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Digestione anaerobica di reflui e biomasse: metodi e tecniche per la produzione di biogas Palazzo Cittanova, Cremona 8 giugno 2011
Criteri di dimensionamento e tipologie di impianti per la produzione di biogasproduzione di biogasF. Malpei, R. Canzianif l i@ li i [email protected]
DIIAR Politecnico di Milano
2Indice
1. Biodegradabilità anaerobica
2. Criteri di dimensionamento Parametrici
Cinetici
3. Tipologie e classificazione degli impianti
4. Alcuni benchmark
DIIAR – Sezione Ambientale Malpei & Canziani
Produzione biogas in un digestore:da cosa dipende?
degradabilità anaerobica dei substrati alimentati
t i di di i t fi i parametri di dimensionamento e configurazione adottata per l’impianto
Efficienza e stabilità del digestoredi d d t li t idipendono da tali parametri
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Degradabilità anaerobica intrinseca
• La degradabilità anaerobica intrinseca o fattore di biodegradabilita’ indica la frazione della sostanza organica contenuta nel substrato che può essere biodegradata per via anaerobicapuò essere biodegradata per via anaerobica
• F = BMP/(Sin • 0,35)( , )
• Sin (kgCODin) pari alla quantità di substrato del campioneBMP (N 3CH ) i d i di t tt ibil d l• BMP (Nm3CH4) massima produzione di metano ottenibile dal campione in condizioni ottimali
• F = BMP/(Sin • •0,35)
• S (kgSVin) pari alla quantità di substrato del campione• Sin (kgSVin) pari alla quantità di substrato del campione • (kgCOD/kgSV) parametro che indica il rapporto tra COD e SV del
substrato
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• BMP (Nm3CH4) produzione di metano ottenibile dal campione
Degradabilità anaerobica intrinseca
• F varia in un’ampio intervallo: 0 4 0 99• F varia in un’ampio intervallo: 0,4 – 0,99
• Il fattore di biodegradabilità è una caratteristica intrinseca del substrato, non può essere modificato, se non:
• attraverso pre-trattamenti atti a rendere attaccabili e biodegradabili i composti recalcitrantibiodegradabili i composti recalcitranti
d d d li i d i f tt i i ib ti l ti l• prevedendo ed eliminando i fattori inibenti legati al substrato stesso (NH3, H2S, …..)
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Valori di benchmark per BMP(Nm3CH4/tSV) Al Saedi et al., (2008)
F = 1 per substrato con
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Al Saedi et al., (2008)pcomposizione tale per cui 1 gSV = 1 gCOD
7TECNICHE POSSIBILI DI PRE-TRATTAMENTO
( & )
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(Pérez-Elvura & Fdz-Polanco, 2009)
8PRE-TRATTAMENTI PER AUMENTARE L’IDROLISI
Confronto velocità di produzione (gCOD/L/d) degli acidi volatili tra DIGESTORI ANAEROBICI PROCESSI ENZIMATICI NATURALI (G i tDIGESTORI ANAEROBICI e PROCESSI ENZIMATICI NATURALI (Guiot, 2009):
Combinazione di in digestori: 6 nel rumine: 18
Combinazione di •Attività enzimatica•Variazioni di pH
nell’intestino delle termiti: 225 (!!)p
•Azione meccanica
Miglioramenti del processo ottenibili:Miglioramenti del processo ottenibili: Creando condizioni che stimolino la produzione endogena di enzimi
Aggiungendo enzimi idrolitici dall’esterno Aggiungendo enzimi idrolitici dall esterno
… (Ricerca!!)
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Pre-trattamenti meccanici (triturazione, sfibratura,..)
• Rendono più rapido il processo, ma non cambiano il BMP
BMP
Velocità
Paglia di frumento - Dumas et al 2010
idrolisi
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Paglia di frumento - Dumas et al., 2010.
