PSA bei der Biogasaufbereitung: Wie die Druckwechseladsorption funktioniert

PSA (Pressure Swing Adsorption) ist ein Verfahren der Biogasaufbereitung, bei dem CO₂ unter erhöhtem Druck selektiv an einem festen Sorbens (meist einem Kohlenstoffmolekularsieb oder Zeolith) adsorbiert und nach Druckabsenkung wieder desorbiert wird. Da eine einzelne Kolonne gesättigt wird, hat die Anlage mehrere davon (in der Regel vier bis sechs), die zyklisch arbeiten, sodass der Biomethanstrom kontinuierlich ist. PSA ist eine bewährte und preislich wettbewerbsfähige Lösung, die allerdings eine präzise Automatisierung erfordert.

Phasen des Zyklus

1. Adsorption – das getrocknete und verdichtete Biogas (Größenordnung einiger bar) strömt durch die Kolonne. CO₂ adsorbiert am Sorbens, und das Methan verlässt die Kolonne als Produkt.
2. Druckausgleich – die gesättigte Kolonne gibt Gas an die regenerierte Kolonne ab, wodurch Druckenergie und ein Teil des Methans zurückgewonnen werden.
3. Entspannung und Desorption – der Druck sinkt auf ein Niveau nahe dem Atmosphärendruck, häufig auf Vakuum, und das CO₂ wird freigesetzt.
4. Spülung – ein Teil des reinen Gases strömt durch die Kolonne, um das restliche CO₂ auszuspülen.
5. Wiederaufbau des Drucks – die Kolonne wird auf die nächste Adsorption vorbereitet.

Die Kolonnen sind über Ventile gekoppelt, die von einer SPS (PLC) gesteuert werden. Die Effizienz hängt von der Dauer der einzelnen Phasen, der Korngröße des Sorbens, der Temperatur und der Feuchte des Gases ab.

Wie das Sorbens die Gase „unterscheidet“

Kohlenstoffmolekularsiebe wirken hauptsächlich kinetisch: CO₂ diffundiert schneller in die Poren als CH₄, sodass das Methan in der kurzen Adsorptionszeit keine Zeit hat, sich zu binden. Zeolithe wirken eher nach dem Prinzip des Adsorptionsgleichgewichts und binden CO₂ aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen stärker. Im Biogas sind auch Stickstoff und Sauerstoff enthalten, die PSA in der Regel nicht wirksam entfernt; ihr Gehalt im Biomethan liegt daher nahe dem im Einsatzgas, was eine Qualitätskontrolle am Eingang erfordert.

Voraussetzungen

Das Sorbens wird leicht durch Schwefelwasserstoff, Wasser, flüchtige organische Verbindungen (VOC), Siloxane und Ammoniak vergiftet. Deshalb werden vor der PSA eine Entschwefelung (biologisch und/oder Aktivkohlefilter), eine Trocknung durch Abkühlung und Kondensation sowie Koaleszenzfilter installiert. Eine höhere H₂S-Konzentration verkürzt unmittelbar die Lebensdauer des Sorbens und erhöht die Austauschkosten.

Methanverluste und Energie

Die Methanverluste hängen von der Zahl der Kolonnen, dem Ausgleichsschema und der Nachverbrennung des Off-Gases ab. Moderne Systeme erreichen in der Regel etwa 1% oder weniger, ältere – einige Prozent. Das Off-Gas enthält CO₂ und eine gewisse Menge CH₄, daher wird es häufig zurückgeführt oder an eine Oxidationsanlage (RTO) geleitet. Der Bedarf an elektrischer Energie – Verdichtung und Vakuum – ist ähnlich wie bei Membranen und liegt in der Größenordnung von 0,2–0,3 kWh/m³ Biogas; die konkreten Werte hängen vom Projekt und vom Umfang der Bilanz ab.

Vor- und Nachteile

Ein Betriebsproblem ist mitunter der Verschleiß der Ventile, da jeder Zyklus viele Umschaltvorgänge bedeutet. Eine sachgemäße Wartung und ein Ersatzteilvorrat sind für die Verfügbarkeit wichtig.

Fragen an den Lieferanten

• Wie hoch sind die garantierten Methanverluste im gesamten Lastbereich?
• Wie lang ist die voraussichtliche Lebensdauer des Sorbens und was kostet sein Austausch?
• Erfüllt das Off-Gas die Emissionsanforderungen ohne zusätzliche Anlagen? Wenn nicht, wie hoch sind die Kosten des Nachverbrennungssystems?
• Wie kommt das System mit schwankender Eingangszusammensetzung zurecht (z. B. nach einem Substratwechsel)?
• Wie hoch ist der Stromverbrauch für das Gesamtsystem, einschließlich Trocknung und Verdichtung?

Illustratives Beispiel

Annahmen: 1000 m³/h Biogas, 55% CH₄, Verluste 1,0%, Energieverbrauch 0,25 kWh/m³ Biogas, 8000 h/Jahr. Stromverbrauch: 1000 × 0,25 × 8000 = 2000 MWh/Jahr. Methanverluste: 550 × 0,01 × 8000 = 44.000 m³ CH₄ ≈ 440 MWh. Wenn das Off-Gas eine Nachverbrennung mit Brennstoff erfordert, kommen zusätzliche Kosten und Emissionen hinzu, die in der Kalkulation zu berücksichtigen sind.

Verfügbarkeit und Betrieb

In einer PSA-Anlage betreffen Ausfälle meist nicht das Sorbens, sondern das System aus Ventilen und Sensoren, daher lohnt es sich, nach der Zahl der Zyklen zu fragen, für die die Armaturen ausgelegt wurden, sowie nach der Verfügbarkeit von Ersatzteilen in Polen. Gute Praxis ist die Fernüberwachung der Schlüsselindikatoren: Druckdifferenzen in den Kolonnen, Temperatur und Taupunkt des Gases am Eingang sowie die CH₄-Konzentration im Off-Gas. Ein Rückgang der Trocknungsqualität oder ein Anstieg von H₂S am Eingang lässt sich früher erkennen, als es zu einer dauerhaften Schädigung des Sorbens kommt. Viele Betriebe schließen einen Servicevertrag mit garantierter Reaktionszeit ab und rechnen die Kosten für den Sorbensaustausch auf den Preis je Kubikmeter Biomethan um, was den Vergleich mit konkurrierenden Technologien erleichtert.

Zusammenfassung

PSA ist eine ausgereifte Technologie mit guter Effizienz, ihre Wirtschaftlichkeit hängt jedoch von der Qualität des Eingangsgases und der Art der Verwertung des Off-Gases ab. Bei einer hohen Zahl von Zyklen ist die Zuverlässigkeit der Armaturen entscheidend.