I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 ,   p p .   1325 ~ 1 3 4 0   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 16 .i 2 . p p 1 3 2 5 - 1 3 4 0           1325       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Electrici ty g enera tion a nd mul ti - pu rpo se a pplica tion s from  bio g a s a nd bio metha ne       M o s es J er em ia h B a ra s a   K a bey i,  J o s eph Ak pa n,  O lud o la po   Ak a nn i O la nrewa j u   D e p a r t me n t   o f   I n d u s t r i a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g   a n d   B u i l t   E n v i r o n me n t ,   D u r b a n   U n i v e r s i t y   o f   T e c h n o l o g y ,     D u r b a n ,   S o u t h   A f r i c a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 3 ,   2 0 2 2   R ev is ed   Sep   2 1 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Ma y   6 ,   2 0 2 5       Bio g a s  p r o d u c e d   fro m   b io m a ss   is  a   re n e wa b le  e n e rg y   re so u rc e   with   h i g h   v a lu e   p o ten ti a l   t o   su p p o rt  su sta in a b le  d e v e l o p m e n t .   Th is  stu d y   p re se n ts  a b rid g e d   a d v a n c e s  a n d   p a t h wa y s  fro m   b io g a s  a n d   b io m e th a n e   to   e lec tri c it y   with   o p p o rtu n it ies   a n d   c h a ll e n g e s  in   g e n e ra ti o n ,   c o n v e rsio n ,   a n d   sto ra g e   n e e d e d   fo r   u se   in   m a n y   a re a s  li k e   tran sp o rtati o n ,   p o we r  g e n e r a ti o n   a n d   sto ra g e ,   b u il d i n g ,   a n d   i n d u strial   h e a t  p ro d u c ti o n   se c to rs.  A  h i g h   k n o c k   re sista n c e ,   m a k in g   it   su i tab le   fo r   u se   in   t h e rm a l  sy ste m s  with   h ig h   c o m p re ss io n   r a te ,   c h a ra c teriz e s  b io g a s  c o m b u sti o n .   Va ri o u s  p ri m e   m o v e rs  u sin g   b io g a s  a s  fu e l   c a n   b e   u se d   fo r   e lec tri c it y   g e n e ra ti o n ,   in c l u d in g   d irec t   c o n v e rsio n   th r o u g h   f u e l  c e ll s,   w h ich   is  a   sig n ifi c a n t   p a t h wa y   to   s u sta in a b le  e n e rg y   sto ra g e .   Bi o g a s  to   e lec tri c it y   c o n v e rsio n   b y   a   g e n e ra to r  s e t  is  m u c h   m o re   p ra c ti c a l  to d a y .   T u rb i n e s,  m icro   tu r b in e s,  S ti rli n g   e n g i n e s,  d ies e l  e n g in e s ,   a n d   p e tr o l  e n g i n e s  a re   o n ly   so m e   o f   t h e   v iab le  p o ss i b il it ies   f o r   c o n v e rti n g   b io g a s  t o   e lec tri c it y .   Bio m e th a n e   c a n   b e   u se d   a s  a   su b stit u te  fo r   n a tu ra l  g a s  i n   a ll   i ts  a p p li c a ti o n s   with   li tt le  o r   n o   m o d ifi c a ti o n s   to   t h e   f u e l  in fra stru c tu re .   F i n a ll y ,   th is  stu d y   d isc u ss e s  b io g a s  a n d   b io m e th a n e ’s  li m it s  a n d   c o n tri b u ti o n   t o   t h e   S u sta in a b le  De v e lo p m e n t  G o a ls   2 ,   6 ,   7 ,   8 ,   9 ,   1 1 ,   1 3 ,   1 4 ,   a n d   1 7 .   K ey w o r d s :   B io g as e n g in es   B io g as f u el  ce lls   B io g as p lan t  ass es s m en t   B io g as p r o d u ctio n   E lectr ic  v eh icle  ch ar g in g   Hy d r o g e n   p r o d u ctio n   Sti r lin g   en g in es   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo s es Jer em iah   B ar asa  Kab e y i   Dep ar tm en t o f   I n d u s tr ial  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g   an d   B u ilt E n v ir o n m e n t   Du r b an   Un i v er s ity   o f   T ec h n o l o g y   Du r b an ,   4 0 0 1 ,   So u t h   Af r ica   E m ail: 2 2 0 6 4 6 9 3 @ d u t4 life . ac . za ,   m o s esk ab ey i@ y ah o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  co n ce r n s   r eg ar d in g   g r ee n h o u s e  g as  em is s io n s   an d   th e  s u b s eq u e n t  in cr ea s e  in   g lo b al   tem p er atu r es  r esu ltin g   f r o m   u s in g   f o s s il  f u els  h av e  led   to   g r ea ter   ac ce p tan ce   o f   b io g as  as  an   alter n ativ e  f u el   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   T h e  o v e r all  en er g y   d em an d ,   p ar ticu la r ly   f o r   clea n   alter n ativ es  lik e  r en ewa b le  s o u r ce s ,   is   in f lu en ce d   b y   v ar io u s   f ac to r s ,   in clu d in g   th e  ex p an s io n   o f   ec o n o m ic  a ctiv ities ,   in cr ea s ed   elec tr if icat io n   o f   s er v ices  an d   p r o ce s s es,  p o p u latio n   g r o wth ,   f in ite  r eser v es  o f   f o s s il  f u els,  co n ce r n s   ab o u t  en er g y   s u p p ly   s ec u r ity   ass o ciate d   with   f o s s il  f u els,  an d   th e  n ec e s s ity   to   ad d r ess   s u p p ly   an d   p r ice  v o l atility .   Fu r th er m o r e,   a  g lo b al  co m m itm en t   is   to   r estrict  g r ee n h o u s e  g as  em is s io n s   an d   p r ev en t   an   in c r ea s e  in   th e   E ar t h ' s   av er ag e  t em p er atu r e   [ 3 ] .   T h e   im m in en t  d ep letio n   o f   f o s s il  f u els  an d   co n ce r n s   ab o u t  an th r o p o g en ic  g r ee n h o u s e  g as  em is s io n s   an d   g lo b al  wa r m in g   h av e   s p ar k e d   r en ewe d   in ter est  i n   b io g as  as  v iab le  f u el  s o u r ce s .   T h is   in ter est  is   f u r th er   f u eled   b y   th e   in cr ea s in g   p r o d u ctio n   o f   o r g a n ic  waste  an d   g r o win g   a n x ieti es  ab o u t  clim ate  ch a n g e.   B io g as  is   a  v er s atile  an d   f lex ib le  en er g y   s o u r ce ,   s u r p as s in g   o th er   r en ewa b le  s o u r ce s   s u ch   as  win d   an d   s o lar   in   ter m s   o f   ad ap tab ilit y .     I n   m o s t  ca s es,  th e  lo wer   o p er atin g   co s ts   an d   in itial  r elativ e ly   h ig h   e x p en s es  m ak e  it  a  m o r e  co s t - ef f ec tiv e   o p tio n   [ 4 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   1 3 2 5 - 1340   1326   As  a  s u s tain ab le  en er g y   s o u r ce ,   b io g as  s h o ws  s ig n if ican t  p r o m is e  f o r   r ed u ci n g   g r ee n h o u s e  g as  em is s io n s .   Fo r   in s tan ce ,   b io g as  ac co u n ted   f o r   0 . 2 9   p er ce n t  o f   Switzer lan d ' s   o v er all  en er g y   co n s u m p tio n   i n   2 0 1 4   an d   co n tr ib u ted   o v er   ei g h t  p er ce n t  t o   th e  c o u n tr y ' s   to tal  r en ewa b le  en e r g y   g en er atio n   in   th e  s am e   y ea r ,   r esu ltin g   in   less   to x ic  g as  e m is s io n s   f o r   th e  co u n tr y   [ 5 ] .   Similar ly ,   in   2 0 1 5 ,   E u r o p e  s aw  it s   b io m eth an e   p r o d u ctio n   f r o m   b io g as  at  wastewate r   tr ea tm en t  p lan ts   d o u b le  co m p ar e d   to   r eg u lar   p r o d u ctio n   lev els   [ 6 ] .   As  p ar t  o f   th e   g lo b al  ef f o r t  to   tr a n s itio n   f r o m   f o s s il  f u els  to   r e n ewa b le  an d   lo w - ca r b o n   en e r g y ,   b io g as  s er v es  as   an   im p o r tan t   b u ild in g   b lo ck .   As  a  s u s tain ab le  en e r g y   f u el   s o u r ce ,   b io g as  is   ce r tain ly   p lay i n g   a   v ital r o le  i n   th e   s h if t  awa y   f r o m   f o s s il  f u els,  p ar ticu lar ly   with   its   wid esp r ea d   u s e  in   b io g as - to - p o w er   co n v e r s io n   tech n o lo g ies   an d   its   tr em e n d o u s   p o te n tial  f o r   g en er atio n   f r o m   b io m ass   [ 7 ] .   R is in g   co n ce r n s   ab o u t  f o s s il  f u el  d ep letio n ,   an x ieties  o v er   en er g y   s ec u r it y ,   an d   t h e  u r g en c y   to   tack l e  g lo b al   war m in g   as  e m p h a s ized   in   th e   Par is   Ag r ee m en t   h a v e  f u eled   s u b s tan tial  en th u s iasm  f o r   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s .   B io g as  h as  g ar n er e d   s ig n if ican t   atten tio n   as  a  r en ewa b le  en e r g y   o p tio n   d u e  to   its   co s t - ef f ec tiv en ess   an d   r en ewa b le  c h ar ac ter is tics .   T h e   co n v er s io n   o f   b io g as  in to   en v ir o n m e n tally   f r ie n d ly   tr an s p o r tatio n   f u els  an d   elec tr icity   g en er atio n   is   also   b ec o m in g   in c r ea s in g ly   p o p u la r   [ 8 ] .  A  s u b s tan tial  am o u n t  o f   o r g an ic  waste  is   p r o d u ce d   w o r ld wid e,   cr ea tin g   th e  p o ten tial  to   b e   co n v er ted   i n to   elec tr ical   en er g y .   Fo r   e x a m p le,   th e   Un ited   States   alo n e   g en er ates  ar o u n d   7 0  m illi o n   m etr ic  to n s   o f   o r g a n i c  waste.   A  r eliab le  an d   co s t - e f f ec tiv e  en e r g y   s u p p ly   is   cr u c ial  f o r   m ain tain in g   s o cio ec o n o m ic  p r o g r ess   an d   a llev iatin g   p o v e r ty   [ 3 ] ,   [ 9 ] .   Du e  to   t h eir   s u b s tan tial  m et h a n e  ( C H 4 )   co n ten t,  b io g as r eso u r ce s   o f f er   a   p r o m is in g   s o lu t i o n   to   tack le   s ig n if ican t  en er g y   an d   en v ir o n m en tal  ch allen g es.  