Dal BMP al dimensionamento e all’efficienza dei digestori
Obiettivi del dimensionamento: massima efficienza degradativa:degradativa:
SMPR* / BMP 1R
*SMPR = produzione effettiva di metano del digestore (Nm3CH4/kgSVin)
Obiettivi della gestione:
1 per t = 0 – 365 giorni;
oppure:• VFA valore benchmark
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VFA valore benchmark• H-Ac valore benchmark
Le quattro fasi in seriePROTEINE GRASSI CARBOIDRATIPROTEINE GRASSI CARBOIDRATImacromolecole
organiche complesse
rolis
i
1A
AMMINOACIDI ACIDI GRASSI MONOSACCARIDIidr
nesi
RO
FIC
Aag
gio’ ALCOLI, CHETONINH3
acid
ogen2
TEN
A T
Ri ‘
smon
ta
ogen
esi
3
ACIDI GRASSI VOLATILI
•C
AT
•o
di
acet
oes
i
ACIDO ACETICO
4
met
anog
en
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CH4 CO2+ CH4H2 + CO2
m
biogas
Bilancio della velocità delle singole fasi
IDROLISI/ACIDOGENSIk = α
ACETOGENESIkacetogenesi = β
(kgCOD /d)
METANOGENESIkmetanogenesi = γ
kacidificazione = α(kgCODVFA/d)
(kgCODacetato/d) (kgCODCH4/d)
α ≤ β ≤γ
• squilibrio tra la velocità >>>• squilibrio tra la velocità >>>• accumulo prodotti intermedi >>>
• tossicità e inibizione a carico di una o più fasi
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tossicità e inibizione a carico di una o più fasi
DIMENSIONAMENTO DEL PROCESSO
• Determinare il volume del o dei digestori, nell’ambito e in funzione di altre scelte progettuali (temperatura, numero di stadi o p g ( p ,fasi, configurazione reattore, tenore SST, ecc.)
t dgarantendo
• adeguata capacità metabolica del reattore ( carico di substrato alimentato nell’unità di tempo )substrato alimentato nell unità di tempo )
• adeguato tempo di permanenza nel reattore• adeguato tempo di permanenza nel reattore
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DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO
Sulla base di:
• carico organico volumetrico (CV o OLR organic loadingrate kgSV·m-3
di t ·d-1)rate, kgSV m digestore d )
• tempo di residenza nel reattore (HRT espresso in giorni)tempo di residenza nel reattore (HRT, espresso in giorni)
Approccio di ampio e generale utilizzo
Semplicità e numerosi riferimenti, pur sussistendo ampi intervalli di valori
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Carico organico volumetrico (Cv o OLR)Carico organico volumetrico (Cv o OLR)
SVkgC
3digestoredigestore
org
3digestore
SV
mVd
C
dmkgOLR
ggg
Troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei t i imetanigeni
Troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogaspuò essere aumentato e così la produzione di biogas.
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Tempo di permanenza idraulico (HRT)Tempo di permanenza idraulico (HRT)
mV 3di tdi t
dm
Q
mVdHRT 3
digestore al alimentatidigestore
digestoredigestore
Troppo basso: degradazione non completa, rischio dil t bi
dilavamento biomassa Troppo alto: degradazione completa e massima
produzione di biogas I volumi del digestore sono peròproduzione di biogas. I volumi del digestore sono però molto elevati
2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 30 giorni: reflui zootecnici > 50 giorni: matrici ligno-cellulosiche
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50 giorni: matrici ligno cellulosiche
DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO
OLR ed HRT sono tra loro dipendenti, in proporzione inversa in ragione della concentrazione C (kgSV/m3) inversa, in ragione della concentrazione C (kgSV/m )
presente nel substrato:
OLR = Portataalim·Calim/Vdigestore = Calim/HRT
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DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO
12 014,016,0
ore/
d) Xs (2%)Xs (4%)Xs (8%)
8 010,012,0
m3
reat
to Xs (8%)Xs (12%)Xs (16%)
4,06,08,0
kgSV
/m Xs (20%)
0,02,0
CV
(k
0 20 40 60 80 100HRT (giorni)
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Parametro limitante: OLR o HRT ?
