DE19907170A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Transport von Gasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport von Gasen mit Hilfe eines Luftfahrzeugs, das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt, und als einen Teil der Traggasfüllung, die den Auftrieb erzeugt, das zu transportierende Gas einsetzt. Der Transportbegriff schließt mit zu transportierendem Gas beladene und unbeladene Transportfahrten ein. Um die Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen sowie im unbeladenen Zustand aufrechtzuerhalten, werden verschiedene Möglichkeiten zur Anpassung des Luftfahrzeugs an die Menge des geladenen Gases vorgeschlagen. Insbesondere handelt es sich hierbei einerseits um die Anpassung des Gesamtvolumens des Luftfahrzeugs, andererseits um den Ersatz von gelieferter Ladung durch Hilfsgase. Das Transportverfahren ist energieeffizient und eignet sich insbesondere zum Transport großer Mengen an Gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport von Gasen mit Hilfe eines Trans­ portfahrzeugs, wobei der Transportbegriff mit zu transportierendem Gas beladene und unbeladene Transportfahrten einschließt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für eine Vielzahl von Anwendungen in der Technik werden große Mengen, an tech­ nischen Gasen eingesetzt. Häufig stehen die Gase nicht am Einsatzort zur Verfügung und werden auch nicht dort erzeugt, sondern dorthin transportiert.

Üblicherweise werden große Mengen an Gas entweder stark verdichtet im gasförmigen Zustand oder im flüssigen Zustand transportiert. Der Transport erfolgt in speziellen Transportbehältern mit herkömmlichen, für große Mengen geeigneten, Transportmitteln wie Lastkraftwagen, Güterzug oder Schiff.

Beim Transport im gasförmigen Zustand ergibt sich, trotz hoher Verdichtung, ein sehr ungünstiges Verhältnis von Gewicht des Transportfahrzeugs zu Gewicht der Ladung. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Transportgewicht zu Gesamtgewicht beim Transport von gasförmigem Wasserstoff mit einem Druck von ca. 200 bar auf einem herkömmlichen LKW-Auflieger 1 : 100. Darüber hinaus erfordert die Verdichtung des Gases auf den Transportdruck einen hohen Energieeinsatz. Der Druck in den Lager­ behältern liegt bei den meisten Anwendern deutlich niedriger, so daß die hohe Ver­ dichtung nur zum Zweck des Transports vorgenommen wird.

Der Transport von Gasen im flüssigen Zustand erfordert Energie zum Verflüssigen und zur Aufrechterhaltung der nötigen, tiefen Temperaturen. Die aufgewendete Energie kann nur in sehr seltenen Fällen durch Nutzung der Verdampfungskälte durch den Be­ lieferten sinnvoll eingesetzt werden. In der Regel wird diese Energie nicht genutzt und muß daher als Aufwendung für den Transport betrachtet werden.

In beiden Fällen ist der Energieeinsatz, der zum Transport des Gases nötig ist, sehr hoch. Die energieintensiven Transportmethoden verursachen hohe Kosten. Beispiels­ weise überschreiten in der Regel die Transportkosten die Gestehungskosten von Wasserstoff um ein Vielfaches.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Verminderung des nötigen Energieeinsatzes beim Transport von Gasen, und somit zur Senkung der Transportkosten, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, daß der Trans­ port mittels eines Luftfahrzeugs, das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt, durchgeführt wird, wobei das zu transportierende Gas zumindest für einen Teil der den aerostatischen Auftrieb erzeugenden Traggasfüllung auf den beladenen Transport­ fahrten eingesetzt und die Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen und im unbeladenen Zustand aufrechterhalten wird.

Zur Sicherstellung der Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen und im unbelade­ nen Zustand findet vorzugsweise eine Anpassung des Luftfahrzeugs an die Menge des geladenen (zu transportierenden) Gases statt. Insbesondere werden im Anschluß an die Lieferung des geladenen Gases Maßnahmen ergriffen, um das Luftfahrzeug an die, durch Entladung des zu transportierenden Gases zunächst verminderte, Traggas­ menge anzupassen. Zur Durchführung der Anpassung werden verschiedene Möglich­ keiten vorgeschlagen:
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Anpassung des Luftfahrzeugs an die Menge des geladenen Gases durch eine Änderung des Traggas­ raumvolumens des Luftfahrzeugs mittels eines flexiblen Traggerüsts erreicht. Das Gesamtvolumen des Luftfahrzeugs wird an die vorhandene Traggasmenge angepaßt.

