Hybrid Renewable Energy Systems and Carbon Footprint Reduction in Livestock Production Facilities

Abstract

Carbon dioxide (CO₂) is an essential component for photosynthesis, and its presence within certain limits in the atmosphere is necessary for the sustainability of life on Earth. However, the intensive use of fossil fuels in industry, transportation, agriculture, and residential sectors increases atmospheric CO₂ concentrations, leading to global climate change and an expansion of the carbon footprint. In particular, coal-fired thermal power plants are among the energy production sources with the highest CO₂ emissions per unit of energy. Depending on the diversity of electricity generation sources, the average emission factor is commonly accepted as 0.478 kg CO₂ per kWh of electricity production. In this context, the widespread use of renewable energy sources such as solar and wind energy is of strategic importance for both environmental sustainability and combating climate change. The Marmara Region of Türkiye offers favorable conditions for such systems due to its high solar radiation duration and wind energy potential. In this study, the feasibility of meeting the energy demand required for the cooling system of a buffalo barn, designed with a capacity of 64 animals and located in rural Tekirdağ, was evaluated using a hybrid renewable energy system. The total power requirement for the fan–pad ventilation system was calculated as 8.04 kW, and considering production fluctuations and system losses, the installed capacity was determined as 12 kW. This capacity was designed to be equally distributed between a 6 kW photovoltaic system and a 6 kW wind turbine system. Considering the annual average daily sunshine duration of Tekirdağ (5.7 h day⁻¹), the theoretical annual energy production of the 6 kW photovoltaic system was calculated as 12483 kWh. By applying a performance ratio (PR) of 0.75 to account for system losses, the actual annual energy production was estimated to be approximately 9362 kWh. Assuming that the wind turbine operates for an average of 5 hours per day, its annual energy production was calculated as approximately 10950 kWh. Accordingly, the hybrid system provides a total annual energy production of approximately 20312 kWh, preventing the emission of approximately 9710 kg CO₂ into the atmosphere. The findings indicate that hybrid renewable energy systems offer an effective solution for meeting energy demands in rural livestock operations and contribute significantly to reducing the carbon footprint.

Keywords

• Buffalo barn
• Hybrid renewable energy
• Wind turbine system
• Solar panel system
• Fan–pad system

References

1. AEPC (Alternative Energy Promotion Centre). (2022). Guidelines for the feasibility study of solar mini-grid projects. https://www.aepc.gov.np/docs/guidelines-for-the-feasibility-study-of-solar-mini-grid-projects-1654685783.pdf (Erişim tarihi: 3 Nisan 2026)
2. Akın, G. (2006). Küresel ısınma nedenleri ve sonuçları. Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih Coğrafya Fakültesi Dergisi, 46(2), 29–43.
3. Alkoyak, K., & Öz, S. (2022). The effect of nongenetic factors on calf birth weight and growth performance in Anatolian buffaloes. Turkish Journal of Veterinary and Animal Sciences, 46(4), 609–616.
4. Altuntaş, E., & Özgöz, E. (2024). Buğday üretimindeki fosil yakıt tüketim kaynaklı karbondioksit emisyonu ve projeksiyon tahmini: Sivas ili örneği. Tarım Makinaları Bilimi Dergisi, 20(3), 156–170.
5. Anonymous. (2025a). Prof. Dr. Murat Türkeş’le iklim değişikliğini anlama rehberi: Karbon. https://gastroeko.com/2024/04/02/prof-dr-murat-turkesle-iklim-degisikligini-anlama-rehberi-karbon/ (Erişim tarihi: 28 Ekim 2024)
6. Anonymous. (2025b). Ayaş 60 cm 7 kanatlı sanayi tipi aspiratör – ürün detayı. https://www.hvacturk.com/urun/ayas-60-cm-7-kanatli-sanayi-tipi-aspirator (Erişim tarihi: 7 Temmuz 2025)
7. Arslan, A. (2024). Analysis of the energy efficiency of poultry houses in Turkiye. Black Sea Journal of Engineering and Science, 7(2), 277–297.
8. Avcı, H. (2015). İstanbul ili Avrupa Yakasındaki manda işletmelerinin yapısal ve mekaniksel özelliklerinin belirlenmesi üzerine bir çalışma [Yüksek lisans tezi]. Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.