T h is   m eth an e  ca n   b e  u tili ze d   as  a  f u el  in   v ar io u s   ap p licatio n s   s u ch   as  elec tr ic ity   g en er atio n ,   h ea tin g ,   a n d   tr an s p o r tatio n .   B io g as  is   cr ea ted   th r o u g h   th e   an ae r o b ic  d ig esti o n   o f   o r g an i c  m atter   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   I t  s er v es  as  an   ef f ec tiv e   waste  d is p o s al  an d   s ter ilizatio n   m eth o d ,   co n t r ib u tin g   to   th e   r ed u ctio n   o f   g r ee n h o u s e  g as  em is s io n s   an d   o th e r   f o r m s   o f   en v ir o n m e n tal  co n tam in atio n .   Utilizin g   waste  s tr ea m s   f o r   b io g as  p r o d u cti o n   ef f ec tiv ely   m in im izes  wast e  d is p o s al  th r o u g h   less   en v ir o n m en tally   b en ef ici al  p r o ce s s es  s u ch   as   lan d f illi n g   an d   in cin er atio n .   An ae r o b ic   d ig esti o n   n o t  o n ly   g en er ates  f er tili ze r   b u t  also   s er v es  as  a  v iab le  alter n ativ e  to   in d u s tr ial  ch em icals  an d   p o ly m e r s .   W h en   ag r icu ltu r al  waste  is   a l lo wed   to   d ec ay   with o u t  m an ag em e n t,  it  r elea s e s   lar g e  am o u n ts   o f   ex tr em ely   p o ten t   m eth an e  in to   t h e  en v ir o n m e n t.   C H 4   h as  a  g r ea ter   g r ee n h o u s e   g as  ef f ec t  co m p ar ed   t o   ca r b o n   d io x id e  ( C O 2 ) ,   to   th e  p o in t  wh er e  o v e r   a  s p an   o f   2 0   y ea r s ,   C H 4   ab s o r b s   8 6   tim es  m o r e  h ea t  th an   C O 2 .   H en ce ,   th e  r eg u lated   p r o d u ctio n   o f   b io g as  y ield s   u s ef u l  f u el  a n d   m itig ates  th e  ad v er s e  en v ir o n m en tal  co n s eq u en ce s   o f   u n r e g u lated   b io d eg r a d atio n   [ 1 0 ] .   B io g as   p o we r   g e n e r at io n   is   r elat iv el y   n o v e l   g lo b a ll y ,   w it h   t h e   ex ce p t io n   o f   a   f ew   c o u n t r ies   li k e  Ger m a n y   i n   t h e   d e v el o p e d   wo r l d .   H o w e v e r ,   th er e   is   g r o wi n g   i n te r est   i n   a p p l y i n g   b io g as   f o r   ele ct r ic it y   g e n e r a ti o n   t h r o u g h   v a r i o u s   te c h n o lo g i es  s u c h   as  g as  tu r b i n es ,   i n t er n a l  c o m b u s ti o n   e n g i n es ,   an d   f u e l  c ells   d u e  to   t h e  g lo b a l  co m m it m e n t   t o   c o m b a t  cli m at e  c h a n g e  a n d   g r e e n h o u s e   g as  em is s i o n s   [ 4 ] .   Uti lizi n g   b io g as   in s t ea d   o f   s o l id   b i o m ass ,   li k e   f i r ew o o d ,   ca n   r e d u ce   t h e   a m o u n t   o f   w o o d   u s e d .   B y   t h e   y e a r   2 0 4 0 ,   ar o u n d   2 0 0   m ill io n   p e o p l e,   la r g el y   i n   A f r i ca   a n d   Asi a,   c o u l d   h a v e  ac c es s   to   cle a n   c o o k in g   f u el  f r o m   b io g as .   T h is   s u g g ests   th a t  b i o g as  co u l d   b e   a  k ey   c o m p o n en t i n   ac h ie v i n g   t h e  S u s ta i n a b l e  D ev el o p m e n t   G o als   ( S D Gs).   B i o m et h a n e ,   a   m o r e   p o te n t   f u el   s o u r ce   t h a n   t h e   i n it ial   b i o g as ,   is   p r o d u c e d   d u r i n g   t h e   p r o c ess i n g   o f   b io g as   [ 1 2 ] .   T h is   m ak es   b i o g as  a   v ia b le   c h o i ce   i n   t h e  t r an s i ti o n   t o   a   cl ea n e r ,   l o w e r - ca r b o n   e n e r g y   an d   el ec t r i cit y   m ix .   T h er e  ar e   s ev er al  way s   to   c o n v er t  b io g as  in to   u s ab le  e n er g y   an d   p u r p o s e,   as  in   Fig u r e  1 .   Ho wev er ,   in v esti g atio n s   in to   th e   co s t - ef f ec tiv en ess   o f   v a r io u s   p o wer   s y s tem s   h av e   d em o n s tr ated   th at   in ter n al  co m b u s tio n   en g in es  an d   th e  S tirlin g   en g in e  p o wer   s y s tem   ar e  v iab le  o p tio n s ,   p a r ticu lar ly   f o r   lo ca lized   p o wer   g en er atio n .   C o m p ar e d   t o   o t h er   p o we r   g e n er atio n   m eth o d s ,   th e  c o s t  p er   k ilo watt - h o u r   ( k W h )   g en e r ated   b y   in ter n al  co m b u s tio n   en g in es  is   lo wer   [ 1 1 ] .   W ith in   th e   r an g e  o f   3 – 5  MW,  g as  tu r b i n es  ar e  th e  m o s t  ef f icien t   o p tio n ,   d esp ite  r eq u ir in g   a  h i g h   o v er all  ca p ital  in v estme n t  f o r   s team   tu r b in e  a n d   g as  tu r b in e  p o wer   s y s tem s   [ 1 3 ] .   Mic r o   t u r b in es  ca n   b e   co n n ec ted   in   s er ies  to   m ax im ize   th e  n u m b er   o f   u n its ,   ev en   th o u g h   th e   f u el  q u alit y  s tan d ar d s   ar e  n o t   as st r in g en t  as th o s e  f o r   in ter n al  co m b u s tio n   en g i n es.   Mu lti - p u r p o s e  en er g y   s y s tem s   ar e  b ec o m i n g   i n cr ea s in g ly   co m m o n   f o r   u tili zin g   in ex h a u s tib le  f u el   s o u r ce s   in   v a r io u s   u n iq u e   ap p licatio n s   to war d s   s u s tain ab le   an d   clea n er   s y s tem s .   I t  ca n   b e  tr an s f o r m ed   i n to   elec tr ical  en er g y   b y   b u r n in g   i t  in   e n g in es  o r   tu r b in es,   o f f s ettin g   th e   in ter m itten cy   o f   r e n e wab le  s o u r ce s   lik e   s o lar   an d   win d .   T h e  th e r m al  s to r ag e  p r o ce s s   in v o lv es  ca p tu r in g   th e  h ea t  p r o d u ce d   d u r in g   b io g as  g en e r atio n ,   en h an cin g   th e  ef f icien c y   o f   m u lti - en er g y   s y s tem s .   B io m e th an e,   wh ich   ca n   s er v e  as  a   ch em ical  s to r ag e   m ed iu m ,   m ay   b e  in t r o d u ce d   in to   ex is tin g   n atu r al  g as  an d   el ec tr ic  v eh icle  ch ar g in g   in f r astru ctu r e,   o f f er in g   an   ea s ily   ac ce s s ib le  an d   s u s tain ab le  f u el  s u p p ly .   T h er ef o r e,   th is   s tu d y   h ig h lig h ts   th e  r o les  o f   b io g as  an d   b io m eth an e  in   v a r io u s   ap p lic atio n s ,   in clu d in g   elec tr icity   g en er atio n ,   s to r ag e,   a n d   u s es  in   b o th   co n v en tio n al  an d   n o n - co n v en tio n al  tech n o lo g ies.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       E lectricity g en era tio n   a n d   mu l ti - p u r p o s e  a p p lica tio n s   fr o m  b io g a s   a n d   …   ( Mo s es J eremia h   B a r a s a   K a b ey i )   1327       Fig u r e  1 .   B io g as a n d   b io m et h an e  f o r   elec tr icity   g en er atio n ,   an d   co n v er s io n   f o r   m u lti - p u r p o s e  u s e       2.   B I O G AS A N D  B I O M E T H A NE   I N  E L E C T RIC I T Y  G E NE RA T I O N   2 . 1 .     O v er v iew   Ma n y   co u n tr ies  g lo b ally   h av e   s et  am b itio u s   em is s io n s   tar g ets  in   lin e  with   th e  Par is   Ag r ee m en t  an d   o th er   r e g io n al  a n d   n atio n al  o b jectiv es  to   m itig ate  clim ate  ch an g e  a n d   e n h an ce   en er g y   s u p p ly   s ec u r ity .   Fo r   in s tan ce ,   th e  E u r o p ea n   Un i o n   d ir ec tiv e   o n   r en ewa b le  en e r g y   u s e  estab lis h ed   a  tar g et  o f   ac h ie v in g   a  5 0 %  sh ar e  o f   en er g y   b y   2 0 4 0 ,   with   b io g as  id en tifie d   as  a  k ey   co n tr ib u to r .   Alth o u g h   an ae r o b ic  d ig esti o n   f o r   b io g as   p r o d u ctio n   is   an   estab lis h ed   tech n o lo g y   in   E u r o p e  a n d   o th e r   d ev elo p ed   c o u n t r ies,  it  r em a in s   u n d er u tili ze d   in   m an y   d e v elo p in g   n atio n s ,   wh ich   p o s s ess   s ig n if ican t p o ten tia l   [ 1 2 ] .   I n   2 0 1 4 ,   ex clu d in g   h y d r o p o w er ,   Switzer lan d ' s   b io g as  p r o d u ctio n   ac co u n te d   f o r   8 %  o f   all  r en ewa b le  en er g y   g e n er atio n   an d   0 . 2 9 %  o f   th e  n atio n ' s   to tal  en er g y   co n s u m p tio n   [ 5 ] .   Usi n g   b io g as  in s tead   o f   s o lid   b io m ass   f o r   co o k in g   s u p p o r t s   f o r est  co n s er v atio n   b y   r ed u cin g   th e  n ee d   f o r   m ater ials   lik e  f i r ewo o d .   B y   2 0 4 0 ,   b io g as  is   ex p ec ted   to   p r o v id e   clea n   co o k in g   f u el  f o r   2 0 0   m illi o n   p eo p le,   m o s tly   in   Af r ica  an d   Asi a   [ 1 2 ] .  Giv en   th e  s ig n if ican ce   o f   b i o g as,  it  ca n n o t  b e  ac h iev e d   with o u t  it.  B i o m eth an e,   a  b y - p r o d u ct  o f   b io g as   u p g r a d in g ,   h as  s ev er al  ap p lic atio n s   an d   is   a  m o r e  e f f icien t  f u el  s o u r ce   th an   its   r aw  b io g a s   p r ed ec ess o r   [ 1 4 ] .  T h is   r ein f o r ce s   b io g as' s   p o s iti o n   as  a  s u s tain ab le  en er g y   r eso u r ce   ess en tial  f o r   ac h iev in g   t h e  en er g y   tr a n s itio n   to   a  g r ee n   an d   l o w - ca r b o n   en e r g y   an d   elec tr icity   m ix .   