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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Biogas aus
Kläranlagen, Mülldeponien o. dgl. sowie ein zugehöriges Transportfahrzeug nach dem
Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.
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In Kläranlagen entsteht bei der Vergärung von Faulschlamm Biogas oder
Faulgas oder auch Klärgas genannt. Ebenso fallen Deponiegase in Mülledeponien in
erheblichen Mengen an, die bislang nur unzureichend oder durch Abfackelung gar nicht
genutzt wurden. Die Verwertung derartiger Biogase scheiterte bislang im wesentlichen
an Transportproblemen, da aufwendige Rohrleitungen zum Verbraucher kostspielig sind
und darüber hinaus nur in einem gewissen Umkreis wirtschaftlich genutzt werden können.
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Klär- und Deponiegase - im weiteren "Biogase" genannt -ähneln in ihrer
Zusammensetzung Erdgas, wobei der Anteil an Schwefelwasserstoff höher, der Anteil
an Stickstoff niedriger ist als bei Erdgas.
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Eine typische Biogaszusammensetzung kann beispielsweise wie folgt
angegeben werden (z. B. Kläranlage Hamburg): Bereich Durchschnitt CH4 51,8 - 84,0
65,0 CO, 14,0 - 48,0 34,8 H2S 0,08 - 5,7 0,2 H2 0 - 5 Spuren CO 0 - 2,1 Spuren N2
0,6 - 7,5 Spuren 02 0 - 1 Spuren Die Hauptbestandteile des Biogases sind demnach
CH4 (Methan), sowie CO2 (Kohlendioxid).
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Für die vorliegende Erfindung von Bedeutung ist die Anwesenheit von
Schwefelwasserstoff (H2S), da dieses in Anwesenheit von Luft und hohem Feuchtigkeitsgehalt
fast alle Metalle mehr oder weniger stark angreift. Bei Transport von Biogas in
Metallbehältern kann es demnach infolge des Schwefelwasserstoffes zu gefährlicher
Spannungsrißkorrosion kommen.
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Aus der Druckschrift WO 82/03374 ist bereits ein Transportfahrzeug
bekannt geworden, welches langgestreckte zylindrische Tanks zum Transport von Flüssigkeiten
aufweist. Die Anordnung von mehreren kleineren Behältern hat dabei den Vorteil,
daß eine bessere Raumausnutzung gewährleistet ist. Die bekannte Einrichtung dient
dabei zum Transport von Flüssigkeiten, wobei keine besonderen Anforderungen hinsichtlich
des Drucks und Volumens des Mediums gestellt sind.
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Aus der US-PS 3 479 043 ist ein Transportsystem zum Transport von
druckbeaufschlagten Gasen bekannt geworden.
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Um der Druckbeanspruchung zu begegnen, werden eine Vielzahl von länglichen
Gasbehältern mit kleinem Durchmesser vorgeschlagen, die zur besseren Platzausnutzung
im Querschnitt rechteckförmig angeordnet sind.
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Die bekannten Transportsysteme geben keinen Hinweis darauf, in welcher
Art und Weise das in Kläranlagen und Deponien anfallende Biogas wirtschaftlich verwertet
werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein
Transportfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, welches eine wirtschaftliche
Verwertung und Behandlung von Biogas aus Kläranlagen und Deponien erlaubt.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der einleitend bezeichnenden
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens anspruchs
sowie des Vorrichtungsanspruchs gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das zu behandelnde
Biogas an sich einen niedrigeren Heizwert aufweist, als beispielsweise Erdgas. Es
erhebt sich deshalb die dringende Frage der Wirtschaftlichkeit der Behandlung und
des Transports dieses bislang meist ungenutzt gebliebenen Gases. So enthält beispielsweise
Biogas mit 50 % Methangasanteil einen nutzbaren Energieinhalt von ca. 20 MJ/Nm3.
Biogas mit nur 25 % Methangasanteil enthält demzufolge einen Energieinhalt von nur
ca. 10 MJ/Nm3 bei einer Dichte von 1,2 kg/Nm3.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich demnach eine wirtschaftliche
Verwertung des auf Kläranlagen oder Deponien anfallenden Biogases nur dann erzielen,
wenn folgende Voraussetzungen gegeben sind: - Erfassung und Transport großer Biogasmengen,
da Heizwert proportional der Menge ist; - Kostengünstiges Transportmittel zum Transport
maximal möglicher Mengen; - Sicherung des Transportmittels gegen Beschädigungen.
