Evaluation Methods of Fertilizer Produced in Biogas Plants and Its Effect on Feasibility

Abstract

Energy is a major demand of the globalization world. For this reason, energy production from biogas plants as a renewable energy source, is increasing day by day in the world and in our country. After the production of biogas from raw material of animal origin, various outputs can be obtained. These outputs are solid and liquid fertilizers. The use of the fertilizer produced in these plants in agriculture is important because of its possible negative impact on both the investment feasibility and the environment. In this study, biogas production was dimensioned in a wet fermentation plant with 3 MW electricity production capacity operating under mesophilic conditions. 30 days was chosen as the hydraulic retention time of the biogas plant. Fermentation tanks are continuous stirred tank reactors. The biogas engine was used for energy generation. In the biogas plant, solid and liquid fertilizers are produced as a product in addition to energy production. Enrichment processes are listed in order to convert the solid fertilizer produced in the biogas plant into salable form and to be more efficient when applied to the soil. Considering that the produced fertilizer can be evaluated in 3 different ways, feasibility analysis was examined. It is thought that the fertilizer produced in the first option is used directly in agriculture without being sold, in the second option, it is sold as solid organic fertilizer, and in the other option, it is converted into an organomineral fertilizer form by making the necessary additions. Within the scope of the results obtained, the effects of energy production as well as fertilizer sales on the feasibility of the facility were revealed. Considering the calculations made, the costs per unit kW of the facilities are respectively: 2,090 $/kWe, 3,726 $/kWe, 6,225 kWe. It has been determined that the simple payback period of 6.01 years for a biogas plant that generates income only from electricity production is reduced to 1.69 years with the sale of additional organomineral fertilizers. If the fertilizer was sold as organic fertilizer, the simple payback period was 4.24 years. However, it was observed that the cost of diammonium phosphate to be added to the system, in addition to the decrease in the payback period, increased the biogas plant costs by approximately 92.5%.

Keywords

• Biogas
• Organomineral fertilizer
• Fermented fertilizer
• Organic fertilizer
• Wet fermentation

Biyogaz Tesislerinde Üretilen Gübrenin Değerlendirilme Metotları ve Fizibiliteye Etkisi

Abstract

Globalleşen dünyanın en büyük ihtiyaçlarından biri de enerjidir. Bu sebeple Dünyada ve ülkemizde yenilenebilir enerji kaynağı olan biyogaz tesislerinden enerji üretimi gün geçtikçe artmaktadır. Hayvansal kaynaklı hammaddeden biyogaz üretimi sonrasında katı ve sıvı gübre olmak üzere çeşitli çıktılar elde edilmektedir. Bu tesislerde üretilen gübrenin tarımda değerlendirilmesi gerek yatırım fizibilitesine gerekse çevreye verebileceği olası negatif etkisinden dolayı önem arz etmektedir. Bu çalışmada mezofilik şartlarda çalışan 3 MW elektrik üretim kapasiteli bir yaş fermantasyon tesisinde biyogaz üretimi boyutlandırılmıştır. Biyogaz tesisinin hidrolik bekletme süresi olarak 34 gün seçilmiştir. Fermantasyon tankları ise sürekli karıştırmalı tank reaktörlerdir. Enerji eldesi için biyogaz motoru kullanılmıştır. Biyogaz tesisinde enerji eldesinin yanında ürün olarak katı ve sıvı gübre üretilmektedir. Biyogaz tesisinde üretilen katı gübrenin satılabilir forma dönüştürülebilmesi ve toprakta uygulandığında daha verimli olabilmesi için zenginleştirme işlemleri sıralanmıştır. Üretilen gübrenin 3 farklı şekilde değerlendirilebileceği göz önünde bulundurularak yapılabilirlik analizleri incelenmiştir. İlk opsiyonda üretilen gübre satılmadan direkt tarımda kullanıldığı, ikinci opsiyonda katı organik gübre olarak satıldığı, diğer opsiyonda ise içerisine gerekli ilaveler yapılarak organomineral gübre formuna dönüştürülüp satıldığı düşünülmüştür. Elde edilen sonuçlar kapsamında enerji üretiminin yanı sıra gübre satışının tesis fizibilitesine olan etkileri ortaya konulmuştur. Yapılan hesaplamalar ışığında; tesislerin birim kW başına maliyetleri sırasıyla; 2.090 $/kWe, 3.726 $/kWe, 6.225 kWe olmaktadır. Yalnızca elektrik üretiminden gelir elde bir biyogaz tesisinin 6,01 yıl olan basit geri ödeme süresi, elektrik satışına ek organomineral gübre satışı ile 1,69 yıla indirgendiği tespit edilmiştir. Gübrenin organik gübre olarak satılması durumunda ise basit geri ödeme süresi 4,24 yıl olmuştur. Ancak, geri ödemesi süresinin azalmasına karşılık ilave olarak sisteme eklenecek diamonyumfosfat maliyeti biyogaz tesis maliyetlerini yaklaşık olarak %92,5 oranında artırdığı gözlenmiştir.

Keywords

• Biyogaz
• Organomineral gübre
• Fermente gübre
• Organik gübre
• Yaş fermantasyon.

