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OrizzontEnergia

Biogas

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COS'E' IL BIOGAS

Impianto a biogas da matrici agricoleIl biogas è una miscela di gas prodotta in seguito ad un processo di digestione anaerobica di materiale organicoorganico
Aggettivo applicato a qualunque sostanza abbia origine animale o vegetale.
 di origine vegetale o animale.

Durante il processo di digestione anaerobica, alcuni batteri provvedono a decomporre il materiale organico, in ambiente privo di ossigeno, producendo una miscela gassosa formata da metanometano
Idrocarburo che rappresenta il costituente principale del gas naturale.
 (50÷70%)
, anidride carbonica (30÷40%) e tracce di altri gas.

Il principale utilizzo energetico del biogas avviene in impianti di cogenerazionecogenerazione
Processo di produzione congiunta di energia elettrica e calore utile, in cascata, che può essere impiegato per scopi industriali (calore di processo) o per il teleriscaldamento. La cogenerazione comporta un sensibile risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata di elettricità a calore.
 che producono contemporaneamente calore ed elettricità.

COME NASCE E SI FORMA

LE MATERIE PRIME

Il biogas viene ricavato dalla lavorazione di diversi tipi di materiali organici: colture dedicate, residui agricoli, effluenti zootecnici, scarti e sottoprodotti dell'industria agro-alimentare, acque e fanghi reflui, frazione organica dei rifiuti organici.

  • Colture dedicate: questa soluzione può essere utile a ridurre la sovrapproduzione agricola in alcune aree europee, ma anche mette a frutto i terreni incolti e a riposo (terreni set aside), o aree irrigate con acque recuperate dai depuratori urbani. In particolare, le principali colture energetiche per il biogas sono il mais, il sorgo e il triticale.
  • Effluenti palabili suini e bovini: il contenuto di sostanza secca oscilla tra il 18% e il 35%, in base al tipo di allevamento e alla quantità di paglia aggiunta nelle stalle.
  • Effluenti pompabili suini e bovini: i contenuti di sostanza secca, sfruttabile per fini energetici, può variare tra una percentuale del 1% e 6% per il liquame suino e del 8% e 15% per quanto riguarda quello bovino. Per gli effluenti zootecnici, la tecnologia più utilizzata è la digestione anaerobica.
  • Scarti organici e acque reflue dell’agro-industria: le ingenti quantità di prodotti agricoli lavorati dall’industria alimentare producono reflui – come il siero del latte, reflui di produzione di succhi di frutta o di alcool, scarti organici liquidi o semi-solidi dell’industria della carne – spesso avviabili alla digestione anaerobica.

LA DIGESTIONE ANAEROBICA

E’ la digestione anaerobica il processo biochimico attraverso il quale viene prodotto il biogas.

Tale processo di demolizione delle sostanze organiche complesse ad opera di microrganismi che avviene in ambiente privo di ossigeno, si sviluppa essenzialmente in quattro fasi al termine delle quali si ottiene il biogas. Una volta prodotto, esso viene trattato ed utilizzato come combustibile per alimentare per lo più impianti di cogenerazione dove vengono contemporaneamente prodotti calore ed elettricità.

Le quattro fasi della digestione anaerobica

  1. Idrolisi: le molecole organiche biodegradabili più complesse vengono spezzate in molecole più semplici
  2. Acidogenesi: le molecole semplici vengono scisse in molecole ancora più semplici come ad esempio l’acido acetico con produzione di ammoniaca, anidride carbonica e acido solfidrico quali sottoprodotti.
  3. Acetogenesi: le molecole prodotte nel precedente stadio sono ulteriormente digerite producendo biossido di carboniocarbonio
    Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell'atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2CO2
    Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

    ) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante.
    idrogenoidrogeno
    Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell'acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l'idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell'idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell'aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).
     e principalmente acido acetico
  4. Metanogenesi: in condizioni di temperatura e di pHpH
    Il ph indica il grado di acidità o di alcalinità di una soluzione, che è a sua volta dato dalla concentrazione di ioni H+ (cioè un atomo di idrogeno privato del suo unico elettrone). La scala dei valori va da 0 a 14. Il valore 7 indica soluzioni neutre. Un ph inferiore a 7 indica soluzioni acide, un ph maggiore di 7 indica soluzioni alcaline.
    ben precise viene prodotto metano, anidride carbonica anidride carbonica
    (CO2)

    Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosferaatmosfera
    Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
    , fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).
    e acqua.