Ma n y   b io m ass   s o u r ce s   an d   v ar io u s   waste  s tr ea m s ,   in clu d i n g   d if f er e n t  ty p es  o f   o r g an ic  waste,   ar e  av ailab le  as  r en ewa b le  en er g y   r eso u r ce s   an d   s o lu tio n s   to   en v ir o n m e n tal  p r o b lem s .   T h er ef o r e,   b i o g as   tech n o lo g y   is   o n e  o f   th e   m o s t  p r o m is in g   m eth o d s   f o r   ad d r ess in g   b o th   cu r r en t  en er g y - r elate d   a n d   en v ir o n m en tal  ch allen g es.  B io g as  ca n   b e  p r o d u ce d   th r o u g h   th e  co n tr o lled   an ae r o b ic  b r ea k d o wn   o f   a  v a r iety   o f   b io m ass   s o u r ce s ,   s u ch   as  an im al  d u n g ,   cr o p   waste,   an d   p o u ltry   e x cr em en t.  R aw  b io g as,  r esu ltin g   f r o m   m icr o b ial  m etab o lis m ,   ca n   b e  u tili ze d   f o r   v ar io u s   ap p licatio n s ,   r an g in g   f r o m   p r o d u cin g   h ig h - v alu e   m o lecu le s   in   th e  en er g y   an d   in d u s tr ial  p r o ce s s in g   s ec to r s   to   p r o v id i n g   h ea t  an d   elec tr icity   [ 1 1 ] ,   [ 1 5 ] .   T h e  g en e r ated   r aw   b io g as  ca n   b e   f u r th er   p r o ce s s ed   th r o u g h   clea n in g   an d   p u r if icatio n   t o   in cr ea s e  m et h an e  co n ce n tr atio n ,   allo win g   it  to   b e  in jecte d   in to   n atu r al  g as p ip elin es  as  a  s u b s titu te  f o r   g r ee n   f u el.   W ith   s u ch   g r ea t   p o ten tial f o r   u s e  as a   r en ewa b le  r eso u r ce ,   it   co u ld   h elp   r ed u ce   g r ee n h o u s e  g as e m is s io n s   [ 1 6 ] .   B io g as,  a  m ix tu r e  o f   C O 2   an d   C H 4 ,   s er v es  as  a  f u el   with   v a r io u s   th er m al   an d   elec tr ical  ap p licatio n s .   I ts   ch em ical  p r o f iles   v ar y   b a s ed   o n   f ee d s to c k s   an d   lev els  o f   p r o ce s s   co n tr o l.   C H 4 ,   in   its   g aseo u s   f o r m ,   is   h ig h ly   co m b u s tib le  an d   ca n   b e  f atal  in   en clo s ed   s p ac es  d u e   to   th e  d is p lace m en t  o f   o x y g e n   ( O 2 ) .   I ts   r ad iativ e  f o r ce   is   twen ty   tim es  g r ea ter   th an   th at   o f   C O 2  o v er   2 0   y e ar s   an d   ca n   r em ai n   in   th e  at m o s p h er e  f o r   u p   to   f if teen   y ea r s .   T h e  p r o d u ctio n   an d   m an a g e m en t  o f   b i o g as  m u s t  b e  clo s ely   m o n ito r ed   an d   s tr ictly   s u p er v is ed   to   p r ev en t  en v ir o n m en tal  d am a g e.   I t  ca n   b e  u s ed   as  f u el  o r   as  an   in p u t  in to   ch em ical,   h y d r o g en   ( H 2 ) ,   a n d   s y n th esis   g as  p r o d u ctio n   p r o ce s s es.  T h e  q u ality   o f   b io g a s   is   s ig n if ican tly   af f ec ted   b y   tr ac e  c o m p o n en ts ,   m ak in g   th eir   r em o v al  es s en tial.  B io m eth an e  ad d r e s s es  h ig h   o p er atio n al  co s ts   an d   en er g y     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   1 3 2 5 - 1340   1328   co n s u m p tio n   ass o ciate d   with   b io g as  u p g r ad i n g .   T ab le  1   lis t s   th e  co m p o n en ts   o f   b io g as,  wh ich   is   a  co m b in atio n   o f   v ar io u s   g ases .   T h e  m eth a n e  co n ten t o f   b io g a s   is   th e  m o s t  cr u cial  f ac to r   in   d eter m in in g   its   ef f ec tiv en ess   a s   a  h ea tin g   s o u r ce .   B io g as  c o n tain s   b etw ee n   5 5 %  an d   7 5 %  C H 4   b y   v o lu m e.   T h is   d is p ar ity   s u g g ests   th at  b io g as' s   lo wer   h ea ti n g   v alu e  ( L HV )   r an g es  f r o m   1 6   t o   2 8   MJ/m 3 ,   r ath er   t h an   b ein g   a  c o n s tan t  am o u n t.   T h e  co m b u s tio n   o f   b io g as  r elea s es  th er m al  en er g y   th at  ca n   b e  u s ed   f o r   co o k in g   o r   o th er   a p p licatio n s ,   s u ch   as  in ter n al  co m b u s tio n   en g i n es.  B io g as's   u s ef u l  q u alities   as  a   f u el  ar e  s i g n if ican t.  I n   g e n er al,   b io g as  en g in e  f u el  r eq u ir es  th e  f o llo win g .     ˗   CH 4   co n ten t n ee d s   to   b e  h ig h .   ˗   T h e  m ix   o f   wate r   an d   C O 2   s h o u ld   b e  as lo w  as p o s s ib le  f o r   h ig h   ca lo r ic  v al u e.     ˗   T h e  Su lp h u r   lev el  s h o u l d   b e  a s   lo w  as  p o s s ib le  s in ce   it  p r o m o tes  co r r o s io n   b y   co n v er tin g   to   ac id s   th r o u g h   co n d en s atio n   a n d   c o m b u s tio n .       T ab le  1 .   Av e r ag e  co m p o s itio n   o f   b io g as [ 1 7 ]   S / N   S y mb o l   V a l u e   ( %)   1   CH 4   5 5   -   75   2   CO 2   3 0   -   45   3   N 2   0  -   1   4   H 2   0  -   1   5   H 2 S   1  -   2   6   O t h e r s   ( O 2 ,   M o i st u r e ,   C O ,     a n d   o t h e r   t r a c e   g a s e s)   0 . 8 3       W h ile  ch em ical,   b io lo g ical,   o r   p h y s ical  m eth o d s   ca n   b e  em p lo y ed   to   d ec r ea s e  th e  H 2 S  co n ce n tr atio n ,   co n d e n s atio n   in   th e  g as  s to r ag e  o r   alo n g   th e  g as  s tr ea m   ca n   lo wer   th e  m o is tu r e  co n ten t.  A   h ig h er   co n ce n tr atio n   o f   CH 4   r esu lts   in   b io g as  with   a  ca lo r if ic  v alu e  th at  in cr ea s es  f r o m   5 , 0 0 0   to     7 , 0 0 0   k ca l/m 3 .   Ap p r o x im ately   0 . 7 7   cu b ic  m eter s   o f   n atu r al  g as,  0 . 6 0   k g   o f   k er o s en e,   0 . 4 0   k g   o f   p et r o l,  3 . 5   k g   o f   wo o d ,   1 2   k g   o f   d u n g   b r iq u ettes,  4   k ilo watt - h o u r s   o f   p o wer ,   0 . 5   k g   o f   ca r b o n ,   an d   0 . 4 3   k g   o f   b u tan e  m ak e   u p   o n e  cu b ic   m eter   o f   b io g as   [ 1 8 ] .   B elo w,   at  s tan d ar d   co n d itio n s   o f   2 7 3   K  an d   0 . 1 0 1 3   MPa,   th e   ch ar ac ter is tics   o f   b io g as,  wh ic h   co n s is ts   o f   6 0 % C H 4   an d   4 0 % C O 2 ,   ar e  p r esen ted   in   T ab le   2 .   B io g as  h as  an   ig n itio n   tem p er atu r e  b e twee n   6 5 0   an d   7 5 0   ℃ ,   a  s p ec if ic  h ea t  ca p ac ity   o f   2 . 1 6 5   J /g · K,   an d   a  m o lar   m ass   o f   1 6 . 0 4   g / m o l,  as  s h o wn   in   T ab le  2 .   I n   ter m s   o f   th er m o d y n am ics,  b io g as  is   o n   p ar   wit h   o th er   alter n ativ e   f u els.  Du e  t o   its   p o s itiv e  en v ir o n m en tal  ef f ec ts ,   b io g as  co m p en s ates  f o r   its   s lig h t  h ea t   d is ad v an tag e  co m p ar e d   to   f o s s il f u els.  I n   T ab le  3 ,   it is   ev id e n t h o w  b io g as c o m p a r es to   o th er   f u els.       T ab le  2 .   T h er m o d y n am ic  p r o p er ties   o f   b io g as [ 1 8 ]   P r o p e r t y   S y mb o l   V a l u e   S p e c i f i c   h e a t   c a p a c i t y   C p   2 . 1 6 5   k J / k g . K   M o l a r   mass   M   1 6 . 0 4   G a s c o n s t a n t   R   0 . 5 1 8   k J / k g   N o r mal   d e n s i t y     1 . 2   g / l   C r i t i c a l   d e n s i t y      3 2 0   g / l   R e l a t i v e   ( t o   a i r )   d e n s i t y   g r   0 . 8 3   B i o g a s  c a l o r i f i c   v a l u e   LC V   2 2 . 6   M j / m 3   C r i t i c a l   t e m p e r a t u r e   T C   -   2 . 5   ℃   C r i t i c a l   p r e ss u r e   p   7 . 3   –   8 . 9   M P a   F l a mm a b i l i t y   l i m i t   c o n t e n t   i n   a i r   v   6  - 1 2   %   I g n i t i o n   t e m p e r a t u r e   T I   6 5 0   –   7 5 0   ℃       T ab le  3 .   Fu el  eq u iv alen ts   o f   b i o g as   A l t e r n a t i v e   f u e l   ( p e r   k g )   B i o g a s  e q u i v a l e n t   ( m 3 )    R e mar k s    F i r e w o o d   0 . 2 5     A d v a n t a g e   i n   d e f o r e st a t i o n   a v o i d a n c e   D r i e d   a n i m a l   d u n g   ( c o w )   0 . 1   H i g h e r   e n e r g y   v a l u e   C h a r c o a l   0 . 6 5   C o n t r i b u t e s  t o   f o r e s t   g r o w t h     K e r o se n e   1 . 6 0   Li mi t s  d e p e n d e n c e   o n   f o ss i l s   N a t u r a l   g a s (1   m 3 )   0 . 9 7   Lo w e r   e n e r g y   c o n t e n t   a n d   r e q u i r e s fu r t h e r   p u r i f i c a t i o n       LPG   ( 1   L)   1 . 0 5   Lo w e r   e n e r g y   c o n t e n t   LPG   ( 1   k g )   2 . 1   Lo w e r   e n e r g y   c o n t e n t   D a t a   o n   b i o g a s  e q u i v a l e n c e   o b t a i n e d   f r o m E n e r g y p e d i a   [ 1 9 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       E lectricity g en era tio n   a n d   mu l ti - p u r p o s e  a p p lica tio n s   fr o m  b io g a s   a n d   …   ( Mo s es J eremia h   B a r a s a   K a b ey i )   1329   Fro m   T ab le   3 ,   it  is   o b s er v ed   t h at  an im al   d u n g   h as  a   h ig h e r   en er g y   v alu e   th an   m o s t  s u b s titu te  f u els,   en ab lin g   th e  p r o d u ctio n   o f   1   m 3   o f   p u r if ied   b io g as  with   a n   en er g y   v alu e   o f   6 . 