تاريخ الاستلام: 23 أغسطس 2023 / تاريخ القبول: 14 نوفمبر 2023 / تاريخ النشر على الإنترنت: 9 يناير 2024
© المؤلفون 2024

التنقل نحو الاستدامة في صناعة الأسمنت: استكشاف استراتيجيات التخفيف من خلال نموذج ديناميات الأنظمة

الكلمات الرئيسية ديناميات الأنظمة تخفيف غازات الدفيئة سياسة التخفيف خيارات التخفيف صناعة الأسمنت

تم تحديد تغير المناخ كسبب رئيسي للتهديد الذي يواجه الكوكب اليوم بسبب الأنشطة البشرية، كما يتضح (IPCC 2018). لقد أدى تأثير الأفعال البشرية وحدها إلى ارتفاع في متوسط درجات الحرارة العالمية مقارنة بالفترة التي سبقت الثورة الصناعية. تشير التوقعات إلى أنه بحلول عام 2046، سيرتفع متوسط درجة الحرارة العالمية بمقدار ، كما تم التنبؤ به في بداية هذا القرن (تانغ وآخرون 2022). الأسمنت هو مادة بناء مستخدمة على نطاق واسع وقد زادت إنتاجيته منذ منتصف القرن التاسع عشر. في عام 2022، كان الإنتاج العالمي للأسمنت حوالي 4.2 مليار طن، وهو زيادة كبيرة مقارنة بـ 1.39 مليار طن في عام 1995 وتم إنتاجه من قبل أكثر من من الدول والأقاليم (Cembureau 2021)، متجاوزًا مليار طن من الإنتاج المتوقع من قبل الوكالة الدولية للطاقة (IEA) بحلول عام 2050 (IEA 2009). تعتبر هذه الزيادة في إنتاج الأسمنت دليلاً على التوسع الكبير في صناعة البناء على مر السنين. بلغ الإنتاج العالمي للأسمنت 4.1 مليار طن متري في عام 2022 كما هو موضح في الشكل 1.

وفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) (2021) ورابطة الأسمنت الأوروبية Cembureau (2021)، كانت الصين أكبر منتج للأسمنت، حيث تمثل من إجمالي الإنتاج العالمي، تليها الهند (7.0%)، والاتحاد الأوروبي (6.1%)، والولايات المتحدة (2.1%) والبقية . كما هو موضح في الشكل 2، كانت الصين رائدة في إنتاج الأسمنت العالمي، حيث أنتجت
2.1 مليار طن في عام 2022، وهو ما يتجاوز أي دولة أخرى بفارق كبير. أنتجت الصين أكثر من 50% من إجمالي إنتاج الأسمنت العالمي في عام 2022. وكانت الهند، ثاني أكبر منتج للأسمنت في العالم، بعيدة جدًا بإنتاج قدره 370 مليون طن. وكانت فيتنام في المرتبة الثالثة على القائمة العالمية، حيث أنتجت 120 مليون طن من الأسمنت في نفس العام. في عام 2022، أنتجت الولايات المتحدة حوالي 95 مليون طن من الأسمنت وجاءت في المرتبة الرابعة بين أكبر دول إنتاج الأسمنت في العالم. تستهلك صناعة الأسمنت كمية كبيرة من الطاقة وتنتج كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون . يتم إنتاج الأسمنت البورتلاندي، وهو النوع الأكثر استخدامًا من الأسمنت على مستوى العالم، عن طريق طحن الكلنكر الأسمنت البورتلاندي، وهو مادة هيدروليكية تتكون أساسًا من سيليكات الكالسيوم (وانغ وآخرون 2014).

تنتج عملية إنتاج الأسمنت حوالي 0.9 طن من لكل طن من الأسمنت (حسن بيغي وآخرون 2010)، مما يمثل حوالي من إجمالي الانبعاثات ويحتل المرتبة الثانية كأكبر مصدر ل الانبعاثات (ميكولشي وآخرون 2016؛ كاجاستي وهورمي 2016). وفقًا لتقرير الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC)، كانت صناعة الأسمنت مسؤولة عن من إجمالي انبعاثات الناجمة عن الأنشطة البشرية في عام 2005 (بيرت وآخرون 2005). في عام 2019، أنتجت صناعة الأسمنت 2.4 غيغاطن (Gt) من ، مما يشكل من إجمالي الانبعاثات من القطاع الصناعي (IEA 2020). في إنتاج الأسمنت، تأتي تقريبًا من انبعاثات غازات الدفيئة من استهلاك المواد، بينما يأتي حوالي من احتراق الوقود. يتم تقسيم المتبقي بالتساوي بين استخدام الكهرباء والنقل (مادالينا وآخرون 2018؛

سومربيل وآخرون 2016). في عام 2021، ارتفع إنتاج الأسمنت العالمي إلى حوالي 1.7 مليار طن متري من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. شهدت هذه الانبعاثات زيادة كبيرة منذ الستينيات وتضاعفت أكثر من مرتين منذ بداية القرن الحادي والعشرين، كما هو موضح في الشكل 3. يتجاوز الإنتاج السنوي العالمي للأسمنت أربعة مليارات طن متري.

مع استمرار زيادة إنتاج الأسمنت، تزداد أيضًا انبعاثات . يؤدي حرق مواد مختلفة مثل الفحم، والغاز الطبيعي، وزيت الوقود الثقيل، والكتلة الحيوية، والبتروكوك، والوقود المهدور أو زيت الوقود إلى توليد الطاقة. الفحم هو المصدر الرئيسي
والتقليدي للطاقة في جنوب إفريقيا، والصين ودول أخرى (بيرييرا وآخرون 2011). تنتج عملية إنتاج الكلنكر، المكون الرئيسي للأسمنت البورتلاندي، حوالي 0.527 طن من لكل طن من الكلنكر، تحديدًا من عملية التحلل الحراري التي تمثل من الانبعاثات داخل عملية إنتاج الأسمنت (هي 2009). يتم إطلاق بقية الانبعاثات من الوقود الكربوني واستخدام الكهرباء (ووريل وآخرون 2001). تستهلك هذه المراحل كميات مختلفة من الطاقة، حيث تكون عملية حرق الكلنكر مسؤولة عن أعلى نسبة من استهلاك الطاقة ( )، تليها عملية الطحن النهائي ( )،

الطحن الخام (20%) والطحن المساعد (15%) (مادلوول وآخرون 2011).

يعد إزالة الكربون من هذا القطاع أمرًا حيويًا لمواجهة تغير المناخ. وبالتالي، تم إجراء أبحاث وتحليلات واسعة حول الحلول العملية لإزالة الكربون، كما يتضح من هذه الدراسات (فينيل وآخرون 2021؛ هابرت وآخرون 2020؛ بامنتير ومايرز 2021). نظرًا للانبعاثات الكبيرة من غازات الدفيئة التي تطلقها صناعة الأسمنت ومساهمتها في تغير المناخ، أصبحت الصناعة محور تركيز رئيسي لتقليل الانبعاثات في الاتفاقيات الدولية. تهدف هذه الاتفاقيات، بما في ذلك اتفاقية باريس بموجب اتفاقية الأمم المتحدة الإطارية بشأن تغير المناخ، إلى الحد من ارتفاع درجة الحرارة العالمية إلى أقل من أو ربما قريب من 1.5 (روكستروم وآخرون 2017؛ فونتا 2017). لقد طورت مبادرة شراكات التكنولوجيا منخفضة الكربون (LCTPi)، وهي برنامج تقوده مجلس الأعمال العالمي للتنمية المستدامة (WBCSD)، خطة عمل الأسمنت. تهدف هذه الخطة إلى تقليل الانبعاثات من خلال بحلول عام 2030 ويتضمن التعاون مع كبار منتجي الأسمنت في أكثر من 100 دولة، مما يمثل من الإنتاج العالمي (تغيير 2017). لذلك، فإن اعتماد تقنيات منخفضة الكربون في صناعة الأسمنت أمر بالغ الأهمية لتعزيز التنمية المستدامة.

تقوم طريقة ديناميات النظام (SD) بتحليل الأنظمة المعقدة والواسعة. على عكس التركيز فقط على معاملة واحدة، تستكشف طريقة SD العلاقات بين النمذجة والمتغيرات المختلفة داخل النظام (Koelling و Schwandt 2005؛ Tigress وآخرون 2000). في منتصف القرن العشرين، طور فورستر نموذج SD استنادًا إلى نظرية التحكم في التغذية الراجعة لشرح السلوك الديناميكي للأنظمة (Brown و Campbell 1948؛ Macmillan 2016؛ Schaefer 1950؛ Forrester 1961). لقد حظيت هذه الطريقة باهتمام كبير لفعاليتها في التنبؤ بالمتغيرات المترابطة منذ أن اقترحها جاي و. فورستر (Feng وآخرون 2013). الهدف الرئيسي من SD هو فهم وشرح السلوك غير الخطي للعوامل الحاسمة.
وتفاعلاتهم مع بعضهم البعض وفحص العلاقة بين السياسات وعمليات اتخاذ القرار وبنية النظام وتأخيرات الوقت، التي تؤثر على تطوير واستقرار نظام معين (دونغ وآخرون 2012). لتحقيق ذلك، تستخدم نماذج الديناميات النظامية حلقات تغذية راجعة إيجابية (+) وسلبية (-) لتوضيح الديناميات الناتجة عن هذه التفاعلات. تُستخدم طرق محاكاة متنوعة، مثل المحاكاة المعتمدة على الوكلاء المتعددين (تشو وآخرون 2016؛ وو وآخرون 2017)، مونت كارلو (ليو وآخرون 2020؛ تشو وآخرون 2018)، محاكاة الأحداث المنفصلة (لي وأكهافيان 2017) والديناميات النظامية (بروكتر وآخرون 2017؛ باريسا وروزا 2018؛ إكينجي وآخرون 2020)، بشكل شائع لتقييم سياسات التخفيف والانبعاثات الكربونية الناتجة اعتمادًا على الأهداف المرغوبة. إنها طريقة محاكاة شاملة وتزداد شعبية في تقييم سياسات الكربون بسبب قدرتها على التعامل مع العوامل الاجتماعية والاقتصادية المعقدة وتوقع الاتجاهات مثل الطلب على الأسمنت (تانغ وآخرون 2020؛ إكينجي وآخرون 2020).

حصة تظهر الانبعاثات خلال إنتاج الأسمنت في الشكل 4، موضحة مصادرها. ما يقرب من نصف الـ تنتج الانبعاثات أثناء التكلس، مما يجعلها حتمية عند إنتاج الكلنكر الأسمنت البورتلاندي. يتميز قطاع الأسمنت عن الصناعات الأخرى التي تطلق انبعاثات غازات الدفيئة بشكل أساسي بسبب احتراق الوقود. حوالي تأتي انبعاثات غازات الدفيئة في إنتاج الأسمنت من احتراق الوقود لتوليد الحرارة المطلوبة لعملية التكلس. وفقًا لحسابات وكالة الطاقة الدولية في عام 2018 (IEA 2018)، كانت الانبعاثات مرتبطة باحتراق الوقود، كانت مرتبطة مباشرة بالطاقة المستخدمة في التكلس، و كانت ناتجة عن فقدان الحرارة. حوالي 5% من إجمالي الانبعاثات تأتي من الكهرباء للتبريد والطحن، بينما تُعزى 5% أخرى إلى النقل لتوزيع الأسمنت وتخزينه.

نتيجة لذلك، فإن القطاع يعد مساهمًا كبيرًا بشكل طبيعي في الانبعاثات منذ أن العملية تنتج انبعاثات من خلال التفاعل الكيميائي الأساسي لتحويل الحجر الجيري

إلى الجير (CaO). في مصنع الأسمنت المتوسط، يؤدي إنتاج طن واحد من الأسمنت إلى انبعاث حوالي أطنان من (روبينشتاين 2012). تختلف الكمية الدقيقة للانبعاثات حسب عملية الإنتاج، وطرق استرداد الحرارة، ونسبة الكلنكر إلى الأسمنت، والمواد الخام والوقود (بلازا وآخرون 2020). تتمتع صناعة الأسمنت بإمكانية كبيرة لتقليل الكربون من خلال طرق متنوعة، بما في ذلك استرداد الحرارة المهدرة، والتقاط الكربون، والوقود منخفض الكربون، والأسمنت المخلوط. ومع ذلك، تختلف فعالية هذه الطرق حسب المعايير الفردية لكل مصنع أسمنت ومنطقة. على الرغم من إمكانياتها، فإن اعتماد هذه الطرق للتخفيف يعيقه طبيعتها المكلفة من حيث رأس المال، ولم تنجح السياسات الحالية في تعزيز استخدامها من قبل صناعة الأسمنت.

على سبيل المثال، في الاقتباسات المذكورة، تم استخدام SD للتحليل الانبعاثات من خلال دراسة الأسباب وآفاق خفض انبعاثات الكربون الحضرية (Feng et al. 2013; Gu et al. 2019) وانبعاثات الكربون الصناعية (Onat et al. 2014; Proaño et al. 2020). ساعد ذلك في فهم الإمكانيات لـ تقليل الانبعاثات مع الأخذ في الاعتبار معايير مختلفة مثل استخدام الطاقة، التقدم التكنولوجي، وتنظيمات السياسات. الطبيعة الشاملة والموجهة نحو السبب والنتيجة لهذا النهج أدت إلى العديد من التطبيقات في دراسة آثار سياسات تخفيف غازات الدفيئة وتطبيقات المشاريع في مجالات معينة، بما في ذلك الطاقة (Feng et al. 2013؛ Sun et al. 2016؛ Saysel و Hekimoğlu 2013؛ Robalino-López et al. 2014)، الحديد والصلب (Kim et al. 2014)، النقل (Procter et al. 2017؛ Han و Hayashi 2008؛ Han et al. 2008؛ Barisa و Rosa 2018) وصناعات الأسمنت (Ansari و Seifi 2013؛ Anand et al. 2006؛ Sheheryar et al. 2021؛ Junianto et al. 2023؛ Nehdi و Yassine 2020).

قام كونشي ومييلتشاريك (2021) بمراجعة ومناقشة مقالات متنوعة حول استراتيجيات تقليل انبعاثات الكربون، لا سيما في القطاعات الصناعية مثل صناعة الأسمنت. يتم تحديد المقالات ذات الصلة ثم تضمينها أو استبعادها بناءً على معايير محددة، مع ذكر العديد منها التي تستخدم نماذج ديناميات النظام في النظر إلى الممارسات المستدامة و الانبعاثات. لم تكن دراساتهم تحتوي على إمكانية تقنية واقتصادية لتخفيف الانبعاثات في هذا القطاع الصناعي. لذلك، تناقش هذه المراجعة وتحلل الأعمال الحالية حول تطبيق نمذجة التنمية المستدامة وفعالية استراتيجيات تخفيف الكربون المختلفة، خاصة في صناعة الأسمنت.

نظرًا لوجود عدد محدود من المقالات الاستعراضية المنشورة حول استراتيجيات التخفيف من انبعاثات الكربون لصناعة الأسمنت باستخدام SD، قمنا بمراجعة المقالات المنشورة فقط في فترة 10 سنوات (2000-2023) لجمع الأدبيات العلمية.

تبدأ الدراسة بتحديد المقالات ذات الصلة من خلال عملية بحث شاملة تتبع إرشادات PRISMA (موهر وآخرون 2009)، كما هو موضح في الشكل 5. بحثنا عن الكلمات “ديناميات النظام”، “تخفيف غازات الدفيئة أو “تقليل غازات الدفيئة”، “تقييم السياسات”، “ خفض”، “إنتاج الأسمنت” و “صناعة الأسمنت” باستخدام قواعد بيانات متعددة. استخدمنا كلمات مختصرة لالتقاط تهجئات وVariations مختلفة من الكلمات الرئيسية، وأسفرت بحثنا عن 1800 مقالة. بعد إزالة المقالات المكررة، والمقالات غير المنشورة، والمواد غير الإنجليزية، قمنا بفرز الدراسات المتبقية من خلال قراءة العناوين والملخصات والكلمات الرئيسية للتأكد من أنها تلبي معايير الإدراج. ثم، طبقنا معايير الاستبعاد لاختيار مجموعة من الدراسات لمراجعة وتحليل أكثر تفصيلاً.

تم اختيار المقالات المختارة بناءً على معايير محددة. تم استبعاد الأوراق التي لا تركز على نماذج معينة لصناعة الأسمنت. تختلف الدراسات في تركيز البحث، ونهج النمذجة، والنطاق الجغرافي، مما يشير إلى أنه تم النظر في مجموعة متنوعة من المقالات. تشمل هذه المراجعة فقط المقالات التي تستخدم نهج النمذجة الديناميكية النظامية لدراسة الانبعاثات في صناعة الأسمنت، مع التركيز بشكل خاص على معالجة الحد من، السياسات، التقييم أو أهداف التخفيف من غازات الدفيئة.

تجمع الدراسة الأبحاث حول السياسات والاستراتيجيات وتنظيمات خفض انبعاثات غازات الدفيئة في صناعة الأسمنت من خلال محركات بحث قواعد البيانات. تتكون الوثائق المجمعة بشكل أساسي من أوراق أكاديمية نُشرت في مجلات محكمة، مما يشير إلى التركيز على المصادر الموثوقة والمراجعة من قبل الأقران. لم تستبعد المقالات بناءً على تصنيفات المجلات، حيث كانت المراجعة تهدف إلى تقديم نظرة شاملة على نماذج التنمية المستدامة لاستراتيجيات التخفيف من الكربون في الأسمنت.

تؤدي عملية البحث إلى تحديد المقالات التي تتطابق مع الكلمات الرئيسية المحددة. وقد حددت المراجعة 12 مقالة حول استخدام نمذجة SD لتخفيف انبعاثات غازات الدفيئة، وتقييم السياسات و خفض في صناعة الأسمنت، كما هو موضح في الجدول 1.

باختصار، يتضمن النهج المنهجي المتبع في هذه الدراسة بحثًا شاملاً باستخدام كلمات مفتاحية وقواعد بيانات محددة، وإطار زمني، ومعايير اختيار، واعتراف بتنوع المقالات المختارة. هذه عناصر أساسية في إجراء مراجعة منهجية للأدبيات بشكل صارم ومنظم.

