Techno-Economic Assessment of Anaerobic co-digestions of livestock manure with agro-industrial by-products

Abstract

L’aplicació al sol d’una quantitat excessiva de dejeccions ramaderes, pot tenir un impacte ambiental notable sobretot en sòls i aigües subterrànies. Les dejeccions ramaderes com a residus biodegradables es poden tractar i reciclar per obtenir recursos (compost o biogàs) i per tant la producció d’energia renovable i productes fertilitzants. En general, els residus biodegradables reben una especial atenció a la legislació europea (Revised Framework Directive 2008/98 / CE) i, per tant, és necessari desenvolupar instal·lacions adequades per tractar i reciclar aquest tipus de residus i assegurar el funcionament correcte i eficaç d'aquestes instal·lacions de tractament i gestió. La digestió anaeròbia dels fems i purins és una pràctica habitual; no obstant, el baix potencial de producció de biogàs pot dificultar la rendibilitat dels sistemes de digestió anaeròbia en explotacions ramaderes de petita i mitjana producció. Així doncs, perquè aquesta tecnologia sigui més atractiva per als agricultors, es podria aconseguir un increment de la producció de biogàs co-digerint els fems animals amb un co-substrat abundant i accessible, com ara subproductes agrícoles com la palla de blat (en forma crua o pre-tractats) i derivats de la indústria làctia com el sèrum de formatge. A més de l'augment de la producció de biogàs i conseqüentment de la producció energètica, afavoreix la viabilitat econòmica de les tecnologies i plantes de digestió anaeròbia a explotacions ramaderes petites i mitjanes. No obstant això, hi ha poca informació disponible en la literatura científica sobre la viabilitat tecno-econòmica de l'aplicació d'aquestes plantes en explotacions ramaderes petites i mitjanes. Per tant, en aquesta tesi es va dur a terme una avaluació tecnoeconòmica de la co-digestió anaeròbia de fems de bestiar i palla de blat (en forma crua i pretratada) i amb sèrum de llet. L'avaluació tecnològica es va realitzar a escala de laboratori mitjançant reactors discontinus i semicontinguts. Amb les dades obtingudes, es va desenvolupar un model econòmic per investigar la rendibilitat de les plantes de co-digestió anaeròbia en explotacions ramaderes petites i mitjanes; també es va realitzar un anàlisis de sensibilitat per investigar l’efecte de paràmetres importants (per exemple, el preu de l'electricitat) sobre el rendiment econòmic global del sistema. Els resultats obtinguts a partir de l’avaluació tecnoeconòmica van mostrar que per a una granja de 250 caps de bestiar adult, els ingressos generats en un procés de digestió anaeròbia no són capaços de compensar la inversió inicial necessària. No obstant això, la co-digestió de fems amb palla crua o briquetada ha mostrat uns rendiments econòmics positius (valors actuals nets> 0, taxa interna de retorn> 9% i retorn de la inversió en 11 anys), així com la co-digestió de fems amb un 30% de sèrum de llet amb resultats econòmics també positius (valors actuals nets> 0, taxa interna de retorn> 11% i retorn de la inversió en 9 anys). Pels agricultors disposats a aplicar la digestió anaeròbia, el preu de venda de l'electricitat i el preu de la palla són els paràmetres clau per determinar la rendibilitat del sistema. A més a més, s'han provat i avaluat els tractaments previs per augmentar la producció de biogàs de palla des d'una perspectiva tècnica i econòmica. Els pre-tractaments alcalins i de microones-alcalins amb palla van mostrar els millors resultats amb un augment de la producció de biogàs del 156% i del 92% respectivament en comparació amb la palla crua.

Deposition of excess amount of livestock waste when they are not properly treated has a notable environmental impacts specially on soil and undergrounds water. Livestock waste as a biodegradable waste can be treated and recycle to finally obtain compost or biogas which means green energy and fertilizer/soil-amendment products. In general biodegradable waste receives especial attention in the European Legislation (Revised Framework Directive 2008/98/CE) and therefore, is necessary to develop suitable facilities to treat these types of waste and assure the correct and efficient operation of such treatment and management facilities. Anaerobic digestion of dairy cattle manure is a common practice; however, the low biogas yield of manure can hamper the profitability of anaerobic digestion systems in small to medium dairy cattle farms. To make this technology more attractive to farmers, an increase in biogas yield per cubic meter of reactor could be achieved by co-digesting animal manure with an abundant and easy accessible co-substrate such as agricultural by-products like wheat straw (in its raw form or pre-treated) and dairy industry by-products like cheese whey. In addition of increase in biogas production which can be translated to production of more energy, economic feasibility of implementation of anaerobic digestion plants in the farms is a must. However, there is scarce information provided in scientific literature about economic feasibility of implementation of such plants in small to medium cattle farms. Thus, in this thesis a techno-economic assessment of anaerobic co-digestion of animal manure and wheat straw (in the raw form and pretreated) or cheese whey was carried out. The technological assessment was carried out at lab scale using batch and semi-continuous reactors. With the data obtained, an economic model was developed in order to investigate the profitability of anaerobic co-digestion plants in small to medium dairy cattle farms, sensitivity analyses were carried out to investigate important parameters (e.g. electricity price) on the overall economic performance of the system. The results obtained from the techno-economic assessment showed that for a farm of 250 adult cattle heads the revenues generated in an anaerobic mono-digestion process are not able to offset the initial required investment. However, the co-digestion of manure with raw or briquetted straw showed positive economic performance and positive returns (Net Present values > 0, Internal Rate of Return > 9 % and a Return of the investment in 11 years) as well as the co-digestion of manure with 30% of cheese whey which showed positive returns (Net Present values > 0, Internal Rate of Return > 11% and a Return of the investment in 9 years). For farmers willing to implement anaerobic digestion, Electricity selling price, and the price of the straw are the key parameters to determine the profitability of the system. Moreover, pre-treatments to increase the straw biogas production have been assessed and evaluated from a technic and economic perspective. Alkali and microwave-alkali straw pre-treatments showed the best results with an increase in biogas production of 156 % and 92 % compared to raw straw.