Geri Dön

Carbon capture storage and utilization in the cement industry: Systematic literature review on methanol and urea production from carbon based emissions

Çimento endüstrisinde karbon yakalama ve kullanımı:Karbon kaynaklı emisyonlardan metanol ve üre üretimi hakkında sistematik literatür incelemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 961852
  2. Yazar: GÖKÇE YALIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT UYAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 123

Özet

Sanayileşmenin yalnızca yerel ölçeklerde değil, küresel düzeyde hızla ivmelenmesi ve ekonomik büyümenin hâlen büyük ölçüde üretim odaklı bir paradigma üzerinden şekillenmesi, karbon bazlı sera gazı emisyonlarının son on yıllarda keskin bir artış eğilimi göstermesine neden olmuştur. Özellikle 20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren artan sanayi üretimi, fosil yakıtlara dayalı enerji sistemleri ve altyapı yatırımlarındaki yoğunlaşma, atmosferdeki CO₂ birikimini tarihsel olarak eşi benzeri görülmemiş seviyelere taşımıştır. Bu eğilim, yalnızca küresel ortalama sıcaklıkların artmasına değil, aynı zamanda iklim sisteminde geri dönüşü zor olan eşiklerin yaklaşmasına da zemin hazırlamaktadır. Günümüzde iklim değişikliğiyle mücadele hem bilimsel hem de politik gündemde en kritik ve acil çözüm gerektiren konulardan biri hâline gelmiştir. Küresel ölçekte bakıldığında, enerji yoğun ve üretim ağırlıklı sanayi sektörleri toplam CO₂ emisyonlarının çok büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu emisyonlar, yalnızca enerji tüketiminden kaynaklanmaz; üretim süreçlerinin yapısal ve kimyasal doğasına gömülü olan, süreç kaynaklı salımlar da bu toplamın önemli bir kısmını oluşturur. Çelik, alüminyum, kimya ve özellikle çimento gibi“hard-to-abate”(azaltımı zor) olarak nitelendirilen sektörlerde, enerji verimliliği artırımı veya yakıt dönüşümü gibi klasik dekarbonizasyon stratejileri tek başına yeterli olmamaktadır. Bu bağlamda, Karbon Yakalama, Depolama ve Kullanım (CCSU) teknolojileri, iklim değişikliğiyle mücadelede yalnızca azaltım hedeflerine katkı sunmakla kalmayan, aynı zamanda sanayi stratejilerinde yapısal dönüşümü tetikleyebilecek potansiyele sahip, stratejik ve çok yönlü bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu teknolojiler, karbonu atmosferden uzaklaştırma işleviyle çevresel yükü azaltırken, aynı zamanda onu üretim zincirine geri kazandırarak sanayiye değerli bir hammadde kaynağı sağlayabilmektedir. Böylece hem küresel ölçekte emisyon azaltımı hem de ekonomik kazanım aynı süreç içerisinde mümkün hale gelmektedir. Özellikle metanol ve üre gibi yüksek katma değerli kimyasal ürünlerin CO₂ kullanılarak üretilmesi, bu teknolojilerin çift yönlü faydasını somutlaştıran en önemli örneklerden biridir. Metanol, enerji taşıyıcısı, yakıt katkı maddesi ve kimyasal hammadde olarak çok geniş bir endüstriyel kullanım alanına sahiptir. Üre ise küresel ölçekte en yaygın kullanılan azotlu gübrelerden biri olup tarım sektöründe stratejik bir öneme sahiptir. Bu iki ürünün, fosil kaynaklardan elde edilmesi yerine, doğrudan endüstriyel proseslerden veya enerji üretiminden yakalanan CO₂ kullanılarak üretilmesi hem karbon döngüsünün kapatılmasına hem de fosil bazlı üretimden kaynaklanan ilave emisyonların önlenmesine olanak tanır. Bunun yanı sıra, bu üretim modelleri, karbon yönetimini yalnızca bir maliyet kalemi olmaktan çıkarıp sanayi için yeni ve sürdürülebilir gelir akışları yaratabilecek yenilikçi bir iş modeline dönüştürme potansiyeline sahiptir. Ancak mevcut akademik literatür incelendiğinde, CCSU teknolojilerinin çimento sektörü özelinde endüstriyel ölçekte uygulanmasına yönelik çalışmaların hâlen oldukça sınırlı olduğu görülmektedir. Mevcut araştırmaların önemli bir kısmı laboratuvar ölçeğinde veya pilot düzeyde yürütülmekte, bu nedenle sanayi ölçeğinde uygulanabilirlik, tedarik zinciri entegrasyonu, ekonomik sürdürülebilirlik, yaşam döngüsü performansı ve çevresel etkilerin bütüncül olarak değerlendirildiği kapsamlı çalışmaların eksikliği göze çarpmaktadır. Özellikle, proses optimizasyonu, enerji entegrasyonu, katalizör teknolojilerinin olgunlaşması, ürün saflığı standartlarının karşılanması, karbon bazlı ürün pazarlarının dinamikleri ve mevzuat uyumu gibi çok boyutlu konular, literatürde çoğunlukla parçalı ve disiplinler arası bütünleşmeden uzak şekilde ele alınmaktadır. Bu araştırma, söz konusu bilgi boşluğunu sistematik, şeffaf ve disiplinler arası bir yöntemle ele alarak doldurmayı hedeflemektedir. Araştırmanın temel amacı, çimento sektöründen kaynaklanan CO₂ emisyonlarının CCSU teknolojileri ile yakalanıp metanol ve üre gibi yüksek katma değerli kimyasallara dönüştürülmesine ilişkin mevcut bilimsel bilgi birikimini bütüncül bir bakış açısıyla taramak, analiz etmek ve sentezlemektir. Bu kapsamda, yalnızca teknolojik fizibilite değil; ekonomik uygulanabilirlik, çevresel performans, politika uyumu ve toplumsal kabul gibi etkenler de dikkate alınmıştır. Çalışmanın kapsamı, birbirini