إنتاج الأسمنت ينبعث منه من عدة مصادر، ولكن بشكل رئيسي من خلال حرق الوقود الأحفوري وحرق الحجر الجيري ) (شاهزاد وآخرون 2017). التسخين في تحوله إلى جير (CaO) والتسخين الإضافي عند تشكل الكلنكر، وهو مكون أساسي في الأسمنت (شاهزاد وآخرون 2017). تساهم استخدام الكهرباء في نقل المواد الخام وتشغيل المحركات الكهربائية في
الانبعاثات غير المباشرة (عطاري وآخرون 2016؛ رشيد وآخرون 2022). تمثل الانبعاثات المباشرة حوالي من ، بينما تمثل نقل المواد الخام والعمليات الأخرى 10% (ميكلتشيتش وآخرون 2013؛ داهن وآخرون 2022). ينتج كيلوغرام واحد من الكلنكر 0.5 كيلوغرام من خلال التكلس (ووريل وآخرون 2001) وتتطلب العملية طاقة حرارية كبيرة وكهرباء للحرق وطحن الأسمنت. تستعرض هذه المراجعة هذه الخمسة الرائدة تقنيات تقليل الانبعاثات في صناعة الأسمنت كما صنفتها الوكالة الدولية للطاقة (2018، 2009، 2021)، استبدال الكلنكر، الوقود البديل، تحسين كفاءة الطاقة، احتجاز الكربون وتخزينه، واستعادة الحرارة. ومع ذلك، بسبب تطويرها المستمر، نوفاسيم والجيوبوليمر

تقنيات التخفيف من الأسمنت غير مدرجة. ستقدم الأقسام التالية هذه التقنيات وتوفر معلومات أساسية لدراستنا.

تتناول هذه المراجعة هؤلاء الخمسة الرائدين تقنيات تقليل الانبعاثات في صناعة الأسمنت كما صنفتها الوكالة الدولية للطاقة (2018، 2009، 2021). تشمل هذه التقنيات استبدال الكلنكر (الأسمنت المخلوط)، واستخدام الوقود البديل (تبديل الوقود)، وتحسين كفاءة الطاقة، واحتجاز الكربون وتخزينه (CCS) واستعادة الحرارة المهدرة (WHR). سنقدم معلومات أساسية عن كل من هذه التقنيات. ومع ذلك، نظرًا لتطورها المستمر، لا تغطي هذه الدراسة غيرها من تكنولوجيات التخفيف أو تدابير الإنتاج، مثل نوفاسيم أو الأسمنت الجيوبوليمر. ستقدم الأقسام التالية هذه التكنولوجيات وتوفر معلومات أساسية لدراستنا.

بينما نحاول تقليل العالمية الانبعاثات، من الضروري معالجة المساهمة الكبيرة لصناعة الأسمنت. إن استخدام المواد الأسمنتية المساعدة (SCMs) كمواد بديلة يوفر حلاً مستدامًا للحد من الانبعاثات في صناعة الأسمنت (رهاوتي وآخرون 2023؛ سيريكو وآخرون 2020؛ أبو بكر وآخرون 2021). واحدة من أكثر استراتيجيات التخفيف الواعدة لتقليل انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت هي استبدال الأسمنت الكلنكر بمواد خاملة أو تقليل كمية الكلنكر، وهو المكون الرئيسي للأسمنت المخلوط في إنتاج الأسمنت (سوراني 2021؛ الوكالة الدولية للطاقة 2021). يمكن تحقيق هذه الطريقة من خلال استخدام إضافات في خليط الأسمنت، مما يتطلب طاقة أقل ويقلل من متطلبات الكلنكر لكل طن من الأسمنت (تايلور وآخرون 2006). يوفر إنتاج الأسمنت المخلوط حلاً للتخفيف من انبعاثات الكربون والاستهلاك العالي للطاقة المرتبط بإنتاج الكلنكر (إيج وآلانراواج 2023). استبدال جزء من الكلنكر بمواد خاملة، مثل المنتجات الثانوية الصناعية مثل رماد الفحم أو خبث الفرن العالي (أوسمانوفيتش وآخرون 2018؛ تاو وآخرون 2022؛ داندوتيا وسينغ 2020)، يقلل من نسبة الكلنكر/الأسمنت دون المساس بخصائص الأسمنت البورتلاندي. هذا يقلل من نسبة الكلنكر/الأسمنت (علي وآخرون 2011)، مما يقلل من الانبعاثات الناتجة عن استهلاك الطاقة في الفرن والانبعاثات العملية من إنتاج الكلنكر (تايلور وآخرون 2006). يمكن أن تقلل هذه العملية انبعاثات بمقدار لا يقل عن وحتى من إجمالي الانبعاثات الناتجة عن إنتاج الأسمنت
على مستوى العالم (علي وآخرون 2011؛ كويتسومبا وآخرون 2018؛ بوسواغا وآخرون 2009).

التحول إلى وقود بديل منخفض الكربون هو طريقة محتملة أخرى للتخفيف من الانبعاثات (Chatziaras et al. 2014). تشمل الوقود البديل استبدال الوقود الأحفوري التقليدي مثل النفط والفحم وكوك البترول بخيارات أكثر صداقة للبيئة، مما يقلل من انبعاثات الكربون أثناء احتراق فرن الأسمنت (Georgiopoulou و Lyberatos 2018؛ Usón et al. 2013). تصنف صناعة الأسمنت كأكبر ثالث مستهلك للطاقة بين القطاعات الصناعية (الوكالة 2014). لقد اكتسب استخدام الوقود البديل المشتق من النفايات، مثل الوقود المشتق من النفايات (RDF) أو الإطارات المستعملة، شعبية في صناعة الأسمنت بسبب ارتفاع تكاليف الوقود الأحفوري، واستنفاد الموارد، وزيادة الوعي البيئي حول استخدام الوقود الأحفوري (Rahman et al. 2013؛ Georgiopoulou و Lyberatos 2018). يوفر استخدام الوقود البديل في إنتاج الأسمنت فرصة لتقليل انبعاثات الكربون على المدى الطويل، والتخلص من النفايات، والاعتماد على الوقود الأحفوري (Tsiliyannis 2018؛ Tun et al. 2021). ومع ذلك، يمكن أن يؤثر دمج المواد النفايات كوقود بديل على جودة الأسمنت وقد يزيد من انبعاثات العناصر المتطايرة الضارة مثل الزئبق والثاليوم (Rahman et al. 2013؛ Horsley et al. 2016). علاوة على ذلك، يمكن أن يقلل استخدام المواد النفايات كوقود بديل من الاعتماد على الوقود الأحفوري، ويخفض تكاليف الإنتاج في صناعة الأسمنت ويقلل من الانبعاثات (IEA 2018؛ هابرت وآخرون 2010). يمكن أن تقلل الوقود البديلة مثل الغاز الطبيعي والكتلة الحيوية والوقود المشتق من النفايات مثل الحمأة، والإطارات، والنفايات الصلبة البلدية من الانبعاثات غير المباشرة الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري (جانكايا وبيكي 2018).

تحسين كفاءة الطاقة أمر حيوي لتقليل الانبعاثات الناتجة عن الوقود وتقليل تكلفة إنتاج الأسمنت من خلال تحسين استخدام الوقود والكهرباء. إحدى الطرق هي استخدام معدات ذات كفاءة طاقة عالية واستبدال المنشآت القديمة. تحسين كفاءة الوقود أمر حيوي لتقليل مدخلات الطاقة في إنتاج الأسمنت، حيث يُعزى معظم استهلاك الطاقة إلى الحرارة الناتجة عن الفرن الدوار الكبير. أيضًا، يمكن أن يؤدي التحول من العملية الرطبة إلى العملية الجافة إلى
تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير، حيث إن العملية الجافة مع السخانات المسبقة والتكلس المسبق أكثر كفاءة (هوانغ وو 2021؛ زوبيري وباتيل 2017). يمكن أن يؤدي التحول إلى العملية الجافة مع جهاز التكلس، كما هو موضح في بروتوكول الحصول على الأرقام الصحيحة الخاص بـ CSI (المبادرة 2009)، إلى تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى وانخفاض انبعاثات بواسطة يمكن أن تشمل ترقية العمليات أيضًا تحسين مبرد الكلنكر، وزيادة كفاءة التسخين المسبق، وتعزيز المحارق، وتنفيذ أنظمة التحكم والإدارة المتقدمة في العمليات (حسن بيغي وآخرون 2013). لذلك، يتطلب تنفيذ هذه الاستراتيجية للتخفيف التزامًا ماليًا كبيرًا، حيث يرتبط فترة تحقيق العائد على الاستثمار مباشرة بالسعر الحالي لسوق الأسمنت.

CCS هو أسلوب حديث للتخفيف يستخدم المذيبات الكيميائية لامتصاص من غازات العادم ويمكن أن تقلل الانبعاثات في صناعة الأسمنت بنسبة 65-75% (أندرسون ونيويل 2004). إنها تلتقط وتضغط الانبعاثات إلى شكل سائل لنقلها إلى مرافق التخزين تحت الأرض. على الرغم من عدم تطبيقها على نطاق واسع بعد، فإن احتجاز الكربون وتخزينه مناسب للصناعات التي لديها تقنيات بديلة أخرى لتقليل انبعاثات الكربون في إنتاج الأسمنت. يؤثر الانبعاثات على تغير المناخ مما يدفع إلى تطوير دورات طاقة متقدمة تتضمن الإدارة؛ وفقًا لجمعية التقاط وتخزين الكربون (CCSA) (التقاط والجمعية 2016)، يمكن لتقنية CCS التقاط ما يصل إلى من انبعاثات من العمليات الصناعية التي تستخدم الوقود الأحفوري، مما يمنع إطلاقها في الغلاف الجوي. تشمل تقنيات احتجاز الكربون ثلاثة تقنيات: الاحتجاز قبل الاحتراق، الاحتجاز بعد الاحتراق واحتجاز الاحتراق بالأكسجين. يُعتبر الاحتجاز قبل الاحتراق أقل وعدًا من الاحتجاز بعد الاحتراق واحتجاز الاحتراق بالأكسجين بسبب عدم قدرته على الاحتجاز خلال عملية الكلسنة والحاجة إلى تعديلات في حرق الكلنكر للتعامل مع الخصائص الانفجارية للهيدروجين النقي (IEA 2009).

بالإضافة إلى ذلك، فإن المنتجات الثانوية الناتجة خلال العملية ستتطلب النقل والتخلص، مما يؤدي إلى تكاليف إضافية (بروانو وآخرون 2020). ومع ذلك، بسبب حداثته، فإن تكاليف تنفيذ تقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) أعلى بكثير من تلك الخاصة بطرق التخفيف الأخرى المذكورة. وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA) 2018، يتم اختبار معظم تقنيات CCS حاليًا من خلال مشاريع تجريبية، ولم تثبت تقنيات احتجاز الأكسجين-الوقود تجاريًا بعد. يمكن لتقنية CCS تقليل انبعاثات غازات الدفيئة المنبعثة من مصانع الأسمنت بنسبة 65-80% على الرغم من أن إمكاناتها لم تُستكشف بالكامل (وي وآخرون 2019). مرة أخرى، تحتوي تقنية CCS على العديد من العيوب، مثل التكاليف العالية (بن هلال وآخرون 2013)، والاستخدام المفرط للطاقة، التسرب (هازيلدين 2009) وتكلفة التقاط طن واحد من ما يعادل سعر طن واحد من الأسمنت في الصين (وي
على الرغم من أن تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه لديها القدرة على تقليل الانبعاثات بشكل كبير، إلا أنها تواجه تحديات تكنولوجية واقتصادية في العديد من صناعات الأسمنت.

الحرارة المهدرة في إنتاج الأسمنت تأتي بشكل رئيسي من تصريف مبرد الكلنكر وغاز العادم من الفرن، مما يمثل من إجمالي الطاقة (خورانا وآخرون 2002). يمكن استغلال هذه المصادر من حرارة النفايات لتوليد الكهرباء من خلال توربينات البخار، مما يقلل من الحاجة إلى شراء الكهرباء والطلب الكهربائي العام. متوسط درجة حرارة غاز المداخن من فرن الأسمنت حوالي ويستخدم في السخانات المسبقة لتحسين استهلاك الطاقة المحددة. تتراوح درجات حرارة غازات العادم من 250 إلى تترك السخانات المسبقة وتحتوي على طاقة حرارية كافية لتوليد الكهرباء باستخدام دورة رانكين، مما يقلل من الكهرباء المشتراة (بيلي وآخرون 2020؛ مادلوول وآخرون 2011). يعتمد نجاح استرداد الحرارة المهدرة في تقليل انبعاثات الكربون وضمان الاستقرار المالي على عوامل مثل عامل انبعاث الشبكة، وأسعار الكهرباء، ومعدل استخدام المحطة. يمكن أن تولد أنظمة استرداد الحرارة المهدرة حوالي طن من الكلنكر في أفران الأسمنت الكبيرة (شنايدر وآخرون 2011). ومع ذلك، يجب تقدير كفاءة استعادة الحرارة المهدرة من البخار من خلال أخذ الخسائر الداخلية وعدم كفاءة نقل الطاقة في الاعتبار (مدلول وآخرون 2011). يمكن أن يؤدي عزل الأسطح الخارجية للدورات والأنابيب أيضًا إلى تحسين كفاءة الطاقة من خلال تقليل فقد الحرارة عبر الحمل والإشعاع من الأسطح الساخنة للفرن. تعتبر استعادة الحرارة المهدرة من البخار تقنية واعدة وفعالة من حيث التكلفة (مويا وآخرون 2011). نتيجة لذلك، يجب استخدام جميع هذه التقنيات الخمس للتخفيف من أجل تلبية أهداف التخفيض. على مدى 16 عامًا، من 1990 إلى 2006، خفضت صناعة الأسمنت استهلاكها للطاقة الحرارية من 3605 إلى كلنكر بحوالي (ميهتا 2010). استخدام الخبث ورماد الفحم كجزء من إنتاج الكلنكر لتقليل انبعاثات الكربون يقلل أيضًا من كفاءة الطاقة الكهربائية.

يتطلب إنتاج الأسمنت استثمارات كبيرة وتعتمد تكاليف إنتاجه على عوامل مختلفة مثل المواد الخام والوقود والعمالة والنقل والضرائب. تجعل فترة حياة مصانع الأسمنت استدامتها المالية حساسة للتغيرات في هذه العوامل (بواير وبونسارد 2013). يمكن أن تقلل استراتيجيات التخفيف من الكربون مثل استعادة الحرارة المفقودة واحتجاز الكربون وتخزينه من انبعاثات غازات الدفيئة، لكن فعاليتها تعتمد على انبعاثات الكهرباء المحلية وخصائص الوقود. يمكن أن يؤثر تنفيذ هذه الاستراتيجيات على تكاليف الإنتاج من خلال تغيير استخدام الوقود والكهرباء، وتغيير سيناريوهات الضرائب المختلفة وتوليد دخل إضافي، مما يحسن العائد على الاستثمار ويجعل هذه الاستراتيجيات التخفيفية أكثر جاذبية.
تنفيذ (دوغان وآخرون 2018). قد يؤدي تجاهل التغذية الراجعة المهمة في اتخاذ القرار إلى مقاومة السياسات (ستيرمان 2002). لذلك، يمكن أن يساعد استخدام نموذج النظام الديناميكي أصحاب المصلحة في اتخاذ قرارات مستنيرة واستكشاف خيارات سياسية متنوعة. تُستخدم نماذج النظام الديناميكي بشكل متزايد للتنبؤ بانبعاثات الكربون في مختلف الصناعات، لكن تطبيقها في قطاع الأسمنت محدود. يقدم قسم المنهجية نظرة عامة على الدراسات ذات الصلة التي استخدمت النظام الديناميكي للتنبؤ بالانبعاثات أو تقييم استراتيجيات/سياسات التخفيف في صناعة الأسمنت. يتم تحليل الدراسات المختارة بناءً على طرق التخفيف التي تم تقييمها، نطاق الدراسة، أبعاد النمذجة والإعدادات التجريبية.

استخدم جونيانتو وآخرون (2023) أداة نموذج SD للتنبؤ والتقييم أهداف خفض الانبعاثات في صناعة الأسمنت الإندونيسية حتى عام 2050. وقد تم دمج مدخلات من أصحاب المصلحة والخبرات للتنبؤ باستراتيجيات التنفيذ العملية والتركيز على المتغيرات التي تؤثر على الانبعاثات في صناعة الأسمنت. استخدمت الدراسة سيناريوهات تم صياغتها من خلال عملية تحليل هرمية مع أصحاب المصلحة وقدمّت متغيرات كعلاقات رياضية. تم التحقق من صحة النموذج باستخدام طريقة الخطأ المطلق المتوسط (AME) و بيانات الانبعاثات التي نشرتها وزارة إندونيسيا. أظهرت النتائج أن هناك شبكة من العوامل المترابطة، بما في ذلك نمو السكان، إنتاج الأسمنت والطلب عليه، إنتاج الكلنكر، استهلاك الوقود التقليدي، الطاقة الكهربائية وتنفيذ تقنية احتجاز الكربون، ستؤدي إلى خفض في الانبعاثات مقارنةً بقاعدة بيانات 2020.

استخدم شهريار وآخرون (2021) نموذج SD للتحقيق في إمكانية تقليل انبعاثات الكربون من خلال استبدال الأسمنت البورتلاندي (PC) بالخرسانة فائقة الأداء (UHPC) في صناعة الخرسانة. كان نموذج SD يتكون من أربعة قطاعات: طلب الأسمنت، الأسمنت البورتلاندي، الخرسانة فائقة الأداء و الانبعاثات، واستخدموا هيكل تدفق مخزوني واحد لتقييم جدوى هذا النهج. طور المؤلفون سيناريوهات متعددة لمحاكاة سياسات مختلفة واستكشاف الأثر البيئي لاستبدال UHPC بـ PC باستخدام برنامج ستيلا. اختبر المؤلفون سيناريوهات سياسية مختلفة وأبرزوا علاقة غير خطية بين نسبة استبدال PC ومدى تقليل الانبعاثات. أظهرت النتائج أن UHPC يمكن أن يقلل من التراكم الكلي انبعاثات الأسمنت والخرسانة بأكثر من خلال فترة المحاكاة المدروسة. ومع ذلك، فإن فعالية UHPC في تقليل تعتمد الانبعاثات على سيناريوهات السياسات المستقبلية المختلفة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن UHPC لديه القدرة على تقليل انبعاثات صناعة الخرسانة بشكل كبير، لكن النتيجة تعتمد على سيناريوهات السياسات المستقبلية المختلفة.

