PARCO SCIENTIFICO TECNOLOGICO PER · Sostenibilità ed efficienza dell'energia 1 da biomasse in...
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24/11/2011
ENVIRONMENT PARK
PARCO SCIENTIFICO TECNOLOGICO PER
L’AMBIENTE
Aspetti tecnico-economici degli impianti di upgrade da biogas a
biometano
Paola Zitella
www.envipark.com
1Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
Environment Park nasce nel 1996 per iniziativa della Regione Piemonte, della Provincia di Torino,
del Comune di Torino e dell’Unione Europea, nell’ambito della trasformazione urbana di una
area industriale dismessa, la spina 3.
Environment Park è una Azienda privata a prevalente capitale pubblico
La mission del Parco è il trasferimento, nei confronti delle PMI e di pubbliche
amministrazioni ed istituzioni, di soluzioni avanzate e tecnologie innovative nel
campo ambientale ed energetico.
24/11/2011
2Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
Struttura e impianti tecnologiciE
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Tetti verdi
Recupero e riciclo dell’acqua piovana
Biomasse per climatizzazione
Solare termico e pareti solari a recupero di calore
Fotovoltaico
Eco building (Centro Servizi)
Minicentrale idroelettrica
3Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
Il centro servizi
• Consumo annuo di energia primaria 99,4 kWh/mq mentre un edificio tradizionale consuma 146kWh/mq
• Produzione di energia utilizzata proveniente da fonti rinnovabili 329,3 kWh/mq mentre un edificio tradizionale produce in media 27,8 kWh/mq
• Consumo annuale di acqua potabile 0,1 mc/mq mentre un edificio tradizionale
consuma 5 mc/mq
Interamente progettato
secondo i criteri della bioedilizia.
I consumi
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24/11/2011 Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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L’organizzazioneSettori strategici
Energia
Tecnologie puliteplasma-based
Bioedilizia
Idrogeno Bioenergie Fotovoltaico
PVDPlasma
atmosfericoPECVD
Progettazionebioedilizia
CertificazioneEnergetico-ambientale
degli edifici
Materiali e tecnologie
Energymanagement
Plasmatermico
Attività di servizio
Progetti ambientaliintegrati
Pianificazioneenergetica
Progetti internazionaliMediterraneo Sud
West Balkans
Aree industrialiecologicamente attrezzate
Eco-efficiency Biennial
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Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
24/11/2011 6
BIOEDILIZIA
Offre attività di consulenza e progettazione nel campo dell’architettura eco-compatibile
PROGETTI AMBIENTALI INTEGRATI
Si rivolge alle imprese ed alle istituzioni per fornire soluzioni innovative ed eco-efficienti basatesull’integrazione trasversale di competenze specifiche in riferimento a tutte le tematicheambientali: analisi ambientale e territoriale, piani progetti e programmi ambientali, strumentiinnovativi di gestione ambientale
ENERGIA
Sperimenta e diffonde l’applicazione di tecnologie finalizzate a produrre energie alternative Promuove e diffonde l’utilizzo di energia prodotta da fonti rinnovabiliLaboratorio HYSY LAB (centro di eccellenza sulle tecnologie dell’idrogeno)Laboratorio BioEnergy Lab (impianti dedicati alla produzione di energia da biomassa di secondagenerazione)
CLEAN NT LAB
Osservatorio tecnologico dedicato al trattamento delle superfici con nano tecnologie eco-efficienti
Osservatori TecnologiciE
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Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
BioEnergyLab è il Laboratorio
di Environment Park dedicato alle tecnologie innovative per la produzione di energia da biomasse
24/11/2011 Sostenibilità ed efficienza dell'energia da biomasse in
Piemonte
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Impianto pilota di produzione di idrogeno da fermentazione di
biomassaNell’ottica della produzione di idrogeno da fonti rinnovabili è stato progettato e realizzato un impianto di fermentazione anaerobica bistadio per la produzione combinata di un biogas ad elevato contenuto di idrogeno (I stadio) e un biogas a maggiore tenore di metano rispetto al tradizionale (II stadio)
OBIETTIVI
Produzione di idrogeno e di biogas da fonti rinnovabilivia dark anaerobic fermentation
Valorizzazione di materiali di scarto (FORSU, scarti delle lavorazioni agricole e industriali)
Riduzione dei costi di processo e dei consumi energetici in vista di uno scale up industriale
Produzione di energia attraverso la migliore valorizzazione dei biogas prodotti (purificazione, utilizzo di co e trigenerazione, test in fuel cell)
Implementazione dell’utilizzo del biometano per l’immissione in rete o come biocarburante.
