Innovative system covering the energy needs of livestock buildings by exploiting the produced biogas
Authors: Λιθουργίδης Αντώνιος 
Published: November 2024

Η αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού οδηγεί σε αυξημένη ζήτηση ζωικών προϊόντων, γεγονός που πιέζει τα συστήματα ζωικής παραγωγής να εξελιχθούν τόσο σε αποτελεσματικότητα όσο και σε παραγωγή. Τα κτηνοτροφικά κτίρια (συστήματα εντατικής κτηνοτροφίας) διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην κάλυψη αυτής της ζήτησης, καθώς επιτρέπουν στα ζώα να παραμένουν σε ελεγχόμενο περιβάλλον για καλύτερη ανάπτυξη και παραγωγή. Ωστόσο, οι συμβατικές κτηνοτροφικές πρακτικές έχουν συνδεθεί με περιβαλλοντικά ζητήματα σχετικά με τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, την υπερκατανάλωση ενέργειας, τις προκλήσεις διαχείρισης αποβλήτων και την έλλειψη ελέγχου του μικροκλίματος. Ως εκ τούτου, οι βιώσιμες κτηνοτροφικές πρακτικές έχουν μεγάλη σημασία στις μέρες μας. Ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος των κτηνοτροφικών πρακτικών θα πρέπει να μειωθεί με την εισαγωγή καινοτόμων συστημάτων κάλυψης-εξοικονόμησης ενέργειας, που συμβάλλουν στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Από την άλλη πλευρά, οι καινοτόμες κτηνοτροφικές πρακτικές συνεπάγονται την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τη βελτιωμένη διαχείριση αποβλήτων και τα συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας, ενώ παράλληλα ενισχύουν την ευημερία και την απόδοση των ζώων βελτιώνοντας τις συνθήκες μικροκλίματος στο εσωτερικό των κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων. Τα συστήματα περιβαλλοντικού ελέγχου μπορούν να διατηρήσουν την κατάλληλη ποιότητα του αέρα, τη θερμοκρασία και τα επίπεδα σχετικής υγρασίας, ενώ ο συνδυασμός τους με συστήματα αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να ευθυγραμμίσει την κτηνοτροφική παραγωγή με τους κλιματικούς στόχους και να ελαχιστοποιήσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις του τομέα. Η προσαρμογή τέτοιων πρακτικών μπορεί δυνητικά να ανταποκριθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις χωρίς να διακυβεύεται η βιωσιμότητα ή η υγεία και η απόδοση των ζώων, ενώ συμβάλλει στην «πράσινη» και ενεργειακά αποδοτική κτηνοτροφία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός καινοτόμου συστήματος για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων κτηνοτροφίας, την ενίσχυση της ευζωίας των ζώων μέσω της ρύθμισης των συνθηκών μικροκλίματος, την επίτευξη περιβαλλοντικής βιωσιμότητας μέσω της μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτηνοτροφικών κτιρίων. Η ολοκληρωμένη προσέγγιση που ακολουθείται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ρύθμισης του μικροκλίματος και την αξιοποίηση μιας ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, συγκεκριμένα του βιοαερίου που παράγεται από τα ζωικά απόβλητα του ιδίου κτηνοτροφικού κτιρίου μέσω της διαδικασίας της αναερόβιας χώνευσης, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου. Το πειραματικό κτηνοτροφικό κτίριο στέγαζε πρόβατα και βρισκόταν στη Γαλάτιστα στην περιοχή της Χαλκιδικής. Πραγματοποιήθηκαν οι κατάλληλες εγκαταστάσεις εξοπλισμού για την ενσωμάτωση του προτεινόμενου συστήματος. Το αυτοματοποιημένο σύστημα παρακολουθούσε συνεχώς τις εσωτερικές περιβαλλοντικές παραμέτρους, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και οι εκπομπές όπως CH4, CO2, NH3, και εκτελούσε έλεγχο του μικροκλίματος προκειμένου να επιτευχθούν οι βέλτιστες συνθήκες ανοίγοντας και κλείνοντας τα παράθυρα όταν χρειαζόταν, με βάση τις καταγεγραμμένες περιβαλλοντικές παραμέτρους από τους εγκατεστημένους αισθητήρες. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα χρήσης του βιοαερίου που παράγεται μέσω αναερόβιας χώνευσης από τα κτηνοτροφικά απόβλητα του κτιρίου για θερμική ενέργεια, ώστε να μειωθεί η εξάρτηση από συμβατικές πηγές ενέργειας και, ως εκ τούτου, να μειωθεί το αποτύπωμα άνθρακα του κτηνοτροφικού κτιρίου. Αυτό επιτυγχάνεται με τον προσδιορισμό του δυναμικού βιοαερίου από τα απόβλητα του κτηνοτροφικού κτιρίου σε διαφορετικά σενάρια μέσω της διαδικασίας αναερόβιας χώνευσης, και τέλος, με τη διενέργεια εκτεταμένης ενεργειακής ανάλυσης για να αξιολογηθεί κατά πόσον οι ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου μπορούν να καλυφθούν, ώστε να επιτευχθούν βέλτιστες συνθήκες μικροκλίματος για τα φιλοξενούμενα ζώα και να μειωθούν οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Αξιολογήθηκαν