طور نهدي وياسين (2020) نموذج SD للتنبؤ انبعاثات صناعة الأسمنت على مدى العقود الثلاثة القادمة. يتضمن النموذج ردود الفعل من الاستخدام المتزايد للمواد المنشّطة بالقلويات (AAMs) وتأثيرها على حصة السوق من الأسمنت البورتلاندي. النموذج
يتكون من خمسة قطاعات: التنبؤ، الكربنة، الخرسانة PC و AAM، انبعاثات وتركيب المواد البديلة. تدرس الدراسة معايير مختلفة تتعلق بالمواد البديلة، مثل نوع المنشط، نوع السلف، فترة تنفيذ السياسة، معدل كربنة المواد البديلة، الحصة السوقية الإجمالية للمواد البديلة وعمر خدمة الخرسانة المصنوعة من المواد البديلة. استخدمت الدراسة أربعة سيناريوهات لاختبار تأثير السياسات المختلفة على الانبعاثات الصافية المنبعثة. الغرض من النموذج هو أن يكون أداة لاختبار السياسات وتقييم كيف يمكن أن يؤثر استبدال الأسمنت بالمواد البديلة بشكل محتمل. الانبعاثات. تدرس الدراسة بشكل موسع عملية إنتاج المواد الأسمنتية البديلة الصديقة للبيئة، بما في ذلك تقنيات الإنتاج، وتقنيات المعالجة والتركيب، والكربنة، والشيخوخة، وأداء دورة الحياة. كما أجرى المؤلفون تحليل حساسية لتقييم تأثير كربنة المواد الأسمنتية البديلة ومدة الخدمة. لم يذكر المؤلفون طريقة التحقق المستخدمة. يوفر النموذج لصانعي القرار وصانعي السياسات وسيلة فعالة لتقييم تأثيرات المواد الأسمنتية البديلة على انبعاثات من إنتاج الأسمنت مع تقليل المتطلبات الحاسوبية.

استخدم بروانو وآخرون (2020) نموذج SD لتقييم الأثر التكنولوجي والاقتصادي لاستخدام الكربنة غير المباشرة. تكنولوجيا الالتقاط للتقليل الانبعاثات في إنتاج الكلنكر. يتضمن نموذجهم أنظمة فرعية مختلفة، بما في ذلك إنتاج الأسمنت والطلب، التقدير والاحتجاز، والتكاليف والأرباح، لمحاكاة الآثار المالية لتنفيذ احتجاز الكربون في إنتاج الأسمنت. يعتبر المؤلفون طريقة احتجاز الكربون وتأثير تكاليف الاستثمار الإضافية، وهي عوامل حيوية تؤثر على معدلات اعتماد التخفيف في صناعة الأسمنت. اعتمد المؤلفون نهج النظام الديناميكي للتعامل مع تحديات نمذجة السلوك الاقتصادي الذي يعتمد ليس فقط على الاستثمار الأولي وتكاليف التشغيل، بل أيضًا على ظروف السوق والسياسة الحكومية التي تتغير مع مرور الوقت. تم تقييم النموذج والتحقق منه في كل مرحلة من مراحل التطوير، بما في ذلك التحقق الهيكلي باستخدام بيانات تاريخية عن الناتج المحلي الإجمالي وطلب الأسمنت. تأخذ الدراسة في الاعتبار سيناريوهات تقنية مختلفة، وتقيّم فعالية استخدام المذيبات القائمة على الصوديوم أو الباريوم أو الكالسيوم في وحدة احتجاز الكربون للتخفيف من الانبعاثات. يستخدم النموذج 11 مخزونًا و14 تدفقًا ممثلة في مخططات المخزون والتدفق. استخدمت الدراسة اختبار تحقق هيكلي وبيانات تاريخية من إنتاج الكلنكر والأسمنت للتحقق من صحة النموذج. وتخلص الدراسة إلى أن تنفيذ ضريبة الكربون سيشجع بشكل كبير على استخدام تقنيات احتجاز الكربون ويساعد صناعة الأسمنت في تحقيق أهدافها في تقليل الانبعاثات.

اعتمد إكينجي وآخرون (2020) نهجًا شاملاً لتحديد العوامل المؤثرة في إنتاج الأسمنت والعوامل البيئية المساهمة في تلوث الهواء الحضري باستخدام نموذج SD الذي دمج بيانات الوقت الحقيقي لمساعدة صانعي القرار في حماية البيئة بشكل استباقي. تبرز الدراسة الترابط بين الصناعة، مثل
مع نمو السكان وطلب البناء، يهدف إلى تضمين جميع العوامل الخارجية التي تساهم بشكل غير مباشر في التلوث في صناعة الأسمنت. ومع ذلك، يفتقر النموذج إلى حسابات مفصلة للانبعاثات من وحدات محددة في عملية إنتاج الأسمنت، مثل إنتاج الكلنكر، واستهلاك الوقود والكهرباء. كما قامت الدراسة بتحليل بعض القرارات على المستوى الاستراتيجي لكشف تأثيرها البيئي. تم حساب انبعاثات صناعة الأسمنت بناءً على الناتج المحلي الإجمالي السنوي ونشاط البناء، مع الأخذ في الاعتبار قدرة إنتاج الأسمنت، مما يميزها عن الدراسات الأخرى في هذا المجال. لم يقدم المؤلفون مخطط تدفق المخزون أو قائمة بالمعلمات لتقييم تعقيد النموذج، وتم استخدام اختبار ANOVA أحادي الاتجاه للتحقق من صحة نتائج المحاكاة. تؤسس الدراسة علاقة بين الحاجة إلى بناء جديد، وإنتاج الأسمنت، وتلوث الهواء الإقليمي، لكنها تفتقر إلى مخطط واضح للأنظمة الفرعية المختلفة المستخدمة في نموذج الديناميكا النظامية الخاص بهم.

تانغ وآخرون (2020) قاموا بمحاكاة الطلب على الطاقة على المدى الطويل، واستهلاك الطاقة، وإنتاج الأسمنت و انبعاثات صناعة الأسمنت في منطقة تشونغتشينغ بالصين باستخدام نموذج ديناميات النظام (SD). شملت الدراسة الفروق الإقليمية والعوامل بين المناطق، مع الأخذ في الاعتبار المزايا التكنولوجية والصناعية النسبية بين المناطق المجاورة. غطت المحاكاة الفترة من 2018 إلى 2030. ركز نموذج SD على ثلاثة أنظمة فرعية: الطلب، العرض والانبعاثات داخل المنطقة. نظام الانبعاثات. قاموا بإجراء دراسة حالة على صناعة الأسمنت في تشونغتشينغ، محاكين سيناريوهين: الأعمال كالمعتاد (BAU) واستهلاك منخفض الكربون. افترضت الدراسة زيادة في استبدال الكلنكر، وتحسين كفاءة الكهرباء وزيادة القدرة الإنتاجية كإجراءات لتقليل انبعاثات الكربون. تشمل النسب المستخدمة لاستبدال الكلنكر، واستبدال الوقود واستعادة حرارة النفايات (WHR) كمعلمات خارجية، والتي تختلف بناءً على السيناريو المحدد قيد التحقيق. افترض النموذج سيناريو سياسة ثابت طوال فترة المحاكاة وتم التحقق منه باستخدام اختبارات التناسق البُعدي، والتحقق الهيكلي والبيانات التاريخية قبل إجراء تحليلات الحساسية على معدل استخدام WHR، وكثافة الانبعاثات، ونسبة الكلنكر واستخدام الوقود البديل.

طور جوكار ومختار (2018) نموذج ديناميكي نظامي لدراسة تأثير الاستدامة لثلاثة تدابير كفاءة الطاقة على صناعة الأسمنت الإيرانية. شمل النموذج أنظمة فرعية اقتصادية واجتماعية، حيث قام بتقييم ربح المنتج وتسعير السوق، وتكون من ستة أنظمة فرعية: إنتاج الأسمنت والكلنكر، واستهلاك الطاقة، الانبعاثات، التحليل الاقتصادي والتقييم الاجتماعي. استخدمت الدراسة 5 مخزونات و10 تدفقات استنادًا إلى مخططات المخزون والتدفق. قام المؤلفون بالتحقق من صحة النموذج باستخدام بيانات تاريخية وأجروا تحليل حساسية على تكاليف الإنتاج. يحسن هذا النموذج من النماذج السابقة من خلال دمج الاعتبارات الاقتصادية والاجتماعية في تقييم استراتيجيات التخفيف وتقدير التوظيف.
المتطلبات. أظهرت الدراسة أن استبدال الكلنكر يمكن أن يقلل انبعاثات وتكاليف استهلاك الطاقة بنسبة 13 و على التوالي، بينما تعود فوائد استرداد حرارة النفايات (WHR) على أرباح المنتجين ومشاركة العمالة. كما أظهرت النتائج المزيد من الفرص لتصدير الوقود الأحفوري، مما يحسن ميزان التجارة في البلاد.

استخدم فارغاس وهالوج (2015) منهجية SD لاستكشاف الفوائد المحتملة لاستخدام رماد الفحم كبديل للكلنكر في إنتاج الأسمنت لتقليل الانبعاثات. قاموا بإجراء محاكاة لخمس سيناريوهات لدورة حياة الأسمنت تتضمن نسبًا متفاوتة من الرماد المتطاير المعالج (20 و 35%) لتقييم التخفيضات الصافية الناتجة في الانبعاثات. يتضمن نموذج SD هذا الاستخدام الإضافي للطاقة عند تحليل الانبعاثات. يتكون النموذج من 5 مخزونات، 5 تدفقات و14 محولًا لتقييم ومقارنة الانبعاثات بين مصنع الأسمنت الذي يحتوي على عملية ترقية وآخر بدون عمليات ترقية. لم يذكر المؤلفون عملية التحقق من صحة النموذج والقيم المستخدمة للمعلمات غير محددة، لكن نتائجهم تم تحليل حساسيتها. تؤكد هذه المحاكاة ما تم العثور عليه في الدراسة السابقة، وهو أن كل من الرماد المتطاير والرماد المتطاير المعزز يقللان من انبعاثات صناعة الأسمنت. أظهرت النتيجة أن عمليات الترقية أنتجت انبعاثات إضافية، مما قلل من التخفيضات التي تم تحقيقها باستخدام الرماد المتطاير.

استخدم سونغ وتشين (2014) نموذج محاكاة ديناميكي يعتمد على نهج SD للتنبؤ باتجاهات الانبعاثات المستقبلية في صناعة الأسمنت الصينية. يأخذ النموذج في الاعتبار أهداف توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات ويشمل خمسة سيناريوهات تحسين: تقليل الطلب، التقدم التكنولوجي، استبدال الوقود، استبدال المواد وتوليد الطاقة من حرارة النفايات. يحدد النموذج الاستراتيجيات الرئيسية لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة في قطاع الأسمنت من خلال تحليل هذه العوامل. الهدف هو استكشاف خيارات إمداد الطاقة المختلفة، بدائل التكنولوجيا، وفوائد السياسات من خلال نموذج تنبؤي في برنامج ستلا لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة. يخضع النموذج لعمليات تحقق وتأكيد صارمة لضمان دقته. يقترح المؤلفون أن نتائجهم قد تساعد صانعي القرار في تحديد سيناريو الانبعاثات الحالي، والتنبؤ بدقة باتجاهات الانبعاثات وتحقيق أهداف الانبعاثات مع الأخذ في الاعتبار عملية إنتاج الأسمنت بأكملها في الصين. في النهاية، يمكن أن يساعد ذلك في تحقيق أهداف الانبعاثات.

استخدم أنصاري وسيفي (2013) نموذج SD للتحقيق في تأثير إصلاح دعم أسعار الطاقة على استهلاك الطاقة و الانبعاثات في صناعة الأسمنت الإيرانية. شمل تحقيقهم استكشاف سيناريوهات إنتاج وتصدير مختلفة، مع الأخذ في الاعتبار أسعار الطاقة المحدثة. تضمن النموذج عوامل متنوعة، بما في ذلك الطلب على الأسمنت، والإنتاج، واستهلاك الطاقة و الانبعاثات، مع التركيز على الاستخدام المباشر للغاز الطبيعي لتحليل آثار إصلاحات الدعم على الوقود والكهرباء في صناعة الأسمنت واستكشاف السياسات التصحيحية المحتملة، مثل الأسمنت المخلوط واستعادة حرارة النفايات (WHR)، للتخفيف من الكربون
الانبعاثات. أشاروا إلى أن النموذج يستخدم 51 معلمة، منها 34 داخلية و17 خارجية. استخدم المؤلفون بيانات تاريخية للتحقق من صحة النموذج، بما في ذلك عوامل مثل معدل نمو الناتج المحلي الإجمالي، وأسعار الوقود والكهرباء، ومعدل استخدام الغاز الطبيعي. تشير نتائج المحاكاة إلى أن إزالة جميع دعم الطاقة وتنفيذ تدابير تصحيحية في قطاع الأسمنت يمكن أن يقلل من استهلاك الكهرباء بـ والغاز الطبيعي بواسطة وتقليل انبعاثات بواسطة استنادًا إلى توقعات الطلب على الطاقة لكل سيناريو تم محاكاته.

طور أناند وآخرون (2006) نموذجًا لتقييم تقليل انبعاثات في قطاع الأسمنت الهندي تحت سيناريوهات تخفيف مختلفة باستخدام ديناميات النظام. يأخذ النموذج في الاعتبار سيناريوهات تخفيف متنوعة ويؤكد على تأثير النمو السكاني والناتج المحلي الإجمالي على طلب الأسمنت وتقليل انبعاثات الكربون الناتجة. يتضمن النموذج استرداد حرارة النفايات الحرارية (WHR) جنبًا إلى جنب مع الأسمنت المخلوط كطريقة تخفيف ولا يتضمن أسعار الطاقة وديناميات توسيع القدرة الإنتاجية. أنتجت الدراسة ثلاثة سيناريوهات: سيناريوهات خط الأساس (BS) وفئات السيناريوهات المعدلة. استخدمت الدراسة التحقق الهيكلي والبيانات التاريخية واختبارات اتساق الأبعاد للتحقق من صحة النموذج وأجرت تحليل حساسية على طلب الأسمنت، مع الأخذ في الاعتبار تأثير الناتج المحلي الإجمالي والسكان. علاوة على ذلك، يفترض النموذج أن الفحم هو المصدر الحراري الوحيد المستخدم في إنتاج الكلنكر، دون اعتبار لطرق التخفيف الأخرى مثل الوقود البديل، وعالج فقط تأثير WHR الحراري وتحسينات الكفاءة متجاهلاً طرق التخفيف المحتملة مثل الوقود البديل أو WHR الكهربائي.

أجرى نهدي وآخرون (2004) دراسة باستخدام نموذج SD لفحص إمكانية بدائل الكلنكر، مثل SCMs، لتقليل الانبعاثات داخل صناعة الأسمنت. يفترض النموذج أن استهلاك الأسمنت يتأثر بمعدل نمو الناتج المحلي الإجمالي في الدول النامية والسكان في الدول المتقدمة. يتكون النموذج من خمسة قطاعات: التنبؤ، FA الخرسانة، خرسانة الخبث، خرسانة PC و الانبعاثات لمحاكاة تدابير السياسة المختلفة. شملت الدراسة سيناريوهين إضافيين لمحاكاة لحساب توفر الخبث والرماد المتطاير، وهما ناتجان ثانويان من قطاعات مثل صناعة الصلب ومحطات الطاقة التي تعمل بالفحم. على الرغم من أن المؤلفين لم يذكروا صراحةً طريقة التحقق من صحة نموذجهم، إلا أنهم قاموا بمحاكاة النتائج عبر سيناريوهات متعددة. أشارت النتائج إلى أن الأسمنت المخلوط يمكن أن يقلل من الانبعاثات في قطاع الأسمنت.

من خلال البحث في الأدبيات، تم تحديد 12 وثيقة ذات صلة، كما هو موضح في الجدول 2. قامت جميع الدراسات الـ 12 بتحليل طرق تقليل انبعاثات غازات الدفيئة داخل صناعة الأسمنت. بالإضافة إلى ذلك، قامت دراستان بتحليل الأثر الاقتصادي وثماني دراسات بتحليل خيارات السياسة. لكي يُعتبر النموذج أداة فعالة لصنع القرار والتحليل، يجب أن يمكّن من تقييم أكثر تقنيات التخفيف الواعدة المتاحة حاليًا في صناعة الأسمنت. في صناعة الأسمنت، يعتمد نطاق النموذج إلى حد كبير على فائدته لأصحاب المصلحة المسؤولين عن صنع القرار. إن تضمين تحليل اقتصادي لتنفيذ مشاريع التخفيف في النماذج أمر ضروري لصنع القرار. يمكن أن تؤثر عوامل ديناميكية مختلفة، على سبيل المثال، تكاليف الطاقة والصيانة، على فترات استرداد رأس المال المطلوبة في مشاريع التخفيف.

تركز معظم الأبحاث على استراتيجيات التخفيف لتقليل انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت باستخدام SD دون إقامة صلة بين هذه التدابير وخطة عمل لتنفيذ السياسة. في الجدول 2، لم تتضمن أي من الدراسات جميع التقنيات المتاحة لتقليل تأثير صناعة الأسمنت على البيئة بناءً على تصنيف الوكالة الدولية للطاقة. فقط جونيانتو وآخرون (2023) وبروانو وآخرون (2020) شملوا طريقة تخفيف CCS من بين الدراسات الـ 12 التي تمت مراجعتها.

لم يأخذ أنصاري وسيفي (2013) في الاعتبار الوقود البديل، بينما ركز نهدي وياسين (2020) وشهريار وآخرون (2021) ونهدي وآخرون (2004) وفارغاس وهالوج (2015) فقط على المواد البديلة. حلل بروانو وآخرون (2020) فقط آثار طريقة التقاط الكربون. أغفل جونيانتو وآخرون (2023) WHR ولم يتناول جوكار ومختار (2018) تحسينات الكفاءة. فقط شهريار وآخرون (2021) وجوكار ومختار (2018) وبروانو وآخرون (2020) شملوا تقييمًا اقتصاديًا أو نماذج تقدير التكلفة في دراساتهم، بينما ركز الآخرون بشكل أساسي على توقع انبعاثات الكربون، كما هو ملخص في الجدول 2.

علاوة على ذلك، باستثناء بروانو وآخرون (2020) وفارغاس وهالوج (2015)، جميع النماذج التي تم مناقشتها في هذه الورقة تحاكي تأثير مشاريع التخفيف على صناعة الأسمنت بأكملها، وهو مناسب لتقييم العواقب العامة في منطقة واسعة من وجهة نظر

صناع السياسة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في فحص تأثيرات استراتيجيات التخفيف على صناعة الأسمنت على مستوى واسع، مناسب لصناع السياسة ولكن يفتقر إلى المرونة لأصحاب المصلحة في الصناعة.

تعمل العديد من شركات الأسمنت عادةً في مصنع إنتاج واحد فقط وتختلف توافر وتكاليف موارد التخفيف بين هذه المصانع (إدواردز 2017). أغفلت الدراسات السابقة التفاعلات بين طرق التخفيف المختلفة. على سبيل المثال، في المصانع التي يتم فيها استبدال مواد مثل خبث الفرن العالي والرماد المتطاير بالفعل
جزء من الكلنكر الخاص بهم، يتقلب مقدار الحرارة الناتجة أثناء إنتاج الكلنكر بناءً على التغيرات في نسبة الاستبدال ومعدل تشغيل المصنع. يؤثر هذا التباين بشكل مباشر على كمية الكهرباء التي يمكن إنتاجها من خلال WHR. نظرًا لأن توافر وتكلفة الموارد للتخفيف، مثل خبث الفرن، الرماد المتطاير، أو الوقود المشتق من النفايات كبديل للوقود، قد تختلف من مصنع إلى آخر، غالبًا ما تتخذ الشركات التي لديها أكثر من مصنع قرارات بشأن مشاريع التخفيف بناءً على مصانعها.

