PSA nell'upgrading del biogas: funzionamento dell'adsorbimento a pressione oscillante

Il PSA (Pressure Swing Adsorption) è un metodo di upgrading del biogas in cui la CO₂ viene adsorbita selettivamente su un sorbente solido (solitamente setaccio molecolare a base di carbonio o zeolite) a pressione elevata, per poi essere desorbita dopo la sua riduzione. Poiché una singola colonna si satura, l'impianto ne comprende diverse (solitamente da quattro a sei) che operano in modo ciclico, garantendo così un flusso continuo di biometano. Il PSA è una soluzione collaudata e competitiva in termini di costi, sebbene richieda un'automazione di precisione.

Fasi del ciclo

1. Adsorbimento – Il biogas essiccato e compresso (dell'ordine di alcuni bar) fluisce attraverso la colonna. La CO₂ viene adsorbita sul sorbente, mentre il metano esce come prodotto.
2. Equalizzazione della pressione – La colonna satura trasferisce il gas a una colonna in fase di rigenerazione, recuperando così l'energia di pressione e parte del metano.
3. Depressurizzazione e desorbimento – La pressione scende a un livello prossimo a quello atmosferico, spesso sotto vuoto, e la CO₂ viene rilasciata.
4. Purgaggio – Una parte del gas purificato fluisce attraverso la colonna per eliminare la CO₂ residua.
5. Ripressurizzazione – La colonna viene preparata per un nuovo ciclo di adsorbimento.

Le colonne sono collegate tramite valvole controllate da un PLC. L'efficienza dipende dalla durata delle singole fasi, dalle dimensioni dei granuli del sorbente, dalla temperatura e dall'umidità del gas.

Come il sorbente "distingue" i gas

I setacci di carbonio agiscono principalmente per cinetica: la CO₂ diffonde nei pori più rapidamente del CH₄, quindi in un breve tempo di adsorbimento il metano non fa in tempo a legarsi. Le zeoliti agiscono piuttosto secondo il principio dell'equilibrio di adsorbimento e legano più fortemente la CO₂ grazie alle interazioni elettrostatiche. Nel biogas sono presenti anche azoto e ossigeno, che il PSA solitamente non rimuove in modo efficace; il loro contenuto nel biometano è quindi vicino a quello dell'alimentazione, il che richiede un controllo della qualità in ingresso.

Requisiti preliminari

Il sorbente viene facilmente avvelenato da acido solfidrico, acqua, composti organici volatili (VOC), silossani e ammoniaca. Pertanto, prima del PSA si installano sistemi di desolforazione (biologica e/o filtri a carbone attivo), essiccazione tramite raffreddamento e condensazione, nonché filtri coalescenti. Una concentrazione più elevata di H₂S riduce direttamente la vita utile del sorbente e aumenta i costi di sostituzione.

Perdite di metano ed energia

Le perdite di metano dipendono dal numero di colonne, dallo schema di equalizzazione e dalla combustione del gas di scarico. I sistemi moderni raggiungono solitamente circa l'1% o meno, mentre quelli più vecchi possono arrivare a qualche punto percentuale. Il gas di scarico contiene CO₂ e una certa quantità di CH₄, pertanto viene spesso ricircolato o inviato a un ossidatore termico (RTO). Il fabbisogno di energia elettrica – per compressione e vuoto – è simile a quello delle membrane e si attesta intorno a 0,2–0,3 kWh/m³ di biogas; i valori specifici dipendono dal progetto e dall'ambito del bilancio.

Vantaggi e svantaggi

Un problema operativo può essere l'usura delle valvole, poiché ogni ciclo comporta numerose commutazioni. Una corretta manutenzione e la disponibilità di ricambi sono essenziali per garantire la disponibilità operativa.

Domande da porre al fornitore

• Quali sono le perdite di metano garantite nell'intero intervallo di carico?
• Qual è la durata prevista del sorbente e il costo della sua sostituzione?
• Il gas di scarico soddisfa i requisiti emissivi senza ulteriori dispositivi? In caso contrario, qual è il costo del sistema di postcombustione?
• Come gestisce il sistema una composizione variabile in ingresso (ad es. dopo il cambio di substrati)?
• Qual è il consumo di energia elettrica per l'intero sistema, inclusi essiccazione e compressione?

Esempio illustrativo

Ipotesi: 1000 m³/h di biogas, 55% CH₄, perdite 1,0%, consumo energetico 0,25 kWh/m³ di biogas, 8000 h/anno. Consumo di energia elettrica: 1000 × 0,25 × 8000 = 2000 MWh/anno. Perdite di metano: 550 × 0,01 × 8000 = 44 000 m³ CH₄ ≈ 440 MWh. Se il gas di scarico richiede postcombustione con combustibile, si aggiungono ulteriori costi ed emissioni, che devono essere considerati nel calcolo.

Disponibilità operativa e manutenzione

In un impianto PSA, i guasti più frequenti non riguardano il sorbente, ma il sistema di valvole e sensori. È quindi opportuno informarsi sul numero di cicli per cui è stata progettata l'armatura e sulla disponibilità di ricambi in Italia. Una buona pratica consiste nel monitoraggio remoto degli indicatori chiave: differenze di pressione nelle colonne, temperatura e punto di rugiada del gas in ingresso, nonché concentrazione di CH₄ nel gas di scarico. Un calo nella qualità dell'essiccazione o un aumento di H₂S in ingresso possono essere rilevati prima che si verifichino danni permanenti al sorbente. Molti impianti stipulano contratti di manutenzione con tempi di intervento garantiti, e il costo di sostituzione del sorbente viene calcolato in base al prezzo per metro cubo di biometano, facilitando il confronto con tecnologie concorrenti.

Conclusioni

Il PSA è una tecnologia matura con buona efficienza, ma la sua convenienza economica dipende dalla qualità del gas in ingresso e dal modo in cui viene gestito il gas di scarico. Con un elevato numero di cicli, l'affidabilità dell'armatura è fondamentale.