Eine andere vorteilhafte Variante sieht vor, die Anpassung des Luftfahrzeugs an die Menge des geladenen Gases durch ein Kammersystem zu verwirklichen, das den Traggasraum teilt. Das zu transportierende Gas und ein Hilfsgas werden getrennt in volumenveränderlichen Kammern gespeichert. Beim Entladen des zu transportieren­ den Gases wird dessen Kammer verkleinert, während die Kammer für das Hilfsgas durch Erhöhung der Hilfsgasmenge vergrößert wird. Die Gesamtmenge an Traggas ist für die verschiedenen Betriebszustände des Luftfahrzeugs konstant, lediglich die Zu­ sammensetzung des Traggases wird verändert.

Bevorzugt kommt als Hilfsgas Inertgas, insbesondere Stickstoff zum Einsatz. Als zweckmäßig erweist es sich auch, Verbrennungsabgase als Hilfsgas einzusetzen.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird zur Anpassung des Luft­ fahrzeugs an die Änderung der Auftriebskraft, die sich durch eine Änderung der Beladung mit zu transportierendem Gas ergibt, zusätzlich ein veränderlicher Ballast mitgeführt. Die Menge des Ballasts wird an die Erfordernisse des Transports ange­ glichen. Insbesondere eignet sich Wasser als Ballast. (Wasser kann bedenkenlos ab­ gelassen werden und steht in der Regel an Start- und Zielorten des Transports zur Verfügung.)

Das angegebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Transportieren von Helium. Es kann aber beispielsweise auch zum Transportieren von Wasserstoff angewandt werden.

Wird ein sehr hoher Sicherheitsstandard des Transportverfahrens gefordert, so kommt zwischen dem geladenen Gas und der Außenhülle des Luftfahrzeugs eine Inertgas- Schutzschicht zum Einsatz. Zweckmäßigerweise werden die Gehalte an reaktiven Gasen in dieser Inertgas-Schutzschicht, insbesondere die Gehalte an Wasserstoff und Sauerstoff, überwacht. Als Inertgas wird bevorzugt Helium verwendet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zum Laden und/oder Entladen des zu transportierenden Gases und/oder anderer Stoffe Befüll- und Abtanksäulen vorgesehen, die die Durchführung der Ladevorgänge ermöglichen, ohne daß das Luft­ fahrzeug den Erdboden berührt.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung zum Transport von Gasen mit Hilfe eines Transportfahrzeugs vorgesehen, wobei der Transportbegriff mit zu trans­ portierendem Gas beladene und unbeladene Transportfahrten einschließt.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung aus einem Luftfahrzeug besteht, das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt und Mittel zur Sicherstellung der Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen und im un­ beladenen Zustand aufweist.

Die Mittel zur Sicherstellung der Flugfähigkeit sind zweckmäßigerweise als Mittel zur Variation des Traggasraumvolumens des Luftfahrzeugs ausgebildet. Vorzugsweise stellen ein oder mehrere verschiebbare Elemente des Traggerüsts des Luftfahrzeugs diese Mittel dar. Der Bereich der Verschiebbarkeit dieser Elemente wird zweckmäßi­ gerweise durch die ausgelegte maximale Transportkapazität für den beladenen Flug und durch das minimal nötige Traggasvolumen für den unbeladenen Flug des Luftfahr­ zeugs begrenzt. Vorzugsweise sind die verschiebbaren Elemente des Traggerüsts als hydraulisch bewegte Zylinder verwirklicht.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Mittel zur Sicherstellung der Flugfähig­ keit als Mittel zur Variation der Zusammensetzung der Traggasfüllung des Luftfahr­ zeugs ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise ist ein Kammersystem vorgesehen, das den Traggasraum in Sektionen unterteilt. Die eingebauten Kammern nehmen vorteil­ hafterweise zu transportierendes Gas und Hilfsgas getrennt auf, wobei die Volumina der einzelnen Kammern variierbar ausgebildet sind. Im beladenen Zustand weist die Kammer, die das zu transportierende Gas enthält ein großes Volumen und die Kam­ mer für Hilfsgas ein kleines Volumen auf. Im unbeladenen Zustand ist das Volumen der Kammer für Hilfsgas entsprechend vergrößert, und die Kammer für zu transportieren­ des Gas auf ihr minimales Volumen verkleinert.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, daß das Traggerüst des Luftfahrzeugs so ausgebildet ist, daß es den Innenraum des Luftfahrzeugs in eine Innen- und eine Außenkammer aufteilt. Bevorzugt wird die Außenkammer bei Inbetriebnahme des Luftfahrzeugs mit einem Inertgas, insbesondere Helium befüllt. Zweckmäßigerweise sind Mittel vorgesehen, die die Messung der in der Außenkammer vorhandenen Ge­ halte an reaktiven Gasen, insbesondere an Wasserstoff und Sauerstoff, ermöglichen.