24/11/2011 Sostenibilità ed efficienza dell'energia da biomasse in Piemonte
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Impianto pilota per il pre-trattamento di biomassa di II generazione
L’impianto pilota è composto da:
1. Meccanico mediante triturazione con mulino a lame;
2. Chimico fisico, basato sul processo di Steam Explosion (35l);
3. Chimico, basato su idrolisi acida o basica a temperatura e
pressione controllata (150l);
4. Biologico, basato su idrolisi enzimatica attraverso l’uso di
enzimi specifici selezionati (150l).
Tipologie di biomassa utilizzabili:
lignocellulosiche
amidacee
residui di biomasse oleaginose
Aumentare la biodegradabilità di differenti tipologie di biomasse;
Aumentare la resa in processi di digestione anaerobica (bioidrogeno e biogas) o in processi
di bioraffinazione per la produzione di biocarburanti (i.e. bioetanolo);
Diminuire i costi di produzione di energia da fonte rinnovabile;
Valorizzare biomasse di scarto non facilmente sfruttabili
OBIETTIVI
24/11/2011 Sostenibilità ed efficienza dell'energia da biomasse in Piemonte
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Favorire la trasformazione di lignina, cellulosa ed emicellulosa
in zuccheri semplici (glucosio e fruttosio);
Impianto pilota per la depurazione di reflui zootecnici in fotobioreattori
Progetto DENITREN
Sviluppo, applicazione e monitoraggio di un sistema di depurazione di reflui zootecnici mediante crescita di alghe in fotobioreattori con recupero di sottoprodotti per la produzione di energia: una soluzione al problema nitrati
OBIETTIVIRiduzione del contenuto di azoto inorganico negli effluenti zootecnici, recupero di sottoprodotti ad elevato valore aggiunto
Chlorella vulgaris
24/11/2011 Sostenibilità ed efficienza dell'energia da biomasse in
Piemonte
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I progetti del Bioenergy lab attivi FISR Vettore Idrogeno: 2006-2009 finanziato dal Ministero della ricerca – produzione combinata
di bio-idrogeno e biometano attraverso digestione anaerobica di scarti di matrice organica
biodegradabile
GasHighWay: 2009-2012 finanziato nell’ambito del programma europeo Intelligent Energy for
Europe - Promozione dell’utilizzo del gas naturale e del biometano per i trasporti in Europa
SEBE: 2009-2012 finanziato nell’ambito del programma comunitario Central Europe – utilizzo di fonti
rinnovabili per la produzione di biogas ed energia, sviluppo di tecnologie di produzione e tecnologie di
purificazione. Sviluppo di un centro di competenza internazionale e di una strategia comune per
favorire l’applicazione della tecnologia per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili per la produzione di
energia.
DENITREN: 2008-2010 finanziato dalla Regione Piemonte Direzione Sviluppo dell’Agricoltura è
finalizzato a sviluppo, applicazione e monitoraggio di un sistema di depurazione di reflui zootecnici
mediante crescita di alghe in fotobioreattori con recupero di sottoprodotti per la produzione di energia:
una soluzione al problema nitrati
BIO-H2: 2010-2012 finanziato nell’ambito regionale dei Poli di Innovazione, ha come obiettivo
l’ottimizzazione della produzione di bio-idrogeno e bio-metano su scala pilota per via fermentativa a
partire da scarti organici.Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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LIFE POWER: 2010-2012 funded under the European Programme LIFE, aims to realize a
demonstration action in Spain for improve energy efficiencies in irrigation and to power
the irrigation system using renewable souces (biogas).