• Nella digestione anaerobica di substrati semplici (carboidrati semplici, amidi, permeato del siero, ..) il(carboidrati semplici, amidi, permeato del siero, ..) il processo limitante è la METANOGENESI ►► OLR
• Nella digestione anaerobica di substrati “complessi” g p(particolati, fibrosi, elevato tenore di cellulosa, …) il processo più lento e limitante è l’ IDROLISI –ACIDIFICAZIONE ►► HRT
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DIGESTORI AGRO-ZOOTECNICI
Effetto del carico organico volumetrico sull’efficienza di Effetto del carico organico volumetrico sull’efficienza di degradazione, rispetto al massimo raggiungibiledegradazione, rispetto al massimo raggiungibile
(Linke & Mahnert, 2005)
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BMP
Rendimento di degradazione vs. portata specifica volumetrica
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LIMITI DEL DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO
• non correla il dimensionamento all’efficienza di degradazione richiesta;
• non include l’effetto delle condizioni operative (T°, pH), né di eventuali fattori inibenti;
• non consente di prevedere l’effetto di variazioni di carico o di HRT o di biodegradabilità anaerobica del substratodi HRT o di biodegradabilità anaerobica del substrato sull’efficacia del processo e sulla produzione di biogas;
ff l li i ll i ll• offre pertanto solo limitato supporto nella gestione e nella ottimizzazione del processo.
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DIMENSIONAMENTO CINETICO
• I limiti del sistema parametrico possono essere superati con l’adozione di criteri di dimensionamento e gestione basati sulla valutazione ed il calcolo della velocità con cui avvengono i vari processi o i principali e più vincolanti di questi
• Modelli a 1 componente (substrato in alimento, COD o SV), 1 biomassa batterica, 1 processo (= 1 equazione di bilancio)
• Modelli a 2 substrati (substrato in alimento + VFA) 2 biomasse e 2• Modelli a 2 substrati (substrato in alimento + VFA), 2 biomasse e 2 processi (= 4 equazioni di bilancio) A MO CO Model (FAIR
• Modelli generali e completi del processo Anaerobic Digestion Model 1 – IWA
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FM1
Diapositiva 23
FM1 Advanced Monitoring and Control of anaerobic digestionFrancesca Malpei; 21/02/2011
ELEMENTI DI CONFRONTO TRA I DUE CRITERI
Il dimensionamento con metodi parametrici offre molti i ( li i à di ibili à di i divantaggi (semplicità, disponibilità di parametri di
riferimento, ecc.), ma ha dei limiti che si manifestano soprattutto nel caso di ampia e continua variabilità dellesoprattutto nel caso di ampia e continua variabilità delle condizioni di carico, dimensionamento ad elevati OLR ed ottimizzazione spinta del processo.p p
Il dimensionamento (e soprattutto la gestione) sulla base delle cinetiche delle varie fasi del processo offre molti vantaggi teorici in termini di ottimizzazione e controllo del processo.
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Classificazione/tipologia dei digestori (1)
I b l di diIn base al numero di stadi:
MONO-STADIO
BI STADIO (metanogenesi + BI-STADIO (metanogenesi + metanogenesi/campana)
S (id li i/ id i) BI-FASE (idrolisi/acidog. + metanogenesi)
PLURI-STADIO (idro/acid.+metano+ metano/campana)
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Schema semplificato monostadio, senza riscaldamento
b t i di t irotovaglio
biogas agli utilizzi
serbatoio di stoccaggiorotovaglio
sistema galleggiante di lt
frazione solida
raccolta gas
vasca di raccolta lagone o vasca di accumuloe sollevamento
Circa 25 m3/anno biogas per 100 kg di peso vivo suino(CRPA)
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Digestore semplificato (plug-flow) per solo liquame
s is tem a di copertura e
rotovaglio
praccolta biogas a s ingola
o a doppia m em brana
biogas agli utilizziCostruzione semplice ed economica (HRT = 20 – 60 d)
frazione solida
L’assenza di miscelazione comporta:
di ità di °T H b tt ifrazione solida
vasca di raccolta e sollevam ento
energia elettrica
acqua calda• disomogeneità di °T, pH, conc. batterica• formazione crosta superficiale • elevato contenuto di organico in uscita