لا تأخذ الدراسات التي أجراها جوكار ومختار (2018) وأنصاري وسيفي (2013) وأناند وآخرون (2006) في الاعتبار شروط الإدخال لحساب الطاقة المستردة أثناء معالجة تخفيف WHR. تلعب العديد من العوامل دورًا في عدم تشغيل مصانع الأسمنت بأقصى طاقتها، مما سيؤثر بشكل كبير على كمية الطاقة المستردة أو المكتسبة من WHR. على سبيل المرجع، في عام 2021، كانت نسبة الاستخدام المتوسطة لصناعة الأسمنت في الهند هي ، مع تباينات بين مصانع الأسمنت الفردية. باستثناء بروانو وآخرون (2020)، تتجاهل الدراسات السابقة تأثيرات التقاط الكربون، وهي استراتيجية تخفيف جديدة تستخدم الكربنة غير المباشرة لالتقاط من غازات العادم تحت سيناريوهات سوق مختلفة و سياسة ضريبة اقتصادية.

تركزت الأبحاث الأخيرة على التقنيات الناضجة، مثل كفاءة الطاقة والوقود البديل، وبدائل الكلنكر، وما إلى ذلك، لتقليل انبعاثات الكربون من مصانع الأسمنت. من السهل تنفيذها لأنها فعالة من حيث التكلفة وتتوفر بيانات عامة عنها. ومع ذلك، تتطلب التقنيات المبتكرة والناشئة، مثل استرداد الحرارة المهدرة، تمويلاً كافياً من الحكومة، وتحفيزاً وجهوداً في البحث والتطوير. وقد ركزت معظم الدراسات التي تم مراجعتها على استراتيجيات التخفيف، والاحتمالات التقنية، وتطوير خطط لتقليل الكربون في صناعة الأسمنت دون ربط هذه التدابير بخطة عمل محددة لتنفيذ السياسات. وقد أغفلت المتطلبات والتعليقات من طرق التخفيف، التي ستؤثر بشكل كبير على جدوى المشاريع، أهمية النظر في الدراسات السابقة. الشاغل الرئيسي لأصحاب المصلحة في الصناعة هو تقييم الجدوى الاقتصادية لتنفيذ تدابير التخفيف، حيث تتطلب طرق مثل تحسين الكفاءة واسترداد الحرارة المهدرة استثمارات كبيرة قد تؤثر على هوامش الربح. ونتيجة لذلك، فإن غياب الأبحاث حول السيناريوهات التي تتضمن اعتماد نهج تخفيف متعددة بتكاليف تنفيذ متفاوتة يعيق التجريب في هذا المجال.

تعتمد الجدوى التقنية والاقتصادية لاستراتيجيات التخفيف من انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت على عوامل متعددة، مثل توفر وتكلفة المواد البديلة، ومصادر الوقود، والتقنيات، وسعر السوق للأسمنت. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر ظروف السوق والاستثمار المالي المطلوب على فترة استرداد التكلفة لتنفيذ هذه الاستراتيجيات. كما تعتمد الصناعة على عوامل متنوعة، بما في ذلك الاستراتيجيات المحددة التي يتم النظر فيها، والموقع الجغرافي لمصانع الأسمنت، والبيئة التنظيمية، وحالة التكنولوجيا. تعتبر هذه التقييم أداة قيمة للمستثمرين وصانعي القرار في تحديد جدوى استراتيجيات التخفيف. هذه القضية حاسمة حيث تساهم إنتاج الأسمنت بشكل كبير في انبعاثات الكربون الصناعية.
لذلك، من الضروري تقييم الجدوى التقنية والاقتصادية لهذه الاستراتيجيات لتحديد قابليتها للتطبيق وتأثيرها المحتمل على انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت. إن تنفيذ هذه الاستراتيجيات للتخفيف في صناعة الأسمنت ممكن من الناحيتين التقنية والاقتصادية. إن اعتماد تدابير متنوعة مثل تحسين كفاءة الطاقة، واستبدال الكلنكر، واستعادة حرارة النفايات، والتقاط الكربون وتخزينه يقلل من الانبعاثات في هذا القطاع بشكل كبير (شين وآخرون 2021). صناعة الأسمنت لديها القدرة على تقليل الكربون بشكل كبير من خلال هذه الطرق.

ومع ذلك، فإن فعالية هذه الطرق تختلف اعتمادًا على المعايير الفردية لكل مصنع أسمنت ومنطقة. على الرغم من توفر خيارات التخفيف المختلفة، إلا أن معدلات اعتمادها في صناعة الأسمنت كانت غير كافية. واحدة من الاستراتيجيات لتخفيف انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت هي تحسين كفاءة استخدام الطاقة. وهذا يتضمن تحسين استخدام الوقود والكهرباء في مصانع الأسمنت، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير الانبعاثات. تمتلك هذه الاستراتيجية إمكانيات كبيرة لتقليل انبعاثات الكربون في إنتاج الأسمنت (فدايني وآخرون 2021)، مما يساهم في استدامة الصناعة ويساعد في تحقيق أهداف تقليل انبعاثات الكربون العالمية. يمكن لمصانع الأسمنت القديمة تحسين كفاءة الطاقة من خلال استبدال المعدات وتحسين العمليات (كونشي ومييلتساريك 2021). إن تنفيذ أنظمة استعادة الحرارة المهدرة في الأسمنت هو استراتيجية لتخفيف انبعاثات الكربون من الناحية التكنولوجية والاقتصادية. يتضمن ذلك التقاط واستخدام الحرارة المهدرة الناتجة أثناء إنتاج الأسمنت، مما يقلل من استهلاك الطاقة والانبعاثات الكربونية المرتبطة بها. علاوة على ذلك، فإن استبدال الكلنكر بمواد بديلة، مثل الرماد المتطاير أو الخبث، هو أيضًا خيار قابل للتطبيق لتقليل انبعاثات الكربون. تلعب توافر وتكلفة هذه المواد البديلة والاعتبارات الفنية المتعلقة بملاءمتها للاستخدام في إنتاج الأسمنت دورًا حاسمًا في تحديد الجدوى الاقتصادية لهذه الاستراتيجية للتخفيف. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام الوقود البديل، مثل الكتلة الحيوية أو الوقود المشتق من النفايات، أو الإطارات المستعملة كبديل للوقود الأحفوري التقليدي إلى تقليل كثافة الكربون في إنتاج الأسمنت بشكل كبير. تعتمد هذه الاستراتيجية أيضًا على توافر وتكلفة هذه الوقود البديلة. يمكن أن يؤدي التخفيض المحتمل في يمكن أن تقلل الانبعاثات الناتجة عن استخدام الوقود البديل في صناعة الأسمنت من التأثيرات بشكل كبير (حسين وآخرون 2017). بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة، فإن استبدال الكلنكر واستخدام الوقود البديل، تعتبر استراتيجية أخرى لتقليل انبعاثات الكربون في صناعة الأسمنت هي تنفيذ أنظمة استعادة حرارة النفايات.

علاوة على ذلك، فإن تنفيذ تقنية احتجاز الكربون وتخزينه في صناعة الأسمنت هو وسيلة واعدة لتقليل الانبعاثات. تتضمن هذه الاستراتيجية التقاط من غازات العادم الناتجة عن إنتاج الأسمنت، تخزينها تحت الأرض أو استخدامها لأغراض أخرى. لديها القدرة على
تقليل الانبعاثات بشكل كبير، يُقدّر أن تكون بين 65 و في صناعة الأسمنت. تقوم هذه الأنظمة بالتقاط واستخدام الحرارة المهدرة الناتجة عن إنتاج الأسمنت، مما يقلل من استهلاك الطاقة والانبعاثات الكربونية المرتبطة بها. تظهر هذه التقنية في صناعة الأسمنت وعدًا كاستراتيجية لتخفيف انبعاثات الكربون.

قدمت الورقة نظرة شاملة حول كيفية تقييم نمذجة النظام الديناميكي لاستراتيجيات التخفيف من انبعاثات الكربون وفقًا لتصنيف الوكالة الدولية للطاقة. وركزت بشكل رئيسي على صناعة الأسمنت وناقشت طرق تقليل الانبعاثات. تحدد الورقة الفجوات والتحسينات في طرق التخفيف ثم تسلط الضوء على الحاجة إلى مزيد من البحث. تناولت هذه الدراسة تطبيق نماذج الديناميكا النظامية في تقييم السياسات والتنبؤ بالانبعاثات في مجالات مختلفة، مع التركيز بشكل خاص على تطبيقها في صناعة الأسمنت. كما تحدد الدراسة الفجوات التي لم تعالجها الدراسات السابقة بشكل كافٍ. وتقترح اتجاهات بحث مستقبلية لتعزيز فعالية استخدام نماذج الديناميكا النظامية لتقييم استراتيجيات التخفيف. بالنظر إلى التعقيد وعدم اليقين في ربحية صناعة الأسمنت، من الضروري استخدام نماذج نظامية شاملة. يجب أن تقيم هذه النماذج فعالية تقنيات التخفيف وتساعد في اتخاذ القرار. يحدد نطاق هذه النماذج فائدتها لأصحاب المصلحة. النماذج التي تشمل التحليل الاقتصادي قيمة كبيرة في اتخاذ القرار، حيث تأخذ في الاعتبار العوامل الديناميكية مثل تكاليف الطاقة والصيانة التي تؤثر على فترات استرداد استثمارات رأس المال في مشاريع التخفيف.

وفقًا للأدبيات، يمكن أن يساعد نموذج النظام الديناميكي صانعي السياسات والمديرين التنفيذيين في صناعة الأسمنت في تقييم نجاح مبادرات تخفيف انبعاثات غازات الدفيئة المختلفة. تشير النتائج إلى أن التغييرات في السياسات يمكن أن تقلل بشكل كبير من انبعاثات غازات الدفيئة، مما يؤدي إلى تقليل الانبعاثات. يساعد النموذج في تحديد خيارات التخفيف المفضلة تحت ظروف السوق المحددة، مما يساهم في اتخاذ قرارات السياسة. تتمتع طريقة SD بالقدرة على مساعدة أصحاب المصلحة في تحديد التركيبة المثلى من طرق التخفيف التي يمكن أن توازن بين فعالية التخفيف وهوامش الربح العامة من خلال التركيز على مصنع مرجعي واحد بدلاً من صناعة الأسمنت بأكملها. وفقًا للدراسات التي تم مراجعتها، يمكن استخدام نمذجة SD لتقييم فعالية التدخلات السياسية والتدخلات المعتمدة على التكنولوجيا في صناعة الأسمنت لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة.

مثل أي دراسات أخرى، تحتوي هذه المراجعة على بعض القيود. يمكن أن توفر مراجعة الأدبيات نظرة شاملة لتحديد الفجوات البحثية وتقييم المعرفة الموجودة في هذا المجال. نظرًا لأن هذه المراجعة تركز على دراسات مختلفة تستخدم نماذج SD لتقييم و
قارن بين استراتيجيات مختلفة لتقليل انبعاثات الكربون في إنتاج الأسمنت، لم يتمكن من تغطية تفاصيل كل طريقة تخفيف.

ركزت الدراسات السابقة على التنمية المستدامة بشكل أساسي على قياس الانبعاثات وتقدير التخفيضات المحتملة في صناعة الأسمنت من خلال اعتماد سياسات تصحيحية وهيكلية واقتصادية متنوعة تحت سيناريوهات مختلفة دون إقامة رابط بين هذه التدابير وخطة عمل محددة لتنفيذ السياسات. تركز معظم هذه التدابير بشكل أساسي على إنتاج الأسمنت، والطلب والعرض، واستهلاك الطاقة و الانبعاث، متجاهلة استخدام مراحل نهاية الحياة من دورة حياة الأسمنت. هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول سيناريوهات السياسات، وتكاليف التنفيذ ووجهات النظر العملية حول التخفيف خلال مرحلة نهاية الحياة من الأسمنت باستخدام التنمية المستدامة ضرورية لهذا المجال. سيكون تنفيذ نهج التنمية المستدامة بهذه الطريقة فعالًا نسبيًا في تقييم استدامة المصانع، مما يساعد على حل تحديات اتخاذ القرار. يجب أن يتضمن المزيد من البحث في هذا المجال التحديات في تنفيذ هذه التدخلات، مثل التكاليف العالية، والحواجز التكنولوجية، والقضايا التنظيمية.

مساهمات المؤلفين شارك OE في كتابة المسودة الأصلية، والمنهجية، وتنظيم البيانات، والتحقيق، والتحقق، والتحليل الرسمي. ساعد DVVK وDA في التصور، والموارد، والإشراف، ومراجعة الكتابة. ساهم DVVK وDA في تنظيم البيانات، والإشراف، ومراجعة الكتابة والتحرير.

تمويل تم توفير تمويل الوصول المفتوح من قبل جامعة جوهانسبرغ.
توفر البيانات يجب توجيه الاستفسارات حول توفر البيانات إلى المؤلفين.

المصالح المتنافسة لم يكشف المؤلفون عن أي مصالح متنافسة.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر ائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Abubakar A, Mohammed A, Samson D (2021) Assessment of embodied energy and carbon IV oxide emission of concrete containing corncob ash. Int J Sustain Green Energy 10:76-84

Agency IE (2014) World energy outlook 2014: Executive summary. OECD/IEA Paris, FRA
Ali M, Saidur R, Hossain M (2011) A review on emission analysis in cement industries. Renew Sustain Energy Rev 15:2252-2261
Anand S, Vrat P, Dahiya R (2006) Application of a system dynamics approach for assessment and mitigation of emissions from the cement industry. J Environ Manage 79:383-398
Anderson S, Newell R (2004) Prospects for carbon capture and storage technologies. Annu Rev Environ Resour 29:109-142
Ansari N, Seifi A (2013) A system dynamics model for analyzing energy consumption and emission in Iranian cement industry under various production and export scenarios. Energy Policy 58:75-89
Attari MIJ, Hussain M, Javid AY (2016) Carbon emissions and industrial growth: an ARDL analysis for Pakistan. Int J Energy Sector Manag. https://doi.org/10.1108/IJESM-04-2014-0002
Bahman N, Al-Khalifa M, Al-Baharna S, Abdulmohsen Z, Khan E (2023) Review of carbon capture and storage technologies in selected industries: potentials and challenges. Rev Environ Sci Bio/Technol 22(2):1-20
Barisa A, Rosa M (2018) A system dynamics model for emission mitigation policy design in road transport sector. Energy Procedia 147:419-427
Benhelal E, Zahedi G, Shamsaei E, Bahadori A (2013) Global strategies and potentials to curb emissions in cement industry. J Clean Prod 51:142-161
Bert M, Ogunlade D, De Coninck H, Loos M (2005) Carbon dioxide capture and storage. Intergovernmental Panel on Climate Change. UK: Cambridge: Cambridge University Press, Available online: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/ srccs_wholereport-1.pdf
Bosoaga A, Masek O, Oakey JE (2009) capture technologies for cement industry. Energy Proc 1:133-140
Boyer M, Ponssard JP (2013) Economic analysis of the European cement industry. CIRANO-Scientific Publication, Montreal
Brown GS, Campbell DP (1948) Principles of servomechanisms: dynamics and synthesis of closed-loop control systems. Wiley, Hoboken
Çankaya S, Pekey B (2018) Comparative life cycle assessment of clinker production with conventional and alternative fuels usage in Turkey. Int J Environ Sci Dev 9:213-217
Capture C Association S (2016) What is CCS? Carbon capture and storage association
CEMBUREAU (2021) The European cement association (Cembureau) 2020 activity report. Cembureau. The European Cement Association.
CHANGE UC (2017) Bigger climate action emerging in cement industry. Bonn, Germany
Chatziaras N, Psomopoulos C, Themelis N (2014) Use of alternative fuels in cement industry. In: Proceedings of the 12th international conference on protection and restoration of the environment, ISBN 521-529
Daehn K, Basuhi R, Gregory J, Berlinger M, Somjit V, Olivetti EA (2022) Innovations to decarbonize materials industries. Nat Rev Mater 7:275-294
Dandautiya R, Singh AP (2020) Life-cycle assessment of production of concrete using copper tailings and fly ash as a partial replacement of cement. Advances in sustainable construction materials. Springer: Berlin
Doğan A, Bodnarova B, Hedman BA, Avci F, Feckova V, Menkova V, Gorbatenko Y (2018) Waste heat recovery in Turkish cement industry: review of existing installations and assessment of remaining potential. The World Bank
Dong X, Li C, Li J, Huang W, Wang J, Liao R (2012) Application of a system dynamics approach for assessment of the impact of
regulations on cleaner production in the electroplating industry in China. J Clean Prod 20:72-81
Edwards P (2017) Global cement top 100 report 2017-2018. G Cem Mag 12:20
Ekinci E, Kazancoglu Y, Mangla SK (2020) Using system dynamics to assess the environmental management of cement industry in streaming data context. Sci Total Environ 715:136948
Fadayini OM, Obisanya AA, Ajiboye GO, Madu C, Ipaye TO, Rabiu TO, Ajayi SJ, Akintola JT (2021) Simulation and optimization of an integrated process flow sheet for cement production. In: Cement industry-optimization, characterization and sustainable application. IntechOpen
Feng YY, Chen SQ, Zhang LX (2013) System dynamics modeling for urban energy consumption and emissions: a case study of Beijing, China. Ecol Model 252:44-52
Fennell PS, Davis SJ, Mohammed A (2021) Decarbonizing cement production. Joule 5:1305-1311
Fonta P (2017) The “Paris agreement” on climate change: an opportunity for cement sector to further reduce its emissions. In: 2017 IEEE-IAS/PCA cement industry technical conference. IEEE, pp. 1-8
Forrester JW (1961) Industrial dynamics. M.I.T. Press, Cambridge
Garside M (2022a) Carbon dioxide emissions from the manufacture of cement worldwide from 1960 to 2021, Statista 2022. In: STATISTA
Garside M (2022b) Global cement production 1995-2022, Statista 2022
Garside M (2022c) Major countries in worldwide cement production in 2022, Statista 2022. Statista
Georgiopoulou M, Lyberatos G (2018) Life cycle assessment of the use of alternative fuels in cement kilns: a case study. J Environ Manage 216:224-234
Gu S, Fu B, Thriveni T, Fujita T, Ahn JW (2019) Coupled LMDI and system dynamics model for estimating urban emission mitigation potential in Shanghai. China J Clean Prod 240:118034
Habert G, Billard C, Rossi P, Chen C, Roussel N (2010) Cement production technology improvement compared to factor 4 objectives. Cem Concr Res 40:820-826
Habert G, Miller SA, John VM, Provis JL, Favier A, Horvath A, Scrivener KL (2020) Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industries. Nat Rev Earth Environ 1:559-573
Han J, Bhandari K, Hayashi Y (2008) Evaluating policies for mitigation in India’s passenger transport. Int J Urban Sci 12:28-39
Han J, Hayashi Y (2008) A system dynamics model of mitigation in China’s inter-city passenger transport. Transp Res Part d: Transp Environ 13:298-305
Hasanbeigi A, Morrow W, Masanet E, Sathaye J, Xu T (2013) Energy efficiency improvement and emission reduction opportunities in the cement industry in China. Energy Pol 57:287-297
Hasanbeigi A, Price L, Lu H, Lan W (2010) Analysis of energyefficiency opportunities for the cement industry in Shandong Province, China: a case study of 16 cement plants. Energy 35:3461-3473
Haszeldine RS (2009) Carbon capture and storage: How green can black be? Science 325:1647-1652
HE H (2009) Carbon dioxide emission in cement production and the quantitive research. Cement Eng 1:70-71
Horsley C, Emmert MH, Sakulich A (2016) Influence of alternative fuels on trace element content of ordinary portland cement. Fuel 184:481-489
Hossain MU, Poon CS, Lo IM, Cheng JC (2017) Comparative LCA on using waste materials in the cement industry: a Hong Kong case study. Resour Conserv Recycl 120:199-208
Huang Y-H, Wu J-H (2021) Bottom-up analysis of energy efficiency improvement and emission reduction potentials in the
cement industry for energy transition: an application of extended marginal abatement cost curves. J Clean Prod 296:126619
IEA (2018) Technology roadmap-low-carbon transition in the cement industry. World Business Council for Sustainable Development (WBCSD), International Energy Agency (IEA)
IEA (2020) Energy technology perspectives 2020. International Energy Agency, Paris
IEA W (2009) Cement technology roadmap 2009-carbon emissions reductions up to 2050. World Business Council on Sustainable Development (WBCSD), International Energy Agency (IEA)
IEA, W. (2021) Cement technology roadmap 2009-carbon emissions reductions up to 2050 . France, Paris, pp 1-2
Ige OE, Olanrewaju OA (2023) Comparative life cycle assessment of different Portland cement types in South Africa. Clean Technol 5:901-920
INITIATIVE CS (2009) Cement industry energy and performance: getting the numbers right. World Business Council for Sustainable Development
IPCC (2018) Summary for policymakers-global warming of 1.5 oC, an IPCC Special Report. Switzerland Geneva
Jokar Z, Mokhtar A (2018) Policy making in the cement industry for mitigation on the pathway of sustainable development- A system dynamics approach. J Clean Prod 201:142-155
JuniantoSunardiSumiarsa IDD (2023) The possibility of achieving zero emission in the Indonesian cement industry by 2050: a stakeholder system dynamic perspective. Sustainability 15:6085
Kajaste R, Hurme M (2016) Cement industry greenhouse gas emis-sions-management options and abatement cost. J Clean Prod 112:4041-4052
Khurana S, Banerjee R, Gaitonde U (2002) Energy balance and cogeneration for a cement plant. Appl Therm Eng 22:485-494
Kim K-S, Cho Y-J, Jeong S-J (2014) Simulation of emission reduction potential of the iron and steel industry using a system dynamics model. Int J Precis Eng Manuf 15:361-373
Koelling P, MJ Schwandt (2005) Health systems: a dynamic systembenefits from system dynamics. In: Proceedings of the winter simulation conference, IEEE, p. 7
Koytsoumpa EI, Bergins C, Kakaras E (2018) The CO2 economy: review of capture and reuse technologies. J Supercrit Fluids 132:3-16
Kunche A, Mielczarek B (2021) Application of system dynamic modelling for evaluation of carbon mitigation strategies in cement industries: a comparative overview of the current state of the art. Energies 14.
LeesonMac DowellShah DNN, Petit C, Fennell P (2017) A Technoeconomic analysis and systematic review of carbon capture and storage (CCS) applied to the iron and steel, cement, oil refining and pulp and paper industries, as well as other high purity sources. Int J Greenhouse Gas Control 61:71-84
Li ZT, Akhavian R (2017) Carbon dioxide emission evaluation in construction operations using DES: a case study of carwash construction. In: 2017 winter simulation conference (WSC), 2017. IEEE, pp. 2384-2393
Liu X, Hang Y, Wang Q, Zhou D (2020) Flying into the future: a scenario-based analysis of carbon emissions from China’s civil aviation. J Air Transp Manag 85:101793
Lowitt S (2020) Towards the decarbonisation of the south African cement industry: opportunities and challenges. South Africa: Trade and Industrial Policy Strategies (TIPS)
Macmillan RH (2016) An introduction to the theory of control in mechanical engineering. Cambridge University Press, Cambridge
Maddalena R, Roberts JJ, Hamilton A (2018) Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative cements. J Clean Prod 186:933-942