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Die vorstehenden Bedingungen führen in der Praxis dazu, daß der Transport
über Rohrleitungen für Biogas in der Regel ausscheidet, da die Transportkosten für
längere Wege im Verhältnis zur anfallenden Menge zu hoch sind.
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Um einen möglichst flexiblen Transport zu jedem beliebigen Verbraucher
zu ermöglichen, empfiehlt sich vorzugsweise ein Straßentransport. Dieser Transport
muß jedoch bezüglich der transportierten Menge dahingehend optimiert werden, daß
auf dem maximal zulässigen Transportraum die maximal zulässige Menge transportiert
wird, wobei die technischen Gegebenheiten des Mediums zu berücksichtigen sind. Diese
Überlegungen führen dazu, daß große Mengen nur mittels starker Verdichtung des Biogases
transportiert werden können. Die Verdichtung erfolgt deshalb erfindungsgemäß auf
einen Druck von ca. 30 bar.
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Eine noch höhere Verdichtung des Biogases erscheint unzweckmäßig zu
sein, da zum einen der Materialaufwand bzw. die technischen Anforderungen an das
Material des Transportmittels zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen würde. Zum
anderen treten oberhalb derartiger Drücke Verflüssigungen des gasförmigen Mediums
auf, was zu zusätzlicher Korrosionsbelastung führen kann. (Pkrit (CH4)#46 bar).
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Durch den vorhandenen Schwefelwasserstoff im Biogas ist es erfindungsgemäß
erforderlich, daß das Gas einer Trocknungsanlage zugeführt wird, um die Feuchtigkeit
möglichst vollständig zu entziehen. Der Schwefelwasserstoff kann sich deshalb nicht
in gefährliche Schwefelsäure durch die Verbindung mit Wasser bilden, so daß insbesondere
eine Spannungsrißkorrosion vermieden wird.
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Gemäß der Erfindung ist demnach die richtige Vorbehandlung des Biogases
durch Trocknung und Druckbeaufschlagung maßgeblich. Sodann wird das Biogas erfindungsgemäß
in einem Tansportfahrzeug transportiert, welches die für den Straßenverkehr maximal
zulässigen Abmaße bei maximal zulässigem Gesamtgewicht aufweist. Beim Verbraucher
erfolgt eine Entspannung des komprimierten Biogases auf
nahezu Normaldruck,
bevor das Gas einem Verbraucher zugeführt wird. Dabei ist es erfindungsgemäß maßgeblich,
daß die Gasbehälter gleichzeitig als Lager vor Ort beim Verbraucher dienen können,
so daß sich wahlweise eine Umlagerung in Extratanks erübrigt. Dies wird erfindungsgemäß
durch den Sattelanhänger bewirkt.
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Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Transportfahrzeug ist es erfindungsgemäß
maßgeblich, daß die Gasbehälter zum einen eine Druckbelastbarkeit von 30 bar aufweisen
und andererseits dem zu transportierenden Medium hinsichtlich Korrosion widerstehen.
Hierfür ist es maßgeblich, daß die Gasbehälter aus Feinkornbaustahl bestehen und
nach der Fertigung, d. h. nach dem Schweißen spannungsarm geglüht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Gedankens möglich.
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Gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach den Verfahren-Unteransprüchen
erfolgt eine optimale Trocknung des Biosgases sowie eine wirtschaftliche Verdichtung
des Gases wobei der Verdichter unmittelbar mit Biogas selbst angetrieben wird.
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In alternativer Ausführung des erfindungsgemäßen Transportfahrzeugs
sind verschiedene Behälterformen vorgesehen. Die äußeren Abmaße des Transportfahrzeugs
sind durch die Zulässigkeitsbestimmungen im Straßenverkehr vorgegeben. So darf ein
Sattelzug die Breite von 2,5 m und die von der Straßenoberfläche gemessene Höhe
von 4,20 m sowie eine Gesamtlänge des Zuges von 16 m nicht überschreiten. Durch
die vorgegebene Breite und Höhe des Transportraumes sind Grenzen an die Abmessungen
der
Transportbehälter gegeben. Würde man nur einen kreiszylindrischen
Transportbehälter wählen, so wären die Eckbereiche des zulässigen rechteckigen Laderaums
nicht genutzt. Höchste Volumenausnützung sowie höchste Drücke können deshalb mit
einer Vielzahl von Gasbehältern mit kleinem Querschnittsdurchmesser bewerkstelligt
werden.
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Dies ist Gegenstand eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
(s. Fig. 3 und 4).
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Sicherheitsbestimmungen können es zur Auflage machen, daß die Gasbehälter
zur Kontrolle begehbar sein müssen.