Hy Tractor: finanziato nell’ambito del Bando “INDUSTRIA 2015 - Nuove tecnologie per
il Made in Italy”, è un Progetto di Innovazione Industriale, con l’obiettivo di sviluppare un
trattore elettrico a Fuel Cell alimentato a idrogeno (a zero emissioni), di sviluppare
sistemi per la produzione dell’idrogeno da fonti rinnovabili in ambito agricolo e
attrezzature agricole innovative ad azionamento elettrico.
In evluation phase
LIFE RE-FUEL: 2011-2013 submissed in Sep. 2010 under the Life + programme aims to
realize the first biomethane re-fuelling station in a multiutility company that already
produce biogas from urban collected organic wastes. The biomethane will be use for the
compactors of the company and eventually injected in the local company gas grd.
HY-TIME: 2011-2013 submissed in Oct. 2010 under the JTI call aims to implement the
value chain of Biohydrogen production from second generation and its use after the
identification of the optimal uo-grading phase.
Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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Diagram of the process
Stabilized sewage
Biomass input
Mechanical pretreatment and biomass homogenization
Bioreactor for H2
production Bioreactor for biogas production
Exhausted gasBiogas purificationH2 purification
H2 storage Biogas storage
Digested sludge
Gas
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Nut
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ion
Continuous process
Tests in batch conditions
Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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Digested
sludge
pH 2
24 h
Fruit and vegetables wastes from supermarket
H2 CH4
Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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PROGETTO SEBE
Analisi della potenzialità di produzione di biogas in Europa
Analisi delle tecnologie attualmente disponibli a livello nazionale ed internazionale
Considerare diverse fonti disponibili per la produzione di biogas, come i rifiuti organici urbani ed industriali
Definire strategie locali per la raccolta della biomassa
Eseguire le prove su un impianto dimostrativo per la verifica della reale possibilità di utilizzo delle biomasse di scarto
Definizione delle migliori tecnologie di valorizzazione del biogas a livello locale
Diffusione delle tecnologie di up-grading del biogas a biometano per il suo utilizzo in rete o come carburante per autotrazione
OBIETTIVI
Risultato a lungo termine:Sviluppo di centri di competenza internazionali , Competence KnoledgeCenters (CKCs) che consentiranno un accesso globale ad espertiinternazionali, strutture di ricerca e sviluppo, costruttori di tecnologie econsulenti alle migliori tecnologie disponibili per la valorizzazione dellarisorsa biogas.
15Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
Progetto BioH2 Produzione di idrogeno per via fermentativa a partire da biomasse di scarto
2010-2012
Finanziato nell’ambito del Polo di Innovazione POLIGHT
(nell’ambito della linea di sviluppo LS H2.2 “Produzione di idrogeno da fonti di energia rinnovabile”)
Partners progetto
ASJA Ambiente (coordinatore)
Environment Park SpA
Biosearch Ambiente srl
Università degli Studi di
Torino – Dip. Biologia Animale
OBIETTIVI
Ottimizzazione della resa di produzione di idrogeno per via fermentativa, su scala pilota, a partire da
biomasse di scarto (reflui zootecnici, vinacce, scarti organici GDO e IV gamma)
Pre-trattamenti chimico-fisici delle biomasse di scarto ligno-cellulosiche al fine di agevolare la
formazione di zuccheri semplici (C5, C6)
Miglioramento dell’efficienza degli enzimi coinvolti nella produzione di idrogeno (idrogenasi) e
selezione di colture di microrganismi produttori di idrogeno
Ottimizzazione dei parametri chiave di processo (temperatura, pH, miscelamento della biomassa,
HRT, dosaggio dei reagenti)24/11/2011 16Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
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Il progetto Gas HighWay
Promozione dell’utilizzo del gas naturale e del biometano per i trasporti in Europa
Durata: 3 anni (maggio 2009 – maggio 2012)
Obiettivi del progetto:
Espandere la rete di distribuzione del gas naturale e del biometano in Europa
Raccogliere e divulgare a livello europeo le “Best Practices” in tema di autotrasporto
Coinvolgere tutti gli attori chiave (produttori, distributori, Enti Locali, aziende del settore automotive, utilizzatori) per il superamento delle barriere tecnologiche, economiche, normative e culturali all’uso del gas naturale e del biometano per autotrasporto
Un progetto co-finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del programma “Energia intelligente per L’Europa”
17Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte
Gas Naturale:
miscela la cui composizione varia a seconda della zonageografica di prelievo:
90% da metano (CH4)
10% da etano (CH3–CH3)
Altri costituenti: vapor d’acqua (H2O(g)), acido
solfidrico (H2S), elio, azoto molecolare (N2), gas
di petrolio.
