Feasibility assessment of biogas-fuelled refrigeration to curb spoilage in food value chains in Sub-Saharan Africa
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: he lack of access to refrigeration in Sub-Saharan Africa (SSA) due to deficient electrical grids is a major contributor to food loss, which exasperates food insecurity in the region. The use of biogas-fuelled refrigeration (BFR) could provide opportunities to leapfrog over environmentally harmful or outdated refrigeration methods while curbing food loss and treating organic waste. The main objective of this research was to evaluate the applicability and feasibility of BFR in SSA. This project compiled findings from value chain analyses (VCA) in literature of the beef, dairy, fish, and fruit and vegetable value chains in SSA to describe the nature and distribution of food loss and available feedstocks for anaerobic digestion. The analysis found that food loss is concentrated in the processing, agricultural production, distribution, and postharvest handling stages of the fruit and vegetable, meat, fish, and dairy value chains, respectively. However, regardless of the distribution of the losses, refrigeration intervention measures early in the value chain could mitigate downstream food losses. BFR could also only be implemented where there is sufficient feedstock and has limited impact on food loss mitigation in cases where other problems with food handling cause food loss regardless of access to refrigeration. Using these findings from the VCA, scenarios where waste would be readily available or where multiple stages in the value chain could be targeted were chosen as the foundations for BFR process models, namely a dairy farm, abattoir, and a community setting. The process models investigated were absorption dairy coolers for dairy smallholders, containerized compression refrigerated cool rooms for small-scale actors in the fruit and vegetable value chain, industrial icemakers to supply ice to small-scale actors in the fish value chain, and combined heat and power (CHP) systems to cover the electrical requirements of refrigeration for modernised abattoirs. Four feedstocks associated with the value chains were selected for biomethane potential (BMP) testing: fruit and vegetable waste, tomato waste, abattoir waste, and cow manure. The BMP results were used as a basis for sizing the required biogas installations to meet the calculated energy requirements of the various refrigeration systems. The capital (CAPEX) and operating costs were estimated using capacity-cost estimations based on collated data of existing biogas installations in SSA. When electricity generation was required to drive the refrigeration process, multivariate regression was used to develop a model that estimated the CAPEX of a plant based on the volume of the digester and its electrical output. Using discounted cashflow analysis of the scenarios at various scales, internal rates of return (IRRs) ranging from 15.13% to 28.16% (absorption cooler), -6.77% to -2.79% (CHP), 0.97% to 22.84% (cool room), and 0.74% to 24.05% (ice maker plants) were estimated. Issues arose with feedstock availability, particularly for the large-scale processes which would benefit the most from economies of scale. Income and earnings through savings from the waste treatment were shown to substantially improve process profitability. Challenges to implementing BFR include feedstock availability, training and maintenance requirements, access to water, and high upfront costs.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebrek aan toegang tot verkoeling in Sub-Sahara Afrika (SSA) as gevolg van gebrekkige elektriese netwerke is ’n groot bydraer tot voedselverlies, wat voedselonveiligheid in die streek vererger. Die gebruik van biogas-aangestookte verkoeling (BFR) kan geleenthede verskaf om skadelik vir die omgewing of ouderwetse verkoelingmetodes te oorspring, terwyl voedselverlies beperk word en organiese afval behandel word. Die hoofdoelwit van hierdie navorsing was om die toepassing en uitvoerbaarheid van BFR in SSA te evalueer. Hierdie projek het bevindinge van waardekettinganalises (VCA) in literatuur van die beesvleis-, suiwel-, vis-, en groente-envrugte-waardekettings in SSA saamgestel om die natuur en verspreiding van voedselverlies en beskikbare toevoermateriaal vir anaerobiese vertering te beskryf. Hierdie analise het gevind dat voedselverlies gekonsentreer is in die prosessering-, landbouproduksie-, verspreiding-, en naoeshanteringsfases van die groente-en-vrugte-, vleis-, vis-, en suiwelwaardekettings, onderskeidelik. Ongeag van verspreiding van die verliese, kan verkoelingsingrypingstappe vroeg in die waardeketting egter stroomaf voedselverliese versag. BFR kan ook slegs geïmplementeer word waar daar voldoende voermateriaal is en het beperkte impak op voedselverliesversagting in gevalle waar ander probleme met voedselhantering voedselverlies veroorsaak, ongeag of daar toegang tot verkoeling is of nie. Deur hierdie bevindinge van die VCA te gebruik, is scenario’s waar afval geredelik beskikbaar is of waar veelvoudige fases in die waardeketting geteiken kon word, gekies as die fondasies vir BFR-prosesmodelle, naamlik ’n suiwelplaas, abattoir, en ’n gemeenskapopset. Die prosesmodelle ondersoek was absorpsie suiwelverkoelers vir suiwel-kleinboere, laaikisvervoer ingestelde druk-verkoelde koelkamers vir kleinskaaldeelnemers in die groente-en-vrugte waardeketting, industriële