5   k W .   T h e  ca lo r if ic  v alu e   o f   th e   b io g as  g en er ally   v ar ies  b etwe en   2 2 . 5   an d   2 5   MJ/m 3 ,   o r   6 . 2 5   an d   1 0   k W h /m 3 ,   ass u m in g   C H 4   h as   a  h ea tin g   v alu e  o f   3 5 . 8   MJ/m 3 .   T h e  en er g y   co n ten t  m ay   b e  e n h an ce d   f u r th e r   b y   u p g r a d in g   to   b io m eth an e   [ 1 7 ] ,   [ 2 0 ] .   B io g as  with   5 5 %  C H 4   h as  an   av er a g e  ca lo r if ic  v alu e  o f   ab o u t  2 1 . 5   MJ/m 3 ,   co m p a r ed   to   p u r e  C H 4 ,    wh ich   h as  a  ca lo r if ic  v al u e  o f   ab o u t  3 5 .   5 6   MJ/m 3 ,   wh i ch   is   o n e  o f   t h e  m ain   r ea s o n s   f o r   u p g r a d in g   b y   r em o v al  o f   C O 2   f r o m   r aw  b i o g as   [1 7 ] ,   [ 2 1 ] .   T a b le  4   s h o ws  th e  ca lo r if ic  v alu e  o f   b io g as,  b io m eth a n e  a n d   co m m o n   f o s s il g ases .     Fro m   T ab le   4 ,   it   is   n o ted   th at   b io g as  h as  th e  lo west  ca lo r i f ic  v alu e  c o m p ar ed   to   m eth a n e,   p r o p an e,   b u tan e,   n atu r al  g as  an d   b io m e th an e.   T h er ef o r e,   u p g r a d in g   to   b io m e th an e  ca n   im p r o v e  its   ca lo r if ic  v alu e.   T h e   elec tr icity   p o ten tial o f   b io g as d ep en d s   o n   th e  ty p e  o f   p r im e  m o v er   s elec ted   an d   th e  s p ec if i c  d esig n   s et  u p ,   an d   h en ce   o n   th e  co n v er s io n   ef f ic ien cy   o f   th e  en er g y   co n v er s io n   s y s tem   an d   d ev ices  u s ed .   I n ter n al  co m b u s t io n   en g in es  ten d   t o   h a v e  h ig h er   ef f icien cy   an d   lo wer   im p lem en t atio n   co s ts   co m p ar e d   to   o th er   p r im e  m o v er s .   T h e   ch o ice  o f   th e  co n v er s io n   s y s tem   d ep en d s   o n   th e  q u an tity   o f   b io g as  av ailab le  an d   th e   ap p licatio n s   [ 2 2 ] .  I n ter n al  co m b u s tio n   en g in es  h av e  a  lo wer   co s t  p er   k W   co m p ar ed   to   m icr o - tu r b in es  an d   g as  tu r b in e  s y s tem s .   Ad d itio n ally ,   in ter n al  co m b u s tio n   en g in es  a r e  av ailab le  in   m an y   d i f f er en t  s izes  an d   d esig n s ,   m ak in g   th em   m o r e  f lex i b le  f o r   d iv er s e  ap p licatio n s   [ 2 3 ] .   B io g as  tu r b in es  a r e  g en er ally   u s ed   f o r   lar g e - s ca le  p o wer   g en er atio n   s ch em es  with   a   h i g h er   b io g as  g en er atio n   f lo w  ca p ac ity   o f   m o r e  th an   3   MW,  an d   m o r e  ty p i ca lly   5   MW,  alth o u g h   th is   m a y   v ar y   s ig n if ican tly   with   s p ec if ic  ap p licatio n s .   T h e  m ain   ad v an tag e  o f   g as  tu r b i n es  as  b io g as  en er g y   co n v er s i o n   s y s tem s   is   th at   th ey   r eq u ir e  lo wer   m ain te n a n ce .   So m e  o f   th e  b en ef its   in clu d e  lo w  m ain ten an ce   r e q u ir em en ts ,   f ac ilit y   ef f icien cy ,   a n d   ef f icien cy   t h at  ten d s   to   in cr ea s e  with   s ize.   As  p r im e  m o v er s ,   m icr o - tu r b in es   ca n   b e  c o n n ec te d   in   s er ies  to   p r o v i d e  g r ea te r   f le x ib i lity   in   ter m s   o f   p o wer   o u t p u t  an d   f ea s ib le  ap p licatio n s .   T h e  k ey   ad v a n tag e   o f   m icr o - tu r b i n es  is   th at  th ey   d o   n o t  r eq u ir e  b i o g as  clea n in g   an d   tr ea tm e n t  d u e  to   th ei r   g o o d   to ler a n ce   to   H 2 S  in   b io g as   [ 2 3 ] .       T ab le  4 .   C alo r if ic  v al u e  o f   co m m o n   g aseo u s   f u els   [ 1 7 ]   F u e l   ( e l e me n t s)     C a l o r i f i c   v a l u e   ( M J/ m 3 )   B i o g a s   2 2 . 5   -   25   M e t h a n e   3 5 . 5 6   P r o p a n e   9 2 . 1 1   B u t a n e   1 1 7 . 2 3   N a t u r a l   g a s   3 1 . 8 2   B i o me t h a n e   2 3 . 0 2       T o   esti m ate  th e   elec tr ical  en e r g y   a v ailab le  in   b io g as,  th e   ( 1 )   ca n   b e  u s ed   t o   d e f in e  t h e  c o n v er s io n   o f   b io g as to   u s ef u l e lectr icity   a n d   ( 2 ) ,   th e  g en e r ato r   p o wer   r atin g   [ 2 3 ] .     ( k W h ) =   ƞ ∗ ∗   ∗ ∗   ( 1 )     W h er e  E : T o tal  elec tr icity   p r o d u ce d   in   k W h ,   Ƞ: E q u i p m en t  co n v er s io n   ef f icien cy ,   C v : L o wer   ca lo r if ic  v alu e,   M f : M ass   f lo w  r ate  o f   b io g as f u el  ( k g /s ) ,   Q:  Qu a n tity   o f   b io g as a v ailab le  p er   y ea r ,   Α:  C o n v er s io n   f ac to r   o f   MJ  h ea t e n er g y   to   elec tr icity .   T h e  p o wer   r atin g   o f   th e  g en er ato r   is   g iv en   b y   ( 2 ) .      =   ∗ 8760 ∗      ( 2 )     W h er e  P:  Po wer   o f   t h e  g e n er a to r   ( k W h /y ) ,   8 7 6 0 :  T o tal  h o u r s   av ailab le  in   a  y ea r ,   an d   C F :   T h e  ca p ac ity   f ac to r   o f   th e  p o wer   p la n t w h ich   is   g e n er ally   ass u m e  to   b e  b etwe en   8 0 % a n d   9 0 %.   T o   estab lis h   th e  ec o n o m ic  v ia b ilit y   o f   a  b io g as  p o wer   p la n t,  it  is   n ec es s ar y   to   d eter m in e  th e  in itial  in v estme n t,  to tal  elec tr icity   s ales  r ev en u e,   an d   co s t  o f   o p er a tio n   an d   m ain te n an ce   o f   t h e  b io g as  p o wer   p lan t .   T h en   th e  n et  p r esen t  v alu e  ( N PV) ,   th e  lev elize d   co s t  o f   en er g y   ( L C OE ) ,   th e  i n ter n al  r ate  o f   r etu r n   ( I R R ) ,   an d   p ay b ac k   p e r io d   ( PB P)  ar e  im p o r tan t  p ar a m eter s   in   estab lis h in g   th e  ec o n o m ic  v iab ilit y   o f   a  p o wer   p lan t.   T h e   in v estme n t  co s ts   d ep en d   o n   t h e  co s ts   g en er ated   in   b u ild i n g   th e  p o wer   p lan t  a n d   in cl u d e   en g in ee r in g   co s ts ,   p er m it c o s ts ,   co n s tr u ctio n   c o s ts ,   s u r v ey   co s ts ,   eq u ip m en t a cq u is itio n   co s ts ,   an d   co m m is s io n in g   co s ts .   I t  is   im p o r tan t  to   estab lis h   th e  in v estme n t  co s t  alo n g   with   th e  o p er atio n al  an d   m ain te n an ce   co s ts   to   d eter m in e  ca s h   f lo w.   T h ese  v alu es   d ep en d   o n   th e  co n v er s io n   tech n o lo g y   u s ed   to   p r o d u ce   elec tr icity   an d   v ar io u s   ex ter n al  f ac t o r s .   Su ch   q u an titativ e  r ep o r ts   ca n   b e  r etr iev ed   f r o m   s tu d ies  co n d u ct ed   b y   in ter n atio n al  r esear ch   in s titu tio n s   an d   o th e r   r elate d   an aly s es.  T h e  o p e r at io n   an d   m ai n ten an c e  co s ts   f o r   th e  o p er atio n   o f   a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   1 3 2 5 - 1340   1330   s y s tem   in v o lv e  ex p e n s es  ass o ciate d   with   tech n ical  p er s o n n el,   p lan t  s u p p lies ,   r aw  m ater ials ,   an d   b asic  s er v ices.  T h ey   ar e  class if ied   in to   f ix ed   co s ts   an d   v ar iab l e  co s ts   o n   an   an n u al  b asis .   T h e  o p er atio n   an d   m ain ten an ce   c o s ts   f o r   th e  p o w er   p lan t   ca n   b e  q u an titativ ely   v alu ed   u s in g   th e   co s t  o f   in v estme n t.  Fo r   a  b io g as  p o wer   p lan t,   th ese  co s ts   ac co u n t f o r   7 . 4 % o f   th e  o v er all  in v e s tm en t   [ 2 3 ] .   T h e  ec o n o m ic  b en e f its   o f   a  p o wer   p lan t  d ep e n d   o n   elec tr icity   s ales  r ev en u e.   I t  is   th er e f o r e   im p o r tan t   to   esti m ate  th e  r ev en u e;  h en ce ,   th e  co m p en s atio n   r ates  o b tain ed   f r o m   p r ev ailin g   f ee d - i n   r a tes  o r   tar if f s   s et  b y   th e  u tili ty   co m p an y   a r e  cr u cial.   T h e  lev elize d   co s t  o f   en er g y   p r o v id es  th e   m in im u m   co s t  in   USD/k W h   p er   g en er ated   u n it  o f   e n er g y   an d   i s   u s ed   f o r   co m p ar in g   d if f er en t  co n v e r s io n   tech n o lo g ies.  T h e  L C OE   ca n   b e   co m p u ted   u s in g   ( 3 ) ,   wh ile  ( 4 )   to   ( 6 )   s h o w  th e  NPV,   I R R ,   L C OE ,   an d   PB P,  r esp ec tiv ely   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .       =   ∑ [   +  ]   ∗ ( 1 +   ) − ∑   ∗   [    ( 1 +   ) −   ]         ( 3 )     W h er e ,  LC OE   i s   co s t  o f   g en er atio n   d u r i n g   th e  p lan t  life s p a n   ( USD/k W h ) ,   I n v t.  is   th e  in v estme n t  f o r   a  y ea r   ( in clu d in g   in ter est  d u r in g   co n s tr u ctio n   an d   all  au x iliar y   ele m en ts   an d   elec tr ical  in f r astru ctu r e)   [ USD/k W h ] ,  OM :  r ef er s   th e   o p er atio n   a n d   m ai n ten an ce   co s t  f o r   a  y ea r   t   [ USD/k W h ] ,   r   is   th e   d is co u n tin g   r ate ,    E lect  is   elec tr icity   p r o d u ce d   in   th e  y ea r   t  ( k W h ) ,   an d   t :  R ef er s   to   th e  u s ef u l  life tim e  o f   th e  p o wer   p lan t   o p er atio n   ( y ea r ) .   