tamamlayan üç ana eksen üzerine inşa edilmiştir. İlk olarak, çimento üretiminin her aşamasında ortaya çıkan doğrudan süreç emisyonları (kalsinasyon kaynaklı) ile dolaylı emisyonlar (enerji kullanımı, hammadde taşımacılığı ve yardımcı prosesler) bütüncül bir şekilde ele alınmıştır. İkinci olarak, karbon kullanım senaryoları yalnızca metanol ve üre üretimi odaklı olacak şekilde sınırlandırılmış, böylece derinlemesine bir teknik ve ekonomik analiz mümkün kılınmıştır. Üçüncü olarak ise, literatür seçimi ve veri analiz süreci, uluslararası düzeyde kabul görmüş PRISMA protokolü çerçevesinde yürütülmüş; bu sayede çalışmanın şeffaflığı, tekrarlanabilirliği ve bilimsel güvenilirliği sağlanmıştır. Bu metodolojik yaklaşım, hem mevcut akademik boşlukların net bir şekilde tespit edilmesine hem de gelecekte yapılacak araştırmalar için güçlü bir referans çerçevesinin oluşturulmasına olanak tanımaktadır. Böylelikle, çalışma yalnızca mevcut durumu özetlemekle kalmayıp, aynı zamanda çimento sektöründe CCSU teknolojilerinin endüstriyel ölçekli uygulamaları için yol gösterici bir stratejik vizyon da sunmaktadır. Metodolojik açıdan çalışma, Sistematik Literatür İncelemesi (SLR) yaklaşımını benimsemiştir. Bu yöntem, araştırmacı önyargısını minimize eden, verileri şeffaf ve tekrarlanabilir bir şekilde toplayan, farklı disiplinlerde dağınık şekilde bulunan bilgileri bütünleştiren yapılandırılmış bir araştırma metodudur. Planlama aşamasında, teknolojik fizibilite, ekonomik uygulanabilirlik ve çevresel performans odaklı araştırma soruları net biçimde tanımlanmış; veri toplama sürecinde Scopus, Web of Science, ScienceDirect, SpringerLink, IEEE Xplore ve Google Scholar gibi önde gelen akademik veri tabanlarında Boolean mantığıyla yapılandırılmış anahtar kelimeler kullanılmıştır. 2013–2025 yılları arasında yayımlanan, hakemli makale, lisansüstü tez veya uluslararası konferans bildirisi niteliği taşıyan ve İngilizce veya Türkçe olarak hazırlanmış çalışmalar incelemeye dahil edilmiştir. Çalışmanın kapsamına uymayan, CCSU teknolojilerini doğrudan ele almayan, akademik niteliği bulunmayan veya yöntemsel olarak yetersiz görülen kaynaklar ise hariç tutulmuştur.Uygulama aşamasında elde edilen kayıtlar öncelikle yinelenenlerden arındırılmış, ardından başlık ve özet taramasıyla ilk eleme yapılmış, uygun görülenlerin tam metinleri ayrıntılı biçimde değerlendirilmiştir. Tematik kodlama yöntemi ile yayınlar beş ana tema altında sınıflandırılmıştır: teknolojik fizibilite ve süreç verimliliği; çevresel etki ve emisyon azaltımı, ekonomik uygulanabilirlik ve finansman modelleri, politika ve düzenleyici uyum; sosyal kabul, adil dönüşüm ve iklim adaleti. Nihai olarak 97 çalışma inceleme kapsamına alınmış olup bunların %76,3'ü hakemli dergi makalesi (alanın akademik ağırlığını gösteren önemli bir oran), %19,6'sı teknik veya kurumsal rapor (uygulama odaklı bilgi kaynağı), %4,1'i ise konferans bildirilerinden (erken aşama araştırma çıktıları) oluşmaktadır. Bulgular PRISMA diyagramı ile görselleştirilerek sürecin şeffaflığı artırılmıştır. Elde edilen bulgular, özellikle 2021–2023 döneminde belirgin bir yayın artışı yaşandığını ve bu artışın AB Yeşil Mutabakatı, IPCC Altıncı Değerlendirme Raporu (AR6) ve ulusal net-sıfır stratejileri gibi küresel iklim politikalarıyla doğrudan ilişkili olduğunu göstermektedir. Coğrafi dağılımda Avrupa ve Asya merkezli çalışmaların yoğunluğu dikkat çekmekte, Kuzey Amerika ve Avustralya'da da artan sayıda araştırma yapılmaktadır. Çalışmaların önemli bir kısmı halen laboratuvar veya pilot ölçekli uygulamalara odaklanmakta, sanayi ölçeğinde uygulama örnekleri ise sınırlı kalmaktadır. Teknolojik açıdan amine absorpsiyon sistemleri, yüksek ayırma verimi ve TRL 8–9 seviyesinde (ticari olgunluk aşamasına yakın) olmaları nedeniyle öne çıkmaktadır. Bunun yanında oksiyakıt yakma, kalsiyum döngüsü (CaL), membran ayırma ve doğrudan hava yakalama (DAC) teknolojilerinde de pilot ölçekte kayda değer ilerlemeler mevcuttur. Metanol üretiminde sentez gazı üretimi, katalizör verimliliği ve enerji entegrasyonu kritik araştırma alanları arasında yer alırken; üre üretiminde amonyak sentezi ile entegrasyon, proses ısısı optimizasyonu ve CO₂ saflığının artırılması öncelikli konular arasında bulunmaktadır. Yüksek enerji talebi, bu teknolojilerin uygulanabilirliğinde temel belirleyici faktörlerden biri olup yenilenebilir enerji entegrasyonu, süreç optimizasyonu ve atık ısı geri kazanımı gibi stratejiler bu noktada önemli bir rol oynamaktadır. Ekonomik açıdan sermaye (CAPEX) ve işletme (OPEX) maliyetlerinin yüksekliği, CCSU teknolojilerinin yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerden biridir. Karbon fiyatlandırma mekanizmaları, vergi indirimleri, ABD'deki 45Q vergi kredisi gibi teşvikler ve emisyon ticaret sistemleri, bu teknolojilerin ticarileşmesinde kritik önem taşımaktadır. Pazar boyutunda ise metanol ve üre gibi ürünlerin talep ve fiyat dinamikleri, karbon yönetimi stratejilerinin bütünleşik olarak değerlendirilmesini