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Hierfür ist es erforderlich, daß die Gasbehälter einen Mindestdurchmesser
aufweisen, um ein Mannloch installieren zu können.
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Verwendet man Gasbehälter mit größerem Durchmesser so ist es ebenfalls
ratsam, diese möglichst derart anzuordnen, daß ein rechteckig gedachter Laderaum
voll genutzt ist.
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Dabei ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn der Raum zwischen den
Achsen des Transportfahrzeugs derart genutzt wird, daß in diesem Bereich ein einzelner
Gasbehälter, darüber jedoch je zwei nebeneinander angeordnete Gasbehälter installiert
sind. Hierdurch kann sowohl der untere engere Raum zwischen den Tranportachsen und
der darüberliegende rechteckige oder quadratische Bereich ausgenutzt werden.
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Die Verwendung mehrerer kleinerer Gasbehälter gegenüber einem einzigen
großen Gasbehälter hat demnach sowohl eine optimale Raumausnutzung als auch eine
Verminderung der notwendigen Wandstärken bei gleichen Druckverhältnissen im Inneren
der Gasbehälter zur Folge.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Einzelbehältern kann demnach
beispielsweise ein Volumen von ca. 32 m3 eines großen zylindrischen Behälters vergrößert
werden
auf ein Volumen von z. B. ca. 80 m3. Bei Komprimierung dieses
Gases auf ca. 30 bar wird ein Gasvolumen von ca.
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2.500 m3 zum Transport aufgenommen. Bei Klärgas mit der eingangs erwähnten
Zusammensetzung entspricht dies einem Energieinhalt von 15 bis 16 MWatt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Zusammenhang mit den vorteilhaften
und zweckmäßigen Ausführungsbeispielen des Transportfahrzeugs nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht eines Transportzuges
als Sattelschlepper mit Sattelanhänger, Fig. 2 einen Querschnitt durch das Transportfahrzeug
nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie I-I, Fig. 3 ein weiteres Transportfahrzeug
mit im Querschnitt kleineren Gasbehältern, bestehend aus Zugfahrzeug mit Anhänger
und Fig. 4 einen Querschnitt durch das Transportfahrzeug nach Fig. 3 entlang der
Schnittlinie III-III.
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Das in Kläranlagen oder Deponien anfallende Biogas weist eine Zusammensetzung
auf, wie sie in der Beschreibungseinleitung tabellarisch aufgeführt wurde.
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Infolge des enthaltenen Schwefelwasserstoffes H2 5 in der Größenordnung
von ca. 2,0 ppmv ist es erforderlich, daß das Biogas einer Trocknungsanlage zugeführt
wird, um dem Gas die Feuchtigkeit und damit den Wassergehalt zu entziehen, damit
sich keine schädliche Schwefelsäure bilden kann. Eine geeignete Trocknungsanlage
wird beispielsweise von der Firma Silica Ges. mbH,#Berlin unter der Anlagentypennummer
TA-TT/EA2K2U-2S-IV-40 angeboten.
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Diese Trocknungsanlage hat einen Durchsatz von 830 m3n/h
bei
einer Zusammensetzung des Biogases von ca. 59-69 % CH4 und 29-39 % CO2. Die mit
dieser Anlage erzielbare Restfeuchte liegt bei minus 250 C bezogen auf 30 bar unter
dem Taupunkt. Die Trocknungsanlage weist dabei zwei Adsorber mit einer K-Trockenperlen-Füllung
auf.
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Der zur Trocknungsanlage zugehörige Verdichter für das Biogas besteht
aus einem Drei-Stufen-Verdichter mit dem genannten Durchsatz von ca. 830 m3 pro
Stunde. Der Verdichter wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben, der ca. 8 %
des zu verdichtenden Biogases als Antriebsenergie verbraucht.
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Das derart an der Kläranlage oder der Deponie vorbehandelte Biogas
wird sodann dem Transportfahrzeug gemäß Fig. 1 oder 3 zugeführt. Das in Fig. 1 in
Seitenansicht sowie Fig. 2 im Querschnitt dargestellte Transportfahrzeug (10) ist
als Straßenfahrzeug ausgebildet. Das Zugfahrzeug (11) ist als Sattelschlepper der
Anhänger (12) als Sattelanhänger ausgebildet.
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Die äußeren Abmaße des Transportzuges sind derart bemessen, daß die
für den Straßenverkehr maximal zulässigen Werte möglichst erzielt werden, um ein
Maximum an Transportvolumen und damit die notwendige Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
So werden folgende Werte angestrebt: Gesamtlänge des Transportzuges 11 16 m Gesamthöhe
von Straßenoberfläche gemessen hl 4,20 m Gesamtbreite des Transportzuges bl 2,50
m.