T h e  NPV  is   th e  to tal  co s ts ,   le s s   th e  p r esen t  v alu e  r ev en u es,   an d   r elate d   to   a  p r o ject   o v er   th e  en tire   u s ef u l  life   b y   an aly zin g   ca s h   in f lo ws  an d   o u tf lo ws.  T h e  p r o f it  is   th en   co m p u ted   u p o n   m ea s u r in g   th e  f lo ws  an d   d is co u n tin g   th e  i n itial in v estme n t,  as in   ( 4 ) .        = ∑ ( 1 +   ) = 0   ( 4)     W h er e  F n   is   r ep r esen ts   th e  n et  ca s h   f lo w  r ate,   r   is   th e  ef f ec ti v e  in ter est  r ate,   an d   t  is   th e  to t al  n u m b er   o f   s tu d y   y ea r s .   T h e  I R R   is   a  m ea s u r e  th at  r ep r esen ts   th e  h ig h est  in ter est  r ate  th at  an   in v esto r   ca n   p ay   c o n s id er in g   m in im al  r is k .   I t  is   a  u s ef u l  m etr ic  u s ed   wh e n   lo a n s   f in a n ce   p r o jects,  a n d   wh en   a   p r o ject  m u s t  b e  f in an ce d ,   a   n et  p r o f it c an   b e  g en er ate d .   T h e  I R R   is   r elate d   to   th e  NPV  b ec au s e  it sets   th e  latter   to   0 ,   as in   ( 5 ) .        = ∑ ( 1 +    ) = 0   =   0   ( 5)     W h er e  F n   is   th e  n et  ca s h   f lo w   r ate,   I R R   is   th e  in te r n al  r ate  o f   r etu r n ,   an d   n   is   th e   to tal  n u m b er   o f   y ea r s   u n d e r   s tu d y .   C o r r esp o n d in g   t o   th e   p er io d   in   w h ich   t h e  p r o ject  co s t  is   b alan ce d ,   i.e . ,   PB P,  ( 6 )   is   th e   s im p lest   ca lcu latio n   ap p r o ac h .       ( ) =      (6 )     W h er e,   I n v t:  R ef er s   to   co s t  o f   in v estme n t  in   th e  g en er ati o n   ( USD)   an d   C F:  R ef er s   to   is   th e  ca s h   f lo w  ac h iev ed   b y   an n u al  r ev e n u es f r o m   en e r g y   s av e d   ( USD/y ea r ) .   T o   m itig ate  s er io u s   en v ir o n m en tal  an d   h ea lth   r is k s ,   b io m ass   waste   s h o u ld   b e  tr ea ted   in   co n ju n ctio n   with   im p r o v em en ts   in   th e  an ae r o b ic  d ig esti o n   p r o ce s s ,   u tili zin g   ec o - f r ien d ly   co n v en ti o n al  an d   em er g in g   clea n in g   an d   u p g r a d in g   tech n o lo g ies  as  d is cu s s ed   in   s ec tio n   2 . 2 .   T h is   ap p r o ac h   aim s   to   r ed u ce   g r ee n h o u s e   g as  em is s io n s ,   m in im ize  t h e   im p ac ts   o f   wate r   p o llu tio n ,   an d   o p tim ize  th e   u s e  o f   d i g estate  to   en h an ce   ag r icu ltu r al  p r o d u ctiv ity .   Alo n g s id e  tr ea tin g   b io g as  waste,   v ar io u s   en v ir o n m en tal  an d   ec o n o m ic  a d v an ta g es  ca n   b e  d er iv ed ,   s u ch   as  d ec r ea s ed   C H 4   em is s i o n s ,   s u s tain ab le  waste  h an d lin g ,   r en ewa b le  en e r g y   r eso u r ce s ,   an d   en h a n ce d   s o il   f er tili ty .   I t   m itig ates  m eth an e   em is s io n s   o r ig in atin g   f r o m   la n d f ills ,   f o s ter s   a   cir cu lar   ec o n o m y ,   an d   s u p p lies   clea n   en er g y   to   r u r al  ar ea s .   B io g as  n o t  o n ly   g en er ates  em p lo y m e n t  o p p o r tu n ities   b u t   also   lo wer s   wa s te   m an ag em en t  ex p en s es  an d   im p r o v es  air   q u ality   b y   ca p tu r in g   p o ten t  g r ee n h o u s e  g ases .   Nev er th eless ,   it  i s   ess en tial  to   tack le  o b s tacle s   s u ch   as  th e  av ailab ilit y   o f   r aw  m ater ials ,   ad v an ce m en ts   in   d ig ester   tech n o lo g y ,   an d   th e  lo n g - ter m   v ia b ilit y   o f   f ee d s to ck   s o u r ce s .   Alth o u g h   th er e  ar e  ch allen g es,  b io g a s   h o ld s   s ig n if ican t  p r o m is e  f o r   a  s u s tain ab le  f u t u r e.   Su s tain ab ilit y   is s u es  in   a n ae r o b ic  d ig esti o n   c o n ce r n   s u b s tr ate  av ailab ilit y ,   ch ar ac ter is tics ,   m ain ten an ce   co s ts ,   o p er atio n   co s ts ,   q u ality   o f   d ig estate,   an d   th e  a p p licatio n   an d   c o s t  b en ef its   o f   b io g as   [ 1 0 ] .   B io g as  p r o d u ctio n   an d   en h a n c em en t  s y s tem s   en co m p ass   b io d ig ester s ,   lan d f ill  g as  r ec o v er y   s y s tem s ,   an d   wastewate r   tr ea tm en t  f ac i liti es.    B io d ig ester s   ar e  s ea led   co n tain er s   o r   tan k s   in   wh ich   o r g an ic  wastes   ar e  m ix ed   with   wate r   a n d   d ec o m p o s ed   b y   m icr o o r g a n is m s .   L an d f ill  g as  is   g e n er ated   th r o u g h   th e   an ae r o b ic   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       E lectricity g en era tio n   a n d   mu l ti - p u r p o s e  a p p lica tio n s   fr o m  b io g a s   a n d   …   ( Mo s es J eremia h   B a r a s a   K a b ey i )   1331   d ec o m p o s itio n   o f   m u n icip al  s o lid   waste,   wh ich   ca n   b e  co ll ec ted   v ia  p ip es  an d   ex tr ac tio n   wells.    W astewate r   tr ea tm en t  f ac ilit ies  ca n   ex tr ac t  ess en tial   n u tr ien ts   f r o m   s ewa g e  s lu d g e,   wh ich   m ay   s er v e  a s   f ee d s to ck   in   an   an ae r o b ic  d ig ester .     2 . 2 .     B io g a s   t o   bio m e t ha ne  pro du ct io n    B io m eth an e  is   an   u p g r ad ed   b i o g as  th at  h as  d r awn   atten tio n   d u e  to   its   ea s e  o f   m a n u f ac tu r e   f r o m   r aw  b io g as,  s to r ag e,   a n d   u tili za tio n   in   v a r io u s   ap p licatio n s ,   i n clu d in g   t r an s p o r tati o n   f u el,   p o wer   g e n er atio n ,   h ea tin g   an d   r ef r ig er atio n   f u e l,  an d   th e  s im u ltan eo u s   p r o d u ctio n   o f   co m b in ed   h ea t,  p o wer ,   an d   co o lin g   s y s tem s .   B io m eth an e  ca n   also   b e  in jecte d   in to   th e  g as  g r id s .   T h e  en er g y   a n d   ex e r g y   ef f icien cies  o f   b io g as  ar e   af f ec ted   b y   th e  p r esen ce   o f   C O 2   an d   N 2 .   I t   is   th er e f o r e   n ec ess ar y   to   lim it  t h e  c o n ce n tr at io n   o f   t h ese  g ases   th r o u g h   v ar i o u s   b io g as - u p g r a d in g   tech n o lo g ies  to   in cr ea s e   th e  lo wer   ca lo r if ic  v al u e  o f   th e  f u el   [ 2 5 ] .   T h e   v ar io u s   u p g r ad in g   tech n o lo g i es  in clu d e  ch em ical  s cr u b b i n g ,   p r ess u r e  s win g   ad s o r p tio n ,   an d   m em b r an e   s ep ar atio n ,   wh ich   ar e   f av o r ed   f o r   th eir   h ig h   ef f icien c y ,   lo w  C H 4   lo s s ,   an d   ca p a b ilit y   t o   r em o v e  H 2 S.  T h e   d is tr ib u tio n   o f   cu r r e n t  b io g as  u p g r a d in g   tech n o lo g ies  ar o u n d   th e  g lo b e ,   as  h ig h lig h ted   in   th e  I E A  b io en er g y   r ep o r t   [ 2 6 ] ,   is   s u m m ar ize d   an d   s h o wn   i n   Fig u r e   2 .   Fig u r e  2   s h o ws  th at  ch em ical  s cr u b b in g   is   th e  m o s t  wid ely   u s ed   b io g as  u p g r ad in g   tech n o l o g y   g lo b ally ,   at  ab o u t  3 5 %,  f o llo wed   b y   m em b r an e  at  2 1 %,  wate r   s cr u b b in g   at   2 0 %,  p r ess u r e  s win g   a d s o r p t io n   at   ab o u t  1 7 %,  an d   o r g a n ic  p h y s ical  s cr u b b in g   at   ab o u t  5 %,   wh ile  o th e r   m eth o d s   ac co u n t f o r   ab o u t 2 % .           Fig u r e  2 .   Dis tr ib u tio n   o f   c u r r e n t b io g as - u p g r a d in g   m et h o d s   ar o u n d   th e  wo r l d       3.   B I O G AS  A ND  B I O M E T H ANE  I N  E L E C T R I CI T Y  CO NVER SI O N  A ND   ST O RAG E   SUST AINA B I L I T Y   T h e  co n v er s io n   o f   th e  C H 4   to   elec tr icity   ca n   b e  esti m ated   u s in g   ( 7 ).     ( k W h ) = [ (  4 ) ∗  ∗  4 ∗  ] 3 . 6   ( 7 )     W h er e  E ff   r ep r esen ts   elec tr icity   g en er atio n   ef f icien cy ,   CH 4   p r o d u ce d   v o l u m e  o f   m eth a n e  p r o d u ce d ,     4   is   th e  lo wer   ca lo r if ic  C H 4 ,   an d   CF   is   th e  ca p ac ity   f ac to r ,   wh ich   is   th e  r atio ,   waste  p r o ce s s ed   to   waste  th at  co u ld   b e  p r o ce s s ed   d u r in g   th e  y ea r   i f   th e  p lan t w o r k s   o n   f u ll c ap ac ity .   T h e  m o s t  c o m m o n   ap p licatio n s   f o r   b io g as   ar e  d ir ec t  co m b u s tio n   ap p lian ce s ,   s u ch   as  s to v es  an d   lam p s   th at  u s e  g as.  Alth o u g h   i t  is   n o t  y et  wid ely   u s ed ,   it  is   r ap id ly   b ec o m in g   th e  n o r m   f o r   en er g y   g e n er atio n   in   s o m e  wea lth y   n atio n s ,   lik e  Ger m an y   [ 2 ] .   T h e  tech n o lo g i ca l  s ca le  o f   b io g as  ap p licatio n s   v ar ies  d ep en d in g   o n   th e  r e g io n   o r   lev el  o f   d e v elo p m en t  an d   is   o f ten   i n f lu en ce d   b y   tec h n o lo g y   a d o p tio n ,   p r im ar ily   d r iv en   b y   af f o r d a b ilit y .   