απόβλητα από διαφορετικά είδη ζώων, πρόβατα (υφιστάμενο κτηνοτροφικό κτίριο) και κατσίκια (άλλο κτηνοτροφικό κτίριο). Αυτή η ολιστική προσέγγιση βελτιώνει την εξοικονόμηση ενέργειας και μειώνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των κτηνοτροφικών πρακτικών, ενώ παράλληλα παρέχει βελτιωμένη ευζωία των ζώων μέσω του κατάλληλου ελέγχου του μικροκλίματος. Η παρούσα εργασία περιγράφει μια νέα ολοκληρωμένη προσέγγιση με ένα αυτοματοποιημένο σύστημα και ένα θεωρητικό σύστημα αξιοποίησης του βιοαερίου για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτηνοτροφικών κτιρίων προς την κατεύθυνση πράσινων κτηνοτροφικών πρακτικών για βιώσιμες και ενεργειακά ανεξάρτητες από το δίκτυο εφαρμογές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προτεινόμενο αυτοματοποιημένο σύστημα σε συνδυασμό με την ενέργεια που παράγεται από βιοαέριο από τα εκκρινόμενα απόβλητα μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το μικροκλίμα του υπό μελέτη κτηνοτροφικού κτιρίου και να καλύψει τις ενεργειακές του ανάγκες θέρμανσης στις περισσότερες από τις εξεταζόμενες περιπτώσεις. Το σύστημα ρύθμισε με επιτυχία τη θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και τα επίπεδα αερίων ελέγχοντας τις λειτουργίες των παραθύρων, οδηγώντας σε ένα βελτιωμένο περιβάλλον για την καλή διαβίωση των ζώων. Συγκεκριμένα, τα παράθυρα άνοιγαν για το 61,5% και έκλειναν για το 38,5% του χρόνου, εξασφαλίζοντας βέλτιστες συνθήκες με βάση τα δεδομένα των αισθητήρων. Αυτό επέτρεψε τη διατήρηση της θερμοκρασίας όσο το δυνατόν περισσότερο εντός της θερμο-ουδέτερης ζώνης των ζώων, ενώ παράλληλα ρυθμίστηκε η σχετική υγρασία και οι συγκεντρώσεις των επιπέδων αερίων. Όσον αφορά την αξιοποίηση του βιοαερίου, εξετάστηκαν διάφορα σενάρια με διαφορετικά υποστρώματα μέσω αναερόβιας χώνευσης για τον προσδιορισμό του δυναμικού τους σε βιοαέριο, τα οποία προσομοίαζαν διαφορετικές τεχνικές διαχείρισης της κτηνοτροφικής πρακτικής. Το πιο αποδοτικό υπόστρωμα ήταν η τρέχουσα πρακτική με 75% κοπριά προβάτων και 25% άχυρο σιταριού (βάρος/βάρος) και το πιθανό βιοαέριο που θα μπορούσε να παραχθεί από την καθημερινή κοπριά των προβάτων είχε δυναμικό έως και 23678,49 ± 66,96 LBiogas·d-1, ενώ για το άλλο αξιολογούμενο ζωικό είδος (κατσίκια) έως και 14868,5 ± 412,07 LBiogas·d-1 προσφέροντας μια πολλά υποσχόμενη λύση για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών με ταυτόχρονο περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Πραγματοποιήθηκε επίσης μια προκαταρκτική ανάλυση μετριασμού των περιβαλλοντικών επιπτώσεων με θεωρητική σύγκριση με άλλα συστήματα θέρμανσης, εάν χρησιμοποιούνταν δυνητικά η ίδια ποσότητα παραγόμενης ενέργειας από βιοαέριο μαζί με τις εκπομπές που προέρχονται από τα απόβλητα, γεγονός που οδήγησε σε ετήσια μείωση των εκπομπών έως και 54,22 και 34,04 tCO2, για τα πρόβατα και τα κατσίκια, αντίστοιχα, λαμβάνοντας υπόψη 180 σταβλισμένα ζώα. Η μείωση των εκπομπών αυξάνεται περαιτέρω αν ληφθεί υπόψη η μείωση της πρόσληψης ξηρής ύλης λόγω του εντερικού μεθανίου και της μειωμένης ποσότητας τροφής, όπως αξιολογήθηκε στην παρούσα διατριβή. Η ενεργειακή ανάλυση διεξήχθη λαμβάνοντας υπόψη την εσωτερική θερμοκρασία του κτηνοτροφικού κτιρίου στους 10 °C (βέλτιστη θερμοκρασία των ζώων) και έδειξε ότι ο συνδυασμός του αυτοματοποιημένου συστήματος και ενός θεωρητικού συστήματος θέρμανσης με βιοαέριο κάλυψε το 96,67% των ενεργειακών αναγκών θέρμανσης στην πρώτη ρύθμιση και το 75% στη δεύτερη, με μόνο 14,17% ποσοστό μη κάλυψης για το σύνολο των σεναρίων που αξιολογήθηκαν. Η μελέτη ανέδειξε επίσης τη δυνατότητα χρήσης της πλεονάζουσας ενέργειας βιοαερίου για τη θέρμανση του πόσιμου νερού και την αύξηση της θερμοκρασίας του, συμβάλλοντας στην περαιτέρω βελτίωση της ευημερίας των ζώων. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να αποτελέσει μια βιώσιμη λύση για τη μείωση και την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων κτηνοτροφικών κτιρίων, επιτυγχάνοντας βέλτιστες συνθήκες καλής διαβίωσης των ζώων και μειωμένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για βιωσιμότητα και ενεργειακή απόδοση στις κτηνοτροφικές πρακτικές. Μέρος των αποτελεσμάτων αυτής της διδακτορικής διατριβής δημοσιεύθηκε στο περιοδικό ISI, «Energies», με τίτλο «Energy Conservation in a Livestock Building Combined with a Renewable Energy Heating System towards CO2 Emission Reduction: The Case Study of a Sheep Barn in North Greece» (Lithourgidis et al., 2023).