PSA en la purificación de biogás: cómo funciona la adsorción por cambio de presión

El PSA (Pressure Swing Adsorption) es un método de purificación de biogás en el que el CO₂ se adsorbe selectivamente sobre un sorbente sólido (generalmente tamiz molecular de carbono o zeolita) a presión elevada, para luego desorberse al reducirla. Dado que una sola columna se satura, la instalación cuenta con varias (normalmente entre cuatro y seis) que funcionan de manera cíclica, garantizando así un flujo continuo de biometano. El PSA es una solución probada y competitiva en términos de coste, aunque requiere una automatización precisa.

Fases del ciclo

1. Adsorción – El biogás secado y comprimido (del orden de varios bares) fluye a través de la columna. El CO₂ se adsorbe en el sorbente, mientras que el metano sale como producto.
2. Igualación de presiones – La columna saturada transfiere gas a la columna tras la regeneración, lo que permite recuperar la energía de presión y parte del metano.
3. Despresurización y desorción – La presión desciende hasta niveles cercanos a la atmosférica, a menudo hasta vacío, y el CO₂ se libera.
4. Purgado – Una parte del gas purificado fluye a través de la columna para eliminar el CO₂ residual.
5. Nueva elevación de presión – La columna se prepara para la siguiente adsorción.

Las columnas están acopladas mediante válvulas controladas por un autómata PLC. La eficiencia depende del tiempo de cada fase, el tamaño de los granos del sorbente, la temperatura y la humedad del gas.

Cómo el sorbente "diferencia" los gases

Los tamices de carbono actúan principalmente por cinética: el CO₂ difunde hacia los poros más rápidamente que el CH₄, por lo que, en un corto tiempo de adsorción, el metano no llega a unirse. Las zeolitas actúan más bien por equilibrio de adsorción y retienen el CO₂ con mayor fuerza gracias a interacciones electrostáticas. En el biogás también están presentes nitrógeno y oxígeno, que el PSA no suele eliminar eficazmente; su contenido en el biometano es, por tanto, similar al de la alimentación, lo que exige un control de calidad en la entrada.

Requisitos previos

El sorbente se envenena fácilmente con sulfuro de hidrógeno, agua, compuestos orgánicos volátiles (COV), siloxanos y amoníaco. Por ello, antes del PSA se instalan sistemas de desulfuración (biológicos y/o filtros de carbón activado), secado por enfriamiento y condensación, así como filtros coalescentes. Una mayor concentración de H₂S acorta directamente la vida útil del sorbente e incrementa los costes de sustitución.

Pérdidas de metano y energía

Las pérdidas de metano dependen del número de columnas, el esquema de igualación de presiones y la combustión del off-gas. Los sistemas modernos suelen alcanzar alrededor del 1 % o menos, mientras que los más antiguos pueden llegar a varios puntos porcentuales. El off-gas contiene CO₂ y cierta cantidad de CH₄, por lo que a menudo se recircula o se dirige a un oxidante (RTO). El consumo de energía eléctrica —compresión y vacío— es similar al de las membranas y ronda los 0,2–0,3 kWh/m³ de biogás; los valores concretos dependen del diseño y el alcance del balance.

Ventajas e inconvenientes

Un problema operativo frecuente es el desgaste de las válvulas, ya que cada ciclo implica múltiples conmutaciones. Un mantenimiento adecuado y un stock de repuestos son esenciales para garantizar la disponibilidad.

Preguntas para el proveedor

• ¿Cuáles son las pérdidas garantizadas de metano en todo el rango de cargas?
• ¿Cuál es la vida útil prevista del sorbente y el coste de su sustitución?
• ¿El off-gas cumple los requisitos de emisiones sin equipos adicionales? En caso contrario, ¿cuál es el coste del sistema de combustión?
• ¿Cómo gestiona el sistema variaciones en la composición de entrada (por ejemplo, tras cambios de sustratos)?
• ¿Cuál es el consumo de energía eléctrica del sistema completo, incluyendo secado y compresión?

Ejemplo ilustrativo

Supuestos: 1000 m³/h de biogás, 55 % CH₄, pérdidas del 1,0 %, consumo energético de 0,25 kWh/m³ de biogás, 8000 h/año. Consumo eléctrico: 1000 × 0,25 × 8000 = 2000 MWh/año. Pérdidas de metano: 550 × 0,01 × 8000 = 44 000 m³ CH₄ ≈ 440 MWh. Si el off-gas requiere combustión con combustible adicional, se generan costes y emisiones adicionales que deben considerarse en el cálculo.

Disponibilidad y mantenimiento

En una instalación de PSA, las averías más frecuentes no afectan al sorbente, sino al sistema de válvulas y sensores. Por ello, es recomendable preguntar por el número de ciclos para los que se ha diseñado la armadura y la disponibilidad de repuestos en España. Una buena práctica es el monitoreo remoto de indicadores clave: diferencias de presión en las columnas, temperatura y punto de rocío del gas a la entrada, así como la concentración de CH₄ en el off-gas. La disminución de la calidad del secado o el aumento de H₂S en la entrada pueden detectarse antes de que se produzca un daño irreversible en el sorbente. Muchos centros suscriben contratos de mantenimiento con tiempo de respuesta garantizado, y el coste de sustitución del sorbente se calcula por metro cúbico de biometano producido, lo que facilita la comparación con tecnologías competidoras.

Resumen

El PSA es una tecnología madura con buena eficiencia, pero su rentabilidad depende de la calidad del gas de entrada y del modo de gestión del off-gas. Con un elevado número de ciclos, la fiabilidad de la armadura es clave.