gerektirmektedir. Çevresel boyutta yaşam döngüsü değerlendirmeleri, CCSU entegrasyonunun net karbon azaltım potansiyelini ortaya koymakta; ancak bazı senaryolarda enerji girdilerinin emisyon azaltım kazanımlarını sınırlayabileceği görülmektedir. Bu nedenle, süreçlerin gerçek anlamda sürdürülebilir olabilmesi için düşük karbonlu enerji kaynaklarının kullanımı kritik önemdedir. Araştırmanın sınırlılıkları arasında coğrafi veri eksiklikleri, sanayi ölçeğinde CAPEX– OPEX verilerinin yetersizliği ve kapsamlı yaşam döngüsü analizlerinin eksikliği yer almaktadır. Gelecekteki araştırmalarda bölgesel farklılıkların detaylı olarak incelenmesi, tam kapsamlı LCA modellerinin geliştirilmesi, düşük karbonlu piyasa dinamiklerinin analiz edilmesi ve toplumsal kabul boyutunun önceliklendirilmesi önerilmektedir. Politika boyutunda ise çalışmanın bulguları, CCSU teknolojilerinin yalnızca teknik olarak olgunlaşmasının yeterli olmadığını, aynı zamanda kapsamlı ve uyarlanabilir bir politika ekosistemine ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir. Yüksek maliyetlerin aşılması için finansal teşviklerin ve karbon piyasası mekanizmalarının geliştirilmesi, net emisyon azaltımı ve CO₂ bazlı ürün standartlarını kapsayan güçlü düzenleyici çerçevelerin oluşturulması, sanayi–akademi iş birliklerinin ve inovasyon merkezlerinin desteklenmesi, toplumsal katılımın ve sosyal meşruiyetin artırılması ile veri temelli ve esnek politika yapım süreçlerinin benimsenmesi, bu teknolojilerin yaygınlaşmasında belirleyici olacaktır. Stratejik bir bakış açısıyla değerlendirildiğinde CCSU, çimento gibi karbon yoğun sektörler için yalnızca bir emisyon azaltım aracı değil, aynı zamanda uzun vadeli rekabet gücü, sürdürülebilirlik ve dirençlilik açısından vazgeçilmez bir unsur hâline gelmektedir. Etkin teşvikler, gelişen karbon piyasaları ve güçlü yönetişim mekanizmaları, CCSU'yu teknik bir potansiyelden çıkararak ekonomik açıdan uygulanabilir ve iklim değişikliği ile mücadelede merkezi bir çözüm hâline getirebilir. Bu çalışmada sunulan kapsamlı analiz ve öneriler, yalnızca mevcut duruma dair bir fotoğraf sunmakla kalmamakta; aynı zamanda gelecek araştırmalar için net bir araştırma gündemi, metodolojik yol haritası ve politika tasarımına yönelik öncelik alanlarını ortaya koyarak literatüre kalıcı bir katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis comprehensively evaluates the technical feasibility, environmental performance, and strategic potential of Carbon Capture, Storage and Utilization (CCSU) technologies for reducing CO₂ emissions from the cement industry. Due to its high heat demand, process-related calcination, and the continued use of fossil fuels, the cement sector accounts for approximately 7–8 percent of global greenhouse gas emissions and is among the most difficult-to-abate industries. Since emissions originate not only from production processes but also from auxiliary activities such as energy supply, logistics, and raw material preparation, an integrated carbon management approach is required. The study is based on a systematic literature review conducted in accordance with the PRISMA protocol for the period 2013–2025, focusing on the conversion of CO₂ captured from cement production into value-added chemicals such as methanol and urea. The analysis covers 97 publications, of which 76.3 percent are peer-reviewed journal articles, 19.6 percent are technical or institutional reports, and 4.1 percent are international conference papers. The selected studies are examined in detail in terms of capture mechanisms, conversion routes, catalyst systems, energy integration, process efficiency, and techno-economic indicators. A temporal analysis reveals a significant increase in publication activity during 2021–2023, in alignment with global policy frameworks such as net-zero targets, the EU Green Deal, the IPCC Sixth Assessment Report, and national strategies. The findings show that technologies for converting CO₂ into methanol and urea have reached technical maturity at the laboratory and pilot scales; however, industrial-scale deployment remains limited due to factors such as high energy demand, catalyst durability and selectivity, CO₂ purity and plant integration requirements, and the market competitiveness of the end products. Economic feasibility depends on carbon pricing, incentive mechanisms, and regulatory support under emissions trading systems. The thesis also highlights the importance of enabling factors such as institutional adaptation, industrial collaboration, carbon hubs, and alignment with circular economy principles. Overall, the study provides an interdisciplinary, evidence-based synthesis of the emission dynamics and conversion opportunities in the cement sector, offering actionable recommendations for R&D prioritization, policy design, and sustainable industrial transformation for researchers, industry stakeholders, and policymakers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    946773

