Innovative system covering the energy needs of livestock buildings by exploiting the produced biogas

Abstract

The increase of the human population is leading to an increased demand for animal products, hence pressing the livestock production systems to advance both in efficiency and production. Livestock buildings (intensive livestock systems) play an important role in meeting this demand, allowing animals to stay in controlled environments for increased animal performance and production. However, conventional livestock practices have been associated with environmental issues concerning GHGs emissions, over-consumption of energy, waste management challenges, and lack of microclimate control. Therefore, sustainable livestock practices are of great importance nowadays. The environmental impact of livestock practices should be reduced by introducing innovative energy covering-conservation systems, that contribute to GHGs emissions reduction. On the other hand, innovative livestock practices entail integration with RES, improved waste management, and energy conservation systems while enhancing animal welfare and performance by improving microclimatic conditions inside the livestock buildings. Environmental control systems can maintain proper air quality, temperature, and relative humidity levels, while their combination with renewable energy-utilizing systems can align livestock production with climate goals and minimize the sector's environmental impact. The adaptation of such practices can potentially meet the growing demands without compromising sustainability or animal health and performance while contributing to “green” and energy-efficient livestock farming. This PhD thesis focuses on developing an innovative system for improving energy efficiency in buildings for livestock, enhancing animal welfare by regulating microclimate conditions, achieving environmental sustainability through GHGs emissions reduction, and covering livestock buildings’ energy needs. The integrated approach followed in this thesis includes an automated system for regulating microclimate and the utilization of RES, specifically biogas produced from the livestock building’s animal waste through the anaerobic digestion process, in order to cover the energy needs of the building. The experimental livestock building housed sheep and was located at Galatista in the region of Chalkidiki. Appropriate equipment installations were performed to integrate the proposed system. The automated system continuously monitored indoor environmental parameters, such as temperature, humidity, and gases (CH4, CO2, NH3), and performed microclimate control in order to achieve optimal conditions by opening and closing the windows, when necessary, based on environmental parameters recorded by the installed sensors. Moreover, the possibility of using the biogas generated through anaerobic digestion from the building’s excreted livestock waste for heat energy was explored, to reduce reliance on conventional energy sources and thus, reduce the carbon footprint of the livestock building. This was achieved by determining the biogas potential of the livestock building’s waste in different case scenarios through the anaerobic digestion process and finally, performing an extensive energy analysis to evaluate whether the building’s energy needs could be covered in order to achieve optimal microclimate conditions for the housed animals and reduce GHGs emissions. Waste from different animal species was evaluated, sheep (existing livestock building) and goats (another livestock building). This holistic approach improves energy conservation and reduces the environmental impact of livestock practices while providing improved animal welfare through proper microclimatic control. This work describes a new integration approach with an automated system and a theoretical biogas utilization system for covering the energy needs of livestock buildings towards green livestock practices for sustainable and energy grid-independent applications. The results demonstrated that the proposed automated system combined with biogas-produced energy from the excreted waste can significantly impact the studied livestock building’s microclimate and cover its energy needs in most of the examined cases. The system successfully regulated temperature, relative humidity, and gas levels by controlling the windows’ operation, leading to an improved environment for animal welfare. Specifically, windows were open for 61.5% and closed for 38.5% of the time, ensuring optimal conditions based on sensors’ data. This enabled to maintain the temperature as much as possible within the animals’ thermoneutral zone while regulating relative humidity and gas level concentrations. In terms of biogas utilization, various case 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 the other evaluated animal species (goats) up to 14868.5 ± 412.07 LBiogas ·d−1 offering a promising solution to cover the energy needs while mitigating GHGs emissions. A preliminary environmental impact mitigation analysis was also performed by theoretically comparing with other heating systems if the same amount of potential biogas-produced energy was utilized along with waste-derived emissions which led to yearly emissions reduction of up to 54.22 and 34.04 tCO2, for sheep and goats, respectively, considering 180 housed animals. The emissions reduction is further increased when reduced enteric methane and food intake quantity is considered which is connected to dry matter intake (DMI) reduction. Energy analysis was conducted by considering the livestock building’s internal temperature at 10 °C (animals’ optimal temperature) and revealed that the combination of the automated system and a theoretical biogas heating system met 96.67% of the energy heating requirements in the first setting and 75% in the second, with only 14.17% non-coverage for the total evaluated scenarios. The study also highlighted the possibility of using surplus biogas energy to heat drinking water and increase its temperature, contributing to further animal welfare improvements. The proposed system can be a viable solution to reduce and cover the livestock building’s energy requirements achieving optimum animal welfare conditions and reduced GHGs emissions towards sustainability and energy efficiency in livestock practices. Part of this PhD study’s results were published in the ISI journal, “Energies”, with title “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).

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).