığı yüksek derecede ısı gerektiren bir üretim prosesine sahip olduğu için antropojenik sera emisyonlarının %5'inden sorumludur. 
Çimento üretimi sırasında kalsinasyon aşamasında gerekli olan 1450-1900oC'lik ısıya ulaşmak için kullanılan fosil yakıtlardan, klinker oluşumunda kireç taşının kalsiyum oksite dönüşümü sırasındaki kimyasal reaksiyonlardan ve tesis içi enerji gerektiren diğer faaliyetlerden ciddi oranda CO2 salımı olur. 
Sektör bu CO2 salımını azaltabilmek için enerji verimliliği iyileştirmeleri, alternatif yakıtların kullanımı ve malzeme ikamesi gibi yöntemler kullanmaktadır. Bu yöntemler her ne kadar CO2 salımını azaltsa da bu sorunun tamamen çözülebilmesi için karbon yakalama ve depolama (CSS) gibi yeni ve yenilikçi teknolojilerin kullanılması önem arz etmektedir. CCS teknolojilerinin çimento tesislerine entegrasyonu ile 2050 yılına endüstrisindeki en büyük kümülatif CO2 emisyonunu azaltması öngörülmektedir. Çimento sektörü için CCS seçenekleri arasında amin temizleme, oksiyakıt yakma, kalsiyum döngüsü ve membranlar yer almakta olup bu teknolojilerin avantajları ve dezavantajları son yıllarda geniş çapta araştırılmakta ve tartışılmaktadır. 
Sunulan tez çalışmasında dünya genelinde üretim kapasitesi yüksek çimento şirketleriyle ve Türkiye'de faaliyet gösteren büyük çimento şirketlerinin emisyon azaltma stratejileri karşılaştırılmıştır. Böylelikle Türkiye olarak emisyon azaltma stratejilerinde uygulanan mekanizmaların yeterliliği konusunda çıkarımlarda bulunulmuştur.  Bu bağlamda, dünya genelinde yapılmış olan antlaşmalar sayesinde alınan ortak kararların ve stratejilerin uygulama aşamasına gelindiğinde devlet ve şirket politikaları, şirketin misyonu ve vizyonu, fiziksel koşullar, maaliyet vb. parametrelerden dolayı değişkenlik gösterdiği açıktır. 
Dünyanın önde gelen çimento şirketleri CO2 emisyonlarının azaltılmasında öncü   niteliğinde yeşil dönüşüm stratejileri belirleyerek bunları uygulamaya geçmiştir. Lider konumdaki bu şirketler, çimento üretimi sürecinde, yeşil enerjiden elde edilen alternatif yakıtların kullanılması, alçıtaşına alternatif hammadde kullanılması, enerji tasarrufu, elektrifikasyon (yeşil enerjiden elde edilen elektriğin kullanımı), otonom araç ve sistemlerin kullanılması,  atık ısıdan enerji elde edilmesi, atık malzemelerden katkı malzemesi yapılması, beton ve inşaat kalıntılarının çimentoya dönüştürülmesi ve en önemlisi de karbon yakalama ve depolama teknolojilerine yatırımlarla 2050 yılına kadar %95 oranında CO2 emisyonunu azaltmayı hedeflemektedirler.  
Türkiye'deki büyük çimento şirketleri, CO2 emisyonu azaltmak için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, klinkerdeki alçıtaşının azaltılması veya eşdeğer ürünlerle ikamesi, tesislerdeki enerji verimliliğinin artırılması, enerji tasarrufu noktasında lider çimento şirketleriyle benzer bir yol izlemektedir. Farklı olarak Türkiye'deki çimento fabrikaları CO2 emisyonunu azaltmak amacıyla atıkların yakılmasıyla enerji elde edilmesi ve atıklardan hammadde eldesi gibi yöntemlere daha fazla yönelmiştir. 