Questi ultimi composti e molecole vengono in genererimossi prima di immettere il gas naturale nelle reti didistribuzione.
Gas naturale- definizione
H2S <6,6 mg/Nm3
Zolfo da mercaptani <15,5 mg/Nm3
Zolfo totale <150 mg/Nm3
Potere calorifico superiore 34,95-45,28 MJ/Nm3
Wobbe Index 47,31-52,33 MJ/Nm3
Denistà relativa 0,5548-0,8
Punto di condensazione dell’acqua < -5 °C
HC dew point < 0 °C
T max < 50 °C
T min >3 °C
Allegato A
DM 19/02/2007
Recepimento Direttiva
(n.98/30/CE)
avitySpecificGr
HHVIW
• 780 stazioni con il rifornimento a metano
(Dicembre, 2010) situate principalmente
nel nord Italia
• 580.000 veicoli NGV
• 31.500 Km di rete di gas naturale
• Multidispenser, self-service
• Innovazioni tecnologiche nella
componentistica NGV
Il caso italiano- il gas naturale
DEFINIZIONI
• BIOGAS: miscela di gas prodotti durante il processo
di digestione anaerobica a carico di diversi substrati
organici.
• Dopo opportuna purificazione può essere combusto in
cogeneratori (Combined Heat and Power, CHP) per la
produzione combinata di energia elettrica ed energia
termica.
• Da 1 m3 di biogas e possibile produrre circa 1,8÷2 kWh di
energia elettrica e 2÷3 kWh di energia termica.
BIOMETANO: gas che contiene
prevalentemente metano (CH4) ed è
prodotto da una fonte rinnovabile. Il BM
deriva infatti dal biogas sottoposto a
processo di purificazione (deidratazione,
desolforazione, rimozione di ammoniaca
gassosa, NH3(g), mercaptani, polveri) e
upgrading (rimozione dell’anidride
carbonica, CO2) sino a raggiungere la
qualità del gas naturale.
DAL BIOGAS AL BIOMETANO
La legislazione in vigore in Italia fino a Marzo
2011 non contemplava il bio-metano né la
possibilità di immetterlo in rete, non prevedendo
pertanto alcun incentivo per la sua produzione.
D’altro canto, invece, gli incentivi per la
produzione di energia elettrica da bio-gas sono
ben definiti e molto proficui. Quindi fino ad
oggi la quasi totalità del biogas prodotto viene
immesso in cogeneratori per produrre energia
elettrica e termica perché immettere in rete
l’energia prodotta presenta un rapido ritorno di
investimento
Il contesto del bio-metano in Italia ad oggi
Il 7 Marzo 2011, il presidente della Repubblica
Giorgio Napolitano, ha firmato il decreto
legislativo di attuazione della direttiva
2009/28/CE sulla promozione delle fonti
rinnovabili. Con questo ultimo atto si conclude
l’iter legislativo del Decreto di recepimento della
Direttiva 20/20/20.
RESTA L’ATTESA PER I DECRETI ATTUATIVI
DELLE PROPOSTE dove saranno dettagliate
tutte le modalità di attuazione (valori degli
incentivi, caratteristiche chimico-fisiche del bio-
metano per l’immissione in rete e per l’uso come
carburante, ecc.).