Ad d itio n al  r esea r ch   b ased   o n   p r o jectio n s   f o r   d ev elo p in g   n atio n s   r ev ea led   th at  m in iatu r e  b io g as  p lan ts   co u ld   n o t  g en er ate  e n o u g h   elec tr icity   f r o m   b io g as  to   b e  ec o n o m ically   v iab le   [ 2 7 ] .   I n   co n tr ast,  s tu d ies  th at  ar e   m o r e   r ec e n t  h a v e  f o c u s ed   o n   th e   p o ten tial  o f   h y b r id   m icr o g r id s   in co r p o r atin g   P V,   d iesel,  an d   b io g as   f o r   elec tr icity   s u s tain ab ilit y   in   r u r al   ar ea s   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] .   T o   p r o m o te  t h e  im p lem en tatio n   o f   n u m er o u s   s m allh o ld er   an d   m ed iu m - s ca l e  g r id - c o n n ec ted   b io g as  f ac ilit ies,  g o v er n m e n ts   s h o u ld   p r o v id e  in ce n tiv es  s u ch   as  attr ac tiv e  f ee d - in   ta r if f s   a n d   o th e r   tech n ical  an d   f in an cial  s u p p o r t,  i n clu d in g   tech n ical  ass is tan ce   an d   tr ain in g   f o r   th e  life   c y cle  m an ag em en t o f   b io g as - b io m eth an e  en er g y   s y s tem s .     Fo r   b io g as,  p o wer   f ac ilit ies  to   b e  f in a n cially   s u s tain ab le,   s u b s id ies,  h ig h   g u ar an tee d   p r ice s ,   o r   f ee d - in   tar if f s   o f   r o u g h l y   less er   US   d o llar s   p er   k W h   ar e  n ec ess ar y   to   en s u r e  af f o r d ab ilit y .   I n   d ev elo p ed   c o u n tr ies   lik e  Ger m an y ,   b io g as  g en er ati o n   f o r   e n er g y   h as  in cr ea s ed   d u e  to   g u ar a n teed   f ee d - in   p r ice s .   W o r r y in g ly ,   m o s t   d ev elo p in g   wo r ld ' s   cu r r en t   b io g as  p o wer   p lan ts   r ely   o n   f u n d in g   f r o m   o v er s ea s   d o n o r s   a n d   f in an cial   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   1 3 2 5 - 1340   1332   in s titu tio n s   to   p r o m o te  b io g a s   as  r en ewa b le  en er g y   s o u r c e  in   th eir   n atio n al  en er g y   m i x es,  p r im ar ily   f o r   elec tr icity   g en er atio n ,   an d   n o t  n ec ess ar ily   f o r   s to r ag e  t o   m ee t   p ea k   d e m an d s   an d   o th e r   ap p li ca tio n s .     B io g as  an d   b io m et h an e,   w h ich   ar e  g r ee n er   s u b s titu tes  f o r   c o n v en tio n al  f o s s il  f u els,  d r i v e  s u s tain ab le  en er g y   co n v er s io n   an d   s to r ag e.   Al th o u g h   p etr o l  was  th e  s u itab le  f u el  f o r   th e   f ir s t  Otto   cy cle  en g i n es,  th e   d eb ate  o v er   b io g as  f o r   ca r s   h as  co n tin u ed   s in ce   th e  1 9 5 0 s .   R ec en t  ad v an ce m en ts   in   b io g as  an d   b io m eth a n e   p r o ce s s in g   h av e   r ea ch e d   a  s ta g e  wh er e  th e y   ca n   s er v e  as  v ia b le  en g in e   f u els.  B ey o n d   tr an s p o r tatio n ,   b io g as  is   a  s ig n if ican t  en er g y   s o u r ce   f o r   v ar io u s   ap p licatio n s ,   in clu d in g   p o we r   g en er atio n ,   m o t o r   o p er atio n ,   tu r b i n e  f u n ctio n ,   an d   f u el  ce ll u s e.   T o   en s u r e   o p tim al  p o wer   p r o d u ctio n ,   p r im e   m o v er s   m u s t  b e  r eliab le,   af f o r d ab le,   an d   e asy   to   u s e.   Diesel  en g in es  ca n   o p er ate  o n   v ar io u s   f u els,  in clu d in g   b io g as,  b io m eth an e ,   an d   c o m b u s tio n   g ases   s u ch   as  s ewa g e  g as,  lan d f ill  g as,  a n d   ca r b o n   m o n o x id e.   Fu n ctio n i n g   ef f icien tly   in   b o th   p u r e   d iesel  an d   d u al  f u el   m o d es,  th ese  en g in es  p r o v i d e  en er g y   s u s tain ab ilit y   an d   v er s atility   th r o u g h   ad v a n ce d   en er g y   co n ten t   m an ag em en t.   T h u s ,   th e   co n v e r s io n   an d   s to r a g e  o p ti o n s   will b e  d is cu s s ed   s u b s eq u en tly .     3 . 1 .    Co nv er s io n wit h  f uel c e lls     I t  is   th eo r etica lly   p o s s ib le  to   co n v er t  b i o g as  d ir ec tly   in to   el ec tr icity   u s in g   a  f u el  ce ll,  a  p r o ce s s   th at  r eq u ir es  v er y   clea n   b io g as  an d   ex p en s iv e  f u el  ce lls ,   m ak in g   b io m eth an e  m o r e  f ea s ib le   [ 1 1 ] .   Sin ce   th e  C H 4   in   b io g as  h as  f o u r   tim es  m o r e  H 2   th an   ca r b o n ,   it  ca n   b e  u til ized   in   th e  p r o d u ctio n   o f   H 2   f o r   u s e  in   f u el  ce lls .   B io g as - p o wer ed   f u el  ce lls   c an   g en e r ate  r e n ewa b le,   lo w - ca r b o n   elec tr icity   f o r   t h e  g r id   [ 3 0 ] .   Fu el   ce lls   f ac ilit ate  th e  d ir ec t  g en er atio n   o f   e n er g y   f r o m   b io g as.   A  s ig n if ican t  d is ad v an tag e   o f   b io g as  f u el  ce lls   is   th e   s u b s tan tial  in itial  co s t  n ec ess itat ed   b y   th e   h ig h   p u r ity   o f   th e  g as  th e y   u tili ze .   C o n v e r s ely ,   tech n o lo g ical   ad v an ce m e n t  h as  o n ly   ju s t  b e g u n .   Steam   r ef o r m in g   o f   b io g as  p r o d u ce s   "g r ee n "  H 2 ,   wh ic h ,   wh en   co m b in ed   with   am b ien t  O 2 ,   ca n   b e  e m p l o y ed   to   g en er ate  th e r m al  en er g y ,   s team ,   an d   elec tr icit y .   C o g en er atio n   s y s tem s   u tili zin g   f u el  ce lls   co u ld   s ig n if ican tly   b en ef it  v ar io u s   estab lis h m en ts ,   in clu d in g   h e alth ca r e  f ac ilit ies,  ed u ca tio n al  in s titu tio n s ,   an d   r em o te  co m m u n icatio n   ce n ter s .   Fu el  ce lls   u s e  b io g as  as  a   f u el  f o r   elec tr o ch em ical  r ea ctio n s   th at   g en er ate  d ir ec t  c u r r en t  elec tr ic ity .   Fu el  ce lls   ar e  m o r e  en v i r o n m en tally   f r ien d ly   th an   co m b u s tio n   s y s tem s ,   as  th ey   s u b s tan tially   r ed u ce   o r   e r ad icate   em is s io n s .   Per m an en tly   in s talled   b io g as   f u el  ce lls ,   in clu d in g   s o lid   o x i d e  o r   m o lten   ca r b o n ate  f u el   c ells ,   ty p ically   p o s s ess   h ig h - te m p er atu r e   in ter n al  r ef o r m in g   s y s tem s .   Fu el  ce ll s   g en er ate  H 2   b y   th er m ally   r ea ctin g   m eth an e  with   s team ;  th is   H 2   is   th en   s u b jecte d   to   elev ate d   tem p e r atu r es  to   f ac ilit ate  a  r ea ctio n   with   o x y g en ,   cu lm in atin g   i n   th e  g en er atio n   o f   elec tr icity   [ 3 1 ] .     3 . 2 .   Use o f   a   g ener a t o r  a nd   eng ines   f o r  bio g a s   po wer   g e nera t io n   T h e  m o s t  p r ac tical  way   o f   co n v er tin g   b io g as  t o   elec tr icity   i n v o lv es  th e   u s e  o f   an   elec tr ic   g en er ato r   s et  p o wer ed   b y   a  m ec h a n ical  p r im e  m o v er ,   s u c h   as  an   en g in e  o r   g as  tu r b in e.   B i o g as  h as  s tr o n g er   k n o c k   r esis tan ce   th an   n atu r al   g as,  all o win g   f o r   h ig h er   co m p r ess io n   r atio s   th at   b o o s t  o u tp u t   an d   p o wer   d e n s ity   wh en   u s ed   as  a  f u el  in   in ter n al  co m b u s tio n   en g i n es   [ 1 1 ] .   E lectr icity   is   p r o d u ce d   b y   th e  s p in n in g   o f   a  g en er ato r   wh en   b io g as  is   u s ed   as  a  f u e l  s o u r ce   f o r   co m b u s tio n   en g i n es.  T h eo r etica lly ,   b io g as  m i g h t  b e  u tili ze d   b y   a  wid e  r an g e  o f   co m b u s tio n   e n g in es,  in clu d in g   g as tu r b in es,  d i esel e n g in es,  S tirlin g   en g in es,  an d   o th e r s   [ 1 1 ] .   C h em ical  ch ar ac ter is tics   o f   b i o g as,  s u ch   as  c o m p o s itio n   a n d   p u r ity ,   h av e  a   s u b s tan tial  im p ac t  o n   an   in ter n al  co m b u s tio n   en g in e' s   p er f o r m an ce .   B ec au s e  b io m eth an e  an d   h ig h   p u r ity   co m p r es s ed   n atu r al  g as  h av e  co m p ar ab le   ch em ical   co m p o s itio n s ,   th ey   ca n   b o t h   b e   u s ed   as  f u el  in   au t o m o b iles   [ 4 ] .   W h ile  attr ib u tes  lik e   fu el  f lex ib ilit y ,   ea s e  o f   o p er ati o n ,   an d   m ain te n an ce   m ay   r e n d er   alter n ativ e  o p tio n s   f o r   p o wer   g en er atio n   m o r e  b en ef icial,   in ter n al   co m b u s tio n   en g in es  o f f er   a  lo wer   c o s t  p er   u n it  o f   p o wer   g e n er atio n   co m p ar ed   to   o t h er   h ea t  en g in es,   s u ch   as  g as  tu r b in es   [ 2 3 ] .   S tirlin g   en g in es,  g a s o lin e  en g in es,  a n d   d iesel  en g in es  ca n   all  o p er ate   o n   b io g as a n d   b io m eth an e ,   as  d is cu s s ed   b elo w.     3 . 2 . 1 .   