9. CNCF (Carbon Neutral Charitable Fund). (2025). Carbon offsets and emissions data. https://cncf.com.au (Erişim tarihi: 28 Ekim 2025)
10. DOE (U.S. Department of Energy). (2021). Understanding solar photovoltaic system performance. https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-02/understanding-solar-photo-voltaic-system-performance.pdf (Erişim tarihi: 3 Nisan 2026)
11. Emiroğlu, I. M., Aybek, A., & Kuzu, H. (2021). İki farklı voltaik (PV) enerji sisteminin farklı hayvancılık işletmelerinde kullanımının değerlendirilmesi. Mustafa Kemal Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi, 26(3), 808–820.
12. IEA (International Energy Agency). (2022). Global energy review: CO₂ emissions in 2021. https://www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021 (Erişim tarihi: 7 Nisan 2026)
13. Karaaslan, A., Abar, H., & Çamkaya, S. (2017). CO2 salınımı üzerinde etkili olan faktörlerin araştırılması: OECD ülkeleri üzerine ekonometrik bir araştırma. Atatürk Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 21(4), 1297–1310.
14. Karık, F., Sözen, A., & İzgeç, M. M. (2017). Rüzgâr gücü tahminlerinin önemi: Türkiye elektrik piyasasında bir uygulama. Politeknik Dergisi, 20(4), 851–861.
15. Kocaman, İ., Şişman, C. B., Kurç, H. C., & Gezer, E. (2018). A study on gas emissions and environmental impacts from traditional water buffalo barns in Turkey. Fresenius Environmental Bulletin, 27(4), 2173–2179.
16. Koç, K., & Şahin, O. (2023). Bitlis ili, Güroymak ilçesi, Gölbaşı beldesindeki Anadolu mandası işletmelerinde barınak içi karbondioksit (CO2) emisyonu üzerine barınak hacmi ve sürü büyüklüğünün etkisi. Journal of Animal Science and Economics, 2(2), 44–52.
17. Koçaslan, G. (2010). Sürdürülebilir kalkınma hedefi çerçevesinde Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyelinin yeri ve önemi. Sosyal Bilimler Dergisi, 4, 53–61.
18. Koyuncu, M., Çetin, İ., Sargın, H. G., & Çetin, E. (2021). Bursa ili Mustafakemalpaşa ilçesi manda yetiştiriciliği “Karaoğlan mahallesi örneği”. Hayvansal Üretim, 62(1), 25–34. https://doi.org/10.29185/hayuretim.820358
19. MCT (Republic of Türkiye Ministry of Culture and Tourism). (2025). Genel bilgiler. https://tekirdag.ktb.gov.tr/TR-75726/genel-bilgiler.html (Erişim tarihi: 19 Ocak 2025)
20. MENR (Republic of Türkiye Ministry of Energy and Natural Resources). (2025a). Rüzgar. https://enerji.gov.tr/eigm-yenilenebilir-enerji-kaynaklar-ruzgar (Erişim tarihi: 19 Ocak 2025)
21. MENR (Republic of Türkiye Ministry of Energy and Natural Resources). (2025b). Güneş. https://enerji.gov.tr/eigm-yenilenebilir-enerji-kaynaklar-gunes (Erişim tarihi: 19 Ocak 2025)
22. MGM (Republic of Türkiye, General Directorate of Meteorology). (2025). Provincial and district statistics: Tekirdağ. https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=TEKIRDAG (Erişim tarihi: 7 Ağustos 2025)
23. NREL (National Renewable Energy Laboratory). (2013). PVWatts version 1 technical reference. U.S. Department of Energy. https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60272.pdf (Erişim tarihi: 3 Nisan 2026)
24. Orhan, N., & Şahin, S. (2022). Bir besi çiftliğinde güneş enerji sisteminin uygulanması ve ekonomik analizi. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 9(1), 33–40.
25. Özdamar, A., Özbalta, N., Akın, A., & Yıldırım, E. D. (2005). An application of a combined wind and solar energy system İzmir. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 9(6), 624–637.
26. Rezai, M., Mostafaeipour, A., Qolipour, M., & Tavakkoli-Moghaddam, R. (2018). Investigation of the optimal location design of a hybrid wind-solar plant: A case study. International Journal of Hydrogen Energy, 43(1), 100–114. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.147
