Development of a solar roaster for on-farm roasting of agricultural products

Roasting adds value to agricultural products (e.g., coffee, nuts, and grains) by enhancing flavour, shelf life, and nutritional quality. However, commercial roasters are often inaccessible to small and medium-scale producers due to high upfront and operating costs. Conventional local roasting methods, while common, are inefficient and environmentally damaging: Producers in remote developing country regions often lack access to electricity or clean energy, forcing them to use inefficient, polluting, and unsafe energy sources like wood-burning, which contributes to deforestation and greenhouse gas emissions. The work presents the design, development, and performance assessment of a solar thermal batch roaster utilizing a Scheffler fixed-focus concentrator to prove the technical and economic feasibility of solar energy for high-temperature roasting. Roasting experiments were conducted at three sites: University of Kassel (Germany), University of Agriculture Faisalabad (Pakistan), and Jimma University (Ethiopia). Experimental investigations demonstrated that the developed solar batch-type roaster showed stable and efficient performance under clear-sunny weather conditions, with an average direct normal irradiance of approximately 800 W/m². The system achieved a drum air temperature of 250 °C and effectively roasted 2 kg batches of coffee beans at an optimal drum rotational speed of 2 rpm within 20–23 minutes. The roasted beans attained a final moisture content ranging from 1.89% to 1.75%, corresponding to lightness (L*) values between 40.75 and 38.21. The overall roasting efficiency varied between 97% and 91%, depending on the roast level (light to dark), resulting in a total daily roasting capacity of 28–36 kg. The thermal energy distribution analysis revealed that 66% (2449 W) of the available solar power was effectively utilized for the roasting process, while optical and thermal losses from the Scheffler concentrator, receiver, and roaster drum accounted for 22% (810 W), 8% (287 W), and 4% (134 W), respectively. The specific solar energy consumption for coffee roasting was determined to be 1543 kJ/kg (0.43 kWh/kg), which is substantially lower than that of conventional roasting systems (i.e., wood burning roasting 6 kWh/kg). The energy utilization ratio ranged from 10% to 90%, indicating stable energy transfer performance under varying solar irradiance conditions. Exergy losses were found to vary between 9.33 - 82.44 kJ/kg, and corresponding to an average exergy efficiency of 56.28%, reflecting roaster is performing efficiently. Comparative studies were further conducted using a continuous-type oil based solar roaster for groundnuts and maize roasting. The continuous-type system, which transfers solar energy via thermal oil, exhibited intermediate losses, achieving 31% thermal efficiency and a maximum temperature of 200 °C. In contrast, the batch-type system, utilizing direct solar heat absorption by the roasting drum, achieved more efficient conductive transfer, resulting in 61% thermal efficiency and a maximum temperature of 250 °C at a corresponding direct normal irradiance of 800 W/m². The economic analyses revealed that both solar roasting systems offer substantially lower operating costs (0.005–0.007 USD/kg with shorter payback periods than conventional roasting methods (i.e., 0.23 USD/kg wood burning roasting). The research findings revealed solar-based roasting systems as a most viable, energy efficient, economical, and sustainable alternatives to traditional and costly energy sources for small and medium-scale farmers in developing countries.