Stir lin g   eng ines   Sev er al  y ea r s   af ter   R u d o lf   Di esel  in v en ted   th e   d iesel  en g in e  in   1 8 1 6 ,   R o b er t  Sti r lin g   in v en ted   th e   Sti r lin g   en g in e,   o f ten   k n o wn   as  th e  h o t  air   en g in e   [ 3 2 ] .   T h i s   en g in e  ca n   r u n   o n   a  v ar iety   o f   f u els  in   a  clo s ed   th er m o d y n am ic  c y cle,   g iv i n g   it  a  h ig h   d eg r ee   o f   f u el  f le x ib i lity .   T h e  Sti r lin g   e n g in e  p r o d u ce s   m in im al  n o is e  an d   h as a   r elativ ely   clea n   co m b u s tio n   p r o ce s s .   T h e  d y n am ic  b eh av io r   o f   th e  en g in e' s   wo r k in g   m ec h an is m   an d   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  h ea t   e x ch an g e r   ar e  t h e  m ain   f ac to r s   lim itin g   th e  r eliab ilit y   an d   e f f icien cy   o f   Sti r lin g   en g in es.  Sti r lin g   en g i n es  ca n   b e  ef f ec tiv el y   u s ed   in   m icr o - c o m b in ed   h ea t   an d   p o wer   s y s te m s   th at  u tili ze   s o lar   en er g y ,   b io g as f u el,   o r   m ed iu m - lo w  g r ad e  waste  th er m al  en er g y   [ 3 3 ] .    A  v ar iety   o f   Sti r lin g   en g in es  ar e  av ailab le  o n   th e  m ar k et.   Sti r lin g   en g in es  ar e  th e  b est  ch o ice  f o r   h o m e  b o iler s   s in ce   th ey   h av e  a  th er m al  p o wer   r a n g e  o f   5   k W th   to   2 5   k W th   an d   an   elec tr i city   ca p ac ity   r an g in g   f r o m   1   to   9   kW e   [ 3 2 ] ,   [ 3 4 ] .   T h e  p o wer   ef f icien c y   o f   Sti r lin g   en g in es  r an g es  f r o m   1 3 %  to   2 5 %,  b u t  th ey   ca n   ex ce ed   8 0 %  with   co g e n er atio n .   Fo r   in s tan ce ,   in   r ef er en ce   [ 3 5 ] ,   a   Sti r lin g   en g i n e  was  d ev elo p ed   th at  o p er ated   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       E lectricity g en era tio n   a n d   mu l ti - p u r p o s e  a p p lica tio n s   fr o m  b io g a s   a n d   …   ( Mo s es J eremia h   B a r a s a   K a b ey i )   1333   o n   m i d - h ig h   tem p er atu r e   wa s te  g ases ,   ac h iev in g   2 6 %  th er m al  ef f icien c y   b u t  p r o d u ci n g   o n ly   3 . 5   k W   i n   o u tp u t.   Fo r   Sti r lin g   en g in es  t o   g en e r ate  p o wer   f r o m   b io g a s ,   th e  f u el   m u s t  f ir s t  b e  b u r n ed   o f f - s ite,   with   th e   r esu ltin g   h ea t  t r an s m itted   to   th e  en g i n e  th r o u g h   a   h ea t  e x c h an g er .   T h e   en g i n e' s   m ec h an is m   o p er ates  b y   th e   g as  ex p an d in g   d u e  t o   th e  t r an s f er r ed   h ea t.   E v en   lo wer - q u ali ty   f u el  ca n   p o wer   th e   en g in e;   h o wev er ,   th e  co s t,  th er m al  ef f icien c y ,   an d   u tili ty   o f   Sti r lin g   en g in es  ar e  all  lo wer   th an   th o s e  o f   in t er n al  co m b u s tio n   en g in es,  s u ch   as  d iesel  an d   g aso lin e  en g in es.  Utilizin g   Sti r lin g   e n g in es  in   co m b in ed   h ea t  a n d   p o wer   m o d e   ca n   s ig n if ican tly   in cr ea s e  th eir   th e r m al  ef f icien cy ,   r ea ch in g   as h i g h   as 9 0 %.     3 . 2 . 2 .   Diesel  eng ines   B io g as  an d   b i o m eth an e   ca n   s er v e  as  f u el  f o r   d iesel  en g in es   with   s p ec if ic  m o d if icatio n s .   Sig n if ican t  ch an g es  ar e   n ec ess ar y   f o r   d iesel  en g in es  to   f u n ctio n   as  b io g as  en g in es  o r   in   d u al - f u el  m o d e  with   p ilo t   d iesel.   Diesel  m ay   f r e q u en tly   b e   in clu d ed   i n   b i o g as  m ix t u r es  to   en h a n ce   th e   ig n itio n   an d   th er m al  p r o p er ties   o f   b io g as.  Sin ce   n ea r ly   all  d iesel e n g in es  ca n   th eo r etica lly   b e  a d ap ted   to   o p er ate  o n   eith er   g a s o lin e  o r   d iesel  f u el   [ 3 6 ] ,   it m ay   b e  f ea s ib le  to   co m b in e  d iesel with   an   alter n ativ e  f u el,   o f ten   o n e  with   a  lo wer   ca lo r if ic  v alu e ,   s u ch   as  b io g as,  b io m et h an e,   o r   n atu r al  g as,  in   d u al - f u el  en g in es.  Diesel  f u el,   a  s ig n if ican t  co n tr ib u t o r   to   air   p o llu tio n ,   r e m ain s   wid ely   u s ed   in   d u al - f u el  en g in es.  C o m p ar ed   to   d ir ec t  in jectio n   en g i n es,  p ilo t  in jectio n   en g in es  m ay   o f f er   s u p er io r   p e r f o r m a n ce ,   ef f icien c y ,   an d   r et u r n   o n   in v estme n t  f o r   s m aller   d iesel  en g in es  ( u p   to   ar o u n d   2 0 0   k W )   [ 3 7 ] .   B io g as,  alo n g   with   a  m in im al  q u an tity   o f   ig n itio n   g as,   ca n   b e   u s ed   t o   in itiate   en g in es,  r esu ltin g   in   an   ap p r o x im ate  2 %  in cr ea s e  in   ig n itio n   o il,  a  m eth o d   k n o wn   as   p ilo t  f u el   [ 3 6 ] .   T h e   p r in cip al  ad v a n tag e  o f   d u al - f u el  en g in es  with   b io d iesel  b len d   is   th eir   p o ten tial  to   f u n ctio n   as  an   ec o n o m ical  f u el  with   h ig h - q u ality   [ 3 7 ] .     3 . 2 . 3 .   P et ro l  eng ines   Pe tr o l  en g in e s   ca n   b e  cl a s s if i ed   a s   ei th er   s p ar k - ig n it io n   en g in e s   o r   O tt o   cy cl e  en g in e s .   T h ey   c an   b e   m o d if ied   to   r u n   e x c lu s iv ely   o n   b io g a s   in s t ea d   o f   d ie s e l.   W h en   f ir s t   s t ar tin g   a   b io g a s   en g in e,   it   is   u s u a l   to   u s e   a  s m al l  am o u n t   o f   co n v en t io n al   f u e l.   B io g a s   ca n   b e  u t il i ze d   in   ev er y th in g   f r o m   s m a l l  0 . 5 - 1 0   k W   p e tr o l   en g in es  to   l ar g e  p o we r   p l an t s .   C o n v er t in g   a  p et r o l  e n g in e  to   r u n   o n   b io g a s   r eq u ir e s   s e v er a l  ch an g e s   s in c e  b io g a s   an d   p e tr o l  h a v e  d i s t in ct  f u el  ch a r ac ter i s t ic s   [ 1 8 ] .   A m o n g   th e s e  p ar t s   ar e  th e   ex h au s t  s y s t em ,   en g in e   co n tr o l  u n it,  f u e l  s to r ag e  an d   d i s tr ib u tio n ,   ig n it io n   tim in g ,   co m p r e s s io n   r a ti o ,   an d   f u el  d el iv er y   m ec h an i s m .   Un l ik e   b io g a s ,   wh ich   i s   a  g a s ,   g a s o lin e  en g in e s   u s e   in je cto r s   to   d e liv er   f u el .   I t  m ay   b e  n ec e s s ar y   to   a d ju s t   th e  e n g in e  o r   c h an g e  th e  p i s to n s   to   im p r o v e  co m b u s t io n   ef f i ci en cy .   T h e  ab i l ity   to   m o d if y   s o m e  p e tr o l   en g in es   wi th   b i - f u e l  ca p a b i li t ie s   h el p s   to   m ak e   th e   tr an s i ti o n   m o r e  f lex ib le.   T h e  te ch n o lo g y   m ay   r eq u ir e   f ee d - in   t ar if f s   an d   o th e r   g o v e r n m en t  in ter v en t io n s   to   ac h ie v e  ec o n o m i c  s u cc e s s ,   a s   i m p r o v in g   th e  g r id   t o   ac co m m o d a te  d ec en t r a li ze d   p o wer   g en e r a tio n   i s   e s s en t ia l.  Fig u r e  3   i llu s tr a te s   a  s tr aig h t f o r wa r d   b i o g a s - to - ele ct r i ci ty   co n v er s io n   s y s te m   u t il iz in g   an   en g in e.   Fro m   F ig u r e   3 ,   it   is   n o ted   th at   b i o g as   t o   e le ct r i ci ty   co n v er s io n   s y s tem s   r eq u ir e  eq u ip m en t  a n d   d ev i ce s   li k e  th e   b io d ig e s ter ,   b io g a s   c lea n in g   an d   u p g r ad in g   s y s t em s ,   b io g a s   a n d   b io m e th an e  s to r ag e ,   m e ter in g   s y s t em s ,   th e  p r im e  m o v er s ,   g en e r a t o r ,   an d   e le ctr ic i ty   s t o r ag e  d ev ic e s   l ik e  b a tt er ie s .           Fig u r e  3 .   B io g as to   elec tr icity   co n v er s io n   u s in g   an   en g in e       Sev er al  m eth o d s   f o r   co n v er tin g   b io g as  in to   o th er   f o r m s   o f   en er g y ,   s u ch   as  h ea t  o r   elec t r icity ,   ar e   lis ted   in   T ab le  5 .   So m e  p r o ce s s es  th at  b elo n g   to   th is   ca teg o r y   in clu d e  co g e n er atio n ,   tr i g en er atio n ,   an d   o p e n   co n v er s io n .   Diesel  en g in es,  p etr o l  en g in es,  g as  tu r b in es,  f u el  ce lls ,   an d   Sti r lin g   en g in es  r ep r esen t  ju s t  a  f ew   o f   th e  tech n o lo g ies  u s ed ,   with   u s ef u l  o u tp u t  en er g y   p r o d u ct s   lik e  b io m eth an e  a n d   H 2   f u els  ex em p lify in g   t h e   p o ten tial b en ef its .   E x ce s s   b io g as  elec tr icity   ca n   b e  tr an s f er r ed   t o   th e   g r id   u s in g   g a s   tu r b in es  an d   in ter n al  co m b u s tio n   en g in es,  d o i n g   awa y   with   t h e   r eq u ir em e n t  f o r   im p o r ts .   B io g as  ca n   also   b e  co n v er ted   to   elec tr icity   v ia  f u el  ce lls .   B io g as - d er iv ed   h y d r o g en   f u el  co u ld   f in d   u s ag e  in   r en ewa b le  ap p licatio n s .   