STATO ATTUALE LEGISLATIVO
IL DECRETO LEGISLATIVO 28/2011 HA
DEFINITO LA POSSIBILITA’ DI PRODURRE
BIOMETANO E INDICATO IL PERCORSO PER
DEIFINIRE L’INCENTIVO
L’AUTORITA’ PER L’ENERGIA ELETTRICA ED
IL GAS HA EMANATO UNA DELIBERAZIONE
CHE FISSA ENTRO IL 30/11/2011 LA DATA
PER LA DEFINIZIONE DELLE NORME
TECNICHE PER L’IMMISSIONE IN RETE DEL
BIOMETANO
VANTAGGI:
È STOCCABILE
PRESENTA UN FATTORE DI EMISSIONE SE UTILIZZATO PER AUTOTRAZIONE ADDIRITTURA NEGATIVO
HA UNA GRANDE POTENZIALITA’: SOLO IN ITALIA SONO PRODUCIBILI CIRCA 6,5 MILIARDI DI mc DI METANO/ ANNO
Verso il biometano
Attuale utilizzo del biogas in Italia
Biomassa
Digestore
Post-digestore
BIOGAS
Cogeneratore Energia Elettrica
Energia Termica
Certificati verdi (con un fattore moltiplicativo pari a 1.1-1.8) perimpianti con capacità nominale superiore a 1 MW
Tariffa onnicomprensiva (0.22-0.28 €/kWh) che unisce il valoredel Certificato Verde e il prezzo di vendita dell’energia elettrica perimpianti con capacità nominale inferiore a 1 MW
Dal biogas al biometano
Biomass
DIGESTOR
POST
DIGESTOR
BIOGAS
UPGRADING
BIOMETHANECompression 250 bar
Storage
Supply
Natural gas grid
Supply
Civil and Industrial
use
Cogeneration
Electric energy
Thermal energy
Compressione alla pressione di
rete
Dal biogas al biometano : purificazione +upgrading BM con circa il 98% di metano e chimicamente molto simile al gas naturale
UPGRADING: rimozione della CO2
PURIFICAZIONE:
1. Deidratazione: mediante raffreddamento, compressione oassorbimento (glicoli, SiO2, CA,...)
2. Desolforazione: in fase liquida o sul biogas prodotto
fase liquida:
addittivazione di precipitanti
biogas:
- nel digestore: aggiunta controllata di ossigeno ocrescita di batteri supportati
- in colonna separata: CA, ass. Biologico, ass. chimico
UPGRADING DEL BIOGAS
FISICI: PSA, PWS, membrane
CHIMICO: LAVAGGI CON MONO O DIETANOLAMMINE (mea, dmea)
COMPRESSIONE: deve essere rispettata la compatibilità con lecaratteristiche del gas stabilite dalla rete locale nel punto diimmissione. Nota: generalmente è vantaggioso fino alla mediapressione (1-12 bar) mentre è estremamente costoso per l’alta (< 12bar)
Presenta il vantaggio di sfruttare con talune tecnologie il caloreresiduo generato dal CHP ( di solito utilizzato solo per il 20%): èquindi da prendere in seria considerazione l’ipotesi di accoppiamento dientrambe le valorizzazioni, specie in impianti < di 1MW che spessopresentano esuberi con conseguenze ambientali.
Sicuramente la taglia superiore al MW sembra ad oggi quella chemeglio giustifica i costi di investimento connessi agli impianti
PSA Colonne riempite di materiale assorbente (CA o zeoliti) in cui vengono
applicate pressioni che variano nel corso del processo
LIMITI:
1. Deve essere preliminarmente eliminata tutta l’H2S che si legairreversibilmente al CA e l’acqua che ne compromette il funzionamento
2. Opera a 4-7 bar
3. Presenta un perdita di metano compresa fra il 3 e il 10%
PREGI:
1. Semplicità di costruzione
2. Dimensioni compatte
3. Possibilità di adattamento anche a piccole taglie
PWS Il gas fluisce attraverso una colonna a riempimento in controcorrente
con il liquido: il rpincio è uno fra i più diffusi e sfrutta la > solubilitàdella CO2 rispetto al CH4.