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Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist der untere Gasbehälter (13) möglichst
tief zwischen den Achsen (14) des Sattelanhängers angeordnet. Die Länge 12 dieses
unteren
Gasbehälters (13) reicht bis zum Absatz (15) des Sattelanhängers (12) zur Bildung
der Auflageplattform (16) auf den Sattelschlepper (11). Die Länge 12 beträgt beispielsweise
12 z 9,5 m. Als Durchmesser des Gasbehälters (13) wird gewählt D13 e 1,15 m.
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Durch die Anordnung sowie die gewählte Größe des unteren Gasbehälters
(13) wird der Raum zwischen den Achsen des Sattelschleppers sowie die hinter dem
Absatz (15) vorhandene Restlänge optimal genützt.
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Der Gasbehälter (13) ist in einer schalenförmigen Stützvorrichtung
(17) mit seitlichen Halterungen (18) gelagert.
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Über eine weitere Stützvorrichtung (19) sind oberhalb des unteren
Gasbehälters (13) zwei weitere, nebeneinander liegende Gasbehälter (20) mit einem
gewählten Durchmesser D20 ~ 1,26 m angeordnet. Der Achsabstand zwischen den Mittelpunkten
der Gasbehälter (13, 20) beträgt 13 1,215 m. Die Länge 14 der Gasbehälter (20) erstreckt
sich über die gesamte Länge des Sattelanhängers (12) und beträgt 14 z 13,6 m.
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Oberhalb dieser beiden Gasbehälter (20) sind in einem Achsabstand
von 15 tx 1,28 m zwei weitere nebeneinander liegende Gasbehälter (21) angeordnet,
die den gleichen Durchmesser aufweisen, wie die Gasbehälter (20). Die nebeneinander
liegenden Gasbehälter (20 bzw. 21) bilden die gesamtzulässige Breite b1 des Transportfahrzeugs.
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Die von der Straßenoberfläche (22) gemessene Gesamthöhe h1 liegt im
Bereich der zulässigen maximalen Höhe im Straßenverkehr, d. h. h1 f 4,2 m.
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Wie in Fig. 1 weiterhin dargestellt, sind die oberen Gasbehälter (21)
etwas länger ausgebildet als die darunter liegenden Gasbehälter (20). Die Länge
16 beträgt 16 13,8 m. Hierdurch kann der Raum oberhalb bzw. hinter dem Zugfahrzeug
(11) noch besser genutzt werden. Die Wahl von Gasbehältern (13, 20, 21) mit relativ
großem Durchmesser hat zwar den Nachteil, daß Zwischenräume im darum liegenden rechteckigen
Laderaum ungenutzt bleiben, so daß das Transportvolumen auf etwa V 78 m3 beschränkt
ist. Der große Durchmesser ermöglicht jedoch die Begehbarkeit der Gasbehälter zur
Kontrolle der vorhandenen Schweißkonstruktionen.
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Die Gasbehälter (13, 20, 21) sind in geschweißter Konstruktion aus
Feinkornbaustählen gefertigt. Folgende Feinkornbaustähle werden verwendet: St E
355 nach VdTÜV-Werkstoffblatt 354 und/oder St E 380 nach VdTÜV-Werkstoffblatt 355.
Die Wandstärke der Gasbehälter (13, 20, 21) beträgt etwa 5 mm.
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Nach Fertigstellung der Fahrzeugtanks, d. h. nach Beendigung aller
Schweißungen, werden die Tanks werkstoffgerecht bei ca. 5000 C spannungsarm geglüht.
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Auf dem Fahrzeug aufgebaut, sind die Behälterräume unabsperrbar miteinander
verbunden, so daß für die gesamte Tankbatterie nur ein Anschluß, der gleichzeitig
zur Füllung und Entleerung dient, vorgesehen wird.
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Aus wirtschaftlichen Erwägungen wird ein Tankvolumen in der Größenordnung
von ca. 80 m3 angestrebt. Um jedoch das zulässige Gesamtgewicht des Fahrzeugs, d.
h. des Gesamtgewichts von Zugmaschine (11) plus Sattelanhänger (12) plus Behälter
(13, 20, 21) plus Beförderungsgut (Biogas) von 40.000 kg nicht zu überschreiten,
wird ein Behältervolumen von ca. 75 bis 78 m3 gewählt.