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung des nötigen Energieeinsatzes beim Transport von Gasen, und somit zur Senkung der Transportkosten, zur Verfügung gestellt. Dabei bietet die Erfindung eine ganze Reihe von Vorteilen:
Im Gegensatz zu herkömmlichen Transportverfahren und -mittel stellt die Erfindung eine energieeffiziente Methode zum Transport von Gasen, insbesondere in großen Mengen, zur Verfügung. Aufgrund der Eigenschaften von Luftfahrzeugen, die auf dem Prinzip des aerostatischen Auftriebs basieren, ergibt sich ein wesentlich geringerer Treibstoffbedarf bezogen auf das Transportvolumen als bei herkömmlichen Transpor­ tern. Erfindungsgemäß kann auf eine hohe Verdichtung des Gases zu Transportzwec­ ken verzichtet werden. Die Verdichtung des Gases erfolgt je nach Bedarf und Art der Lagerung beim Belieferten. Beispielsweise wird beim Transport von Wasserstoff, statt einer Verdichtung des Gases zum Transport auf einen Druck von ca. 200 bar im her­ kömmlichen Transporter, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gas bei an­ nähernd atmosphärischem Druck transportiert und erst beim Belieferten auf den gewünschten Druck gebracht. (Üblicherweise herrscht ein Druck von ca. 50 bar in Lagertanks für Wasserstoff.) Auch der im beladenen Zustand mögliche Ersatz des Ballastwassers durch Nutzlasten stellt einen werteren Vorteil dar. Der Transport solcher Nutzlasten erfordert keine Erhöhung des Energieeinsatzes. Auf den jeweiligen Bedarf von Kunden und Lieferanten abgestimmt, ergeben sich interessante, kombinierte Nutzungskonzepte des erfindungsgemäßen Transportverfahrens und -mittels. Auch die Ausstattung mit den beschriebenen Befüll- und Abtanksäulen birgt Vorteile. Beispiels­ weise ist es unerheblich, ob an Start- und Zielort des Transports genügend große Flächen für eine Landung eines großvolumigen Luftfahrzeugs zur Verfügung stehen, da das Luftfahrzeug über die Befüll- und Abtanksäulen versorgt wird und den Erdboden dabei nicht berührt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze eines Luftschiffs mit flexiblem Traggerüst,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Luftschiffrumpfs mit flexiblem Traggerüst und Außenkammer zur Aufnahme von Helium,

Fig. 3 eine Skizze eines Luftschiffs mit variablem Kammersystem.

In Fig. 1 ist eine Gesamtansicht des Luftschiffs 1 mit einem Tank 2 für Wasserballast dargestellt. Ansicht (A-A) zeigt einen Schnitt durch den Rumpf des Luftschiffs im bela­ denen Zustand. Die Wasserstoffladung füllt den gesamten Innenraum 3 des Luftschiffs. Das flexible Traggerüst 4 ist im beladenen Zustand so eingestellt, daß das Volumen des Innenraums 3 seine maximale Größe erreicht. Ansicht (A-A)' zeigt einen Schnitt durch den Rumpf des Luftschiffs im unbeladenen Zustand. Das verschiebbare Trag­ gerüsts 4 ermöglicht die Änderung des durch die Außenhülle des Luftschiffs einge­ schlossenen Volumens. Im unbeladenen Zustand ist das flexible Traggerüst 4 so verschoben, daß der Innenraum 3 des Luftfahrzeugs seine minimale Größe aufweist.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Rumpf eines Luftschiffs 1, bei dem das Tragge­ rüst 4 den Innenraum 3 des Luftschiffs 1 in eine Innenkammer 5 und eine Außenkam­ mer 6 unterteilt. Die Innenkammer 5 enthält als zu transportierendes Gas Wasserstoff, die Außenkammer 6 enthält Helium, das die Helium-Schutzschicht bildet.

In Fig. 3 sind eine Gesamtansicht eines Luftschiffs 7 mit starrem Traggerüst 8 sowie Schnitte durch den Rumpf dargestellt, die das Kammersystem zur Gasaufnahme zeigen. Schnitt (A-A) zeigt den beladenen Zustand mit Wasserstoff als zu transportie­ rendes Gas und Helium-Schutzschicht. Die Innenkammer 5 des Luftschiffs enthält eine Kammer 9 mit Wasserstoff und eine Kammer 10 mit einem Inertgas als Hilfsgas. Die Volumina der Kammem für Wasserstoff und für Inertgas sind variierbar. Die Außen­ kammer 6 enthält die Helium-Schutzschicht. Die Volumina der Kammern sind im bela­ denen Zustand für Inertgas klein und für Wasserstoff groß. Die Darstellung (A-A)' zeigt die veränderten Volumina der einzelnen Kammer nach dem Abtanken der Ladung. Die Kammer 9 für Wasserstoff ist auf ihr minimales Volumen verkleinert und enthält nur noch einen Rest an Gas. Das Volumen der Kammer 10 für Inertgas wird entsprechend vergrößert und füllt den nach dem Entladen des Wasserstoffs entstandenen Raum aus. Die Helium-Schutzschicht in der Außenkammer 6 bleibt unverändert.