    Challenges and considerations in the adoption of carbon capture, utilization and storage technologies in developing countries: The case of Türkiye

    Gelişmekte olan ülkelerde karbon yakalama, kullanma ve depolama teknolojilerinin benimsenmesinde karşilaşilan zorluklarin ve dikkat edilmesi gereken hususlarin incelenmesi: Türkiye örneği

    ZİŞAN ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilim ve TeknolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM İSKENDER AYDIN

  2. Tez No

    932071

    Termik santrallerde karbondioksit yakalama ve buhar yoğuşturma için sürdürülebilir, yenilikçi bir sistem tasarımı

    A sustainable and innovative system design for carbon dioxide capture and steam condensation in thermal power plants

    BEVİN AKÇADAĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Çevre MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MAHNAZ GÜMRÜKÇÜOĞLU YİĞİT

  3. Tez No

    441703

    Oksi yanma şartlarında oluşan karbondioksidin soğutma/sıkıştırma yöntemiyle tutulması üzerine deneysel çalışmalar

    Experimental studies on cooling/compressing of carbon dioxide captured from oxy combustion

    BERK ÇELİKTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN

  4. Tez No

    863705

    Tekirdağ İnönü Ortaokulu: Mevcut durum, koruma sorunları ve önerileri

    Tekirdağ İnönü Middle School: Current state, conservation issues and proposals

    YUNUS EMRE GÜNDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT ALMAÇ

  5. Tez No

    365723

    Karbon yakalama ve depolama teknolojilerinin temiz karbon mekanizmaları içerisindeki rolünün incelenmesi

    Roles of carbon capture and storage technologies in the clean development mechanism

    MEHMET DENİZ ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    EkonomiBahçeşehir Üniversitesi

    Enerji ve Çevre Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YILDIZ ARIKAN

Geri Dön