Druckwechseladsorption (PSA)

Es handelt sich hierbei um ein Trocken-Anreicherungsverfahren, das sich die unterschiedliche Adsorption von CH4 und CO2 bei erhöhtem Druck an einem Kohlenstoffmolekularsieb zunutze macht. Das Kohlendioxid bindet sich schneller und stärker an den Feststoff als Methan. Die englischsprachige Bezeichnung für Druckwechseladsorption lautet „Pressure Swing Adsorption“, weshalb solche Anlagen auch oft als PSA-Anlagen bezeichnet werden.

PSA-Anlagen bestehen in der Regel aus vier Adsorptionseinheiten. Während einer Periode mit hohem Druck wird eine Adsorptionseinheit von Biogas durchströmt. Dabei wird das CO2 (auch eine kleine Menge CH4) solange adsorbiert, bis das Kohlenstoffmolekularsieb nahezu gesättigt ist. Nun wird der Biogasstrom durch eine andere Adsorptionseinheit geleitet, um das gesättigte Kohlenstoff-Molekularsieb regenerieren zu können. Dazu wird der Druck reduziert und das wieder desorbierte CO2 abgesaugt.

Bei weiterer Druckreduktion wird auch die geringe Menge CH4 desorbiert. Deshalb wird dieser Gasstrom zum Rohbiogas (unbehandeltes Biogas) rückgeführt. Für eine vollständige Regeneration wird schlussendlich mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt. In der nachfolgenden Abbildung wird das Verfahrensschema einer Druckwechseladsorptionsanlage mit einem Diagramm des Druckverlaufes dargestellt.

Abbildung 1: Schema einer PSA-Anlage mit der Darstellung des Druckverlaufes in den Adsorbern

Das Bild zeigt die schematische Darstellung einer PSA-Anlage: Das Rohbiogas wird nach dem Wasserabscheider komprimiert und dem Kondensator zugeführt. Über einen Wärmetauscher wird anschließend die entstandene Wärme abgeführt. Nach der Entschwefelung gelangt das Gas von unten zyklisch in einen von vier Adsorbern, an deren Oberseite das aufbereitete Gas austritt. An der Unterseite wird über eine Vakuumpumpe das Kohlendioxid abgesaugt, das Restmischgas wird zurückgeführt und wieder dem Rohbiogasstrom beigemischt (vergleiche die Erklärung der Funktionsweise). Ein Druckdiagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Drucks in den Adsorbern: In den jeweils fünf Minten langen Phasen wird zuerst das CO2 bei einem Druck von 16 bar adsorbiert, in Phase zwei wird der Druck abgesenkt und das CO2 desorbiert. In Phase drei sinkt der Druck weiter und auch Teile des Methans werden desorbiert – dieses Mischgas wird zum Rohgas rückgeführt. In Phase vier wird der Druck wieder aufgebaut. 
  
  [Schmalschläger et.al 2002]
Das Bild zeigt die schematische Darstellung einer PSA-Anlage: Das Rohbiogas wird nach dem Wasserabscheider komprimiert und dem Kondensator zugeführt. Über einen Wärmetauscher wird anschließend die entstandene Wärme abgeführt. Nach der Entschwefelung gelangt das Gas von unten zyklisch in einen von vier Adsorbern, an deren Oberseite das aufbereitete Gas austritt. An der Unterseite wird über eine Vakuumpumpe das Kohlendioxid abgesaugt, das Restmischgas wird zurückgeführt und wieder dem Rohbiogasstrom beigemischt (vergleiche die Erklärung der Funktionsweise). Ein Druckdiagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Drucks in den Adsorbern: In den jeweils fünf Minten langen Phasen wird zuerst das CO2 bei einem Druck von 16 bar adsorbiert, in Phase zwei wird der Druck abgesenkt und das CO2 desorbiert. In Phase drei sinkt der Druck weiter und auch Teile des Methans werden desorbiert – dieses Mischgas wird zum Rohgas rückgeführt. In Phase vier wird der Druck wieder aufgebaut. 
  
  [Schmalschläger et.al 2002]

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Das Bild zeigt die schematische Darstellung einer PSA-Anlage: Das Rohbiogas wird nach dem Wasserabscheider komprimiert und dem Kondensator zugeführt. Über einen Wärmetauscher wird anschließend die entstandene Wärme abgeführt. Nach der Entschwefelung gelangt das Gas von unten zyklisch in einen von vier Adsorbern, an deren Oberseite das aufbereitete Gas austritt. An der Unterseite wird über eine Vakuumpumpe das Kohlendioxid abgesaugt, das Restmischgas wird zurückgeführt und wieder dem Rohbiogasstrom beigemischt (vergleiche die Erklärung der Funktionsweise). Ein Druckdiagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Drucks in den Adsorbern: In den jeweils fünf Minten langen Phasen wird zuerst das CO2 bei einem Druck von 16 bar adsorbiert, in Phase zwei wird der Druck abgesenkt und das CO2 desorbiert. In Phase drei sinkt der Druck weiter und auch Teile des Methans werden desorbiert – dieses Mischgas wird zum Rohgas rückgeführt. In Phase vier wird der Druck wieder aufgebaut. [Schmalschläger et.al 2002]

Der Druck während der Adsorption liegt je nach Anlage zumeist zwischen 6 und 10 bar. Es gibt aber auch Anlagen, die mit höherem Druck arbeiten. Feuchtigkeit und H2S müssen bereits vor der Adsorptionsanlage aus dem Biogas entfernt werden. H2S deshalb, weil es sich irreversibel an das Molekularsieb bindet.

Vorteil

Trockenes Verfahren, daher kein Anfall von Abwasser. Das Verfahren eignet sich gut für kleine Anlagenkapazitäten.

Nachteile

Relativ hoher Stromverbrauch sowie die notwendige Entsorgung der Aktivkohle. Die H2S-Konzentration darf max. 400 mg/m³ betragen, wodurch eine Grobentschwefelung notwendig ist. Hohe Methanverluste zählen ebenfalls zu den Nachteilen dieses Verfahrens.

Outputqualität

Durch die PSA-Technologie können folgende Qualitäts-Parameter eingehalten werden:

  • CH4-Gehalt im Rohgas 65 % im Produktgas > 97 %
  • H2S-Gehalt im Rohgas 300 mg/Nm³ im Produktgas < 5mg/Nm³
  • Taupunkt bei Umgebungsdruck liegt bei -65 °C