Queste quattro fasi possono svolgersi per intero in un unico digestore – sistemi monostadio – od avvenire in digestori separati – sistemi multistadio – dove le fasi idrolitica e acidogena avvengono separatamente dalla fase metanogena.

LA TECNOLOGIA

In base alle materie prime utilizzate, gli impianti a biogas possono distinguersi per tecnologia, tipologia di costruzione e sistema di digestione. A seconda poi delle dimensioni e dell’operatività di ciascun impianto vi sono differenti tecnologie di trattamento, stoccaggiostoccaggio
Attività di raccolta e deposito di una determinata risorsa. 
e specifico impiego del biogas prodotto.

In ogni caso, in ogni impianto a biogas, il processo produttivo si articola in tre fasi:

  1. trasporto, stoccaggio ed eventuale pre-trattamento delle materie prime;
  2. produzione, stoccaggio, trattamento e utilizzo del biogas;
  3. stoccaggio del digestato: unico sottoprodotto della digestione anaerobica. Trattandosi di una soluzione organica stabilizzata e contenente un equilibrato mix di elementi fertilizzanti, azotoazoto
    Elemento chimico costituente il 78% dell'aria in volume. L'uso commerciale più diffuso dell'azoto è nella produzione di ammoniaca, sostanza costituente dei fertilizzanti. L'azoto liquido è impiegato anche come refrigerante per il trasporto di alimenti.
    e fosforofosforo
    Minerale presente in alcune rocce ed anche nel corpo umano come elemento strutturale di ossa, denti e cellule. In natura non si trova mai come elemento libero a causa della sua alta reattività. L'uso industriale del fosforo è rappresentato principalmente dalla produzione di fertilizzanti.
    immediatamente assimilabili dalle piante, il digestato ha un valore agronomico elevato in quanto utilizzabile in agricoltura in sostituzione ai concimi chimici, aumentando dunque la sostenibilità della filiera produttiva del biogas.

Filiera biogas

Rappresentazione schematica della filiera del biogas
Fonte: AA.VV. Elab. CIB, 2012

Come si evince in figura, la prima fase del processo di produzione del biogas prevede la raccolta delle materici organiche all’interno di una vasca di stoccaggio. Il secondo step è relativo alla produzione del biogas che in questo caso avviene in co-digestione. Il sottoprodotto del processo di digestione anaerobica, il cosiddetto digestato, viene trasferito in una vasca di stoccaggio per poi essere reimpiegato quale fertilizzante naturale. Il biogas prodotto viene invece trattato ed impiegato nell’unità cogenerativa per la produzione di calore e elettricità e/o inviato all’unità di upgradingupgrading
Insieme di processi chimico-fisici che hanno l'obiettivo di migliorare la qualità delle materie prime (per esempio carbone, petrolio, ecc...).
per la produzione di biometano.

ANALISI ECONOMICA

I COSTI DELLE MATERIE PRIME

Come precedentemente accennato, ci sono diverse modalità per ottenere energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
o energia termicaenergia termica
Calore.
dal biogas, anche grazie al ricorso a materie prime diverse, il cui costo varia in base alla quantità di biogas/metano potenzialmente ottenibile (Potenziale Metanigeno).

Il rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
in biogas, e quindi energetico, del processo di digestione anaerobica è infatti molto variabile e dipende dalla biodegradabilità della sostanza organica trattata. La sostanza organica o i cosiddetti solidi volatili (SV) rappresentano una frazione della sostanza secca della materia prima presa in analisi.

