PSA bij de opwerking van biogas: werking van drukschommeladsorptie

PSA (Pressure Swing Adsorption) is een methode voor de opwerking van biogas, waarbij CO₂ selectief wordt geadsorbeerd op een vast sorptiemiddel (meestal een moleculaire zeef van koolstof of zeoliet) onder verhoogde druk, en vervolgens gedesorbeerd na verlaging van de druk. Omdat een enkele kolom verzadigd raakt, bestaat de installatie uit meerdere kolommen (meestal vier tot zes) die cyclisch werken, waardoor de biomethaanstroom continu is. PSA is een bewezen en kosteneffectieve oplossing, hoewel het nauwkeurige automatisering vereist.

Fasen van de cyclus

1. Adsorptie – gedroogd en gecomprimeerd biogas (enkele bar) stroomt door de kolom. CO₂ adsorbeert op het sorptiemiddel, terwijl methaan als product naar buiten komt.
2. Drukvereffening – de verzadigde kolom geeft gas door aan een geregenereerde kolom, waardoor drukenergie en een deel van het methaan worden teruggewonnen.
3. Ontspanning en desorptie – de druk daalt tot bijna atmosferisch niveau, vaak tot vacuüm, en CO₂ wordt vrijgegeven.
4. Spoelen – een deel van het zuivere gas stroomt door de kolom om resterend CO₂ uit te spoelen.
5. Opnieuw op druk brengen – de kolom wordt voorbereid voor de volgende adsorptiefase.

De kolommen zijn verbonden via kleppen die worden aangestuurd door een PLC-besturingssysteem. De efficiëntie hangt af van de duur van de afzonderlijke fasen, de korrelgrootte van het sorptiemiddel, de temperatuur en de vochtigheid van het gas.

Hoe het sorptiemiddel gassen "onderscheidt"

Koolstofzeven werken voornamelijk kinetisch: CO₂ diffundeert sneller naar de poriën dan CH₄, waardoor methaan in de korte adsorptietijd niet de kans krijgt om te binden. Zeolieten werken eerder volgens het principe van adsorptie-evenwicht en binden CO₂ sterker door elektrostatische interacties. In biogas komen ook stikstof en zuurstof voor, die PSA meestal niet effectief verwijdert; hun gehalte in biomethaan is daarom bijna gelijk aan dat in de invoer, wat kwaliteitscontrole bij de invoer vereist.

Voorwaarden

Het sorptiemiddel wordt gemakkelijk vergiftigd door waterstofsulfide, water, vluchtige organische stoffen (VOC), siloxanen en ammoniak. Daarom worden vóór PSA ontzwaveling (biologisch en/of actiefkoolfilters), droging door koeling en condensatie en coalescentiefilters geïnstalleerd. Een hogere concentratie H₂S verkort direct de levensduur van het sorptiemiddel en verhoogt de vervangingskosten.

Methaanverliezen en energie

Methaanverliezen zijn afhankelijk van het aantal kolommen, het drukvereffeningschema en de naverbranding van off-gas. Moderne systemen bereiken doorgaans ongeveer 1% of minder, oudere systemen enkele procenten. Off-gas bevat CO₂ en een bepaalde hoeveelheid CH₄, daarom wordt het vaak gerecirculeerd of naar een oxidator (RTO) geleid. Het elektriciteitsverbruik – compressie en vacuüm – is vergelijkbaar met dat van membranen en bedraagt ongeveer 0,2–0,3 kWh/m³ biogas; de exacte waarden zijn afhankelijk van het ontwerp en de reikwijdte van de balans.

Voor- en nadelen

Een operationeel probleem kan het slijtage van kleppen zijn, omdat elke cyclus veel schakelingen met zich meebrengt. Goed onderhoud en een voorraad reserveonderdelen zijn essentieel voor de beschikbaarheid.

Vragen aan de leverancier

• Wat zijn de gegarandeerde methaanverliezen in het volledige belastingsbereik?
• Wat is de verwachte levensduur van het sorptiemiddel en wat zijn de vervangingskosten?
• Voldoet het off-gas aan de emissie-eisen zonder aanvullende apparatuur? Zo niet, wat zijn de kosten van een naverbrandingssysteem?
• Hoe gaat het systeem om met een variërende invoersamenstelling (bijv. na wijziging van substraten)?
• Wat is het elektriciteitsverbruik voor het volledige systeem, inclusief droging en compressie?

Illustratief voorbeeld

Aannames: 1000 m³/h biogas, 55% CH₄, verliezen 1,0%, energieverbruik 0,25 kWh/m³ biogas, 8000 h/jaar. Elektriciteitsverbruik: 1000 × 0,25 × 8000 = 2000 MWh/jaar. Methaanverliezen: 550 × 0,01 × 8000 = 44.000 m³ CH₄ ≈ 440 MWh. Als het off-gas naverbranding met brandstof vereist, komen daar extra kosten en emissies bij, die in de berekening moeten worden meegenomen.

Beschikbaarheid en onderhoud

In een PSA-installatie hebben storingen meestal betrekking op het kleppensysteem en sensoren, niet op het sorptiemiddel. Daarom is het belangrijk te vragen naar het aantal cycli waarvoor de afsluiters zijn ontworpen en naar de beschikbaarheid van reserveonderdelen in Nederland. Een goede praktijk is het op afstand monitoren van belangrijke indicatoren: drukverschillen in de kolommen, temperatuur en dauwpunt van het ingangsgas, evenals de CH₄-concentratie in het off-gas. Een daling van de droogkwaliteit of een stijging van H₂S bij de invoer kan eerder worden opgespoord dan dat blijvende schade aan het sorptiemiddel optreedt. Veel bedrijven sluiten een onderhoudscontract af met een gegarandeerde reactietijd, en de kosten voor het vervangen van het sorptiemiddel worden omgerekend naar de prijs per kubieke meter biomethaan, wat vergelijking met concurrerende technologieën vergemakkelijkt.

Samenvatting

PSA is een volwassen technologie met een goede efficiëntie, maar de rendabiliteit hangt af van de kwaliteit van het ingangsgas en de manier waarop het off-gas wordt verwerkt. Bij een groot aantal cycli is de betrouwbaarheid van de afsluiters cruciaal.