References

1. Abebe, M.A. (2017). Characterization of sludge from a biogas reactor for the application bio-fertilizer. International Journal of Scientific Engineering and Science, 1(3):12–16.
2. Akbulut, A. (2012). Techno-economic analysis of electricity and heat generation from farm-scale biogas plant: Çiçekdağı case study. Energy, 44(1):381–390.
3. Akinyele, D.O., Rayudu, R.K. (2016), Strategy for developing energy systems for remote communities: insights to best practices and sustainability. Sustain Energy Technol Assessments, 16:106-127.
4. Avcıoğlu, O.A., Çolak, A., Türker, U. (2013). Türkiye’nin tavuk atıklarından biyogaz potansiyeli. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 10(1): 21-28.
5. Aybek, A., Üçok, S., İspir, M.A., Bilgili, M.E. (2015). Türkiye'de kullanılabilir hayvansal gübre ve tahıl sap atıklarının biyogaz ve enerji potansiyelinin belirlenerek sayısal haritalarının oluşturulması. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 3(12).
6. Baulomanti, K.A., Maglio, D.S., Giuntoli, J., Agostini, A. (2013). Influence of different practices on biogas sustainability. Biomass and Bioenergy, 53:149-161.
7. Bavariani, M.Z., Ronaghi, A., Ghasemi, R. (2019). Influence of pyrolysis temperatures on FTIR analysis, nutrient bioavailability, and agricultural use of poultry manure biochars. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 50(4):402–411. https://doi.org/10.1080/00103624.2018.1563101
8. Bogner, J.E. (1992). Anaerobic burial of refuse in landfills: increased atmospheric methane and implications for increased carbon storage. Ecological Bulletins, 98-108.

9. Brown, B.B., Yiridoe, E.K., Gordon, R. (2007). Impact of single versus multiple policy options on the economic feasibility of biogas energy production: Swine and dairy operations in Nova Scotia. Energy Policy, 35(9):4597–4610.
10. Caresana, F., Comodi, G., Pelagalli, L., Pierpaoli, P., Vagni, S. (2011). Energy production from landfill biogas: An Italian case. Biomass and Bioenergy, 35(10):4331-4339.
11. Cherubini, F. (2010). The biorefinery concept: using biomass instead of oil for producing energy and chemicals. Energy Convers Manage, 51:1412-1421.
12. Eryilmaz, T., Yesilyurt, M.K., Gokdogan, O., Yumak, B. (2015). Determination of biogas potential from animal waste in Turkey: a case study for Yozgat Province. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 2(4):106-111.
13. EPDK, Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu. (2019). https://www.epdk.gov.tr/Detay/Icerik/3-0-72/elektrikyekdem (Erişim Tarihi: 10.04.2022).
14. EPİAŞ, (2022). https://seffaflik.epias.com.tr/transparency/piyasalar/gop/ptf.xhtml (Erişim Tarihi: 09.04.2022).
15. Gedik, T., Akyüz, K.C., Akyüz, İ. (2005). Yatırım projelerinin hazırlanması ve değerlendirilmesi (iç karlılık oranı ve net bugünkü değer yöntemlerinin incelenmesi). ZKÜ Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 7(7):51–61.
16. Güçdemir, İ.H. (2006) Türkiye Gübre ve Gübreleme Rehberi. Güncelleştirilmiş ve Genişletilmiş 5. baskı. Tarımsal Araştırmalar Genel Müdürlüğü, Toprak ve Gübre Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü Yayınları, Genel Yayın No: 231, Teknik yayın no: T.69, Ankara
17. Kayişoğlu, B., Göncü, S. (2020). Determination of commercially available biogas production capacity and effects on methane capture in Tekirdağ province. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 17(3): 445-455.
18. Marcato, C.E., Pinelli, E., Pouech, P., Winterton, P., Guiresse, M. (2008). Particle size and metal distributions in anaerobically digested pig slurry. Bioresource Technology, 99:2340-2348.
19. Mel, M., Yong, A.S.H., Ihsan, Z.I., Setyobudi, R.H., (2015). Simulation study for economic analysis of biogas production from agricultural biomass. Energy Procedia, 65:204–214.
20. Symons, G.E., Buswell, A.M. (1933). The methane fermentation of carbohydrates1, 2. Journal of the american chemical society, 55(5):2028-2036.
21. Sreekrishnan, T. R., Kohli, S., Rana, V. (2004). Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques––a review. Bioresource technology, 95(1):1-10.
22. Tang, J., Maie, N., Tada. Y., Katayama, A. (2005). Characterization of the maturing process of cattle manure compost. Process Biochemistry, 41(2):380-389.
23. Ubi, W., Ubi, G.M., Akpan-Idiok, A.U., Okweche, T. (2016). Nutrient dynamics in vegetative propagules of pineapple (Ananas comosus) cultivar as influenced by post N: P: K fertilizer application in Southern Nigeria. International Journal of Academic Research and Development, 1(7):2455–4197.
24. Vekil, S., Özyiğit, F.Y. (2020). Sivas ilinin farklı ilçelerinde şebeke bağlantılı güneş enerji santrallerinin tasarımı ve analizi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 20:425-437.
25. Yabe, N. (2013), Environmental and economic evaluations of centralized biogas plants running on cow manure in Hokkaido, Japan. Biomass and Bioenergy, 49:143-151. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2012.12.001.
26. YEGM, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, Türkiye Biyokütle Enerji Potansiyeli Atlası. (2019). http://bepa.yegm.gov.tr (Erişim Tarihi: 10.01.2020)
27. Walla, C., Schneeberger, W. (2008). The optimal size for biogas plants. Biomass and Bioenergy, 32(6):551-557.
28. Wendland, M. (2012). Biogasgärreste Einsatz von Gärresten aus der Biogasproduktion als Düngemittel. Arbeitsgemeinschaft Landtechnik, (I):15.