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 1 Sostenibilità ed efficienza dell'energia da biomasse in Piemonte

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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.

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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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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

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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.

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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

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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

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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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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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da biomasse in Piemonte

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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

[email protected]

www.envipark.com

Thanks !

Sostenibilità ed efficienza dell'energia

da biomasse in Piemonte