Innovative system covering the energy needs of livestock buildings by exploiting the produced biogas
Creators: name: Λιθουργίδης, Αντώνιος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Έλεγχος μικροκλίματος σε κτηνοτροφικά κτίρια
Παραγωγή και αξιοποίηση βιοαερίου από κτηνοτροφικά απόβλητα
Συστήματα κάλυψης - εξοικονόμησης ενέργειας για κτηνοτροφικά κτίρια
Μείωση περιβαλλοντικού αποτυπώματος των κτηνοτροφικών κτιρίων
Microclimate control in livestock buildings
Biogas production and utilization from livestock waste
Energy covering - conservation systems for livestock buildings
Environmental footprint reduction of livestock buildings

description: H παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην εφαρμογή ενός καινοτόμου συστήματος για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης σε κτηνοτροφικά κτίρια, την ενίσχυση της ευημερίας των ζώων μέσω ρύθμισης των συνθηκών μικροκλίματος και την επίτευξη περιβαλλοντικής βιωσιμότητας μέσω μείωσης των εκπομπών. Η ολοκληρωμένη προσέγγιση περιλαμβάνει ένα αυτοματοποιημένο σύστημα για τη ρύθμιση του μικροκλίματος και την αξιοποίηση βιοαερίου παραγόμενο από τα ζωικά απόβλητα του κτηνοτροφικού κτιρίου μέσω της διαδικασίας αναερόβιας χώνευσης, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου. Το πειραματικό κτηνοτροφικό κτίριο στέγαζε πρόβατα και βρισκόταν στη Γαλάτιστα. Το αυτοματοποιημένο σύστημα παρακολουθούσε τις περιβαλλοντικές παραμέτρους και πραγματοποιούσε έλεγχο του μικροκλίματος για την επίτευξη βέλτιστων συνθηκών, ανοίγοντας και κλείνοντας τα παράθυρα, όταν ήταν απαραίτητο. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα ενεργειακής αξιοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου από τα κτηνοτροφικά απόβλητα που αποβάλλονται στο κτίριο και πραγματοποιήθηκε ενεργειακή ανάλυση για να εκτιμηθεί αν μπορούν να καλυφθούν οι ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου. Αξιολογήθηκαν τα απόβλητα από πρόβατα και κατσίκια. Το προτεινόμενο σύστημα είχε σημαντικό αντίκτυπο στο μικροκλίμα του κτηνοτροφικού κτιρίου και κάλυψε τις ενεργειακές του ανάγκες στις περισσότερες από τις εξεταζόμενες περιπτώσεις. Το σύστημα ρύθμισε με επιτυχία τη θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και τα επίπεδα αερίων ελέγχοντας τη λειτουργία των παραθύρων, με αποτέλεσμα ένα βελτιωμένο περιβάλλον για την καλή διαβίωση των ζώων. Συγκεκριμένα, τα παράθυρα ήταν ανοικτά για το 61,5% και κλειστά για το 38,5% του χρόνου. Διάφορα σενάρια με διαφορετικά υποστρώματα εξετάστηκαν μέσω αναερόβιας χώνευσης για τον προσδιορισμό του δυναμικού τους σε βιοαέριο, το οποίο προσομοίαζε διαφορετικές κτηνοτροφικές πρακτικές διαχείρισης αποβλήτων. 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 και για τα κατσίκια έως και 14868,5 ± 412,07 LBiogas d-1. Πραγματοποιήθηκε επίσης μια ανάλυση μετριασμού των περιβαλλοντικών επιπτώσεων με σύγκριση άλλων συστημάτων θέρμανσης εάν χρησιμοποιούσαν την ίδια ποσότητα δυνητικής ενέργειας που παράγεται από βιοαέριο μαζί με τις εκπομπές που προέρχονται από τα απόβλητα, η οποία οδήγησε σε ετήσια μείωση των εκπομπών έως και 54,22 και 34,04 tn CO2, για τα πρόβατα και τα κατσίκια (180 ζώα), αντίστοιχα. Η μείωση των εκπομπών αυξάνεται περαιτέρω όταν λαμβάνεται υπόψη η μείωση του εντερικού μεθανίου και της καταναλισκόμενης ποσότητας τροφής, η οποία συνδέεται με τη μείωση πρόσληψης ξηρής ουσίας. Η ενεργειακή ανάλυση διεξήχθη θεωρώντας την εσωτερική θερμοκρασία του κτηνοτροφικού κτιρίου στους 10 °C και καλύφθηκε το 96,67% των ενεργειακών αναγκών θέρμανσης στην πρώτη ρύθμιση και το 75% στη δεύτερη, με μόνο 14,17% μη κάλυψη για το σύνολο των σεναρίων που αξιολογήθηκαν. Διερευνήθηκε επίσης η δυνατότητα χρήσης της πλεονάζουσας ενέργειας βιοαερίου για θέρμανση του πόσιμου νερού, συμβάλλοντας στην ευζωία των ζώων και στη μείωση των εκπομπών. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να αποτελέσει μια βιώσιμη λύση για τη μείωση και την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων κτηνοτροφικών κτιρίων, επιτυγχάνοντας συνθήκες καλής διαβίωσης των ζώων και μειωμένες εκπομπές για βιωσιμότητα και ενεργειακή απόδοση στις κτηνοτροφικές πρακτικές.
description: This PhD thesis focuses on the implementation of an innovative system for improving energy efficiency in livestock buildings, enhancing animal welfare by regulating microclimate conditions, and achieving environmental sustainability through emissions reduction. The integrated approach includes an automated system for regulating the microclimate and utilization of biogas produced from the livestock building’s animal waste through the anaerobic digestion process, to cover the energy needs of the building. The experimental livestock building housed sheep and was located at Galatista. The automated system monitored environmental parameters and performed microclimate control to achieve optimal conditions by opening and closing the windows, when necessary. Moreover, the possibility of using produced biogas from the building’s excreted livestock waste for energy was explored and an energy analysis was performed to evaluate whether the building’s energy needs could be covered. Waste from sheep and goats was evaluated. The proposed system had a significant impact on the livestock building’s microclimate and covered its energy needs in most of the examined cases. The system successfully regulated temperature, relative humidity, and gas levels by controlling the windows’ operation, resulting in an improved environment for animal welfare. Specifically, windows were open for 61.5% and closed for 38.5% of the time. Various scenarios with different substrates were examined through anaerobic digestion to determine their biogas potential which simulated different waste management livestock practices. The most efficient substrate was the current practice of 75% sheep manure and 25% wheat straw (w/w) and the potential biogas that could be produced from daily sheep manure had a potential of up to 23678.49 ± 66.96 LBiogas d−1 and for goats up to 14868.5 ± 412.07 LBiogas d−1. An environmental impact mitigation analysis was also performed comparing other heating systems if they utilized the same amount of potential biogas-produced energy along with waste-derived emissions which led to yearly emissions reduction of up to 54.22 and 34.04 tn of CO2, for sheep and goats (180 animals), respectively. The emissions reduction is further increased when reduced enteric methane and food intake quantity is considered which is connected to dry matter intake reduction. Energy analysis was conducted by considering the livestock building’s internal temperature at 10 °C and 96.67% of the energy heating requirements in the first setting and 75% in the second were covered, with only 14.17% non-coverage for the total evaluated scenarios. The possibility of using surplus biogas energy to heat drinking water was also investigated, contributing to animal welfare and emissions reduction. The proposed system can be a viable solution to reduce and cover the livestock building’s energy requirements achieving animal welfare conditions and reduced emissions towards sustainability and energy efficiency in livestock practices.