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I Combustibili Fossili per applicazioni energetiche: ruolo dell’ENEA per il loro uso efficiente e per la valutazione degli effetti sull’ambiente S.Giammartini (ENE); A.Calabrò (ENE); P.Deiana (ENE); V.Pfister (MAT); G.Zanini (PROT) Alla redazione di questo documento hanno collaborato: C.Amorino (SOTACARBO); M.Annunziato (ENE); D.Bardaro (CETMA); L.Barone (CETMA); I.Bertini (ENE); G.Braccio (ENE); M.Casarci (PROT); E.Giacomazzi (ENE); G.Girardi (ENE); M.Labanti (MAT); O.Manni (CETMA); A.Pettinau (SOTACARBO); F.R.Picchia (ENE); R.Romani (PROT); S.Sangiorgi (MAT)

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I Combustibili Fossili per applicazioni energetiche:ruolo dell’ENEA per il loro uso efficiente

e per la valutazione degli effetti sull’ambiente

S.Giammartini (ENE); A.Calabrò (ENE); P.Deiana (ENE); V.Pfister (MAT); G.Zanini (PROT)

Alla redazione di questo documento hanno collaborato:C.Amorino (SOTACARBO); M.Annunziato (ENE); D.Bardaro (CETMA); L.Barone (CETMA); I.Bertini (ENE); G.Braccio (ENE); M.Casarci (PROT); E.Giacomazzi (ENE); G.Girardi (ENE);

M.Labanti (MAT); O.Manni (CETMA); A.Pettinau (SOTACARBO); F.R.Picchia (ENE);R.Romani (PROT); S.Sangiorgi (MAT)

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Sommario

1. Il quadro generale di riferimento e la domanda potenziale2. La domanda attuale e la collocazione dell’ENEA 3. I cicli avanzati: stato dell’arte e cicli innovativi (cicli a gas /cicli a

carbone)4. Il ventaglio dell’offerta ENEA

- La simulazione ed i metodi di progettazione - I nuovi materiali - La diagnostica e la sperimentazione - Le facility sperimentali - Il trattamento gas - L’impatto ambientale - L’ottimizzazione globale dei processi

5. La proposta ENEA (breve/medio periodo - medio/lungo periodo) 6. Programmi e collaborazioni internazionali

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Quadro di Riferimento

• Proiezioni IEA nel periodo 2000- 2030 mostrano:@ + 1,8 % annuo consumi energetici mondiali

(Europa + 0,4%)@ nel 2030 il 90% di energia mondiale prodotta da fonte

fossile (34% olio; 29% carbone; 26% NG) in conseguenza di ciò:@ + 2,1 % annuo di emissioni di CO2 a livello globale

(+ 60% dal 2000 al 2030)

Tale domanda energetica non potrà esseresoddisfatta dalle attuali tecnologie, penaun’insostenibile pressione sull’ambiente

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La situazione italiana

• La situazione italiana è, se possibile, ancor più problematica:@ nel 2004 (fonti REA): 88% energia da combustibili

fossili

• nel futuro:- olio combustibile (tendenza già in atto: – 3.1% nel 2004 )- NG (+ 3,8% nel 2004, ma esistono criticità di approvvig.)- carbone ??? (riserve stimate per 300-400 anni;

ridotti rischi geopolitici; il problema è la sua accettabilita ambientale !

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• Aumentare l’efficienza di conversione energetica (impianti esistenti / nuovi); puntando inoltre su:- diversificazione delle fonti (combustibili di opportunità)- produzione di energia distribuita;

• Sviluppare tecnologie di componente e di sistema, basate sull’impiego di fonti rinnovabili, ed incrementarne l’uso;

• Sviluppare tecnologie per l’impiego “pulito” di combustibili fossili (Clean Coal Tech. + Carbon Capture and Storage).

Azioni per la “governance”

Su questa ultima linea ci si muove, a livello internazionale, con diverse iniziative.

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La Domanda (1/3)

• Progetto HYPOGEN (HYdrogen and POwer GEneration - CE)- realizzazione impianto dimostrativo di larga scala, capace di produrre idrogeno ed energia elettrica a partire da carbone; - finanziamento in FP6 e FP7/8 ;- durata 10 anni dal 2005. Impianto funzionante dal 2012 . Fino ad oggi finanziati 7 M€ di attività di progettazione ;- L’ENEA in primis, ha redatto allo studio di prefattibilitàdell’impianto, presentato alla Commissione Europea nel dicembre 2004.

