Photovoltaic and biogas based renewable energy applications in livestock farms in Karaman province

Abstract

This study evaluates the economic and environmental advantages of integrating renewable energy systems into livestock farms in Karaman province,Türkiye. A hybrid model combining biogas and photovoltaic (PV) systems was developed and simulated for a representative cattle farm. Biogas production potential was calculated based on local livestock waste data, and a rooftop PV installation was modeled using region-specific solar radiation values. The results demonstrate that such a hybrid system can produce both electrical and thermal energy sufficient to meet on-farm demands, while significantly reducing greenhouse gas emissions. Economic analysis reveals a feasible payback period, and sensitivity tests show resilience against energy price fluctuations. This study is one of the first to model an integrated PV and biogas hybrid energy system at the provincial level in Türkiye, demonstrating its economic and environmental viability.

Keywords

• Livestock waste
• Biomass energy
• Solar energy
• PVsyst
• Greenhouse gas emissions

References

1. Akman HE (2023) RE-You biyogaz sistemleri (nitelikli teknik iş gücü (seviye5+) için mesleki temel konular el kitabı. T.C. Çalışma ve Sosyal Güvenlik Bakanlığı Ankara.
2. Atılgan A, Saltuk B, Ertop H, Aksoy E (2021) Determination of the potential biogas energy value of animal wastes: Case of Antalya. European Journal of Science and Technology Special Issue 22: 263-272.
3. Ay ÖF, Kaya A (2020) Kahramanmaraş ilinin hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 10(4): 2822-2830.
4. Bilgili ME (2018) Modern süt sığırcılığı işletmelerinde enerji ihtiyacının fotovoltaik güneş panelleri ile karşılanmasına yönelik bir araştırma. Doktora Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş.
5. Chowdhury T, Chowdhury H, Hossain N, Ahmed A, Hossen MS, Chowdhury P, Thirugnanasambandam M, Saidur R (2020) Latest advancements on livestock waste management and biogas production: Bangladesh’s perspective. Journal of Cleaner Production 272: 122818.
6. Cucchiella F, D’Adamo I, Koh SL (2015) Environmental and economic analysis of building ıntegrated photovoltaic systems in Italian regions. Journal Clean Production 98(1): 241-252.
7. Çağlayan GZ (2020) Doğu Anadolu bölgesindeki büyükbaş ve küçükbaş hayvan atıklarının biyogaz potansiyelinin incelenmesi. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi 7(3): 672-681.
8. Çiçekli Y. (2019) Hayvancılık işletmelerinde fotovoltaik güneş enerjisi kullanım olanaklarının araştırılması, maliyet ve performans analizi. Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş.