Das Rösten steigert den Wert landwirtschaftlicher Produkte (z. B. Kaffee, Nüsse und Getreide), indem es Geschmack, Haltbarkeit und Nährstoffqualität verbessert. Kommerzielle Röstereien sind für kleine und mittlere Produzenten jedoch oft aufgrund hoher Anschaffungs- und Betriebskosten nicht zugänglich. Konventionelle lokale Röstmethoden sind zwar weit verbreitet, aber ineffizient und umweltschädlich: Produzenten in abgelegenen Regionen von Entwicklungsländern haben oft keinen Zugang zu Elektrizität oder sauberer Energie, was sie zur Nutzung ineffizienter, verschmutzender und unsicherer Energiequellen wie Holzverbrennung zwingt. Dies trägt zur Entwaldung und zu Treibhausgasemissionen bei. Die Arbeit stellt die Planung, die Entwicklung und die Leistungsbewertung eines solarthermischen Chargenrösters vor mit einem Scheffler-Fix-fokuskonzentrator, um die technische und wirtschaftliche Machbarkeit von Solarenergie für das Hochtemperaturrösten nachzuweisen. Röstexperimente wurden an drei Standorten durchgeführt: Universität Kassel (Deutschland), University of Agriculture Faisalabad (Pakistan) und Jimma University (Äthiopien). Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass der entwickelte Solar-Chargenröster unter sonnigen Wetterbedingungen mit einer durchschnittlichen direkten Normalstrahlung von etwa 800 W/m² eine stabile und effiziente Leistung erbrachte. Das System erreichte eine Trommellufttemperatur von 250 °C und röstete effektiv Chargen von 2 kg Kaffeebohnen bei einer optimalen Trommeldrehzahl von 2 U/min innerhalb von 20–23 Minuten. Die gerösteten Bohnen erreichten einen Endfeuchtigkeitsgehalt zwischen 1,89% und 1,75% mit Helligkeitswerten (L*) zwischen 40,75 und 38,21. Der Gesamtröstwirkungsgrad variierte zwischen 97% und 91%, abhängig vom Röstgrad (hell bis dunkel), was zu einer täglichen Gesamtröstkapazität von 28–36 kg führte. Die Analyse der Wärmeverteilung ergab, dass 66% (2449 W) der verfügbaren Solarenergie effektiv für den Röstprozess genutzt wurden, während optische und thermische Verluste vom Scheffler-Konzentrator, Receiver und der Rösttrommel 22% (810 W), 8% (287 W) bzw. 4% (134 W) ausmachten. Der spezifische Solarenergieverbrauch für das Kaffeerösten wurde mit 1543 kJ/kg (0,43 kWh/kg) bestimmt, was erheblich niedriger ist als bei konventionellen Röstsystemen (z. B. Holzfeuerungs-Röstung mit 6 kWh/kg). Das Energieausnutzungsverhältnis lag zwischen 10% und 90%, was auf eine stabile Energieübertragungsleistung unter variierenden solaren Einstrahlungsbedingungen hindeutet. Es wurde festgestellt, dass die Exergieverluste zwischen 9,33 und 82,44 kJ/kg variieren und einer durchschnittlichen Exergieeffizienz von 56,28 % entsprechen, was auf einen effizient arbeitenden Röster schließen lässt. Weiterhin wurden vergleichende Studien mit einem kontinuierlichen, ölbasierten Solarröster zum Rösten von Erdnüssen und Mais durchgeführt. Das kontinuierliche System, das Solarenergie über Thermoöl überträgt, wies Zwischenverluste auf und erreichte eine thermische Effizienz von 31% und eine maximale Temperatur von 200 °C. Im Gegensatz dazu erreichte das Chargensystem, das die Rösttrommel direkt Solarwärme absorbieren lässt, einen effizienteren konduktiven Wärmetransport, was zu einer thermischen Effizienz von 61% und einer maximalen Temperatur von 250 °C bei einer entsprechenden direkten Normalstrahlung von 800 W/m² führte. Die Wirtschaftlichkeitsanalysen ergaben, dass beide Solarröster wesentlich niedrigere Betriebskosten (0,005–0,007 USD/kg) und kürzere Amortisationszeiten bieten als konventionelle Röstmethoden (z. B. 0,23 USD/kg bei Holzfeuerungs-Röstung). Die Forschungsergebnisse zeigen, dass solarbetriebene Röstsysteme für kleine und mittlere Landwirte in Entwicklungsländern eine äußerst praktikable, energieeffiziente, wirtschaftliche und nachhaltige Alternative zu traditionellen und kostspieligen Energiequellen darstellen.