• Progetto FUTURE GEN (prog. sponsorizzato dal DOE-USA)- realizzazione impianto dimostrativo finalizzato alla produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone, con cattura e sequestro della CO2; - potenza elettrica = 275 MWe- impegno finanziario: 1MLD $ in 10 anni dal 2003 al 2013.

Un forte stimolo viene dal DOE (USA) e dalla Comunità Europea :

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La Domanda (2/3)

• Carbon Sequestration Leadership Forum (CSLF)- collaborazione internazionale (promossa da Gov. USA) sul tema della limitazione delle emissioni di gas serra . Finalità: promozione di iniziative, finalizzazione e concentrazione sforzi di ricerca, promozione progetti, interscambio culturale;- 12 paesi tra cui Italia;- 2 gruppi : Policy Group (Ministri/ Direttori Generali) e TechnicalGroup (ENEA membro).

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Increasingplant efficiency

route

Zero Emissionroute

POSSIBILI STRATEGIE A MEDIO-LUNGO TERMINE

La Domanda (3/3)

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Utilizzo di un combustibile a fini energetici

Se in forma gassosaSe in forma gassosa CombustioneCombustione• efficiente• meno inquinante•

Cicli Combinati

Se in forma solidaSe in forma solida CombustioneCombustione Tecnologie avanzateper contenere emissioni

GassificazioneGassificazione

Pulizia syngasPulizia syngas

Turbina a gasStrumento di massimo rendimentoin cicli combinati

Turbina a gasStrumento di massimo rendimentoin cicli combinati

Vantaggi:

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Combustibile Tecnologia di base coinvolta Cicli energetici

Cicli e Tecnologie avanzate

GAS Combustione Cicli Combinati

Gassificazione

Cicli IGCC

Clean Coal Tech.+ CCS :

“ZERO EMISSION”

CARBONE

Combustione

Cicli SC e USC

Oxy- combustioneMILD

Cicli Letto FluidoAFBC / PFBC

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Cicli alimentati a gas: Cicli Combinati (NGCC)

SCARICOFUMI

CONDENSATORE

TURBINA A VAPORE(AP e BP)

CALDAIAA RECUPERO

GENERATOREELETTRICO

COMPRESSORE TURBINAA GAS

GENERATOREELETTRICO

combustibile

aria

CC

COGENERAZIONE

Elemento chiaveper avere alte efficienze

(58% - 60%)

AZIONI ENEA NEL BREVE/MEDIO PERIODO :Interventi sulla Camera di Comb. :Impiego di syngas trattamento del…;stabilità di fiamma; comb. MILD (TVC);materiali camera comb.

Interventi sulla Turbina:Raffreddamento palette materiali ceramici per elementistatorici e rotorici

In generale sull’impianto: monitoraggio, controllo e ottimizzazione

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Cicli alimentati a carbone (1/4)[ rif. Clean Coal Tech. ]

Impianti SC e USCSi tratta di impianti termoelettrici basati su cicli a vapore a condensazione, operati a più alte T e P rispetto ai tradizionali(efficienza in crescita riduzione emissioni di CO2 )

• Impianti tradizionali (560°C; 220 bar) efficienza < 40%

• Impianti supercritici (SC): vapore supercritico a 650°C e 300 bar efficienza ∼ 45%

• Impianti ultrasupercritici (USC): vapore supercritico a 700°C e 375 bar efficienza ∼ 50 – 53% (efficienza 50% comporterebbe una riduzione del 25% nelle emissioni di CO2)

È fondamentalmente problema di materiali (superleghe a base di Nichel) [partecipazione ENEA-MAT al prog. CE AD700]

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Cicli alimentati a carbone (2/4)Oxy- combustione

Combustione in atmosfera ricca di Ossigeno + condizioni MILD i prodotti di combustione sono essenzialmente composti da CO2 e vapore (bassissimi NOx, particolato, metalli pesanti) facile sequestrazione CO2 per condensazione[ efficienza attesa ∼ 60% ]

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Cicli alimentati a carbone (3/4)Impianti IGCC

(Integrated Gasification Combined Cicle)Ciclo combinato alimentatocon syngas (prevalentementeH2 + CO) prodotto dalla gassificazione di carbone

Efficienza attesa : 40% – 45%

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COMPRESSORE TURBINAA GAS

GENERATOREELETTRICO

aria

CCGasificazionedel carbone

Syngas PURIFICAZIONEPURIFICAZIONE

SyngasRim

ozionedi H

2 S

COShift

Separazionedi CO

2

H2S CO2

STORAGESTORAGE

COMPRESSORE TURBINAA GAS

GENERATOREELETTRICO

aria

CCH2

Cicli alimentati a carbone (4/4)Tecnologie “Zero Emission” : CCT + CCS

(Clean Coal Tech. + Carbon Capture and Storage)

