Harnessing Agricultural Waste for Energy: Improving Decentralised Anaerobic Digestion for Energy Self-Sufficiency
Authors:   , Bumharter Cornelis 
Published: December 2024

In light of climate change, sustainability concerns, rising energy and fuel costs, the energetic landscape of Europe stands at a brink of great change. Current waste management techniques in agriculture and livestock industries are extremely harmful to ecosystems and cause issues such as groundwater pollution, eutrophication and climate change acceleration. A solution to these issues can be found in anaerobic digestion technologies, where bacterial microbes are used to degrade either harmful organic waste structures or unutilised residues. A specific business case has been built for low-cost pilot-scale reactors, which are to be installed on a decentralised level to improve energy self-sufficiency of rural communities, large families, and small farms which currently have no access to proper waste infrastructure of an industrial-scale biogas plant.

In order to assess the potentials and viability of biogas generation in pilot-scale reactors, a research methodology was developed in which first, the theoretical potential is identified, followed by a series of experiments to support the business case. The current biogas landscape in Europe was discussed, identifying that compared to its potential, the EU-27 are merely producing 2.65% biogas with 2020 data. After this, a statistical analysis has been performed, where it was found that the carbon-nitrogen-ratio is the most critical design parameter for efficient and stable anaerobic digestion. Various models could be proposed linking pH and retention times to subsequent biomethane proportions.

Following this, the experimental part assessed biochemical methane potential, semi-continuous variable load, and ultimately pilot-scale anaerobic digestion testing. Biochemical methane potential (batch) testing concluded that mixtures of meadow grass and swine manure provided the highest quality biogas, and per mass of substrate added, showed the best conversion factor. Glycerol addition remained below expectations. Semi-continuous testing analysed different feeding rates with the intention to determine the most efficient loading rate to maximise the biomethane production. It was concluded that a system operating at 9 g VS/L.day has the highest conversion rate and produces most biomethane but is also susceptible to reactor acidification. Pilot scale plants should not surpass an organic loading rate of 8 g VS/L.day. Lastly, the pilot scale reactor was successfully operated in an ambient farm environment and could produce high-quality biogas at external temperatures beginning at 15 C. Despite the successes registered, shortcomings on the heating and agitation strategies reduced reactor efficiency. Due to experimental scaling and resultant inefficiencies, the pilot plant produced 83% and 57% less biomethane than the batch and semi-continuous experiments respectively.

RESUMEN

A la luz del cambio climático, la preocupación por la sostenibilidad y el aumento de los costes de la energía y los combustibles, el panorama energético de Europa se encuentra al borde de un gran cambio. Las técnicas actuales de gestión de residuos en la agricultura y la ganadería son extremadamente perjudiciales para los ecosistemas y causan problemas como la contaminación de las aguas subterráneas, la eutrofización y la aceleración del cambio climático. Una solución a estos problemas puede encontrarse en las tecnologías de digestión anaerobia, en las que se utilizan microbios bacterianos para degradar las estructuras de desecho nocivas o los residuos no utilizados. Se ha creado un caso de negocio específico para reactores a escala piloto de bajo coste, que se instalarán a nivel descentralizado para mejorar la autosuficiencia energética de comunidades rurales, familias numerosas y pequeñas explotaciones agrícolas que actualmente no tienen acceso a la infraestructura de residuos adecuada de una planta de biogás a escala industrial.

Con el fin de evaluar el potencial y la viabilidad de la generación de biogás en reactores a escala piloto, se desarrolló una metodología de investigación en la que, en primer lugar, se identifica el potencial teórico, seguido de una serie de experimentos para apoyar el caso de negocio. Se ha analizado el panorama actual del biogás en Europa, identificando que, en comparación con su potencial, la UE-27 sólo produce un 2,65% de biogás con datos de 2020. Después de esto, se ha realizado un análisis estadístico, donde se ha encontrado que la relación carbono-nitrógeno es el parámetro de diseño más crítico para una digestión anaerobia eficiente y estable. Se han podido proponer varios modelos que relacionan el pH y los tiempos de retención con la posterior proporción de biometano.

A continuación, la parte experimental evaluó el potencial bioquímico de metano, la carga variable semicontinua y, por último, las pruebas de digestión anaerobia a escala piloto. Las pruebas de potencial de metano bioquímico (batch) concluyeron que las mezclas de césped y estiércol porcino proporcionaban el biogás de mayor calidad y, por masa de sustrato añadida, mostraban el mejor factor de conversión. La adición de glicerol quedó por debajo de las expectativas. Las pruebas semicontinuas analizaron diferentes flujos de alimentación con la intención de determinar el flujo de carga más eficiente para maximizar la producción de biometano. Se llegó a la conclusión de que un sistema que funciona a 9 g VS/L.día tiene el mayor factor de conversión y produce más biometano, pero también es susceptible a la acidificación del reactor. Las plantas a escala piloto no deberían superar un flujo de carga orgánica de 8 g VS/L.día. Por último, el reactor a escala piloto ha mostrado su eficaz en producir biogás de alta calidad en un entorno ambiental (granja) ton temperaturas ambientales a partir de 15 C. Sin embargo, se ha identificado problemas de calentamiento y agitación. Debido al escalado experimental y a las ineficiencias resultantes, la planta piloto produjo un 83% y un 57% menos de biometano que los experimentos batch y semicontinuos, respectivamente.