Madlool N, Saidur R, Hossain M, Rahim N (2011) A critical review on energy use and savings in the cement industries. Renew Sustain Energy Rev 15:2042-2060
Mehta PK (2010) Sustainable cements and concrete for the climate change era-a review. In: Proceedings of the second international conference on sustainable construction materials and technologies, Aneona, Italy, 2010, pp. 28-30
Mengist W, Soromessa T, Legese G (2020) Ecosystem services research in mountainous regions: a systematic literature review on current knowledge and research gaps. Sci Total Environ 702:134581
Mikulčić H, Klemeš JJ, Vujanović M, Urbaniec K, Duić N (2016) Reducing greenhouse gasses emissions by fostering the deployment of alternative raw materials and energy sources in the cleaner cement manufacturing process. J Clean Prod 136:119-132
Mikulčić H, Vujanović M, Duić N (2013) Reducing the emissions in Croatian cement industry. Appl Energy 101:41-48
Moher D, Liberati A, Tetzlaff J, Altman DG, Altman D, Antes G, Atkins D, Barbour V, Barrowman N, Berlin JA, Clark J, Clarke M, Cook D, D’Amico R, Deeks JJ, Devereaux PJ, Dickersin K, Egger M, Ernst E, Gøtzsche PC, Grimshaw J, Guyatt G, Higgins J, Ioannidis JPA, Kleijnen J, Lang T, Magrini N, McNamee D, Moja L, Mulrow C, Napoli M, Oxman A, Pham B, Rennie D, Sampson M, Schulz KF, Shekelle PG, Tovey D, Tugwell P (2009) Preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses: the PRISMA statement. Ann Intern Med 151:264-269
Moya JA, Pardo N, Mercier A (2011) The potential for improvements in energy efficiency and emissions in the EU27 cement industry and the relationship with the capital budgeting decision criteria. J Clean Prod 19:1207-1215
Nehdi M, Rehan R, Simonovic SP (2004) System dynamics model for sustainable cement and concrete: novel tool for policy analysis. Mater J 101:216-225
Nehdi ML, Yassine A (2020) Mitigating Portland cement emissions using alkali-activated materials: system dynamics model. Materials 13:4685
Onat NC, Egilmez G, Tatari O (2014) Towards greening the U.S. residential building stock: a system dynamics approach. Build Environ 78:68-80
Osmanovic Z, Haračić N, Zelić J (2018) Properties of blastfurnace cements (CEM III/A, B, C) based on Portland cement clinker, blastfurnace slag and cement kiln dusts. Cement Concr Compos 91:189-197
Pamenter S, Myers RJ (2021) Decarbonizing the cementitious materials cycle: a whole-systems review of measures to decarbonize the cement supply chain in the UK and European contexts. J Ind Ecol 25:359-376
Pereira MG, Sena JA, Freitas MAV, da Silva NF (2011) Evaluation of the impact of access to electricity: a comparative analysis of South Africa, China, India and Brazil. Renew Sustain Energy Rev 15:1427-1441
Pili R, Martínez LG, Wieland C, Spliethoff H (2020) Techno-economic potential of waste heat recovery from German energy-intensive industry with organic rankine cycle technology. Renew Sustain Energy Rev 134:110324
Plaza MG, Martínez S, Rubiera F (2020) capture, use, and storage in the cement industry: state of the art and expectations. Energies 13:5692
Proaño L, Sarmiento AT, Figueredo M, Cobo M (2020) Technoeconomic evaluation of indirect carbonation for emissions capture in cement industry: a system dynamics approach. J Clean Prod 263: 121457
Procter A, Bassi A, Kolling J, Cox L, Flanders N, Tanners N, Araujo R (2017) The effectiveness of Light Rail transit in achieving
regional emissions targets is linked to building energy use: insights from system dynamics modeling. Clean Technol Environ Pol 19:1459-1474
Rahman A, Rasul M, Khan MMK, Sharma S (2013) Impact of alternative fuels on the cement manufacturing plant performance: an overview. Proc Eng 56:393-400
Rasheed R, Tahir F, Afzaal M, Ahmad SR (2022) Decomposition analytics of carbon emissions by cement manufacturing-a way forward towards carbon neutrality in a developing country. Environ Sci Pollut Res 29:49429-49438
Rhaouti Y, Taha Y, Benzaazoua M (2023) Assessment of the environmental performance of blended cements from a life cycle perspective: a systematic review. Sustain Prod Consum 36:32-48
Robalino-López A, Mena-Nieto A, García-Ramos JE (2014) System dynamics modeling for renewable energy and emissions: a case study of Ecuador. Energy Sustain Dev 20:11-20
Rockström J, Gaffney O, Rogelj J, Meinshausen M, Nakicenovic N, Schellnhuber HJ (2017) A roadmap for rapid decarbonization. Science 355:1269-1271
Rubenstein (2012) Emissions from the cement industry. State of the Planet
Saysel AK, Hekimoğlu M (2013) Exploring the options for carbon dioxide mitigation in Turkish electric power industry: System dynamics approach. Energy Pol 60:675-686
Schaefer RG (1950) Introduction to servomechanisms. University of Wyoming, Laramie
Schneider M, Romer M, Tschudin M, Bolio H (2011) Sustainable cement production-present and future. Cem Concr Res 41:642-650
Shahzad SJH, Kumar RR, Zakaria M, Hurr M (2017) Carbon emission, energy consumption, trade openness and financial development in Pakistan: a revisit. Renew Sustain Energy Rev 70:185-192
Sheheryar M, Rehan R, Nehdi ML (2021) Estimating CO2 emission savings from ultrahigh performance concrete: a system dynamics approach. Materials 14:995
Shen L, Zhong S, Elshkaki A, Zhang H, Zhao JA (2021) Energy-cement-carbon emission nexus and its implications for future urbanization in China. J Sustain Dev Energy Water Environ Syst 9:1-15
Sirico A, Bernardi P, Belletti B, Malcevschi A, Restuccia L, Ferro GA, Suarez-Riera D (2020) Biochar-based cement pastes and mortars with enhanced mechanical properties. Frattura Ed Integrità Strutturale 14:297-316
Song D, Chen B (2014) A life cycle modeling framework for greenhouse gas emissions of cement industry. Energy Procedia 61:2649-2653
Sterman JD (2002) All models are wrong: reflections on becoming a systems scientist. Syst Dyn Rev J Syst Dyn Soc 18:501-531
Summerbell DL, Barlow CY, Cullen JM (2016) Potential reduction of carbon emissions by performance improvement: a cement industry case study. J Clean Prod 135:1327-1339
Sun W, Wang J, Ren Y (2016) Research on emissions from China’s electric power industry based on system dynamics model. Int J Ind Syst Eng 22:423-439
SURANENI, P. (2021) Recent developments in reactivity testing of supplementary cementitious materials. RILEM Tech Lett 6:131-139
Tang B, Hu W, Duan A, Gao K, Peng Y (2022) Reduced risks of temperature extremes from 0.5 C less global warming in the Earth’s three poles. Earth’s Future 10: e2021EF002525

Tang M, Wang S, Dai C, Liu Y (2020) Exploring CO2 mitigation pathway of local industries using a regional-based system dynamics model. Int J Inf Manage 52:102079
Tao M, Lu D, Shi Y, Wu C (2022) Utilization and life cycle assessment of low activity solid waste as cementitious materials: a case study of titanium slag and granulated blast furnace slag. Sci Total Environ 849:157797
Taylor M, Tam C, Gielen D (2006) Energy efficiency and emissions from the global cement industry. Korea 50(61):7
Tigress T, Fight F, Down EL (2000) Business dynamics systems thinking and modeling for a complex world with Cd Rom
Tsiliyannis CA (2018) Industrial wastes and by-products as alternative fuels in cement plants: evaluation of an industrial symbiosis option. J Ind Ecol 22:1170-1188
Tun TZ, Bonnet S, Gheewala SH (2021) Emission reduction pathways for a sustainable cement industry in Myanmar. Sustain Prod Consum 27:449-461
USGS 2021. Mineral commodity summaries 2021. Mineral Commodity Summaries. Reston, VA
Usón AA, López-Sabirón AM, Ferreira G, Sastresa EL (2013) Uses of alternative fuels and raw materials in the cement industry as sustainable waste management options. Renew Sustain Energy Rev 23:242-260
Vargas J, Halog A (2015) Effective carbon emission reductions from using upgraded fly ash in the cement industry. J Clean Prod 103:948-959
Wang Y, Höller S, Viebahn P, Hao Z (2014) Integrated assessment of reduction technologies in China’s cement industry. Int J Greenhouse Gas Control 20:27-36
Wei J, Cen K (2019) Empirical assessing cement emissions based on China’s economic and social development during 2001-2030. Sci Total Environ 653:200-211
Wei J, Geng Y, Shen L, Cen K (2015) Analysis of Chinese cement production and emission. Environ Sci Technol 38:80-86
Worrell E, Price L, Martin N, Hendriks C, Meida LO (2001) Carbon dioxide emissions from the global cement industry. Annu Rev Energy Env 26:303-329
Wu J, Mohamed R, Wang Z (2017) An agent-based model to project china’s energy consumption and carbon emission peaks at multiple levels. Sustainability 9:893
Zhou M, Zhou M, Pan Y, Chen Z, Zeng J (2016) Multi-agent-based simulation for policy evaluation of carbon emissions. Theory, Methodology, Tools and Applications for Modeling and Simulation of Complex Systems: 16th Asia Simulation Conference and SCS Autumn Simulation Multi-Conference, AsiaSim/SCS AutumnSim 2016, Beijing, China, October 8-11, 2016, Proceedings, Part III 16, 2016. Springer, Berlin, pp. 265-272
Zhu L, He L, Shang P, Zhang Y, Ma X (2018) Influencing factors and scenario forecasts of carbon emissions of the Chinese power industry: based on a Generalized Divisia Index Model and Monte Carlo Simulation. Energies 11:2398
Zuberi MJS, Patel MK (2017) Bottom-up analysis of energy efficiency improvement and emission reduction potentials in the Swiss cement industry. J Clean Prod 142:4294-4309

Publisher’s Note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

أولووافيمي إزيكييل إيغ
oige@uj.ac.za
1 قسم تكنولوجيا الهندسة الميكانيكية والصناعية، جامعة جوهانسبرغ، جوهانسبرغ،
جنوب أفريقيا

2 قسم الهندسة الميكانيكية والهندسة الميكاترونيك، جامعة تسواني للتكنولوجيا، بريتوريا، جنوب أفريقيا

Received: 23 August 2023 / Accepted: 14 November 2023 / Published online: 9 January 2024
© The Author(s) 2024

Navigating the way to sustainability in the cement industry: Exploring mitigation strategies through systems dynamics model

Keywords Systems dynamics GHG mitigation Mitigation policy Mitigation options Cement industry

Climate change has been identified as a leading cause of the threat to the planet today due to human activity, as evidenced (IPCC 2018). The impact of human actions alone has resulted in a rise of in average global temperatures compared to the period before the Industrial Revolution. Projections indicate that by 2046, the average global temperature will rise by , as forecast at the beginning of this century (Tang et al. 2022). Cement is a widely used construction material and its production has increased since the middle of the nineteenth century. In 2022, global cement production was approximately 4.2 billion tons, a significant increase compared to 1.39 billion tons in 1995 and produced by more than of countries and territories (Cembureau 2021), surpassing the billion tons projected production by the International Energy Agency (IEA) by 2050 (IEA 2009). This growth in cement production serves as evidence of the substantial expansion of the construction industry over the years. Global cement production reached 4.1 billion metric tonnes in 2022 as shown in Figure1.

According to the United States Geological Survey (USGS) (2021) and the European Cement Association Cembureau (2021), China was the largest producer of cement, with of the total production globally, followed by India (7.0%), the European Union (6.1%), the USA (2.1%) and the others . As shown in Fig. 2, China led global cement production, producing an
enormous 2.1 billion Mt. in 2022, which surpasses any other country by a significant margin. China produced more than 50% of total global cement production in 2022. India, the second-largest cement producer worldwide, fell far behind with a production volume of 370 million Mt. Vietnam was third on the worldwide list, producing 120 million Mt. of cement the same year. In 2022, the USA produced approximately 95 Mt . of cement and came fourth among the top cement-producing countries worldwide. Cement production consumes a substantial amount of energy and produces a significant amount of carbon dioxide . Portland cement, the most widely used type of cement globally, is produced by grinding Portland cement clinker, a hydraulic substance primarily consisting of calcium silicates (Wang et al. 2014).

The cement production process emits approximately 0.9 tons of per ton of cement (Hasanbeigi et al. 2010), accounting for about of global emissions and ranking as the second-largest emissions source (Mikulčić et al. 2016; Kajaste and Hurme 2016). According to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) report, the cement industry was responsible for of global anthropogenic emissions in 2005 (Bert et al. 2005). In 2019, the cement industry generated 2.4 gigatonnes (Gt) of , constituting of the overall emissions from the industrial sector (IEA 2020). In cement production, almost of GHG emissions are from material consumption, while approximately originates from fuel combustion. The remaining is divided equally between electricity usage and transportation (Maddalena et al. 2018;

Summerbell et al. 2016). In 2021, global emission cement production raised to about 1.7 billion metric tons of carbon dioxide into the atmosphere. These emissions have experienced a significant rise since the 1960s and have more than doubled since the beginning of the twenty-first century, as shown in Fig. 3. The annual global production of cement exceeds four billion metric tons.

As cement production continues to increase, emissions also increase. Burning of various substances such as coal, natural gas, heavy fuel oil, biomass, petro-coke, waste fuel or fuel oil generates energy. Coal is the primary
and traditional energy source in South Africa, China and other countries (Pereira et al. 2011). Clinker production, the main component of Portland cement, emits approximately 0.527 tonnes of ton clinker, specifically from the calcination process representing of the emissions within the cement production process (He 2009). The rest of the emissions are released from carbon fuels and electricity usage (Worrell et al. 2001). These stages consume different amounts of energy, with clinker burning being responsible for the highest percentage of energy consumption ( ), followed by finish grinding ( ),

raw grinding (20%) and auxiliary grinding (15%) (Madlool et al. 2011).