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Il ventaglio dell’offerta ENEA

-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.533.544.555.56

%

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Modellistica Termo-fluidodinamica eCinetica Chimicadi componente

Diagnostica -Sperimentazionedi componente

eTrattamento Gas

Modellazione eSperimentazione

nel settore deiMateriali

Modellisticae sperimentazione

di processo

Ottimizzazionedi processo

Studi diImpatto

Ambientale

GAS

CARBONE

Combustione

Gassificazione

Cicli SC e USC

Oxy- combustioneMILD

Cicli IGCC

Clean Coal Tech.+ CCS

Combustione Cicli Combinati

Emissioni

FONTE - PROCESSI e TECNOLGIE di BASE - CICLI ENERGETICI

L’OFFERTAENEA

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L’offerta di ENEA e Partecipate (1/3)

• Simulazione e metodi di progettazione- Simulazione di Processo (sviluppo di cicli) [ENE];- Simulazione termofluidodinamica (CFD) di componente (es. camera di combustione, gassificatore) e cinetica chimica [ENE] ;

• Nuovi materiali- Simulazione per analisi strutturale, progettazione ed analisi affidabilistica di componenti [CETMA / MAT];- Sviluppo di componenti in materiale ceramico, coatings, membrane per gas [MAT];- Analisi di affidabilità e caratterizzazione non distruttiva [MAT; ENE];

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L’offerta di ENEA e Partecipate (2/3)

• Diagnostica e Sperimentazione- Diagnostica avanzata (utilizzo e sviluppo) nei settori della chimica e termofluidodinamica, per monitoraggio e controllo [ENE];- Capacità di operare “in campo” [ENE];- Ampia disponibilità di test rig, scala laboratorio impianto dimostrativi, per studio e dimostrazione di tecnologie [ENE; SOTACARBO, PROT; MAT;]

• Trattamento gas- Sviluppo di tecnologie chimico-fisiche per il gas cleaning del syngas [PROT, ENE];- Progettazione, realizzazione di sistemi e scaling-up[PROT, ENE];

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L’offerta di ENEA e Partecipate (3/3)

• Studi di impatto ambientale- Studi e valutazioni sulla qualità dell’aria, (modelli atmosferici e modelli di trasporto chimico home-made [PROT] ) ;

• Ottimizzazione globale di processi- Sviluppo di modelli dinamici per costruire sistemi di supervisione, gestione intelligente e progressiva ottimizzazione in linea [ENE] .

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Attività finanziate o da finanziare ( k€ )ENEA – SOTACARBO - CETMA

Cifre in k€

Progettiin essere

Progetti approvati(in attesa di finanz.)

Produzione e Trattamento Syngas 7050 - - -

Cicli Clean Coal Tech.

9800 1940

5350600Materiali

200 1000Controlloe Ottimizzazione

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Temi prioritari in FP7

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Economia totalmente basatasu tecnologie tradizionali per

lo sfruttamento di combustibili fossili

ZERO EMISSION

2040

2030

2020

2000

2010

Dimostrazione Produzione H2 da combustibili fossili e sequestro CO2

Significativa produzione di H2 da combustibili fossili (CCT + CCS), compresa gassificazionebiomasse

Impiego massiccio di combustibili fossili con tecnologie CCT e CCS –Penetrazione commerciale

Dimostrativi CCT + CCS:HYPOGEN (CE)FUTUR GEN (USA

ZECOMIX(dimostratico CCT-CCS)

ROAD – MAP PER: “NEAR ZERO EMISSION” DA COMBUSTIBILI FOSSILI

Incremento efficienza negliimpianti e flessibilitànei combustibili(GTCC)

IGCC: maturità tecnologica

USC : maturità tecnologica

Dimostrazione OXY Combustion

Maturità tecnologica CFB (unità da 600 – 800 Mwe in connessione con cicli USC)

GTCC: Gas Turbine Combined CicleIGCC: Integrated Gas Combined CicleCFB: Circulating Fluidised BedUSC: Ultra SuperCriticCCT: Clean Cola TechnologyCCS: Carbon Capture and Storage