Fig. 4 zeigt ein Luftschiff mit angeschlossener Befüll- und Abtanksäule 12. Die ange­ gebenen Richtungen der Stoffströme bei Befüllvorgang B und Abtankvorgang C bezie­ hen sich auf ein Luftschiff 7 mit Kammersystem und Wasser als eingesetzten Ballast.

Ein Luftschiff stellt eine mögliche Verwirklichung eines Luftfahrzeugs, das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt, dar. Eine andere Möglichkeit bieten beispiels­ weise Gasballone, die selbstverständlich ebenfalls als erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein können und die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen.

Claims (23)

1. Verfahren zum Transport von Gasen mit Hilfe eines Transportfahrzeugs, wobei der Transportbegriff mit zu transportierendem Gas beladene und unbeladene Trans­ portfahrten einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport mittels eines Luftfahrzeugs (1, 7), das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt, durch­ geführt wird, wobei das zu transportierende Gas zumindest für einen Teil der den aerostatischen Auftrieb erzeugenden Traggasfüllung auf den beladenen Trans­ portfahrten eingesetzt und die Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen und im unbeladenen Zustand aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung des Luftfahrzeugs (1, 7) an die Menge des geladenen (zu transportierenden) Gases stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung des Luftfahrzeugs (1) an die Menge des geladenen Gases ein flexibles Traggerüst (4) eingesetzt wird, das ein Variieren des Traggasraumvolumens ermöglicht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung des Luftfahrzeugs (7) an die Menge des geladenen Gases ein Kammersystem ein­ gesetzt wird, in welchem das geladene Gas und ein Hilfsgas getrennt in volumen­ veränderlichen Kammern (9, 10) gespeichert werden, deren Volumen an die Menge des geladenen Gases und der daraus resultierenden, erforderlichen Hilfsgasmenge angepaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas ein Inert­ gas, insbesondere Stickstoff, eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas Verbrennungsabgase eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Auftriebskraft, die durch eine Veränderung der Beladung des Luftfahrzeugs (1, 7) verursacht wird, durch die Anpassung der Menge eines mit­ geführten Ballasts (2) ausgeglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ballast Wasser eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff als zu transportierendes Gas eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Helium als zu transportierendes Gas eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem geladenen Gas und der Außenhülle des Luftfahrzeugs (1, 7) eine Inertgas-, insbesondere Helium-Schutzschicht (6) eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an reak­ tiven Gasen, insbesondere an Wasserstoff und Sauerstoff, in dieser Inertgas- Schutzschicht überwacht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden und/oder Entladen des zu transportierenden Gases und/oder anderer Stoffe Befüll- und Abtanksäulen (12) eingesetzt werden, die die Durchführung dieser Vorgänge ermöglichen, ohne daß das Luftfahrzeug (1, 7) den Erdboden berührt.

14. Vorrichtung zum Transport von Gasen mit Hilfe eines Transportfahrzeugs, wobei der Transportbegriff mit zu transportierendem Gas beladene und unbeladene Transportfahrten einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem Luftfahrzeug (1, 7) besteht, das das Prinzip des aerostatischen Auftriebs ausnutzt, und Mittel zur Sicherstellung der Flugfähigkeit des Luftfahrzeugs im beladenen und im unbeladenen Zustand aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel als Mittel zur Variation des Traggasraumvolumens des Luftfahrzeugs ausgebildet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als ein oder mehrere verschiebbare Elemente des Traggerüsts (4) des Luftfahrzeugs (1) ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Ver­ schiebbarkeit dieser Elemente durch die ausgelegte maximale Transportkapazität für den beladenen Flug und durch das minimal nötige Traggasvolumen für den unbeladenen Flug des Luftfahrzeugs (1) begrenzt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren Elemente des Traggerüsts (4) als hydraulisch bewegte Zylinder ausgebildet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel als Mittel zur Variation der Zusammensetzung der Traggasfüllung des Luftfahrzeugs ausgebildet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kammersystem vorgesehen ist, das den Traggasraum in Sektionen unterteilt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Kammern (9, 10) zur Aufnahme von zu transportierendem Gas und von Hilfsgas eingebaut sind, wobei die Volumina der einzelnen Kammern variierbar ausgebildet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Traggerüst (4, 8) des Luftfahrzeugs den Innenraum (3) des Luftfahrzeugs (1, 7) in eine Innen- (5) und eine Außenkammer (6) aufteilt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Messung der in der Außenkammer vorhandenen Gehalte an reaktiven Gasen, insbesondere an Wasserstoff und Sauerstoff, vorgesehen sind.