9. Demir Ü, Çulun P (2022) Investigation of biogas potential from animal waste in Bingöl province. Turkish Journal of Nature and Science 11(1): 36-42.
10. Demir Yetiş A, Gazigil L, Yetiş R, Çelikezen B (2019) Hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli: Bitlis örneği. Academic Platform Journal of Engineering and Science 7(1): 74-78.
11. EİE (Elektrik İşleri Etüt İdaresi) (2024) Biyogaz özellikleri. https://enerji.gov.tr/eigm. Accessed 02 June, 2024.
12. EİGM (Enerji İşleri Genel Müdürlüğü) (2024) Güneş enerjisi potansiyel atlası (GEPA). https://gepa.enerji.gov.tr/MyCalculator/pages/70.aspx. Accessed 02 June, 2024.
13. Energy Agency (2024) En güncel elektrik birim fiyatları (Haziran-2024). https://enerjiajansi.com.tr/elektrik-birim-fiyatlari/. Accessed 01 July, 2024.
14. EPİAŞ (Elektrik Piyasaları A.Ş.) (2024) Yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı elektrik üretimi. https://www.epias.com.tr/tum-duyurular/piyasa-duyurulari/elektrik/kayit-ve-uzlastirma/01-07-2021-tarihinden-31-12-2030-tarihine-kadar-isletmeye-girecek-yekbelgeli-yenilenebilir-enerji-kaynaklarina-dayali-elektrik-uretim-tesisleri-icin-uygulanacakfiyatlar-hk-12/. Accessed 02 June, 2024.
15. Erhan MK (2019) Ağrı ili büyükbaş hayvan varlığı ve hayvansal atıklardan biyogaz ve elektrik üretiminin Ağrı ili ve ülke ekonomisine katkısı. Ağrı İbrahim Çeçen Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi 5(2): 207-216.
16. Erkan Can M (2021) Büyükbaş hayvan ve tavuk gübreleri kaynaklı biyogaz potansiyeli; Adana ili örneği. Mediterranean Agricultural Sciences 34(2): 205-214.
17. Erkan M (2020) Biyogaz üretim tesislerinde verimlilik ve süreç optimizasyonu. Enerji Sistemleri Mühendisliği Dergisi 12(4): 204-219.
18. Et Yapılcan H, Bakırtaş H (2023) Yenilenebilir enerji olarak biyogaz: Aksaray ili örneği. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 11(1): 298-309.
19. ETKB (Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı) (2024) Elektrik. https://enerji.gov.tr/bilgi-merkezi-enerji-elektrik. Accessed 02 June, 2024.
20. Gülşen Akbay HE, Kumbur H (2020) Determination of biogas potential of livestock manure: A case study from Mersin province. Academic Platform Journal of Engineering and Science 8(2): 295-303.
21. Gündüz D, Bayrakdar Ateş E (2024) Catching the biogas opportunity: Determining the animal waste-based biogas potential and environmental effects for Sirnak. Journal of Innovative Engineering Natural Science 4(1): 84-97.
22. IEA (International Energy Agency) (2024a) Renewables 2023. https://www.iea.org/reports/renewables-2023. Accessed 02 June, 2024.
23. IEA (International Energy Agency) (2024b) Renewables 2020. https://www.iea.org/reports/renewables-2020. Accessed 02 June, 2024.
24. IPCC (2024) Climate change 2014: Mitigation of climate change ıntergovernmental panel on climate change. https://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/. Accessed 02 June, 2024.
25. Joshi AS, Dincer İ, Reddy BV (2009a) Performance analysis of photovoltaic systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 13(8): 1888-1893.
26. Joshi AS, Dincer İ, Reddy BV (2009b) Thermodynamic assessment of photovoltaic systems. Solar Energy 83(8): 1142-1143.
27. Kalaycı E, Türker G, Çağlarer E (2019) Kırklareli ilinin hayvansal atık potansiyelinin biyogaz üretimi çerçevesinde değerlendirilmesi ve güncel yapının yorumlanması. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 8(4): 1489-1497.
28. Karaman Agriculture and Forestry (2024). Hayvansal üretim. https://karaman.tarimorman.gov.tr/Menu/26/Tarimsal-Yapi-Ve-Calismalar. Accessed 02 June, 2024.
29. Kaya D, Kılıç F (2017) Biyogaz tesislerinde işletme ve bakım. Yenilenebilir Enerji Teknolojileri 5(2): 88-99.
30. Kaynarca H, Kılıç T, Açıkkalp E, Yerel Kandemir S (2021) Eskişehir’in biyogaz potansiyelinin değerlendirilmesi. Coğrafya Dergisi 42: 271-282.
31. Kaynarca H, Onay Ö (2024) Sarıcakaya ilçesinin güneş ve biyogaz enerji potansiyelinin hesaplanması. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi 14(3): 1006-1028.