Il Potenziale Metanigeno o BMP, dall’inglese Biochemical Methane Potential, espresso in Nm3/kgSV), può distinguersi come segue:

Materia prima

€ / kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
(reso)

Nm3 CH4/tSV

Colture dedicate

0,10 – 0,17

75 - 110

Effluenti palabili suini e bovini

0,06 – 0,09

30 - 50

Effluenti pompabili suini e bovini

0,03 – 0,05

5 - 20

Esaminando invece le taglie degli impianti si passa va dai piccoli impianti legati alle aziende agricole ai grandi impianti di cogenerazione.

La tabella che segue analizza in linea di massima taglie, costi, durata media vita impianto ed ore di funzionamento della consolidata tecnologia impiantistica di generazione elettrica alimentata da materie prime provenienti da colture energetiche, ed effluenti zootecnici palabili e pompabili.

Costi e taglie impianti a biogas

Come si evince in tabella, l’installazione di un impianto di generazione elettrica a biogas, comporta costi di investimento (CAPEX - Capital Expenditures*) decisamente diversi in base alla taglia, che oscillano dai 7000 €/kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
per un impianto da 50 kW ai 4000 €/kW per un impianto di grande taglia da circa 1000 kW.

In linea generale si può dunque affermare che il costo di ogni kW installato diminuisce all’aumentare della taglia dell’impianto, per cui l’installazione di un impianto di piccola taglia, richiederà in proporzione un investimento iniziale più oneroso rispetto all’installazione di un impianto di media-grande dimensione. Questo vale anche per quanto riguarda i costi di esercizio e manutenzione che variano dai 400 €/anno/kW dei piccoli impianti ai 200 €/anno/kW dei grandi impianti.

Per quanto riguarda invece il cosiddetto Fattore di Utilizzo o Capacity Factor gli impianti da 50 kW si attestano tra le 7500 e le 8000 ore equivalenti di funzionamento alla potenza nominalepotenza nominale
Potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni, generalmente specificate dal costruttore.
, esattamente le stesse registrate per gli impianti di taglia maggiore, dove per ore equivalenti di funzionamento si intende il rapporto tra la produzione elettrica e la potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
installata (kWh/kW), mentre per potenza nominale si intende la potenza massima a cui una macchina può funzionare in determinate condizioni generalmente specificate dal costruttore.

Diversamente dalle bioenergie prodotte dalla combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
di biomasse, l’utilizzo di biogas non produce scarti considerevoli. In particolare, il grande vantaggio del biogas, è la totale assenza di cenericeneri
Materiale di natura inorganica che rappresenta il residuo della combustione del carbone.
e sottoprodotti del processo di generazione elettrica.

*CAPEX - Capital Expenditures: rappresentano flussi di cassa in uscita per la realizzazione di investimenti in attività immobilizzate di natura operativa. Si tratta cioè di investimenti in capitale fisso.

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Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
 sostenibilmente

 

 

ASPETTI POSITIVI E CRITICITA'

L’impiego del biogas rappresenta sempre più una soluzione ai problemi di competitività del comparto agricolo e zootecnico, contribuendo allo stesso tempo alla riqualificazione del settore ed alla creazione di una filiera nazionale sostenibile non solo economicamente, ma anche ambientalmente.