Road-map per:“near zero emission”da combustibili fossili

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Comparazione costi

Comparazione costi elettricità

no CO2 captureCO2 capture

(*)

capital cost COE efficiency capital cost CoE efficiency

$/kW c$/kWh $/kW c$/kWh

GTCC 536 3,3 55,4% 998 4,9 48,2%

IGCC (shell gasifier; pre-combustion CO2 capture) 1371 4,8 43% 1860 6,3 35%

IGCC (Texaco gasifier ; pre-combistion CO2 capture) 1187 4,5 38% 1495 5,6 32%

SC (post combustion CO2 capture, MHI Amine tech.) 1171 4,3 44% 1858 6,3 35%

Oxy-fuel + USC 1171 4,3 44% 1858 6,3 35%

ZECOMIX - - - 2716 5,2 50%

(*) costi del “CO2 storage” e del trasporto non inclusi

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La proposta ENEAnel Breve, Medio e Lungo Periodo

L’ENEA EFFETTUA UNA PRECISA SCELTA DI CAMPO:

• Trascurare il petrolio : è in via di esaurimento; il suo uso, anche in Italia, andrà progressivamente ridimensionandosi;

• Il Gas (NG) è una fonte troppo “nobile”. Il suo utilizzo non rappresenta una “sfida” per il futuro.

• Decidiamo di puntare su combustibili complessi, meno nobili, “sporchi” e più economici, in primis CARBONE, (ma anche residui dell’industria petrolchimica, catrami, CDR, biomasse), ponendo in essere il meglio delle tecnologie per rendendoli compatibili con l’ambiente.

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Me

dio

e L

un

go

Pe

rio

do

Cicli avanzati basati su“Clean Coal Technologies”:

-Oxy-Combustione-Tecnologia ZECOMIX

Cicli avanzati basati su“Clean Coal Technologies”:

-Oxy-Combustione-Tecnologia ZECOMIX

Energia da Carbonead “EMISSIONI ZERO”

Energia da Carbonead “EMISSIONI ZERO”

Bre

ve

e M

ed

io P

eri

od

o

Insieme di tecnologiepropedeutiche all’utilizzo

di syngas ricchi di H2 ed allacombustione “senza fiamma”

(MILD)

Insieme di tecnologiepropedeutiche all’utilizzo

di syngas ricchi di H2 ed allacombustione “senza fiamma”

(MILD)

Incremento efficienza,Contenimento emissioni

già in impiantia ciclo combinato

Incremento efficienza,Contenimento emissioni

già in impiantia ciclo combinato

LA PROPOSTA ENEANEL BREVE, MEDIO E LUNGO PERIODO

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1. Incremenoefficienza

2. Contenimento CO2 e inquinanti

3. Microgeneraz. Distribuita

in Impianti a Ciclo-Combinato

Sviluppo tecnologie

UtilizzoSyngas

(H2 in TG)

Tecnologie di Combustione

per↓ Emissioni↑ Efficienza

MATERIALIper Alte temperature

MATERIALIper Alte temperature

MILD Comb. eTRAPPED VORTEX Tech.

MILD Comb. eTRAPPED VORTEX Tech.

TecnologieTrattamento Gas

TecnologieTrattamento Gas

Impatto

ambientaleImpatto

ambientale

Bre

ve

e M

ed

io P

eri

od

oTemi di Ricerca Risultati

Metodologie per : Progettazione; Ottimizzazione

processi; Diagnostica e

Controllo

Metodologie per : Progettazione; Ottimizzazione

processi; Diagnostica e

Controllo

Me

dio

e L

un

go

Pe

rio

do

CleanCoal

Technology

ZECOMIX Tech.ZECOMIX Tech.

Syngas(H2 90%)

in TGENERGIA

da Carbonea

“EMISSIONIZERO”

CO2

Oxy CombustionOxy Combustion

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La proposta ENEA: Oxy- Combustione (1/3)

Energia da combustibili problematici (carbone, rifiuti, biomasse, ecc)•Abbattimento inquinanti (NOx, polveri, metalli pesanti)•Efficienze > 60% (il reattore alimenta una caldaia USC)•Annullate le problematice di storage e handling del carbone, (slurry acquoso a grossa granulometria:millimetri)

Progetto HIT-WASTE:Reattore DISMOpressoANSALDO Caldaie

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Punto centrale della Oxy- Comb. (e punto di forza ENEA) è laCombustione MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) :

- Forte preriscaldamento del comburente;- Bassa concentrazione volumetrica di ossigeno nel comburenteLa MILD Comb. determina: assenza fronte di fiamma assenza gradienti di temperatura (combustione di volume e non di superficie)

- Abbattimento inquinanti (NOx, polveri, metalli pesanti – 1 o 2 ordini di grandezza)- Elevata stabilità di combustione

La proposta ENEA: Oxy- Combustione (2/3)

CombustioneConvenzionale(di superficie)

CombustioneMILD

(di volume)

GOAL ENEA : TRASFERIMENTO DAL SETTORE SIDERURGICO A QUELLO DELLECALDAIE E TURBINE A GAS !