27. Satılmış, A. S., & Kul, E. (2024). Herd management practices in water buffalo enterprises in Amasya Province: Feeding, milking and health protection. Turkish Journal of Agriculture-Food Science and Technology, 12(5), 753–762. https://doi.org/10.24925/turjaf.v12i5.753-762.6593
28. SDU Yeşil Kampus. (2026). Enerji ve iklim değişikliği. https://yesilkampus.sdu.edu.tr/tr/hedeflerimiz/enerji-ve-iklim-degisikligi-13487s.html (Erişim tarihi: 3 Nisan 2026)
29. Şenel, M. C., & Koç, E. (2015). Dünya’da ve Türkiye’de rüzgar enerjisi durumu-genel değerlendirme. Makine ve Mühendis, 56(663), 46–56.
30. TAGEM (Ministry of Agriculture and Forestry). (2009). Türkiye evcil hayvan genetik kaynakları. Ankara.
31. Tunus, O. (2019). Bursa’da yenilenebilir enerji kaynakları ile elektrik üretim potansiyelinin ekonomik analizi [Yayımlanmamış yüksek lisans tezi]. Bursa Uludağ Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü.
32. Türkboyları, E. (2023). Enerji kaynaklarına bakış: Tarımda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı. Ziraat, Orman ve Su Ürünleri Alanında Uluslararası Araştırmalar (Bölüm 8, ss. 146–187). Platanus Publishing.
33. Türkboyları, E., & Yüksel, A. N. (2023). Possibilities of wind energy from renewable energy sources for agricultural purposes in water buffalo barns and environmental effects. 5. International Agricultural, Biological and Life Sciences Conference, 18–20 Eylül 2023 (ss. 1238–1246). Edirne, Türkiye.
34. Türkboyları, E., & Yüksel, A. N. (2024a). Meeting the energy needs of poultry houses with turbine system under Tekirdağ conditions and its environmental effects. Black Sea Journal of Engineering and Sciences, 7(3), 594–600.
35. Türkboyları, E., & Yüksel, A. N. (2024b). Meeting the energy needs in livestock enterprises with hybrid renewable energy systems and its environmental effects. 6. International Agricultural, Biological and Life Sciences Conference (AGBIOL 2024), 18–20 Eylül (ss. 1839–1849). Edirne, Türkiye.
36. Türkboyları, E., & Yüksel, A. N. (2024c). Rüzgar türbinlerinin tarımsal amaçlı olarak hayvan barınaklarında enerji kaynağı olarak kullanılma olanakları. OKU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7(2), 610–621.
37. Türkdoğan, S., Mercan, M. T., & Çatal, T. (2020). Şebekeden bağımsız hibrit enerji sistemleri kullanılarak 40 hanelik bir topluluğun elektrik ve termal yük ihtiyacının karşılanması: Teknik ve ekonomik analizleri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 18, 476–485.
38. Wathes, C. M., & Charles, D. R. (1994). Livestock housing. Animal Science and Engineering Division Silsoe Research Institute.
39. Yılmaz, G., Şahin, M., Akyazı, Ö., & Öztürk, B. (2023a). Şebeke bağlantılı hibrit yenilenebilir enerji sisteminin Homer ile ekonomik ve çevresel analizi: İzmir Endüstriyel Bölgesi Örneği. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 13(3), 1090–1106.
40. Yılmaz, M. S., Tur, M. R., & Özhan, D. (2023b). Meeting the charging station energy needs using hybrid energy systems at Batman University West Raman Campus: Technical and economic analysis. Journal of Science, Technology and Engineering Research, 4(2), 100–111.
41. Yüksel, A. N., & Türkboyları, E. (2021). Use of solar panels in water buffalo barns for providing climatic environmental conditions. Iğdır International Applied Sciences Congress, 14–15 Nisan 2021 (ss. 301–310). Iğdır.
42. Yüksel, A. N., & Şişman, C. B. (2015). Hayvan barınaklarının planlanması. Hasad Yayıncılık.
43. Yüksel, A. N., & Türkboyları, E. Y. (2018). Using the photovoltaic cells for ventilation and cooling of the animal barns. 1st International and 14th National Congress on Agricultural Structures and Irrigation, 26–28 Eylül (ss. 49–55). Antalya, Türkiye.