I principali vantaggi legati all’impiego del biogas, dal punto di vista energetico, socio-istituzionale, ambientale ed agricolo, sono:

  • risorsa rinnovabile producibile su scala locale
  • creazione filiera tecnologia nazionale
  • importante contributo alla riduzione dei gas serra, principalmente CO2 e metano: ogni m3 di biogas corrisponde infatti a circa 10 kg di CO2 evitata in ambiente
  • basso livello di idrocarburiidrocarburi
    Composti chimici formati da carbonio e idrogeno che costituiscono il petrolio e il gas naturale. Esistono diverse classificazioni degli idrocarburi a seconda dei legami chimici presenti nelle molecole.
     volatili
  • basso livello di ossidi di azoto (NOx)
  • riutilizzoriutilizzo
    Qualsiasi operazione nella quale il materiale, concepito e progettato per poter compiere, durante il suo ciclo di vita, un numero minimo di spostamenti o rotazioni è riusato di nuovo o reimpiegato per un uso identico a quello per il quale è stato concepito.
    del digestato, unico prodotto residuale della produzione del biogas, in agricoltura quale fertilizzante naturale al posto dei tradizionali concimi di sintesi
  • chiusura del ciclo del carbonio
  • contribuzione all’indipendenza ed alla sicurezza energetica degli approvvigionamenti
  • valenze positive per il sistema elettrico:
    • il biogas contribuisce alla regolazione di frequenza
    • non necessita di impianti di back up come le fonti non programmabili
    • non ha esigenze di bilanciamentobilanciamento
      Servizio svolto dal gestore della rete elettrica al fine di mantenere l'equilibrio tra l'energia immessa e quella prelevata.
      , al contrario, data l’ottima prevedibilità, contribuisce limitatamente al bilanciamento

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Uno degli elementi che invece solleva spesso criticità è quello relativo al potenziale impatto odorigeno di un impianto, qualora non vengano adottate misure preventive di abbattimento degli odori durante la fase di stoccaggio delle biomasse in ingresso o provenienti dalle vasche di stoccaggio e separazione del digestato.

Tra gli altri elementi da monitorare vi sono i possibili impatti paesaggistici ed ambientali, sintetizzati come segue:

  • cambiamento del paesaggio originario visto da insediamenti residenziali e/o determinati punti panoramici o punti di grande fruizione pubblica
  • possibili effetti su flora e fauna dovuti alla perdita della biodiversità o alla frammentazione di habitathabitat
    Termine generico indicante l'ambiente naturale che permette la nascita e lo sviluppo di esseri viventi, animali o vegetali.
    causati dalla conversione di ecosistemi naturali in colture energetiche e dal relativo aumento di fertilizzanti e pesticidi
  • eventuale rischio di immissione nei corpi idrici di eccessive sostanze nutritive (eutrofizzazione) ed inquinamento da pesticidi, se utilizzati
  • maggiore impiego di acqua per la coltura di biomasse dedicate
  • potenziale rischio di inquinamento di corpi idrici derivante da un trattamento non appropriato di reflui o derivante da infiltrazioni o dilavamento delle aree di stoccaggio
  • eventuali impatti acustici nel caso di centri abitati in vicinanza e assenza di barriere mitigatrici

Gli incentivi al biogas

Il Decreto Ministeriale del 6 luglio 2012 regola le nuove modalità di incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti alimentati da fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
, diverse da quella solare fotovoltaica, con potenza non inferiore a 1 kW.

Gli incentivi previsti dal Decreto si applicano agli impianti nuovi, integralmente ricostruiti, riattivati, oggetto di intervento di potenziamentopotenziamento
Operazioni grazie a cui è possibile aumentare la potenza di un impianto, migliorandone allo stesso tempo il rendimento.
o di rifacimento, entrati in esercizio a partire dal 1° gennaio 2013.