LIMITI:
1. Problematiche legate alla corosione causata l’H2S, fra l’altrolimitatamente assorbibile
2. Opera a 4-7 bar
3. Necessità di elevati quantitativi di acqua
PREGI:
1. Tecnica semplice e consolidata senza particolari necessità di chemicals
2. Possibilità di adattamento anche a piccole taglie
MEA/DMEA
Scrubber con soluzioni amminiche di monoetanolammina odietanolammina
LIMITI:
1. Necessità di rigenerazione in particolare, se c’è ancora presenza diH2S a temperature elevate
2. Di maggiore applicabilità in impianti di grandi dimensioni
3. Necessità di utilizzo di composti chimici
4. Elevati costi operativi
PREGI:
1. Reazione chimica altamente selettiva (perdite di metano inferiori allo0,1%)
2. Elevata resa produttiva in biometano > 99%
3. Non necessita di pressione
FILTRAZIONE SU MEMBRANE
Sistemi di filtrazione tangenziale su membrane permeabili a CO2, H2O,NH3, meno permeabili a H2S e O2 e molto poco permeabili a N2 e CH4
LIMITI:
1. Necessitano di preliminare step di filtrazione ed eliminazione della H2S
2. Alte perdite di metano
3. Membrane e conseguente manutenzione costosa
4. Basso contenuto in metano nel gas in uscita (82-89%)
PREGI:
1. Compatti e leggeri
2. Processo semplice da gestire
3. Possibilità di adattamento anche a piccole taglie
4. Presenta un ampio margine di possibilità di miglioramento edinnovazione
Comparazione fra le diverse tipologie di up-grading
PSA PWS MEA,DMEA Membrane
Necessità di
purificazione
preventiva
si no Si/no si
Pressione (bar) 4-7 4-7 variabile
Perdite di metano 3-10% 1-2 % < 0,1 % 4-8%
Contenuto finale
metano
96-
98%
97-98% 99% 78-96%
Consumo di
energia elettrica
(kWh/Nm3)
0,3-0,1 0,3-0,6 <0,15 0,14
Richiesta di calore
(°C)
no no 160° no
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da biomasse in Piemonte
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Più in generale sui costi
Impianto da 250 Nmc di biogas grezzo /h
INVESTIMENTO: da 500.000 a 800.000 €
OPERATIVI: da 13 a 17 €/MWh
Impianto da 1000 Nmc di biogas grezzo /h
INVESTIMENTO: da 1.200.000 a 1.500.000 €
OPERATIVI: da 7 a 13 €/MWh
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Comparazione fra tipologie di impianti di up-grading in base ai costi di investimento e annui
Fonte: PURIFICAZIONE E UPGRADING DEL BIOGAS IN BIOMETANO – Provincia di Treviso; Ascopiave
Conclusioni
Il biometano coniuga il vantaggio di essere un carburante prodotto dafonti rinnovabili e la possibilità di appoggiarsi alla reteinfrastrutturale del metano già esistente
La tecnologia è pronta e pertanto il biometano costituisce una delleconcrete soluzioni nel panel dei biocombustibili (Direttiva2009/28/EC) per il raggiungimento del target europeo del 10% deicarburanti prodotti da fonte rinnovabile
I limiti da superare per il biometano:
1. ostacoli normativi ( leggi, accise, distribuzione,...)
2. definizione di un sistema di incentivazione
3. Implementazione delle tecniche di purificazione e upgradingnell’ottica di una commercializzazione diffusa e competitiva che siadatti alle differenti esigenze di applicazione ( qualità del gas, tagliaimpiantistica, utilizzi,...) incentivo ad oggi commercialmentesensato compreso fra 0,28 e 0,3 €/Nm3
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ENVIRONMENT PARKParco Scientifico Tecnologico per
l’Ambiente
Via Livorno 60, 10144 TORINO (I)
Paola Zitella
www.envipark.com
Thanks !
Sostenibilità ed efficienza dell'energia
da biomasse in Piemonte