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La proposta ENEA: Oxy- Combustione (3/3)

La Combustione MILD, prima di essere messa a punto sperimentalmente, attraverso anche il ricorso a tecniche diagnostiche laser avanzate,

Misure contemporanee di velocità e concentrazione di specie chimiche(Tecniche PIV+LIF)

E’ stata accuratamente studiata tramite il ricorso a tecnologie numeriche di assoluta valenza scientifica

Esempio di applicazione del Codice HEARTinteramente sviluppato in ENEA

Significativo osservare che la durata dell’intero video è di 9,1 msec,ed il singolo frame corrisponde a 10 milionesimi di sec.

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La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (1/3)

Nasce dalla fusione di due tecnologie:

A) Tecnologia ZEC (Zero Emission Coal) con sequestrazione di CO2 :- gassificazione- pulizia del syngas- cattura della CO2

B) Ciclo ZECOTECH (Zero Emission COmbustion TECnology usingHydrogen), ciclo ENEA – ANSALDO Caldaie, frutto della combinazione di un ciclo a vapore ed un ciclo turbogas con surriscaldamento del vapore tramite combustione diretta in esso di H2 con O2 (no scambiatore di calore)

GOAL : produzione di H2 integratacon generazione di energia elettricae contemporanea sequestrazione di CO2 ZERO EMISSION.

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Idrogassificatore

UnitàSeparazione

Aria

StoccaggioH2

Reformer

Combustore

Calcinatore

CaloreAlta Temp

TurbinaAlternatore

Deposito CO2

O2

N22

H2 H2O

CaO

CaCO3Ceneri

Syngas

Vapore ultrasurriscaldato

vap

H2

Carbone

Acqua

CO2

Energiaelettricaperdite

Aria

H2

Sezione gassificazione:ZEC (Zero EmissionCoal) con cattura dellaCO2

+Sezione di potenza:ZECOTECH (ZeroEmission CombustionTEChnology usingHydrogen)

La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (2/3)

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La proposta ENEA: Il ciclo ZECOMIX (3/3)

Realizzazione pratica nell’ambito del:PROGETTO TEPSI- Linea 3(PNR-FISR)

Scala del progetto: R & D – Scala Pilota ; Coal mass flow rate: 50 kg/h ; Electric Power: 120 kWPartner :. ENEA (coordinatore), Ansaldo, Sotacarbo, Politecnico di Milano, Università di Roma “La Sapienza”, Università di Roma TRE, Università di Napoli, Università de L’Aquila, Università di CassinoAttività ENEA: 3.760.000 €Data inizio:28 Luglio 2005 Data fine: Gennaio 2009Finanziamento: MIUR FISR-PNR

Dimostrativo a tecnologia ZECOMIX

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Conclusioni

1. Capacità di progettazionesistemica di cicli avanzati

Due punti di forzaintervento ENEA :

1. Capacità di progettazionesistemica di cicli avanzati

2. Tecnologia di combustioneinnovativa (MILD comb.)

2. Tecnologia di combustioneinnovativa (MILD comb.)

1. Sviluppo di un ciclo innovativo per l’utilizzo “pulito” del carbone:- produzione syngas da carbone e suo trattamento;- concentrazione e successiva rimozione della CO2 ;- combustione di syngas residuo (H2 : 80 – 90%) in Turbina a Gas (alto rendimento).

1. Sviluppo di un ciclo innovativo per l’utilizzo “pulito” del carbone:- produzione syngas da carbone e suo trattamento;- concentrazione e successiva rimozione della CO2 ;- combustione di syngas residuo (H2 : 80 – 90%) in Turbina a Gas (alto rendimento).

Azioni conseguenti :

2. Sviluppo di una tecnologia per la combustione diretta (MILD) di carbonein modo “pulito” .

2. Sviluppo di una tecnologia per la combustione diretta (MILD) di carbonein modo “pulito” .

Ampio ventaglio di tecnologie strettamente integrate ai punti 1 e 2 , sviluppate parallelamente : - nuovi materiali;

- trattamento chimico-fisico gas (syngas);- ottimizzazione e controllo di processo;- valutazione impatto ambientale.

Ampio ventaglio di tecnologie strettamente integrate ai punti 1 e 2 , sviluppate parallelamente : - nuovi materiali;

- trattamento chimico-fisico gas (syngas);- ottimizzazione e controllo di processo;- valutazione impatto ambientale.

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GRAZIE PERLA VOSTRAATTENZIONE !