Decarbonizing this sector is crucial to address climate change. Consequently, extensive research and analysis have been conducted on practical solutions for decarbonization, as demonstrated by these studies (Fennell et al. 2021; Habert et al. 2020; Pamenter and Myers 2021). Due to the substantial GHG emissions emitted by the cement industry and its contribution to climate change, the industry has become a key focus for reducing emissions in international accords. These agreements, including the Paris Agreement under the United Nations Framework Convention on Climate Change, aim to limit global warming below or possibly close to 1.5 (Rockström et al. 2017; Fonta 2017). The Low Carbon Technology Partnerships Initiative (LCTPi), a program led by the World Business Council for Sustainable Development (WBCSD), has developed the Cement Action Plan. This plan aims to reduce emissions by by 2030 and involves collaboration with major cement producers in over 100 countries, representing of global production (Change 2017). Therefore, adopting low-carbon technologies in the cement industry is crucial to promote sustainable development.

The system dynamics (SD) method analyzes complex and extensive systems. Unlike focusing solely on a single transaction, the SD method investigates the relationships between modeling and various variables within a system (Koelling and Schwandt 2005; Tigress et al. 2000). In the mid-twentieth century, Forrester developed the SD model based on feedback control theory to explain the dynamic behavior of systems (Brown and Campbell 1948; Macmillan 2016; Schaefer 1950; Forrester 1961). This method has gained significant attention for its effectiveness in predicting interconnected variables since proposed by Jay W. Forrester (Feng et al. 2013). The main aim of an SD is to comprehend and explain the nonlinear behavior of crucial factors
and their interactions with each other and to examine the relationship between policies, decision-making processes, system structure and time delays, which affect the development and stability of a specific system (Dong et al. 2012). To achieve this, SD models utilize positive ( + ) and negative (-) sign feedback loops to illustrate the dynamics generated by these interactions. Various simulation methods, such as multi-agent-based simulation (Zhou et al. 2016; Wu et al. 2017), Monte Carlo (Liu et al. 2020; Zhu et al. 2018), discrete event simulation (Li and Akhavian 2017) and SD (Procter et al. 2017; Barisa and Rosa 2018; Ekinci et al. 2020), are commonly used to assess mitigation policies and their resulting carbon emissions depending on desired goals. It is a comprehensive simulation method and is becoming increasingly popular in carbon policy evaluation due to its capacity to deal with complex socioeconomic factors and forecasting trends like cement demand (Tang et al. 2020; Ekinci et al. 2020).

The share of emissions during cement production is illustrated in Fig. 4, indicating their sources. Nearly half of the emissions are generated during calcination, making them inevitable when producing Portland cement clinker. The cement industry is distinguished from other industries that emit GHG emissions primarily due to fuel combustion. Approximately of GHG emissions in cement production come from fuel combustion to generate the heat required for the calcining process. According to the IEA calculations in 2018 (IEA 2018), of emissions were associated with fuel combustion, were directly attributed to the energy used for calcination, and were caused by heat loss. Approximately 5% of total emissions come from electricity for cooling and grinding, while another 5% are attributed to transportation for cement distribution and storage.

As a result, the sector is naturally a significant contributor to emissions since the process produces emissions by the primary chemical reaction of converting limestone

to lime ( CaO ). In an average cement plant, the production of one ton of cement results in the emission of approximately tons of (Rubenstein 2012). The exact amount of emission varies depending on the production process, heat recovery methods, clinker-cement ratio, raw materials and fuels (Plaza et al. 2020). The cement industry has the potential for significant carbon mitigation through various methods, including waste heat recovery (WHR), carbon capture, low-carbon fuels and blended cement. However, the effectiveness of these methods varies depending on the individual parameters of each cement plant and region. Despite their potential, adopting these mitigation methods is hindered by their capital-intensive nature and existing policies have not successfully promoted their uptake by the cement industry.

For example, in the excerpts mentioned, SD was used to analyze emissions by examining the causes and prospects for lowering urban carbon emissions (Feng et al. 2013; Gu et al. 2019) and industrial carbon emissions (Onat et al. 2014; Proaño et al. 2020). This helped to understand the potential for emission reduction while considering various parameters like energy usage, technological progress and policy regulations. The comprehensive and cause-and-effect-oriented nature of the approach led to numerous applications in studying the effects of GHG mitigation policy and project applications in particular fields, including energy (Feng et al. 2013; Sun et al. 2016; Saysel and Hekimoğlu 2013; Robalino-López et al. 2014), iron and steel (Kim et al. 2014), transportation (Procter et al. 2017; Han and Hayashi 2008; Han et al. 2008; Barisa and Rosa 2018) and cement industries (Ansari and Seifi 2013; Anand et al. 2006; Sheheryar et al. 2021; Junianto et al. 2023; Nehdi and Yassine 2020).

Kunche and Mielczarek (2021) reviewed and discussed various articles on carbon emissions reduction strategies, particularly within industrial sectors such as the cement industry. Relevant articles are identified and then included or excluded based on specific criteria, with several mentioned that employ system dynamics models in looking at sustainable practices and emissions. Their studies did not have the techno-economic possibility of emission mitigation in this industrial sector. Therefore, this review discusses and analyzes the existing work on the SD modeling application and the effectiveness of various carbon mitigation strategies, especially in the cement industry.

Due to a limited review articles published on carbon emissions mitigation strategies for the cement industry using SD, we reviewed only articles published in a margin of 10 years (2000-2023) to gather the scientific literature.

The study begins by identifying relevant articles through a comprehensive search process following PRISMA guidelines (Moher et al. 2009), as shown in Fig. 5. We searched for the words “system dynamics,” “GHG mitigation OR “GHG reduction,” “policy evaluation,” ” reduction,” “cement production” and “cement industry” using multiple databases. We used truncated words to capture different spellings and variations of the keywords and our search resulted in 1800 articles. After removing duplicate articles, unpublished articles and non-English materials, we screened the remaining studies by reading the titles, abstracts and keywords to ensure that they met the inclusion criteria. Then, we applied the exclusion criteria to select a portfolio of studies for more detailed review and analysis.

The selected articles are chosen based on specific criteria. Papers that do not focus on particular models for the cement industry are excluded. The studies vary in research focus, modeling approach and geographical scope, indicating that a diverse range of articles is considered. This review only included articles that use the SD modeling approach to study emissions in the cement industry, specifically focusing on addressing reduction, policies, assessment or GHG mitigation objectives.

The study collects research on policies, strategies and GHG emissions reduction regulations in the cement industry through database search engines. The collected documents primarily consist of academic papers published in peer-reviewed journals, indicating a focus on credible and peer-reviewed sources. It did not exclude articles based on journal rankings, as the review aimed to provide a comprehensive overview of SD models of cement carbon mitigation strategies.

The search process results in identifying articles matching the specified keywords. The review identified 12 articles on using SD modeling for GHG mitigation, policy evaluation and reduction in the cement industry, as shown in Table 1.

In summary, the systematic approach followed in this study involves a comprehensive search using specific keywords and databases, a time frame, selection criteria, and an acknowledgment of variability in the selected articles. These are essential elements in conducting a rigorous and well-structured systematic literature review.

Cement production emits from several sources, but mainly through burning fossil fuels and the calcination of limestone ( ) (Shahzad et al. 2017). Heating at transforms it into lime ( CaO ) and further heating at forms clinker, an essential constituent in cement (Shahzad et al. 2017). Electricity usage for raw materials transportation and operating electrical motors contributes to
indirect emissions (Attari et al. 2016; Rasheed et al. 2022). Direct emissions account for about of , while raw material transport and other processes comprise 10% (Mikulčić et al. 2013; Daehn et al. 2022). One kg of clinker produces 0.5 kg of during calcination (Worrell et al. 2001) and the process requires substantial thermal energy and electricity for burning and grinding the cement. This review considers these five leading reduction technologies in the cement industry as classified by the IEA (2018, 2009, 2021), clinker substitution, alternative fuels, energy efficiency improvements, CCS and WHR. However, due to their ongoing development, Novacem and Geopolymer

cement mitigation technologies are not included. The following sections will introduce these technologies and provide essential information for our study.

This review considers these five leading reduction technologies in the cement industry as classified by the IEA (2018, 2009, 2021). These include clinker substitution (Blended Cement), using alternative fuels (Fuel Switching), energy efficiency improvements, CCS and WHR. We will provide essential information on each of these technologies. However, due to their ongoing development, this study does not cover other mitigation technologies or production measures, such as Novacem or Geopolymer cement. The following sections will introduce these technologies and provide essential information for our study.

As we attempt to reduce global emissions, it is essential to address the significant contribution of the cement industry. Using supplementary cementitious materials (SCMs) as alternative materials offers a sustainable solution to reduce emissions in the cement industry (Rhaouti et al. 2023; Sirico et al. 2020; Abubakar et al. 2021). One of the most promising mitigation strategies for reducing carbon emissions in the cement industry is substituting clinker cement with SCMs or reducing the amount of clinker, which is the primary component of blended cement in cement production (Suraneni 2021; IEA 2021). This method can be accomplished by using additives in the cement blend, which requires less energy and reduces the clinker requirements per ton of cement (Taylor et al. 2006). Blended cement production offers a solution to mitigate carbon emissions and high energy consumption related to clinker production (Ige and Olanrewaju 2023). Replacing a portion of the clinker with SCMs, such as industrial by-products like coal fly ash or blast furnace slag (Osmanovic et al. 2018; Tao et al. 2022; Dandautiya and Singh 2020), lowers the clinker/cement ratio without compromising the properties of Portland cement. This reduces the clinker/cement ratio (Ali et al. 2011), reducing emissions from energy consumption in the kiln and process emissions from clinker production (Taylor et al. 2006). This process can reduce emissions by at least and up to of total emissions from cement production
worldwide (Ali et al. 2011; Koytsoumpa et al. 2018; Bosoaga et al. 2009).

Fuel switching to lower-carbon alternative fuels is another potential method for mitigating emissions (Chatziaras et al. 2014). Alternative fuels involve substituting traditional fossil fuels such as oil, coal and pet coke with more environmentally friendly options, reducing carbon emissions during cement kiln combustion (Georgiopoulou and Lyberatos 2018; Usón et al. 2013). The cement industry ranks as the third-largest consumer of energy among industrial sectors (Agency 2014). The use of waste-derived alternative fuels, such as refuse-derived fuels (RDF) or used tires, has gained popularity in the cement industry due to rising fossil fuel costs, depletion of resources and increased environmental awareness around use of fossil fuels (Rahman et al. 2013; Georgiopoulou and Lyberatos 2018). Using alternative fuels in cement production offers an opportunity to reduce long-term carbon emissions, waste disposal and reliance on fossil fuels (Tsiliyannis 2018; Tun et al. 2021). However, incorporating waste materials as alternative fuels can affect cement quality and potentially increase emissions of harmful volatile elements like mercury and thallium (Rahman et al. 2013; Horsley et al. 2016). Furthermore, using waste materials as alternative fuels can reduce dependence on fossil fuels, lower production costs in cement manufacturing and decrease emissions (IEA 2018; Habert et al. 2010). Alternative fuels such as natural gas, biomass and wastederived fuels like sewage sludge, tires and municipal solid waste can reduce indirect emissions from fossil fuel combustion (Çankaya and Pekey 2018).

Improving energy efficiency is vital to reducing emissions from fuel and cutting down the cost of cement production by optimizing fuel and electricity use. One approach is to use energy-efficient equipment and replace outdated installations. Improving fuel efficiency is vital for reducing energy input in cement production, as most energy consumption is attributed to the heat generated by the large rotary kiln. Also, switching from the wet to the dry process can
significantly improve energy efficiency, as the dry process with pre-heaters and pre-calcination is more efficient (Huang and Wu 2021; Zuberi and Patel 2017). Switching to the dry process with calciner, as outlined in the CSI’s Getting the Numbers Right Protocol (Initiative 2009), can reduce energy consumption by up to and decrease emissions by . Process upgrading can also include optimizing the clinker cooler, improving preheating efficiency, enhancing burners and implementing advanced process control and management systems (Hasanbeigi et al. 2013). Therefore, implementing this mitigation strategy requires a substantial financial commitment, with the period for achieving a return on investment directly linked to the current market price of cement.

CCS is a recent mitigation method that uses chemical solvents to suck up from exhaust flue gases and can potentially reduce emissions in the cement industry by 65-75% (Anderson and Newell 2004). It captures and compresses emissions into liquid form for transport to underground storage facilities. While not yet widely implemented, CCS is suitable for industries with other alternative technologies to reduce carbon emissions in cement production. The impact of emissions on climate change drives the development of advanced energy cycles incorporating management; according to the Carbon Capture and Storage Association (CCSA) (Capture and Association 2016), CCS can capture up to of emissions from industrial processes that uses fossil fuels, preventing their release into the atmosphere. CCS includes three technologies: pre-combustion, post-combustion and oxy-fuel combustion capture. Precombustion capture is considered less promising than postcombustion and oxy-fuel combustion due to its inability to capture during the calcination process and the need for modifications in clinker burning to handle pure hydrogen’s explosive properties (IEA 2009).

Additionally, the by-products generated during the process would require transportation and disposal, resulting in extra costs (Proaño et al. 2020). However, due to its novelty, the implementation costs of CCS are significantly higher than those of other mitigation methods listed. According to IEA (2018), most CCS technology is tested through pilot projects currently and oxy-fuel capture technologies are not yet proven commercially. The CCS can reduce GHG emissions emitted by cement plants by 65-80% despite its potential not being fully explored (Wei and Cen 2019). Once again, CCS technology has many disadvantages, such as high costs (Benhelal et al. 2013), excessive energy use, leakage (Haszeldine 2009) and the cost of capturing 1 ton of equivalent to the price of 1 ton of cement in China (Wei
et al. 2015). Although CCS technologies have the potential to reduce emissions significantly, it faces technological and economic challenges in many cement industries (Leeson et al. 2017; Bahman et al. 2023).

Waste heat in cement production mainly comes from the clinker cooler discharge and kiln exhaust gas, representing of total energy (Khurana et al. 2002). These waste heat sources can be harnessed to generate electricity through steam turbines, reducing the need for purchased electricity and overall electrical demand. The average flue gas temperature from the cement kiln is about and is used in pre-heaters to improve the specific energy consumption. The exhaust gas temperatures, ranging from 250 to , leaves the pre-heaters and contain sufficient thermal energy for electricity generation using a Rankine cycle, thereby reducing electricity purchased (Pili et al. 2020; Madlool et al. 2011). The success of WHR in reducing carbon emissions and ensuring financial stability depends on factors like grid emission factor, electricity prices and plant utilization rate. WHR systems can generate around ton clinker in larger cement kilns (Schneider et al. 2011). However, the efficiency of WHR steam needs to be estimated by considering internal losses and energy transfer inefficiencies (Madlool et al. 2011). Insulating the outer surfaces of cyclones and ducts can also improve energy efficiency by reducing heat loss through convection and radiation from the kiln’s hot surfaces. WHR is a promising, cost-effective technology (Moya et al. 2011). As a result, all these five mitigating technologies must be used to meet reduction goals. Over 16 years, from 1990 to 2006, the cement industry has reduced its thermal energy usage from 3605 to clinker by approximately (Mehta 2010). Using slags and fly ash as part of clinker production to reduce carbon emissions also reduces electric energy efficiency.

Cement production requires substantial investments and its production costs depend on various factors like raw materials, fuel, labor, transportation and taxes. The life span of cement plants makes their financial sustainability sensitive to changes in these factors (Boyer and Ponssard 2013). Carbon mitigation strategies like WHR and CCS can reduce GHG emissions, but their effectiveness depends on local electricity emissions and fuel properties. Implementing these strategies can impact production costs by changing fuel and electricity usage, changing various tax scenarios and generating additional income, improving return on investment and making these mitigation strategies more attractive for
implementation (Doğan et al. 2018). Neglecting important feedback in decision making may lead to policy resistance (Sterman 2002). Therefore, utilizing an SD model can assist stakeholders in making informed decisions and exploring various policy options. SD models are increasingly used to predict carbon emissions in various industries, but their application in the cement sector is limited. The methodology section presents an overview of relevant studies that used SD to forecast emissions or assess mitigation strategies/policies in the cement industry. The selected studies are analyzed based on evaluated mitigation methods, study scope, modeling dimension and experimental settings.

Junianto et al. (2023) used an SD model tool to predict and evaluate emissions reduction targets in the Indonesian cement industry until 2050. They incorporated input from stakeholders and expertise to forecast practical implementation strategies and focused on variables that affect emissions in the cement industry. The study used scenarios formulated through an analytical hierarchy process with stakeholders and introduced variables as mathematical relationships. The model was validated using the absolute mean error (AME) method and emission data published by the Indonesian Ministry. The results showed that a network of interconnected factors, including population growth, cement production and demand, clinker production, traditional fuel consumption, electrical energy and CCS technology implementation, would lead to a reduction in emissions compared to the 2020 baseline.

Sheheryar et al. (2021) used the SD model to investigate the potential reduction in carbon emissions by replacing Portland cement (PC) with Ultra-High-Performance Concrete (UHPC) in the concrete industry. The SD model consisted of four sectors: cement demand, PC, UHPC and emissions, and employed a single stock-flow structure to assess the feasibility of this approach. The authors developed multiple scenarios to simulate different policies and explore the environmental impact of substituting UHPC for PC using Stella software. The authors tested different policy scenarios and highlighted a nonlinear correlation between the percentage of PC replacement and the extent of emission reduction. The results showed that UHPC could reduce cumulative emissions of cement and concrete by over during the studied simulation period. However, the effectiveness of UHPC in reducing emissions depends on various future policy scenarios. Overall, the results suggest that UHPC has the potential to reduce emissions in the concrete industry significantly, but the outcome depends on various future policy scenarios.

Nehdi and Yassine (2020) developed an SD model to predict emissions in the cement industry over the next three decades. The model incorporates the feedback from the increasing use of alkali-activated materials (AAMs) and their impact on the market share of PC. The model
comprises five sectors: forecast, carbonation, PC and AAM concrete, emissions and AAM composition. The study investigates various parameters related to AAMs, such as activator type, precursor type, policy implementation period, AAM carbonation rate, total AAM market share and AAM concrete service life. The study utilized four scenarios to test the impact of different policies on net emissions released. The purpose of the model is to serve as a tool for policy testing and evaluating how substituting cement with AAMs could potentially affect emissions. The study extensively examines the production process of eco-efficient AAMs, including production techniques, curing and placement techniques, carbonation, aging and life cycle performance. The authors also conducted a sensitivity analysis to assess the influence of AAM carbonation and service life. The authors did not mention the validation method used. The model provides decision makers and policy makers with an efficient means to evaluate the impacts of AAMs on emissions from cement production while minimizing computational requirements.