As  in d icate d   in   T ab le  5 ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   2 ,  J u n e   20 25 :   1 3 2 5 - 1340   1334   b io g as  ca n   b e  u tili ze d   in   v ar i o u s   s u s tain ab le  en er g y   tr an s itio n   p r o ce s s es.   Fro m   T ab le  5 ,   it  is   n o ted   th at  b io g as   an d   b io m et h an e  to   elec tr icity   co n v er s io n   ca n   b e  d o n e  th r o u g h   tech n o lo g ies  lik e  co g en e r atio n ,   r eg e n er atio n   an d   d ir ec t  co n v er s io n .   Prim e  m o v er s   th at  ca n   b e  u s ed   to   p r o d u ce   elec tr icity - u s in g   b io g as   as  a  f u el  in clu d e  th e   Sti r lin g   en g in e,   d iesel e n g in e,   g as tu r b in es,  g aso lin e  e n g in es ,   an d   d ir ec t c o n v e r s io n   in   f u el  ce lls       T ab le  5 .   Su m m a r y   o f   p r o ce s s es a n d   ap p licatio n s   f o r   b i o g as - to - elec tr icity   co n v er s io n   tech n o lo g ies   [ 1 1 ]   M e t h o d / P r o c e ss   Te c h n o l o g y   A p p l i c a t i o n   R e mar k s   C h e mi c a l - e l e c t r i c a l   F u e l   c e l l   G e n e r a t i o n   o f   e l e c t r i c i t y   V e r y   e f f i c i e n t ,   r e l i a b l e ,   b u t   e x p e n s i v e   C h e mi c a l - e l e c t r i c a l   H 2   G e n e r a t i o n   o f   e l e c t r i c i t y   a n d   p r o c e ssi n g   c h e mi c a l s .   H 2   c a n   b e   p r o d u c e d   b y   st e a m  r e f o r mi n g ,   d r y   r e f o r m i n g ,   o r   h y d r o l y s i s   R e n e w a b l e   h y d r o g e n   p r o c e ss  i f   i t s  b i o g a s  o r   met h a n e   i s fr o m re n e w a b l e   r e so u r c e s.   H y d r o g e n   i s  d i f f i c u l t   t o   h a n d l e   a n d   t r a n s p o r t .   C h e mi c a l   B i o me t h a n e   n a t i o n   B i o me t h a n e   c a n   b e   f e d   t o   n a t u r a l   g a s   su p p l y   a n d   f u e l   f o r   v e h i c l e s  a n d   f u e l   n a t u r a l   g a s   p o w e r   p l a n t s   R e n e w a b l e   r e p l a c e me n t   o f   f o ss i l   n a t u r a l   g a s   Th e r m a l - e l e c t r i c a l   D i e se l   e n g i n e   C a n   b e   u se d   i n   d u a l - f u e l   mo d e   w i t h   d i e sel   f u e l   f o r   i g n i t i o n .   T h e   e n g i n e   n e e d s   mo d i f i c a t i o n   t o   r u n   o n   p u r e   b i o g a s/ b i o m e t h a n e   D i e se l   e n g i n e s   a r e   mo r e   e f f i c i e n t   t h a n   p e t r o l   e n g i n e s   a n d   h a v e   m o r e   f u e l   f l e x i b i l i t y ,   h e n c e   c a n   e a si l y   u se  b i o f u e l s .   Th e r m a l - e l e c t r i c a l   G a so l i n e / p e t r o l   e n g i n e   A   p e t r o l   o r   g a s o l i n e   e n g i n e   n e e d s  l i t t l e   o r   n o   mo d i f i c a t i o n   t o   r u n   o n   b i o g a s   o r   b i o m e t h a n e   Le ss  e f f i c i e n t   t h a n   d i e sel   e n g i n e s ,   b u t   a r e   e a si e r   t o   c o n v e r t   t o   b i o g a s   f u e l e d   e n g i n e s.   Th e r m a l - mec h a n i c a l - e l e c t r i c a l   S t i r l i n g   e n g i n e   S t i r l i n g   e n g i n e s a r e   a l s o   c a l l e d   h o t   a i r   e n g i n e s.   S t i r l i n g   e n g i n e s  h a v e   f u e l   f l e x i b i l i t y   a n d   c a n   r u n   o n   a   w i d e r   r a n g e   o f   f u e l s   Th e r m a l - M e c h a n i c a l   - El e c t r i c a l   G a s t u r b i n e   C a n   b e   u se d   a s  o p e n   c y c l e   o r   c o mb i n e d   c y c l e   p l a n t s f o r   e l e c t r i c i t y   a n d   h e a t   a p p l i c a t i o n s  M i c r o ,   smal l ,   m e d i u m,  a n d   l a r g e - sc a l e   t u r b i n e s c a n   b e   u se d   b a s e d   o n   f u e l   s o u r c e   a n d   a p p l i c a t i o n .   Tu r b i n e s  a r e   v e r s a t i l e   a n d   c a n   u s e   r a w   b i o g a s   i n   a n   u n c l e a n e d   f o r m.   T h e y   a r e   l i g h t   a n d   si m p l e   i n   c o n st r u c t i o n ,   e a s y   t o   o p e r a t e   b u t   n e e d   sk i l l e d   man p o w e r .   Th e r m a l - mec h a n i c a l - e l e c t r i c a l   C o g e n e r a t i o n   C o g e n e r a t i o n   i s  t h e   si mu l t a n e o u s  g e n e r a t i o n   a n d   a p p l i c a t i o n   o f   b o t h   h e a t   a n d   e l e c t r i c i t y   f r o m   t h e   same   f u e l   s o u r c e .   C o g e n e r a t i o n   c a n   b e   a p p l i e d   o n   v a r i o u s  c o n v e r si o n   s y st e ms t o   i n c r e a se  o v e r a l l   e f f i c i e n c y .   S t i r l i n g   e n g i n e s,  d i e se l   e n g i n e s,  g a s   t u r b i n e s ,   H 2   a n d   f u e l   c e l l s  c a n   a l l   b e   o p e r a t e d   o n   c o g e n e r a t i o n   m o d e .   Th e r m a l - mec h a n i c a l - El e c t r i c a l   Tr i g e n e r a t i o n   Tr i g e n e r a t i o n   i s  t h e   s i m u l t a n e o u s   g e n e r a t i o n   o f   e l e c t r i c i t y   w i t h   b o t h   h e a t i n g   a n d   c o o l i n g   Tr i g e n e r a t i o n   i s  t h e   m o s t   e f f i c i e n t   c o n v e r si o n   sy st e m  b u t   m o r e   c o mp l e x   a n d   e x p e n s i v e       4.   B I O G AS   AN D  B I O M E T H A NE   I N  O T H E R  AP P L I CA T I O NS   B io g as,  a  co m b u s tib le  g as  p r o d u ce d   f r o m   a n ae r o b ic  b io m as s   d ig esti o n ,   is   a  well - estab lis h ed   en er g y   r eso u r ce   f o r   t h er m al  a p p licatio n s .   W h ile  th e  u s e  o f   b io g as   f o r   d ir ec t  c o m b u s tio n   in   h o u s eh o ld   s to v es  a n d   lam p s   is   co m m o n ,   its   ap p licati o n   f o r   p o wer   g en er atio n   in   v ar io u s   p r im e  m o v er s   is   s till   r elat iv ely   n ew  in   m o s t  co u n tr ies.  T h er ef o r e,   th e  s u b s eq u en t d is cu s s io n   will f o cu s   o n   ad d itio n al  th er m al  an d   n o n - t h er m al  ap p licatio n s   o f   b io g as - b io m eth a n e.     4 . 1 .     B io g a s   t urbin e  cy cles  a nd   m icro   t urbin es   B io g as  tu r b in es  ar e  o f ten   u tili ze d   in   lar g er   p o wer   p lan ts   with   elec tr icity   o u tp u t  ca p ab ilit ies  o f   3   MW   o r   m o r e  an d   in d u s tr ial - s ca le  b io g as  p r o d u ctio n .   B io g as  tu r b i n es  r eq u ir e  r elativ ely   lo w  m ain ten an ce ,   an d   th eir   ef f icien cy   in cr ea s es  wit h   th e  s ize  o f   th e  in s tallatio n .   Du e  to   t h eir   co m p ac t  s ize  an d   ab ilit y   to   co n n ec t  m u ltip le   u n its   in   s er ies,  m icr o - tu r b i n es p r o v id e   g r ea te r   f lex i b ilit y   in   p o wer   g e n er atio n .   T h e   m ain   a d v an tag e  o f   t u r b in es  an d   m icr o - t u r b in es  is   th eir   h i g h   to ler an ce   f o r   H 2 S   in   b io g a s ,   in   co n tr ast  to   d iesel  an d   p etr o l  en g in es   [ 2 3 ] .   T h er e  h as  b ee n   a  p r o life r atio n   o f   s m all  b io g as  p o wer   p la n ts ,   ea ch   ca p ab le  o f   p r o d u ci n g   3 0   to   7 5   k W   o f   elec tr icity .   Desp ite  th eir   lo w  co s t  an d   h ig h   ef f icien c y ,   g as  tu r b in es  ar e  n o t  wid ely   u s ed   d u e   to   th e  en g in ee r in g   ch allen g es  an d   m ater ial  co n s id er atio n s   in v o lv e d   in   th eir   d esig n ,   p r o d u ctio n ,   o p er atio n ,   an d   m ain ten an ce .   T h e   ter m   "m icr o   tu r b in e"   r e f er s   to   g as  tu r b in es  with   o u t p u ts   r an g in g   f r o m   2 5 - 3 0   k W   to   3 5 0   k W .   A  m icr o   tu r b in e   o p er ates  s im ilar ly   to   a  g as  t u r b in e.   T h e   p r im ar y   co m p o n en ts   o f   m icr o - tu r b in es  an d   t u r b in es  in clu d e  th e   co m b u s to r ,   co m p r ess o r ,   an d   t u r b in e.   T h e  h o t  co m b u s tio n   b y p r o d u cts  ex p a n d   th r o u g h   th e   tu r b in e,   co n v er tin g   th er m al  en er g y   in to   m ec h a n ic al  en er g y .   T h e  co m p r ess o r ' s   i n d u ctio n   f o r ce   p u s h es  air   in to   th e  m icr o - tu r b in e,   wh er e  it  is   co m p r ess ed   to   th e   r eq u ir ed   p r ess u r e.   I n   m o r e  c o m p lex   c y cles,  th e  c o m p r ess ed   air   is   h ea te d   b y   t h e  waste  h ea t  f r o m   th e  ex h a u s t  g ases   b ef o r e  b ein g   r ed ir ec ted   to   th e  co m p r ess o r .   T h e  co m b u s to r   r ec eiv es  h o t,   co m p r es s ed   air   an d   b u r n s   b i o g as  as  an   alter n ativ e  f u el.   T h e  co m b u s tio n   o f   th e  b io g as  f u el - air   m ix tu r e  in     th e  co m b u s to r   g en er ates  v e r y   h ig h - te m p er atu r e  f lu e  g ase s .   A  g as  tu r b in e  u tili ze s   th e  ex p elled   g ases   f o r   ex p an s io n   f u el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.