ysmakers vir die voorsiening van ys vir kleinskaaldeelnemers in die viswaardeketting, en gekombineerde hitteen-krag-sisteme (CHP) om die elektriese vereistes van verkoeling vir gemoderniseerde abattoirs te dek. Vier voermateriale geassosieer met die waardekettings is gekies vir biometaanpotensiaaltoetsing (BMP): groente-en-vrugte-afval, tamatie-afval, abattoirafval, en beesmis. Die BMP-resultate is gebruik as ’n basis vir skalering van die vereisde biogasinstallasies sodat die berekende energie-vereistes aan die verskeie verkoelingsisteme sal voldoen. Die kapitaal (CAPEX) en bedryfskostes is beraam deur die kapasiteitskosteberaming te gebruik gebaseer op versamelde data van bestaande biogasinstallasies in SSA. Wanneer elektrisiteitsopwekking vereis word om die verkoelingsproses te dryf, is meerveranderlike regressie gebruik om ’n model te ontwikkel vir die afskatting van die CAPEX van ’n aanleg, gebaseer op die volume van die verteerder en sy elektriese uitsetting. Deur gediskonteerde kontantvloei-analise te gebruik vir die scenario’s op verskeie skale, is interne opbrengskoers (IRRs) in bestek van 15.13% tot 28.16% (absorpsie verkoeler), -6.77% tot -2.79% (CHP), 0.97% tot 22.84% (koelkamer), en 0.74% tot 24.05% (yskameraanlegte) beraam. Kwessies het ontstaan met voermateriaalbeskikbaarheid, veral vir die groot-skaalse prosesse wat die meeste uit ekonomieë van skaal sou voordeel trek. Dit is getoon dat inkomste en verdienstes van die afvalbehandeling proseswinsgewindheid beduidend verbeter het. Uitdagings om BFR te implementeer sluit in voermateriaalbeskikbaarheid, opleiding- en onderhoudvereistes, toegang tot water, en hoë voorkostes.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebrek aan toegang tot verkoeling in Sub-Sahara Afrika (SSA) as gevolg van gebrekkige elektriese netwerke is ’n groot bydraer tot voedselverlies, wat voedselonveiligheid in die streek vererger. Die gebruik van biogas-aangestookte verkoeling (BFR) kan geleenthede verskaf om skadelik vir die omgewing of ouderwetse verkoelingmetodes te oorspring, terwyl voedselverlies beperk word en organiese afval behandel word. Die hoofdoelwit van hierdie navorsing was om die toepassing en uitvoerbaarheid van BFR in SSA te evalueer. Hierdie projek het bevindinge van waardekettinganalises (VCA) in literatuur van die beesvleis-, suiwel-, vis-, en groente-envrugte-waardekettings in SSA saamgestel om die natuur en verspreiding van voedselverlies en beskikbare toevoermateriaal vir anaerobiese vertering te beskryf. Hierdie analise het gevind dat voedselverlies gekonsentreer is in die prosessering-, landbouproduksie-, verspreiding-, en naoeshanteringsfases van die groente-en-vrugte-, vleis-, vis-, en suiwelwaardekettings, onderskeidelik. Ongeag van verspreiding van die verliese, kan verkoelingsingrypingstappe vroeg in die waardeketting egter stroomaf voedselverliese versag. BFR kan ook slegs geïmplementeer word waar daar voldoende voermateriaal is en het beperkte impak op voedselverliesversagting in gevalle waar ander probleme met voedselhantering voedselverlies veroorsaak, ongeag of daar toegang tot verkoeling is of nie. Deur hierdie bevindinge van die VCA te gebruik, is scenario’s waar afval geredelik beskikbaar is of waar veelvoudige fases in die waardeketting geteiken kon word, gekies as die fondasies vir BFR-prosesmodelle, naamlik ’n suiwelplaas, abattoir, en ’n gemeenskapopset. Die prosesmodelle ondersoek was absorpsie suiwelverkoelers vir suiwel-kleinboere, laaikisvervoer ingestelde druk-verkoelde koelkamers vir kleinskaaldeelnemers in die groente-en-vrugte waardeketting, industriële ysmakers vir die voorsiening van ys vir kleinskaaldeelnemers in die viswaardeketting, en gekombineerde hitteen-krag-sisteme (CHP) om die elektriese vereistes van verkoeling vir gemoderniseerde abattoirs te dek. Vier voermateriale geassosieer met die waardekettings is gekies vir biometaanpotensiaaltoetsing (BMP): groente-en-vrugte-afval, tamatie-afval, abattoirafval, en beesmis. Die BMP-resultate is gebruik as ’n basis vir skalering van die vereisde biogasinstallasies sodat die berekende energie-vereistes aan die verskeie verkoelingsisteme sal voldoen. Die kapitaal (CAPEX) en bedryfskostes is beraam deur die kapasiteitskosteberaming te gebruik gebaseer op versamelde data van bestaande biogasinstallasies in SSA. Wanneer elektrisiteitsopwekking vereis word om die verkoelingsproses te dryf, is meerveranderlike regressie gebruik om ’n model te ontwikkel vir die afskatting van die CAPEX van ’n aanleg, gebaseer op die volume van die verteerder en sy elektriese uitsetting. Deur gediskonteerde kontantvloei-analise te gebruik vir die scenario’s op verskeie skale, is interne opbrengskoers (IRRs) in bestek van 15.13% tot 28.16% (absorpsie verkoeler), -6.77% tot -2.79% (CHP), 0.97% tot 22.84% (koelkamer), en 0.74% tot 24.05% (yskameraanlegte) beraam. Kwessies het ontstaan met voermateriaalbeskikbaarheid, veral vir die groot-skaalse prosesse wat die meeste uit ekonomieë van skaal sou voordeel trek. Dit is getoon dat inkomste en verdienstes van die afvalbehandeling proseswinsgewindheid beduidend verbeter het. Uitdagings om BFR te implementeer sluit in voermateriaalbeskikbaarheid, opleiding- en onderhoudvereistes, toegang tot water, en hoë voorkostes.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2023.
Keywords
Biogas; Sub-Saharan Africa; Anaerobic digestion; Value chain analysis; Techno-economic analysis; Off-grid refrigeration; Food value chain; Waste-to-energy