Proaño et al. (2020) used an SD to assess the technoeconomic impact of employing indirect carbonation capture technology to reduce emissions in clinker production. Their model incorporates various subsystems, including cement production and demand, estimation and capture, and costs and profit, to simulate the financial implications of implementing carbon capture in cement production. The authors consider the carbon capture method and the impact of additional investment costs, which are vital factors influencing mitigation adoption rates in the cement industry. The authors adopted the SD approach to deal with the challenges of modeling economic behavior that depends not just on initial investment and operating costs, market conditions and government policy that change over time. The model was assessed and validated at each stage of development, including structural verification using historical data on GDP and cement demand. The study considers different technical scenarios, evaluating the effectiveness of employing sodium, barium or calcium-based solvents in the carbon capture module for mitigating emissions. The model uses 11 stocks and 14 flows represented in stock-andflow diagrams. The study used a structural verification test and historical data from clinker and cement production to validate the model. The study concludes that implementing a carbon tax would significantly encourage the use of carbon capture technologies and help the cement industry achieve its emission reduction goals.

Ekinci et al. (2020) adopted a holistic approach to identify the factors influencing cement production and the environmental factors contributing to urban air pollution using an SD model that incorporated real-time data to assist decision makers in proactively protecting the environment. The study highlights the interconnection between industry, such
as population growth and construction demand, aiming to include all external factors that indirectly contribute to pollution in the cement industry. However, the model lacks detailed calculations of emissions from specific modules in the cement production process, such as clinker production, fuel consumption and electricity. The study also analyzed some strategic-level decisions to reveal their environmental impact. Cement industry emissions were calculated based on yearly GDP and construction activity, considering cement production capacity, distinguishing it from other studies in the field. The authors did not provide a stock-and-flow diagram or parameter list to assess the complexity of the model and a one-way ANOVA test was used to validate the simulation results. The study establishes a correlation between the need for new construction, cement production and regional air pollution, but it lacks a clear outline of the different subsystems employed in their SD model.

Tang et al. (2020) simulated long-term energy demand, energy consumption, cement production and emissions in China’s Chongqing region’s cement industry using a system dynamics (SD) model. The study incorporated regional differences and inter-regional factors, considering technological and comparative industrial advantages among neighboring areas. The simulation covered the period from 2018 to 2030. The SD model focused on three subsystems: demand, supply and emissions within the regional emission system. They conducted a case study on the cement industry in Chongqing, simulating two scenarios: business as usual (BAU) and low-carbon consumption. The study assumed increased clinker substitution, improved electricity efficiency and improved production capacity as measures to reduce carbon emissions. They include utilization ratios for clinker substitutes, fuel substitutes and waste heat recovery (WHR) as exogenous parameters, which vary based on the specific scenario under investigation. The model assumed a constant policy scenario throughout the simulation and was validated using dimensional consistency tests, structural verification and historical data before performing sensitivity analyses rate on the WHR utilization, emission intensity, clinker ratio and alternate fuel use.

Jokar and Mokhtar (2018) developed an SD model to examine the sustainability impact of three energy efficiency measures on the Iranian cement industry. The model included economic and social subsystems, evaluating producer profit and market pricing and consisted of six subsystems: cement and clinker production, energy consumption, emissions, economic analysis and social evaluation. The study employed 5 stocks and 10 flows based on stock-and-flow diagrams. The authors validated the model using historical data and performed a sensitivity analysis on production costs. This model improves upon previous ones by incorporating economic and social considerations in assessing mitigation strategies and estimating employment
requirements. The study revealed that clinker substitution can reduce emissions and energy consumption costs by 13 and , respectively, while waste heat recovery (WHR) benefits producer profits and labor participation. Also, the result showed more opportunities for fossil fuel exportation, improving the country’s trade balance.

Vargas and Halog (2015) employed an SD methodology to explore the potential benefits of utilizing fly ash as a substitute for clinker in cement production to reduce emissions. They conducted simulations of five life cycle scenarios for cement incorporating varying proportions of upgraded fly ash (20 and 35%) to assess the resulting net reductions in emissions. The SD model includes this extra energy use when analyzing emissions. The model consists of 5 stocks, 5 flows and 14 converters to evaluate and compare the emissions with a cement plant with an upgrading process and without upgrading processes. The authors do not state the model validation process and the parameter values used are not specified, but their results were sensitivity analyzed. This simulation confirms what was found in the earlier study, namely that both fly ash and upgraded fly ash reduce cement industry emissions. The result showed that upgrading processes produced additional emissions, decreasing the reductions realized using FA.

Song and Chen (2014) employed an SD approach dynamics simulation model to predict future emission trends within the Chinese cement industry. The model considers energysaving and emission-reduction goals and incorporates five optimization scenarios: demand reduction, technological advancements, fuel substitutions, material substitution and waste heat power generation. The model identifies key strategies for reducing GHG emissions in the cement sector by analyzing these factors. The goal is to explore various energy supply options, technology alternatives, and policy benefits through a predictive model in Stella software to reduce GHG emissions. The model undergoes rigorous verification and validation and processes to ensure its accuracy. The authors suggest that their results may assist decision makers in identifying the current emission scenario, accurately forecasting emission trends and achieving emissions targets while considering the entire cement production process in China. Ultimately, this can assist in achieving emissions targets.

Ansari and Seifi (2013) used an SD model to investigate the impact of energy price subsidy reform on energy consumption and emissions in the Iranian cement industry. Their investigation involved exploring different production and export scenarios, considering updated energy prices. The model incorporated various factors, including cement demand, production, energy consumption and emissions, focusing on directly utilizing natural gas to analyze the effects of subsidy reforms on fuel and electricity in the cement industry and explore potential corrective policies, such as blended cement and waste heat recovery (WHR), to mitigate carbon
emissions. They indicated that the model employs 51 parameters, of which 34 are endogenous and 17 are exogenous. The authors utilized historical data to validate the model, including factors such as GDP growth rate, fuel and electricity prices, and natural gas utilization rate. The simulation results suggest that removing all energy subsidies and implementing corrective measures in the cement sector can reduce electricity consumption by and natural gas by and reduce emissions of by , based on each scenario’s energy demand simulated outlook.

Anand et al. (2006) developed a model to assess the reduction of emissions in the Indian cement sector under different mitigation scenarios using system dynamics. The model considers various mitigation scenarios and emphasizes the influence of population growth and GDP on cement demand and resulting carbon emissions reduction. The model incorporates thermal waste heat recovery (WHR) alongside blended cement as a mitigation method and does not include the energy prices and the production capacity dynamics expansion. The study generated three scenarios baseline scenarios (BS) and modified scenarios categories. The study used structural verification, historical data and dimension consistency tests to validate the model and conducted a sensitivity analysis on cement demand, considering the impact of GDP and population. Moreover, the model assumes that only coal is a thermal energy source utilized in clinker production, with no consideration given to other mitigating methods like alternative fuels and addressed only the impact of thermal WHR and efficiency improvements neglecting potential mitigation methods like alternative fuels or electrical WHR.

Nehdi et al. (2004) conducted a study using an SD model to examine the potential of clinker substitutes, such as SCMs, to reduce emissions within the cement industry. The model assumes that cement consumption is affected by the GDP growth rate in developing nations and the population in developed countries. The model comprises five sectors: Forecast, FA concrete, Slag concrete, PC concrete and emissions to simulate various policy measures. The study included two additional simulation scenarios to calculate the availability of slag and fly ash, which are by-products from sectors like the steel industry and coal power plants. Although the authors did not explicitly state their model validation method, they simulated the results across multiple scenarios. The results indicated that blended cement could reduce emissions in the cement sector.

Through the literature search, 12 relevant documents were identified, as shown in Table 2. All 12 studies analyzed methods to reduce GHG emissions within the cement industry. Additionally, two studies analyzed the economic impact and eight analyzed policy options. For a model to be considered an effective tool for decision making and analysis, it should enable the evaluation of the most promising mitigation techniques that are presently accessible in the cement industry. In the cement industry, the model’s scope largely depends on its usefulness to stakeholders accountable for decision making. Including an economic analysis of mitigation project implementation in models is essential for decision making. Different dynamic factors, for instance, energy and maintenance costs, can impact the payback periods for the capital investment required in mitigation projects.

Most research has centered on mitigating strategies to reduce carbon emissions in the cement industry using SD without establishing a connection between these measures and a plan of action for policy implementation. In Table 2, none of the studies included all available technologies for reducing the impact of the cement industry on the environment based on the IEA’s classification. Only Junianto et al. (2023) and Proaño et al. (2020) included the CCS mitigation method from the 12 studies reviewed.

Ansari and Seifi (2013) did not consider alternative fuels, while Nehdi and Yassine (2020), Sheheryar et al. (2021), Nehdi et al. (2004) and Vargas and Halog (2015) focused only on alternative materials. Proaño et al. (2020) analyzed only the effects of the carbon capture method. Junianto et al. (2023) omitted WHR and Jokar and Mokhtar (2018) did not address efficiency improvements. Only Sheheryar et al. (2021), Jokar and Mokhtar (2018) and Proaño et al. (2020) included economic evaluation or cost estimation models in their studies, while others mainly focused on predicting carbon emissions, as summarized in Table 2.

Furthermore, apart from Proaño et al. (2020) and Vargas and Halog (2015), all the models discussed in this paper simulate the impact of mitigation projects on the entire cement industry, which is suitable for assessing overall consequences in a vast area from the view of

policy makers. This approach can help examine mitigation strategies’ impacts on the cement industry on a broad level, suitable to policy makers but lacking flexibility for stakeholders in the industry.

Many cement companies typically operate only one production plant and the availability and costs of mitigation resources vary among these plants (Edwards 2017). Previous studies have neglected the interactions between different mitigation methods. For instance, in plants where substitute materials like blast furnace slag and fly ash are already
replacing a fraction of their clinker, the quantity of heat produced during clinker production fluctuates based on the changes in the substitution percentage and plant operation rate. This variation directly impacts the amount of electricity that can be produced through WHR. Since the availability and cost of resources for mitigation, such as furnace slag, fly ash, or refuse-derived fuels as a fuel alternative, may differ from plant to plant, companies with more than one plant often make decisions regarding mitigation projects based on their plants.

The studies by Jokar and Mokhtar (2018), Ansari and Seifi (2013) and Anand et al. (2006) do not consider the input conditions for calculating the energy recovered while addressing WHR mitigation. Many factors play a role in cement plants not operating at maximum capacity, which would significantly impact the amount of energy recovered or gained by WHR. For reference, in 2021, India’s average utilization share of the cement industry was , with variations between individual cement plants. Except for Proaño et al. (2020), previous studies ignore the impacts of carbon capture, a new mitigation strategy that uses indirect carbonation to capture from exhaust gases under different market scenarios and a tax economic policy.

Most recent research has focused on mature technologies, such as energy efficiency and alternative fuels, clinker substitutes, etc., to reduce carbon emissions from cement plants. They are easy to implement because they are cost-effective and have public data. However, innovative and emerging technologies, such as WHR, require adequate funding from the government, motivation and research and development efforts. Most reviewed studies have concentrated on mitigating strategies, technical possibilities and developing plans for carbon reduction in the cement industry without linking these measures to a specific plan of action for policy implementation. The requirements and feedback from mitigation methods, which would significantly affect the feasibility of the projects, have overlooked the importance of considering in earlier studies. The main concern of stakeholders in the industry is to assess the economic feasibility of implementing mitigation measures, as methods such as efficiency improvements and WHR require considerable investment that may affect profit margins. As a result, the absence of research on scenarios involving adopting multiple mitigation approaches with varying implementation costs hinders experimentation in this area.

The techno-economic feasibility of carbon emission mitigation strategies in the cement industry depends on various factors, such as the availability and cost of alternative materials, fuel sources, technologies and the market price of cement. Additionally, market conditions and the financial investment required influence the payback period for implementing these mitigation strategies. Also, the industry depends on various factors, including the specific strategies being considered, the geographical location of the cement plants, the regulatory environment and the state of technology. This assessment is a valuable tool for investors and decision makers in determining mitigation strategies’ feasibility. This topic is crucial as cement production contributes significantly to industrial carbon emissions (Kunche
and Mielczarek 2021). Therefore, it is essential to assess the techno-economic feasibility of these strategies to determine their viability and potential impact on carbon emissions in the cement industry. Implementing these mitigation strategies in the cement industry is technically and economically feasible. Adopting various measures such as improving energy efficiency, clinker substitution, waste heat recovery, and carbon capture and storage reduces emissions in this sector significantly (Shen et al. 2021). The cement industry has the potential for significant carbon mitigation through these methods.

However, the effectiveness of these methods varies depending on the individual parameters of each cement plant and region. Despite the availability of various mitigation options, their adoption rates in the cement industry have been inadequate. One of the strategies for carbon emission mitigation in the cement industry is improving the efficiency of energy usage. This involves optimizing fuel and electricity use in cement plants, which can significantly reduce emissions. This strategy holds great potential for reducing carbon emissions in cement production (Fadayini et al. 2021), contributing to the industry’s sustainability and helping meet global carbon emission reduction targets. Old cement plants can improve energy efficiency through equipment replacement and process optimization (Kunche and Mielczarek 2021). Implementing waste heat recovery systems in cement is a technologically and economically feasible carbon emission mitigation strategy. It involves capturing and utilizing waste heat generated during cement production, reducing energy consumption and associated carbon emissions. Furthermore, clinker substitution with alternative materials, such as fly ash or slag, is also a viable option for reducing carbon emissions. The availability and cost of these alternative materials and the technical considerations related to their suitability for use in cement production play a crucial role in determining the economic feasibility of this mitigation strategy. In addition, using alternative fuels, such as biomass or refuse-derived fuels, or used tires as a substitute for traditional fossil fuels can significantly reduce the carbon intensity of cement production. Also, this strategy depends on the availability and cost of these substitute fuels. The potential reduction in emissions from using alternative fuels in the cement industry can reduce impacts significantly (Hossain et al. 2017). Aside from improving energy efficiency, clinker substitution and the use of alternative fuels, another carbon emission mitigation strategy in the cement industry is the implementation of waste heat recovery systems.

Furthermore, implementing CCS technology in the cement industry is a promising method to reduce emissions. This strategy involves capturing from exhaust flue gases during cement production, storing it underground or utilizing it for other purposes. It has the potential to
reduce emissions significantly, estimated to be between 65 and in the cement industry. These systems capture and utilize the waste heat generated during cement production, reducing energy consumption and associated carbon emissions. This technology in the cement industry shows promise as a carbon emission mitigation strategy.

The paper presented a comprehensive overview of how SD modeling evaluates strategies for mitigating carbon emissions according to the IEA’s classification. It focused mainly on the cement industry and discussed emission reduction methods. The paper identifies gaps and improvements in mitigation methods and then highlights the need for more research. This study addressed the application of SD models in assessing policies and predicting emissions in various fields, particularly emphasizing their application in the cement industry. The study also identifies gaps where earlier studies have not adequately addressed the topic. It suggests future research directions to enhance the effectiveness of using SD models to evaluate mitigation strategies. Considering the complexity and uncertainty in the cement industry’s profitability, it is essential to use comprehensive system models. These models should assess the effectiveness of mitigation techniques and aid decision making. The scope of such models determines their usefulness to stakeholders. Models that include economic analysis are precious for decision making, as they consider dynamic factors like energy and maintenance costs that affect capital investment payback periods in mitigation projects.

According to the literature, SD modeling can assist policy makers and senior managers within the cement industry in evaluating the success of various GHG mitigation initiatives. The results suggest that policy changes can significantly reduce GHG emissions, resulting in emissions reductions. The model helps identify preferred mitigation options under specific market conditions, informing policy decisions. The SD method has the potential to assist stakeholders in determining the optimal combination of mitigation methods that can balance the effectiveness of mitigation and overall profit margins by focusing on a single reference plant instead of the entire cement industry. According to the studies reviewed, SD modeling can be used to assess the effectiveness of policy interventions and technology-based interventions in the cement industry for reducing GHG emissions.

Similar to any other studies, this review has some limitations. Conducting a literature review can provide a comprehensive overview for identifying research gaps and evaluating existing knowledge within the field. Since this review focuses on various studies that use SD models to assess and
compare different strategies to reduce carbon emissions within cement production, the details of each mitigation method could not be covered.

Earlier review studies on SD have primarily focused on quantifying emissions and estimating potential reductions in the cement industry by adopting various corrective, structural and economic policies under different scenarios without establishing a link between these measures and a specific plan of action for policy implementation. Most of these measures primarily focus on cement production, demand and supply, energy consumption and emission, neglecting the utilization of end-of-life stages of the cement life cycle. Additional research on policy scenarios, cost implementation and practical implementation viewpoints on mitigation during the end-of-life stage of cement using SD is necessary for this field. Implementing SD approaches in this manner would be relatively effective in assessing plants’ sustainability, helping to solve decision-making challenges. Further research in this area must include challenges in implementing these interventions, such as high costs, technological barriers and regulatory issues.

Author contributions OE was involved in writing-original draft preparation, methodology, data curation, investigation, validation, formal analysis. DVVK and DA helped in conceptualization, resources, supervision, writing-reviewing. DVVK and DA contributed to data curation, supervision, writing-reviewing and editing.

Funding Open access funding provided by University of Johannesburg.
Data availability Enquiries about data availability should be directed to the authors.