32. Kirim Y, Sadikoglu H, Melikoglu M (2022) Technical and economic analysis of biogas and solar photovoltaic (pv) hybrid renewable energy system for dairy cattle barns. Renewable Energy 168: 873-889.
33. Kurnuç Seyhan A, Badem A (2021) Erzincan ili hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyelinin değerlendirilmesine yönelik biyogaz tesisi senaryoları. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 11(1): 245-256.
34. Kurt A (2021) Düzce ilinin tarımsal ve hayvansal kaynaklı biyogaz ve kompost elde edilebilirlik potansiyelinin değerlendirilmesi. Yalvaç Akademi Dergisi 6(1): 14-26.
35. Mermoud A, Wittmer B (2014) PVsyst User’s Manual. PVsyst SA.
36. MGM (Meteoroloji Genel Müdürlüğü) (2024) İllere ait mevsim normalleri. https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/ilve-ilceler-istatistik.aspx?m=KARAMAN. Accessed 02 June, 2024.
37. NREL (2024) Life cycle greenhouse gas emissions from solar photovoltaics national renewable energy laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy13osti/56487.pdf. Accessed 02 June, 2024.
38. Nuralan Poyraz H, Elden G, Genç G (2020) Kayseri ili için büyükbaş hayvan atığından biyogaz ve elektrik üretim potansiyelinin ve maliyetinin araştırılması. Dicle University Journal of Engineering 11(3): 1175-1185.
39. 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.
40. Oz O, Sahin M, Akar O (2023) Modeling of an HPS for the electric power demand of the cattle farm using genetic algorithm. Heliyon 9(6): e17237.
41. Ökten M (2021) An investigation on provincial production & consumption of electric energy: A case analysis for Ankara. Kocaeli Journal of Science and Engineering (KOJoSE) 4(1): 59-68.
42. Polat Bulut A, Topal Canbaz G (2019) Hayvan atıklarından Sivas ili biyogaz potansiyelinin araştırılması. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi 9(1): 1-10.
43. Salihoğlu NK, Teksoy A, Altan K (2019) Büyükbaş ve küçükbaş hayvan atıklarından biyogaz üretim potansiyelinin belirlenmesi: Balıkesir ili örneği. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 8(1): 31-47.
44. Seyitoğlu SS, Avcıoğlu E (2021) An investigation for the potential of biogas to be produced from animal waste in Corum. Gazi University Journal of Science Part C 9(2): 246-261.
45. SketchUp (2024) https://www.sketchup.com/en. Accessed 02 June, 2024.
46. Tırınk S (2022) Hayvansal atıkların biyogaz üretim potansiyelinin hesaplanması: Iğdır ili örneği. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 12(1): 152-163.
47. Topal Canbaz G, Polat Bulut A (2021) İç Anadolu bölgesinde bulunan hayvansal atıkların biyogaz potansiyelinin incelenmesi. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi 8(4): 905-912.
48. TÜİK (Türkiye İstatistik Kurumu) (2024) Sera gazı emisyon istatistikleri, 1990-2022. Available: https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Sera-Gazi-Emisyon-Istatistikleri-1990-2022-53701#:~:text=T%C3%9C%C4%B0K%20Kurumsal&text=Sera%20gaz%C4%B1%20envanteri%20sonu%C3%A7lar%C4%B1na%20g%C3%B6re,CO2%20e%C5%9Fde%C4%9Feri%20(e%C5%9Fd. Accessed 23 July, 2024.
49. United Nations (2024) Treaty of Paris. Available: https://www.unep.org/environmental-moments-unep50-timeline. Accessed 02 June, 2024.
50. Velo R, Osorio L, Fernandez MD, Rodriguez MR (2014) An economic analysis of a stand-alone and grid-connected cattle farm. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39: 883-890.
51. Yenigün İ, Gülşen H, Yenigün A (2021) Mardin ilinin hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyelinin belirlenmesi. Dicle University Journal of Engineering 12(3): 479-486.
52. Yerel Kandemir S, Açıkkalp E (2019) Bilecik ili hayvansal atıklarının biyogaz potansiyelinin incelenmesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 6(1): 104-108.
53. Yurtekin Ş (2023) Biyogaz tesislerinde enerji üretiminin tahmini. Yüksek lisans tezi, Kadir Has Üniversitesi, İstanbul.