Θέρμανση θερμοκηπίων μέσω της επεξεργασίας υπολειμμάτων από αγροτικές και κτηνοτροφικές εκμεταλλεύσεις, εφαρμόζοντας την κυκλική οικονομία στη γεωργία για μια βιώσιμη λύση στην αειφορία και στην προστασία του περιβάλλοντος

Abstract

This dissertation examines the potential utilization of agro-livestock residues for bioenergy production aimed at greenhouse heating, within the framework of circular economy and sustainable natural resource management. The research focuses on the study and analysis of various biomass conversion techniques, with particular emphasis on anaerobic digestion for biogas production, while also investigating its energy efficiency and contribution to the sustainability of the agricultural sector.The study is based on an extensive literature review regarding modern methods of agro-livestock waste management, the energy efficiency of different greenhouse heating systems, and the environmental impacts of applying renewable energy sources to agricultural production. The analysis includes the recording and classification of agricultural and livestock residues that can be used for biogas production, while also examining the calorific value of different types of biomass and their efficiency in conversion into useful thermal and electrical energy.The methodological approach is grounded in empirical research and quantitative data analysis, with a particular focus on Thessaly as a case study. Primary and secondary data are utilized to estimate the quantity of available agro-livestock residues, analyze the biogas production potential, and assess the energy requirements of greenhouses. In parallel, two methods are applied to calculate the annual heating energy demand of greenhouses: the degree-hour method and the consumed heat method. These approaches take into account the geo-climatic conditions of the region, the monthly heating requirements, the greenhouse covering material, and the optimal thermal conditions for crop growth, as well as the average daily and nocturnal outdoor temperatures, day–night duration, and incident solar radiation on a horizontal surface. The analysis is implemented in two distinct regions—climatic zones of Greece, Florina and Trikala—which exhibit different minimum winter temperatures and are located at different geographical coordinates.The research findings indicate that biogas utilization, as an alternative energy source for greenhouse heating, can constitute an economically and environmentally sustainable solution. The production of biogas from agro-livestock residues contributes to reducing dependence on conventional fossil fuels, limiting greenhouse gas emissions, and promoting the energy self-sufficiency of agricultural enterprises. Furthermore, the economic data of the study demonstrate that the implementation of a combined heat and power (CHP) system can ensure a significant return on investment, particularly in regions with high concentrations of livestock and agricultural activities.The dissertation concludes that applying circular economy principles in the primary sector, through the utilization of agro-livestock waste for energy production, represents a realistic and effective mechanism for enhancing sustainability and environmental protection. The research findings provide significant expertise and practical guidelines for shaping energy-efficient and environmentally responsible policies in the agricultural sector.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τη δυνατότητα αξιοποίησης αγροκτηνοτροφικών υπολειμμάτων για την παραγωγή βιοενέργειας με σκοπό τη θέρμανση θερμοκηπίων, εντός του πλαισίου της κυκλικής οικονομίας και της βιώσιμης διαχείρισης φυσικών πόρων. Η έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη και ανάλυση διαφόρων τεχνικών μετατροπής βιομάζας, με ιδιαίτερη έμφαση στην αναερόβια χώνευση για την παραγωγή βιοαερίου, διερευνώντας παράλληλα την ενεργειακή απόδοση και τη συμβολή της στην αειφορία του αγροτικού τομέα. Η μελέτη βασίζεται σε εκτεταμένη βιβλιογραφική επισκόπηση αναφορικά με τις σύγχρονες μεθόδους διαχείρισης αγροκτηνοτροφικών αποβλήτων, την ενεργειακή αποδοτικότητα των διαφορετικών συστημάτων θέρμανσης θερμοκηπίων, καθώς και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εφαρμογής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη γεωργική παραγωγή. Η ανάλυση περιλαμβάνει την καταγραφή και ταξινόμηση των γεωργικών και κτηνοτροφικών αποβλήτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοαερίου, ενώ παράλληλα διερευνάται η θερμογόνος δύναμη των διαφορετικών τύπων βιομάζας και η αποδοτικότητα της μετατροπής τους σε χρήσιμη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια. Η μεθοδολογική προσέγγιση στηρίζεται σε εμπειρική έρευνα και ποσοτική ανάλυση δεδομένων, με έμφαση στη Θεσσαλία ως μελέτη περίπτωσης. Αξιοποιούνται πρωτογενή και δευτερογενή δεδομένα για την εκτίμηση της ποσότητας των διαθέσιμων αγροκτηνοτροφικών υπολειμμάτων, την ανάλυση του δυναμικού παραγωγής βιοαερίου και την εκτίμηση των ενεργειακών αναγκών των θερμοκηπίων. Παράλληλα, χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι που υπολογίζουν τις ετήσιες ενεργειακές ανάγκες θέρμανσης του θερμοκηπίου, βάσει βαθμοωρών και με την μέθοδο της καταναλισκόμενης θερμότητας, λαμβάνοντας υπόψη τις γεωκλιματικές συνθήκες της περιοχής, τις μηνιαίες ανάγκες θέρμανσης, το υλικό κάλυψης και τις βέλτιστες θερμοκρασιακές συνθήκες για τη βέλτιστη ανάπτυξη των καλλιεργειών, την μέση ημερήσια και την μέση νυχτερινή θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος, την διάρκεια ημέρας και νύχτας, καθώς και την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο. Η εφαρμογή γίνεται σε δύο διαφορετικές περιοχές - κλιματικές ζώνες της Ελλάδας, την Φλώρινα και τα Τρίκαλα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές χαμηλές θερμοκρασίες ειδικά κατά τους χειμερινούς μήνες και βρίσκονται σε διαφορετικές γεωγραφικές συντεταγμένες. Τα αποτελέσματα της έρευνας καταδεικνύουν ότι η αξιοποίηση βιοαερίου, ως εναλλακτική πηγή ενέργειας για τη θέρμανση θερμοκηπίων, μπορεί να αποτελέσει μια οικονομικά και περιβαλλοντικά βιώσιμη λύση. Η παραγωγή βιοαερίου από αγροκτηνοτροφικά υπολείμματα συμβάλλει στη μείωση της εξάρτησης από τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα, περιορίζει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και προάγει την ενεργειακή αυτάρκεια των αγροτικών εκμεταλλεύσεων. Επιπλέον, τα οικονομικά δεδομένα της έρευνας καταδεικνύουν ότι η εφαρμογή ενός συστήματος συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας μπορεί να εξασφαλίσει σημαντική απόδοση επένδυσης, ιδιαίτερα σε περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση κτηνοτροφικών και γεωργικών δραστηριοτήτων. Η διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η εφαρμογή της κυκλικής οικονομίας στον πρωτογενή τομέα, μέσω της αξιοποίησης αγροκτηνοτροφικών αποβλήτων για την παραγωγή ενέργειας, αποτελεί έναν ρεαλιστικό και αποδοτικό μηχανισμό ενίσχυσης της βιωσιμότητας και της περιβαλλοντικής προστασίας. Τα ερευνητικά ευρήματα παρέχουν σημαντική τεχνογνωσία και πρακτικές κατευθύνσεις για τη διαμόρφωση ενεργειακά αποδοτικών και περιβαλλοντικά υπεύθυνων πολιτικών στον αγροτικό τομέα.