Küresel çapta bir dönüşümün gerçekleştiği bu noktada riskler ve fırsatlar yer almaktadır. Gereken müdahalenin zamanında yapılabilmesi için bu risklerin ve fırsatların şirket tarafından çok iyi analiz edilmesi gerekmektedir. Bunun yanında CO2 azaltma stratejilerinin, bu stratejiler ışığında yapılan uygulamaların her yıl raporlanarak kamuya açık hale getirilmesi, diğer şirketlerle bu ortak paydada hareket edilebilmesi gerekiyorsa desteklenebilmesi emisyon sıfırlama hedefine ulaşmada ve gelecek nesillere temiz bir dünya bırakmada büyük önem arz etmektedir.

Abstract:
CO2, primarily emitted from the burning of fossil fuels, is a greenhouse gas that plays a significant role in the warming of our planet. This warming contributes to climate change, extreme weather events, the melting of glaciers, rising sea levels, food and water scarcity, and a reduction in biodiversity, negatively affecting the lives of humans and other living beings. Consequently, it has become imperative to reduce CO2 emissions on a global scale. To address this issue, comprehensive emission reduction targets and roadmaps, such as the Paris Agreement, United Nations Framework Convention on Climate Change, Kyoto Protocol, European Green Deal, Intergovernmental Panel on Climate Change the European Green Deal, have been established and adopted by nations. These initiatives aim to mitigate the impact of CO2 emissions and promote sustainable practices worldwide.
According to the decisions made in the Paris Agreement, countries are required to reduce greenhouse gas emissions by 45% by 2030 and achieve a net zero target by 2050. As the fight against the climate crisis gains momentum, companies are also starting to declare net zero emission and carbon neutral targets alongside the countries that are party to the agreement.
The European Green Deal envisages green transformation in various sectors from agriculture to industry, energy, and transportation, aiming to make Europe a carbon-neutral continent by 2050. One of the tools to realize this vision is the "Carbon Border Adjustment Mechanism" (CBAM), which proposes imposing additional financial burdens based on the amount of greenhouse gas emissions produced in the production of imported goods. The CBAM will initially be introduced as an emission reporting obligation for five carbon-intensive sectors (cement, electricity, fertilizers, iron and steel, and aluminum) starting in 2023, followed by the implementation of a tax based on this reporting system from 2026 onwards.
While all these treaties, goals, and strategies are being adopted and implemented, greenhouse gases, especially CO2, continue to increase. According to measurements taken by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and the Scripps Institution at the Mauna Loa Atmospheric Observatory in Hawaii, the CO2 concentration that was 422.39 ppm in May 2023 reached 426.3 ppm in May 2024. As a result, compared to 2023, there was an annual change of 0.92%, representing a 20% increase from 1990 and around 50% increase from the previous industrial period. If global energy demand continues to rise at this pace and the set emission reduction targets are not implemented, the CO2 concentration could reach 800 ppm or higher levels by the end of the century.
Due to human activities, CO2 concentration in the atmosphere is increasing, with various sources in different sectors. Industries, agriculture, and waste, especially in the energy sector, are major sources of both CO2 and other greenhouse gases. 
Industrial activities requiring intensive energy lead to a significant increase in CO2 emissions in total emissions. The cement sector, characterized by a production process that requires high temperatures using fossil fuels, accounts for 7% of anthropogenic greenhouse gas emissions.
Significant CO2 emissions occur during cement production, resulting from the use of fossil fuels to reach the necessary 1450-1900°C heat during the calcination stage, chemical reactions during the lime transformation to calcium oxide in clinker formation, and other energy-intensive activities within the plant.
Global cement production has averaged around 4.1 billion tons annually over the past decade. This indicates a direct relationship between the cement and concrete industry, global population growth, economic expansion, and its significant role in serving the construction sector. As the production increases, the sector's CO2 emissions have increased by 10% reaching 2.4 Gt/CO2 levels. The primary challenge faced by the cement sector is to meet the high demand for cement while simultaneously reducing emissions.
Turkey, on the other hand, has produced an average of 64.9 million tons of cement annually over the past decade. In 2023, the total cement industry greenhouse gas emissions in Turkey increased to 564.4 Mt CO₂ equivalent from the 2021 level. This represents an approximate 7.7% increase compared to the total greenhouse gas emissions of 524.00 Mt CO₂ equivalent in 2020.