Competing interest The authors have not disclosed any competing interests.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Abubakar A, Mohammed A, Samson D (2021) Assessment of embodied energy and carbon IV oxide emission of concrete containing corncob ash. Int J Sustain Green Energy 10:76-84

Agency IE (2014) World energy outlook 2014: Executive summary. OECD/IEA Paris, FRA
Ali M, Saidur R, Hossain M (2011) A review on emission analysis in cement industries. Renew Sustain Energy Rev 15:2252-2261
Anand S, Vrat P, Dahiya R (2006) Application of a system dynamics approach for assessment and mitigation of emissions from the cement industry. J Environ Manage 79:383-398
Anderson S, Newell R (2004) Prospects for carbon capture and storage technologies. Annu Rev Environ Resour 29:109-142
Ansari N, Seifi A (2013) A system dynamics model for analyzing energy consumption and emission in Iranian cement industry under various production and export scenarios. Energy Policy 58:75-89
Attari MIJ, Hussain M, Javid AY (2016) Carbon emissions and industrial growth: an ARDL analysis for Pakistan. Int J Energy Sector Manag. https://doi.org/10.1108/IJESM-04-2014-0002
Bahman N, Al-Khalifa M, Al-Baharna S, Abdulmohsen Z, Khan E (2023) Review of carbon capture and storage technologies in selected industries: potentials and challenges. Rev Environ Sci Bio/Technol 22(2):1-20
Barisa A, Rosa M (2018) A system dynamics model for emission mitigation policy design in road transport sector. Energy Procedia 147:419-427
Benhelal E, Zahedi G, Shamsaei E, Bahadori A (2013) Global strategies and potentials to curb emissions in cement industry. J Clean Prod 51:142-161
Bert M, Ogunlade D, De Coninck H, Loos M (2005) Carbon dioxide capture and storage. Intergovernmental Panel on Climate Change. UK: Cambridge: Cambridge University Press, Available online: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/ srccs_wholereport-1.pdf
Bosoaga A, Masek O, Oakey JE (2009) capture technologies for cement industry. Energy Proc 1:133-140
Boyer M, Ponssard JP (2013) Economic analysis of the European cement industry. CIRANO-Scientific Publication, Montreal
Brown GS, Campbell DP (1948) Principles of servomechanisms: dynamics and synthesis of closed-loop control systems. Wiley, Hoboken
Çankaya S, Pekey B (2018) Comparative life cycle assessment of clinker production with conventional and alternative fuels usage in Turkey. Int J Environ Sci Dev 9:213-217
Capture C Association S (2016) What is CCS? Carbon capture and storage association
CEMBUREAU (2021) The European cement association (Cembureau) 2020 activity report. Cembureau. The European Cement Association.
CHANGE UC (2017) Bigger climate action emerging in cement industry. Bonn, Germany
Chatziaras N, Psomopoulos C, Themelis N (2014) Use of alternative fuels in cement industry. In: Proceedings of the 12th international conference on protection and restoration of the environment, ISBN 521-529
Daehn K, Basuhi R, Gregory J, Berlinger M, Somjit V, Olivetti EA (2022) Innovations to decarbonize materials industries. Nat Rev Mater 7:275-294
Dandautiya R, Singh AP (2020) Life-cycle assessment of production of concrete using copper tailings and fly ash as a partial replacement of cement. Advances in sustainable construction materials. Springer: Berlin
Doğan A, Bodnarova B, Hedman BA, Avci F, Feckova V, Menkova V, Gorbatenko Y (2018) Waste heat recovery in Turkish cement industry: review of existing installations and assessment of remaining potential. The World Bank
Dong X, Li C, Li J, Huang W, Wang J, Liao R (2012) Application of a system dynamics approach for assessment of the impact of
regulations on cleaner production in the electroplating industry in China. J Clean Prod 20:72-81
Edwards P (2017) Global cement top 100 report 2017-2018. G Cem Mag 12:20
Ekinci E, Kazancoglu Y, Mangla SK (2020) Using system dynamics to assess the environmental management of cement industry in streaming data context. Sci Total Environ 715:136948
Fadayini OM, Obisanya AA, Ajiboye GO, Madu C, Ipaye TO, Rabiu TO, Ajayi SJ, Akintola JT (2021) Simulation and optimization of an integrated process flow sheet for cement production. In: Cement industry-optimization, characterization and sustainable application. IntechOpen
Feng YY, Chen SQ, Zhang LX (2013) System dynamics modeling for urban energy consumption and emissions: a case study of Beijing, China. Ecol Model 252:44-52
Fennell PS, Davis SJ, Mohammed A (2021) Decarbonizing cement production. Joule 5:1305-1311
Fonta P (2017) The “Paris agreement” on climate change: an opportunity for cement sector to further reduce its emissions. In: 2017 IEEE-IAS/PCA cement industry technical conference. IEEE, pp. 1-8
Forrester JW (1961) Industrial dynamics. M.I.T. Press, Cambridge
Garside M (2022a) Carbon dioxide emissions from the manufacture of cement worldwide from 1960 to 2021, Statista 2022. In: STATISTA
Garside M (2022b) Global cement production 1995-2022, Statista 2022
Garside M (2022c) Major countries in worldwide cement production in 2022, Statista 2022. Statista
Georgiopoulou M, Lyberatos G (2018) Life cycle assessment of the use of alternative fuels in cement kilns: a case study. J Environ Manage 216:224-234
Gu S, Fu B, Thriveni T, Fujita T, Ahn JW (2019) Coupled LMDI and system dynamics model for estimating urban emission mitigation potential in Shanghai. China J Clean Prod 240:118034
Habert G, Billard C, Rossi P, Chen C, Roussel N (2010) Cement production technology improvement compared to factor 4 objectives. Cem Concr Res 40:820-826
Habert G, Miller SA, John VM, Provis JL, Favier A, Horvath A, Scrivener KL (2020) Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industries. Nat Rev Earth Environ 1:559-573
Han J, Bhandari K, Hayashi Y (2008) Evaluating policies for mitigation in India’s passenger transport. Int J Urban Sci 12:28-39
Han J, Hayashi Y (2008) A system dynamics model of mitigation in China’s inter-city passenger transport. Transp Res Part d: Transp Environ 13:298-305
Hasanbeigi A, Morrow W, Masanet E, Sathaye J, Xu T (2013) Energy efficiency improvement and emission reduction opportunities in the cement industry in China. Energy Pol 57:287-297
Hasanbeigi A, Price L, Lu H, Lan W (2010) Analysis of energyefficiency opportunities for the cement industry in Shandong Province, China: a case study of 16 cement plants. Energy 35:3461-3473
Haszeldine RS (2009) Carbon capture and storage: How green can black be? Science 325:1647-1652
HE H (2009) Carbon dioxide emission in cement production and the quantitive research. Cement Eng 1:70-71
Horsley C, Emmert MH, Sakulich A (2016) Influence of alternative fuels on trace element content of ordinary portland cement. Fuel 184:481-489
Hossain MU, Poon CS, Lo IM, Cheng JC (2017) Comparative LCA on using waste materials in the cement industry: a Hong Kong case study. Resour Conserv Recycl 120:199-208
Huang Y-H, Wu J-H (2021) Bottom-up analysis of energy efficiency improvement and emission reduction potentials in the
cement industry for energy transition: an application of extended marginal abatement cost curves. J Clean Prod 296:126619
IEA (2018) Technology roadmap-low-carbon transition in the cement industry. World Business Council for Sustainable Development (WBCSD), International Energy Agency (IEA)
IEA (2020) Energy technology perspectives 2020. International Energy Agency, Paris
IEA W (2009) Cement technology roadmap 2009-carbon emissions reductions up to 2050. World Business Council on Sustainable Development (WBCSD), International Energy Agency (IEA)
IEA, W. (2021) Cement technology roadmap 2009-carbon emissions reductions up to 2050 . France, Paris, pp 1-2
Ige OE, Olanrewaju OA (2023) Comparative life cycle assessment of different Portland cement types in South Africa. Clean Technol 5:901-920
INITIATIVE CS (2009) Cement industry energy and performance: getting the numbers right. World Business Council for Sustainable Development
IPCC (2018) Summary for policymakers-global warming of 1.5 oC, an IPCC Special Report. Switzerland Geneva
Jokar Z, Mokhtar A (2018) Policy making in the cement industry for mitigation on the pathway of sustainable development- A system dynamics approach. J Clean Prod 201:142-155
JuniantoSunardiSumiarsa IDD (2023) The possibility of achieving zero emission in the Indonesian cement industry by 2050: a stakeholder system dynamic perspective. Sustainability 15:6085
Kajaste R, Hurme M (2016) Cement industry greenhouse gas emis-sions-management options and abatement cost. J Clean Prod 112:4041-4052
Khurana S, Banerjee R, Gaitonde U (2002) Energy balance and cogeneration for a cement plant. Appl Therm Eng 22:485-494
Kim K-S, Cho Y-J, Jeong S-J (2014) Simulation of emission reduction potential of the iron and steel industry using a system dynamics model. Int J Precis Eng Manuf 15:361-373
Koelling P, MJ Schwandt (2005) Health systems: a dynamic systembenefits from system dynamics. In: Proceedings of the winter simulation conference, IEEE, p. 7
Koytsoumpa EI, Bergins C, Kakaras E (2018) The CO2 economy: review of capture and reuse technologies. J Supercrit Fluids 132:3-16
Kunche A, Mielczarek B (2021) Application of system dynamic modelling for evaluation of carbon mitigation strategies in cement industries: a comparative overview of the current state of the art. Energies 14.
LeesonMac DowellShah DNN, Petit C, Fennell P (2017) A Technoeconomic analysis and systematic review of carbon capture and storage (CCS) applied to the iron and steel, cement, oil refining and pulp and paper industries, as well as other high purity sources. Int J Greenhouse Gas Control 61:71-84
Li ZT, Akhavian R (2017) Carbon dioxide emission evaluation in construction operations using DES: a case study of carwash construction. In: 2017 winter simulation conference (WSC), 2017. IEEE, pp. 2384-2393
Liu X, Hang Y, Wang Q, Zhou D (2020) Flying into the future: a scenario-based analysis of carbon emissions from China’s civil aviation. J Air Transp Manag 85:101793
Lowitt S (2020) Towards the decarbonisation of the south African cement industry: opportunities and challenges. South Africa: Trade and Industrial Policy Strategies (TIPS)
Macmillan RH (2016) An introduction to the theory of control in mechanical engineering. Cambridge University Press, Cambridge
Maddalena R, Roberts JJ, Hamilton A (2018) Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative cements. J Clean Prod 186:933-942

Madlool N, Saidur R, Hossain M, Rahim N (2011) A critical review on energy use and savings in the cement industries. Renew Sustain Energy Rev 15:2042-2060
Mehta PK (2010) Sustainable cements and concrete for the climate change era-a review. In: Proceedings of the second international conference on sustainable construction materials and technologies, Aneona, Italy, 2010, pp. 28-30
Mengist W, Soromessa T, Legese G (2020) Ecosystem services research in mountainous regions: a systematic literature review on current knowledge and research gaps. Sci Total Environ 702:134581
Mikulčić H, Klemeš JJ, Vujanović M, Urbaniec K, Duić N (2016) Reducing greenhouse gasses emissions by fostering the deployment of alternative raw materials and energy sources in the cleaner cement manufacturing process. J Clean Prod 136:119-132
Mikulčić H, Vujanović M, Duić N (2013) Reducing the emissions in Croatian cement industry. Appl Energy 101:41-48
Moher D, Liberati A, Tetzlaff J, Altman DG, Altman D, Antes G, Atkins D, Barbour V, Barrowman N, Berlin JA, Clark J, Clarke M, Cook D, D’Amico R, Deeks JJ, Devereaux PJ, Dickersin K, Egger M, Ernst E, Gøtzsche PC, Grimshaw J, Guyatt G, Higgins J, Ioannidis JPA, Kleijnen J, Lang T, Magrini N, McNamee D, Moja L, Mulrow C, Napoli M, Oxman A, Pham B, Rennie D, Sampson M, Schulz KF, Shekelle PG, Tovey D, Tugwell P (2009) Preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses: the PRISMA statement. Ann Intern Med 151:264-269
Moya JA, Pardo N, Mercier A (2011) The potential for improvements in energy efficiency and emissions in the EU27 cement industry and the relationship with the capital budgeting decision criteria. J Clean Prod 19:1207-1215
Nehdi M, Rehan R, Simonovic SP (2004) System dynamics model for sustainable cement and concrete: novel tool for policy analysis. Mater J 101:216-225
Nehdi ML, Yassine A (2020) Mitigating Portland cement emissions using alkali-activated materials: system dynamics model. Materials 13:4685
Onat NC, Egilmez G, Tatari O (2014) Towards greening the U.S. residential building stock: a system dynamics approach. Build Environ 78:68-80
Osmanovic Z, Haračić N, Zelić J (2018) Properties of blastfurnace cements (CEM III/A, B, C) based on Portland cement clinker, blastfurnace slag and cement kiln dusts. Cement Concr Compos 91:189-197
Pamenter S, Myers RJ (2021) Decarbonizing the cementitious materials cycle: a whole-systems review of measures to decarbonize the cement supply chain in the UK and European contexts. J Ind Ecol 25:359-376
Pereira MG, Sena JA, Freitas MAV, da Silva NF (2011) Evaluation of the impact of access to electricity: a comparative analysis of South Africa, China, India and Brazil. Renew Sustain Energy Rev 15:1427-1441
Pili R, Martínez LG, Wieland C, Spliethoff H (2020) Techno-economic potential of waste heat recovery from German energy-intensive industry with organic rankine cycle technology. Renew Sustain Energy Rev 134:110324
Plaza MG, Martínez S, Rubiera F (2020) capture, use, and storage in the cement industry: state of the art and expectations. Energies 13:5692
Proaño L, Sarmiento AT, Figueredo M, Cobo M (2020) Technoeconomic evaluation of indirect carbonation for emissions capture in cement industry: a system dynamics approach. J Clean Prod 263: 121457
Procter A, Bassi A, Kolling J, Cox L, Flanders N, Tanners N, Araujo R (2017) The effectiveness of Light Rail transit in achieving
regional emissions targets is linked to building energy use: insights from system dynamics modeling. Clean Technol Environ Pol 19:1459-1474
Rahman A, Rasul M, Khan MMK, Sharma S (2013) Impact of alternative fuels on the cement manufacturing plant performance: an overview. Proc Eng 56:393-400
Rasheed R, Tahir F, Afzaal M, Ahmad SR (2022) Decomposition analytics of carbon emissions by cement manufacturing-a way forward towards carbon neutrality in a developing country. Environ Sci Pollut Res 29:49429-49438
Rhaouti Y, Taha Y, Benzaazoua M (2023) Assessment of the environmental performance of blended cements from a life cycle perspective: a systematic review. Sustain Prod Consum 36:32-48
Robalino-López A, Mena-Nieto A, García-Ramos JE (2014) System dynamics modeling for renewable energy and emissions: a case study of Ecuador. Energy Sustain Dev 20:11-20
Rockström J, Gaffney O, Rogelj J, Meinshausen M, Nakicenovic N, Schellnhuber HJ (2017) A roadmap for rapid decarbonization. Science 355:1269-1271
Rubenstein (2012) Emissions from the cement industry. State of the Planet
Saysel AK, Hekimoğlu M (2013) Exploring the options for carbon dioxide mitigation in Turkish electric power industry: System dynamics approach. Energy Pol 60:675-686
Schaefer RG (1950) Introduction to servomechanisms. University of Wyoming, Laramie
Schneider M, Romer M, Tschudin M, Bolio H (2011) Sustainable cement production-present and future. Cem Concr Res 41:642-650
Shahzad SJH, Kumar RR, Zakaria M, Hurr M (2017) Carbon emission, energy consumption, trade openness and financial development in Pakistan: a revisit. Renew Sustain Energy Rev 70:185-192
Sheheryar M, Rehan R, Nehdi ML (2021) Estimating CO2 emission savings from ultrahigh performance concrete: a system dynamics approach. Materials 14:995
Shen L, Zhong S, Elshkaki A, Zhang H, Zhao JA (2021) Energy-cement-carbon emission nexus and its implications for future urbanization in China. J Sustain Dev Energy Water Environ Syst 9:1-15
Sirico A, Bernardi P, Belletti B, Malcevschi A, Restuccia L, Ferro GA, Suarez-Riera D (2020) Biochar-based cement pastes and mortars with enhanced mechanical properties. Frattura Ed Integrità Strutturale 14:297-316
Song D, Chen B (2014) A life cycle modeling framework for greenhouse gas emissions of cement industry. Energy Procedia 61:2649-2653
Sterman JD (2002) All models are wrong: reflections on becoming a systems scientist. Syst Dyn Rev J Syst Dyn Soc 18:501-531
Summerbell DL, Barlow CY, Cullen JM (2016) Potential reduction of carbon emissions by performance improvement: a cement industry case study. J Clean Prod 135:1327-1339
Sun W, Wang J, Ren Y (2016) Research on emissions from China’s electric power industry based on system dynamics model. Int J Ind Syst Eng 22:423-439
SURANENI, P. (2021) Recent developments in reactivity testing of supplementary cementitious materials. RILEM Tech Lett 6:131-139
Tang B, Hu W, Duan A, Gao K, Peng Y (2022) Reduced risks of temperature extremes from 0.5 C less global warming in the Earth’s three poles. Earth’s Future 10: e2021EF002525

Tang M, Wang S, Dai C, Liu Y (2020) Exploring CO2 mitigation pathway of local industries using a regional-based system dynamics model. Int J Inf Manage 52:102079
Tao M, Lu D, Shi Y, Wu C (2022) Utilization and life cycle assessment of low activity solid waste as cementitious materials: a case study of titanium slag and granulated blast furnace slag. Sci Total Environ 849:157797
Taylor M, Tam C, Gielen D (2006) Energy efficiency and emissions from the global cement industry. Korea 50(61):7
Tigress T, Fight F, Down EL (2000) Business dynamics systems thinking and modeling for a complex world with Cd Rom
Tsiliyannis CA (2018) Industrial wastes and by-products as alternative fuels in cement plants: evaluation of an industrial symbiosis option. J Ind Ecol 22:1170-1188
Tun TZ, Bonnet S, Gheewala SH (2021) Emission reduction pathways for a sustainable cement industry in Myanmar. Sustain Prod Consum 27:449-461
USGS 2021. Mineral commodity summaries 2021. Mineral Commodity Summaries. Reston, VA
Usón AA, López-Sabirón AM, Ferreira G, Sastresa EL (2013) Uses of alternative fuels and raw materials in the cement industry as sustainable waste management options. Renew Sustain Energy Rev 23:242-260
Vargas J, Halog A (2015) Effective carbon emission reductions from using upgraded fly ash in the cement industry. J Clean Prod 103:948-959
Wang Y, Höller S, Viebahn P, Hao Z (2014) Integrated assessment of reduction technologies in China’s cement industry. Int J Greenhouse Gas Control 20:27-36
Wei J, Cen K (2019) Empirical assessing cement emissions based on China’s economic and social development during 2001-2030. Sci Total Environ 653:200-211
Wei J, Geng Y, Shen L, Cen K (2015) Analysis of Chinese cement production and emission. Environ Sci Technol 38:80-86
Worrell E, Price L, Martin N, Hendriks C, Meida LO (2001) Carbon dioxide emissions from the global cement industry. Annu Rev Energy Env 26:303-329
Wu J, Mohamed R, Wang Z (2017) An agent-based model to project china’s energy consumption and carbon emission peaks at multiple levels. Sustainability 9:893
Zhou M, Zhou M, Pan Y, Chen Z, Zeng J (2016) Multi-agent-based simulation for policy evaluation of carbon emissions. Theory, Methodology, Tools and Applications for Modeling and Simulation of Complex Systems: 16th Asia Simulation Conference and SCS Autumn Simulation Multi-Conference, AsiaSim/SCS AutumnSim 2016, Beijing, China, October 8-11, 2016, Proceedings, Part III 16, 2016. Springer, Berlin, pp. 265-272
Zhu L, He L, Shang P, Zhang Y, Ma X (2018) Influencing factors and scenario forecasts of carbon emissions of the Chinese power industry: based on a Generalized Divisia Index Model and Monte Carlo Simulation. Energies 11:2398
Zuberi MJS, Patel MK (2017) Bottom-up analysis of energy efficiency improvement and emission reduction potentials in the Swiss cement industry. J Clean Prod 142:4294-4309

Publisher’s Note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Oluwafemi Ezekiel Ige
oige@uj.ac.za
1 Department of Mechanical and Industrial Engineering Technology, University of Johannesburg, Johannesburg,
South Africa

2 Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, Tshwane University of Technology, Pretoria, South Africa