s is tem a di riscaldam ento
elettrica
biogas
cogeneratore
Impiego limitato agli allevamenti cogeneratore
Circa 35 m3/anno biogas per 100 kg di peso vivo suino
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Circa 35 m /anno biogas per 100 kg di peso vivo suino(fonte CRPA)
BI-STADIO (solo parziale separazione delle fasi)
Schema impiantistico più comune
Ali i i l i iAlimentazione e miscelazione continue
Separazione dell’alimentazione tra liquame e matrici solidi (necessario corretto bilanciamento tra le due)
La separazione delle fasi (idrolisi/fermentazione e p ( /acetogenesi/metanogenesi) NON E’ NETTA
Sistema molto stabile, grazie a lunghi tempi di
Schema di riferimento delle linee guida EU AgroBiogas
Sistema molto stabile, grazie a lunghi tempi di permanenza
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Schema di riferimento delle linee guida EU AgroBiogas
Digestore a due fasi
PROTEINE
GRASSI
CARBOIDRATI
Primo reattore
idrolisi/acidogenesi
ACIDI GRASSI MONOSACCARIDIAMMINOACIDI
idrolisi/acidogenesi
- basso HRT
- alto OLR > 10 kgVS/m3dALCOLI,CHETONI
ACIDI GRASSIVOLATILI,
C C
NH3
Secondo reattore
H2 + CO2 ACIDOACETICO
C3 , C4
ACIDOFORMICO
Secondo reattore
metanogenesi
- alto HRT
CO2CH4CH4
- basso OLR < 4 kgVS/m3d
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Classificazione/tipologia dei digestori (2)
In base al valore di carico organico alimentato (OLR):
Agro-zootecnia
BASSO OLR (< 4-5 kgSV/m3/d)
Agro zootecnia
BASSO OLR (< 4 5 kgSV/m /d)
ALTO OLR (> 5 – 10 kgSV/m3/d)
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Sistemi alto carico per reflui industriali
Tecnologie di digestione sviluppate DA DIVERSI ANNI per trattare scarichi ad elevate concentrazioni di sostanza organica in formascarichi ad elevate concentrazioni di sostanza organica, in forma
prevalentemente disciolta:
Formazione di un letto di fango e granulazione della biomassa (UASB e derivati)
Sistemi a biomassa adesa Sistemi a biomassa adesa
• Filtri anaerobici up-flow o down-flow• Letti fluidiLetti fluidi
MBR anaerobici
OLR compresi nell’intervallo:
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5 – 40 kgSV/m3/d
AnMBR al servizio di un caseificio (Daisy Brand, Texas)
Siero e acque lavaggio
Mesofilia
Q = 190 m3/d
Rendimento = 99,7 %
CH4 prodotto ≈ 4000 Nm3/dQ = 190 m3/d
CODin = 60 kg/m3
4 p
~ 14.000 kWhel/d
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CODout = 0,2 kg/m3
Classificazione/tipologia dei digestori (3)
In base alla temperatura:
MESOFILIA
TERMOFILIA TERMOFILIA
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38Vantaggi termofilia
d l ù d d b l Idrolisi e conversione più rapida di substrati complessi (biomasse vegetali)
Più elevata resa di degradazione a pari volume reattore Più elevata resa di degradazione, a pari volume reattore (maggior abbattimento SV, minori concentrazioni SV nell’effluente)
Produzioni potenziali massime (BMP) più elevate (da p ( ) p (approfondire caso per caso)
Più elevato abbattimento microrganismi patogeni (CLASS A Bi lid d EPA)Biosolids secondo norma EPA)
Minor sviluppo schiume
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39Svantaggi termofilia
Fabbisogni termici più elevati, maggiori superfici di scambio per riscaldamento
Tenori inferiori di metano nel biogas (+ vapor acqueo e + CO2)Indipendentemente dalla condizione di processo
d tt t EVITARE VARIAZIONI DI T° / 1 2 °C Maggior concentrazione NH3 disciolta > rischio i ibi i
adottata, EVITARE VARIAZIONI DI T° > +/- 1 - 2 °C
inibizione
M i i hi t l bi di ti Maggior arricchimento nel biogas di composti organici volatili
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Classificazione/tipologia dei digestori (4)
In base al tenore di SST/SSV in alimento/nel reattore:reattore:
AD UMIDO (SSV digestore < 10 %)Maggior diffusione inAD UMIDO (SSV digestore < 10 %)
A SECCO (SSV digestore > 20 %)diffusione in ambito agro-zootecnico
Efficacia della digestione sul contenuto di SSV nel digestore (e nel digestato):(e nel digestato):
efficacia elevata: SSVdigestore << SSV alimento
efficacia modesta: SSV digestore < SSV alimento