Incentivi biogas

Tra le altre modalità di incentivazione alle rinnovabili elettriche non fotovoltaiche vi sono poi i Certificati VerdiCertificati Verdi
I certificati verdi, introdotti con il cosiddetto decreto Bersani sulla liberalizzazione del settore elettrico, costituiscono una forma di incentivazione dell'energia prodotta con fonti rinnovabili. Essi vengono assegnati agli impianti rinnovabili entrati in funzione dopo il 1° aprile 1999 che producono energia elettrica, ad esclusione della fonte solare. Dal 2002, produttori e importatori di energia elettrica prodotta da fonti non rinnovabili hanno l'obbligo di immettere ogni anno in rete una certa quota di energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili. L'obbligo può essere soddisfatto anche attraverso l'acquisto di CV da altri soggetti. La quota imposta (cioè la percentuale di energia da rinnovabili rispetto a quella prodotta con fonti tradizionali) è decretata per legge.
Certificati Verdi I certificati verdi, introdotti con il cosiddetto decreto Bersanidecreto Bersani
Decreto legislativo n. 79 del 16 marzo 1999, recepimento italiano della direttiva Comunitaria 96/92/CE, in cui vengono stabilite le norme che regolamentano la liberalizzazione del mercato elettrico. In sintesi, l'ordinamento sancisce che le attività di produzione, importazione, vendita e acquisto di energia elettrica sono attività libere, avviando in questo modo le basi di un mercato in cui a fronte di una domanda "libera di scegliere" c'è un'offerta concorrenziale da parte degli operatori elettrici.
sulla liberalizzazione del settore elettrico, costituiscono una forma di incentivazione dell'energia prodotta con fonti rinnovabili. Essi vengono assegnati agli impianti rinnovabili entrati in funzione dopo il 1° aprile 1999 che producono energia elettrica, ad esclusione della fonte solare. Dal 2002, produttori e importatori di energia elettrica prodotta da fonti non rinnovabili hanno l'obbligo di immettere ogni anno in rete una certa quota di energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili. L'obbligo può essere soddisfatto anche attraverso l'acquisto di CV da altri soggetti. La quota imposta (cioè la percentuale di energia da rinnovabili rispetto a quella prodotta con fonti tradizionali) è decretata per legge.
, titoli negoziabili rilasciati dal GSE che costituiscono una forma di incentivazione dell’energia prodotta con impianti qualificati IAFR (impianti alimentati da fonti rinnovabilifonti rinnovabili Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili: - il sole - il vento - l'acqua - la geotermiageotermia
È una forma di energia termica accumulata nelle profondità terrestri grazie al flusso di calore proveniente dal mantello e dal nucleo del pianeta. Lo sfruttamento dell'energia geotermica avviene soltanto in zone particolari dove questo fenomeno è particolarmente attivo (per esempio in prossimità di vulcani, geyser, soffioni, ecc...). Essa trova impiego sia nella produzione di energia elettrica che nella produzione di calore per usi industriali o civili (geotermia a bassa entalpia).
- le biomasse
), e la Tariffa Omnicomprensiva, un meccanismo di incentivo previsto dalla Legge Finanziaria 2008 riservato agli impianti IAFR entrati in esercizio dopo il 31 dicembre 2007, di potenza nominale media annua non superiore ad 1 MW o 0,2 MW per gli impianti eolici.

Clicca qui per saperne di più.

Il biogas in Italia

Mappa produzione biogas 2012_ItaliaIn Italia l’attenzione da anni rivolta allo sviluppo delle energie rinnovabilienergie rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
, ha portato la generazione elettrica da biogas a giocare un ruolo piuttosto importante nel panorama energetico nazionale.

Come si evince dal Rapporto Statistico 2012 “Impianti a Fonti Rinnovabili - Settore Elettrico” del GSE, il biogas, con il 67%, rappresenta la tipologia impiantistica più numerosa tra gli impianti alimentati a bioenergie, che a loro volta coprono l’8% dell’intero parco impianti rinnovabile.

Sui 3.802 MW di potenza ascrivibile ad impianti alimentati a bioenergie, il 35,3% proviene da impianti a biogas di taglia inferiore ad 1 MW.

Le regioni italiane che eccellono nella produzione di gas sono quelle del nord e del centro-nord, che insieme coprono l’82% della produzione nazionale con l’82%. Tra le regioni centro-meridionali si distinguono invece il Lazio (3,8%), la Toscana (3,2%), le Marche (2,3%) e la Puglia (1,8%).

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