The sector utilizes methods such as improving energy efficiency, using alternative fuels, and material substitution to reduce CO2 emissions. While these methods help decrease CO2 emissions, addressing this issue completely requires the use of new and innovative technologies like carbon capture and storage (CCS). The integration of CCS technologies into cement plants is expected to significantly reduce the industry's largest cumulative CO2 emissions by 2050. Among the CCS options for the cement sector are amine scrubbing, oxy-fuel combustion, calcium looping, and membranes, with the advantages and disadvantages of these technologies being widely researched and debated in recent years.
In the presented thesis, emission reduction strategies of large cement companies operating worldwide and in Turkey are compared. This comparison allows for implications to be made regarding the adequacy of emission reduction mechanisms implemented in Turkey. In this context, it is evident that state and corporate policies, the company's mission and vision, physical conditions, costs, etc., vary due to agreements made worldwide when it comes to the implementation of joint decisions and strategies.
The cement industry has developed various strategies to reduce greenhouse gas emissions, with increasing energy efficiency being a key priority. Improving energy efficiency in coal-fired plants can decrease fuel consumption and subsequently reduce greenhouse gas emissions. Furthermore, promoting waste reduction and recycling plays a significant role in reducing the environmental impact of the cement industry.
Utilizing supplementary materials in cement production is an effective method to decrease the carbon footprint. Clinker, the main component of cement, requires high energy input. Substituting materials like ground limestone and calcined clay for clinker can help reduce carbon emissions in the production process.
Transitioning to renewable and carbon-free energy sources also plays a crucial role in reducing the cement industry's carbon footprint. Shifting from fossil fuels to renewable energy sources can make energy consumption more environmentally friendly. Additionally, using alternative energy sources such as waste incineration can further reduce the environmental impact of the cement industry.
Carbon capture and storage (CCS) technologies also play a significant role in reducing greenhouse gas emissions in the cement industry. CCS technologies aim to capture and store CO2 before it is released into the atmosphere. Implementing these technologies can help control CO2 emissions in the cement industry and reduce environmental impacts.
Carbon pricing is an approach that encourages the reduction of carbon emissions by using market-based mechanisms and passes on the environmental costs to producers and consumers. This approach provides financial incentives to promote low-carbon behaviors by reducing emissions, facilitates financing for low-carbon investments and climate adaptation, and is rapidly continuing global carbon pricing efforts in the cement industry.
The combined implementation of all these strategies will be a significant step in reducing the CO2 emissions of the cement industry. Continuously developing innovative solutions to reduce the carbon footprint of the cement industry is crucial to keep the sector's carbon emissions under control.
Leading cement companies in the world have initiated green transformation strategies as pioneers in reducing CO2 emissions. These forefront companies aim to reduce CO2 emissions by up to 95% by 2050 by implementing strategies such as using alternative fuels derived from green energy, utilizing alternative raw materials to gypsum, energy efficiency, electrification, utilizing autonomous vehicles and systems, generating energy from waste heat, producing additive materials from waste materials, converting concrete and construction waste into cement, and most importantly, investing in carbon capture and storage technologies.
The common emission reduction strategies for the cement industry in Turkey are adapted considering each company's specific conditions. This involves analyzing factors such as physical condition, financial status, operational performance, technological capacity, emission sources, and developing customized strategies and action plans for the company based on this analysis.
Cement producers operating in Turkey are adopting various innovative approaches to minimize the amount of carbon dioxide released into the atmosphere. These approaches include transitioning to renewable energy sources, reducing or replacing the use of gypsum in clinker production, and maximizing energy efficiency in production facilities. These methods are in line with the energy-saving strategies followed by leading companies in the sector. Moreover, cement factories in Turkey have increasingly turned to methods such as generating energy by burning waste materials and using these wastes as alternative raw materials to achieve their CO2 emission reduction targets. These strategies not only comply with sustainability and environmental protection standards but also have the potential to reduce operational costs and increase resource efficiency.
At this point where a global transformation is taking place, there are both risks and opportunities. To intervene in due time, these risks and opportunities need to be thoroughly analyzed by the company. In addition, it is crucial for CO2 reduction strategies to be reported annually in the light of these strategies, made publicly available, and supported if collaboration with other companies on this common ground is necessary to achieve emission reduction targets and leave a clean world for future generations.