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Funzionalità ed oneri della miscelazione
Digestori a secco Schemi impiantistici semplificati (OLR > 8 kgCOD/m3/d)
A. Dranco; B. Kompogass; C. Valorga
Ambito agro-zootecnico (AN)
Impianto bi stadio con primario a seccoImpianto bi-stadio con primario a secco
Letame bovino, insilati, paglia, ..www.eisenmann.com/
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www.eisenmann.com/
www.terra-viva.it/default.asp?idm=10
Classificazione/tipologia dei digestori (5)
In base al regime idraulico:
A MISCELAZIONE COMPLETA (CSTR)In teoria, a pari volume, maggiori rese nel flusso a pistone
FLUSSO A PISTONE (PLUG-FLOW)rispetto a CSTR ma, nella pratica:
•Necessario ricircolo o inoculo
inputinput
biogasbiogas
M•Sedimentazione materiale solido particolato > accumuli
re-inoculation
inputinputll compostcompostss
liq idliq id
•Efficace negli impianti a SECCO
liquid fertilizerliquid fertilizer
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Benckmark – DA digestori austrici (Pfeiffer, 2007)
500 kWel
Mais insilato + suinoMais insilato + suino
•56/34 in termini di massa in ingresso (+ 10% acqua)
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•95,6/4,4 in termini di energia in ingresso
Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)
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Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)
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Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)
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Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)
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Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)
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Censimento/Benchmark impianti DAin Provincia di Cremona
In provincia di Cremona, al 2010, 51 impianti (in esercizio, in autorizzazione):
ANNO RICHIESTA
DOMANDA
N° IMPIANTI
2006 32006 3
2007 4
2008 42008 4
2009 10
2010 302010 30
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Censimento/Benchmark impianti DAin Provincia di Cremona
BIOMASSA IN INGRESSO N° IMPIANTI
Trinciati 5
Reflui animali 0
Trinciati + Reflui animali 32
Sottoprodotti agroindustriali + trinciati 3Sottoprodotti agroindustriali + trinciati 3
Trinciati + Reflui animali +Sottoprodotti 7
Scarti macellazione 1
FORSU + sottoprodotti + reflui + insilati 2
G ll d 1Granella verde 1
Non disponibile 1
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Censimento/Benchmark impianti DAin Provincia di Cremona
• Principali caratteristiche dei digestori:
N° DIGESTORI N° IMPIANTI
1 3
FORMA N° IMPIANTI
1 3
2 28
3 16
Cilindrica 45
Rettangolare 5
4 4 Ad anello 1
TEMPERATURA
PROCESSO
N° IMPIANTI
Mesofilo (30-40°C) 33
SISTEMA DI
RISCALDAMENTO
N° IMPIANTI
Interno 37( )
Termofilo (50-57°C) 3
Mesofilo e Termofilo 3
D ti di ibili 12
Interno 37
Esterno 7
Dati non disponibili 4
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Dati non disponibili 12
Finanziata come Progetto Emblematico da Fondazione Cariplo
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Tre linee di azione
Linea di ricerca applicata: Pre-trattamenti per aumento degradabilità; Sviluppo di nuove tecniche per la rimozione dell’ammoniaca dal
digestato Modellistica e controllo per miglioramento delle rese energetiche degli p g g g
impianti ……
Linea servizi Valutazione ed ottimizzazione del processo Supporto all’avvio e alla conduzione Analisi di routine Studi di fattibilità Studi di fattibilità Testing e collaudiIndagini e censimenti
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…...
Linea “osservatorio”
L’Osservatorio, rivolto a soggetti pubblici e privati, riunisce i di i t t i di i t i i i t di f tdiversi portatori di interessi in un unico punto di confronto, propone azioni formative, monitora gli andamenti del settore ed i nuovi trend tecnologici ed economici emergenti, rende disponibili tutte le conoscenze ed esperienze maturate nei diversi ambiti di Fabbrica.
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http://www.fabbricabioenergia.polimi.it
Grazie per l’attenzione
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