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In den Figuren 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform für ein
Transportfahrzeug dargestellt.
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Generell wird mit diesem alternativen Transportfahrzeug der Grundgedanke
verbunden, daß die Wahl einer Vielzahl von Gasbehältern mit kleinerem Durchmesser
eine optimale Raumausnützung ergibt. Weiterhin kann die Behälterwandstärke bei gleichem
Druck geringer ausgeführt werden, so daß insgesamt keine Gewichtserhöhung vorhanden
ist.
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Das in den Figuren 3 und 4 in Seitenansicht sowie im Querschnitt dargestellte
Transportfahrzeug (10') besteht ebenfalls aus einem Zugfahrzeug (11') mit einem
Anhänger (12'), der jedoch nicht als Sattelanhänger ausgebildet ist. Das Zugfahrzeug
(11') ist selbst als Transportfahrzeug für Gasbehälter ausgebildet und im Querschnitt
prinzipiell gleich aufgebaut wie der Anhänger (12'). Der Zugwagen (11') hat eine
Gesamtlänge von 17 4,0 m, der Anhänger (12') eine Aufbaulänge von 18 12 m. Die Höhe
hl des Transportfahrzeugs beträgt vom Straßenrand ebenfalls ca. h1 z 4,2 m. Die
Breite beträgt b1- 2,5 m. Damit ist die für Straßenfahrzeuge maximale Transportladefläche
ebenfalls in etwa ausgenutzt.
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Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich, weist das Transportfahrzeug (10')
einen im Querschnitt nahezu rechteckförmigen Laderaum (23) auf, der mit stationär
angeordneten einzelnen kleineren Gasbehältern (24) gefüllt ist. Die mit horizontaler
Längsachse (25) gelagerten zylindrischen Gasbehälter weisen einen Durchmesser von
D ffi 49,3 cm auf. Im Laderaum (23) sind vier 24 derartige Gasbehälter (24) nebeneinander
und in den hierdurch gebildeten Einschnitten (26) sieben Schichten übereinander
gelagert, so daß sich insgesamt
achtundzwanzig Gasbehälter (24)
im Laderaum (23) befinden.
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Durch diesen Aufbau kann der rechteckförmige Laderaum nahezu vollständig
ausgenutzt werden, dies insbesondere im Vergleich zu einem einzelnen kreiszylindrischen
Großbehälter entsprechend herkömmlichen Tanklastzügen.
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Wie in Fig. 3 ersichtlich, erstrecken sich die Behälter (24) über
die gesamte Nutzlänge des Zugfahrzeugs (11') bzw. des Anhängers (12'). Der Anhänger
(12') ist in der Fig. 1 mit Schnittlinie (27) verkürzt dargestellt.
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Die Gasbehälter (24) sind auf dem jeweiligen Fahrzeug (Zugfahrzeug
11' oder Anhänger 12') untereinander kommunizierend verbunden, wodurch die Füllung
bzw. die Entnahme des Gases über einen gemeinsamen Füllstutzen (18) durchführbar
ist. Die kommunizierende Verbindungsleitung ist in Fig. 3 schematisch mit (29) beim
Anhänger (12') dargestellt.
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Erfindungsgemäß befinden sich unter dem Laderaum (23) drei weitere
Gasbehälter (24'), die vorzugsweise zwischen den Achsen (30) des Zugfahrzeugs (11')
und/oder des Anhängers (12') angeordnet sind. Bei dem in Fig. 3 dargestellten zusätzlichen
Gasbehälter (24') handelt es sich um eine weitere Vergrößerung des Füllvolumens
mit Biogas. Eine zusätzliche Leitung (31) verbindet die unteren Gasbehälter (24')
mit den oberen Gasbehältern (24). Die Länge der zusätzlichen Gasbehälter (24') beträgt
im Ausführungsbeispiel 19 5 m. Hiervon sind drei nebeneinander unterhalb des Laderaums
(23) angeordnet, wie in Fig. 4 dargestellt.
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Der senkrechte Abstand h2 zweier Querschnittsmittelpunkte (Längsmittelachse
25) beträgt h2 #46 cm.
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Das Zugfahrzeug (11') ist mit einem Wechselrahmen (33) ausgerüstet,
so daß der Aufbau leicht entnommen werden kann und der Motorwagen ähnlich dem Sattelschlepper
(11) in Fig. 1 zur Verfügung- steht.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie
umfaßt vielmehr alle für den Fachmann naheliegenden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gedankens. Insbesondere können andere gesetzlich vorgeschriebene Abmaße und Gewichte
verwendet werden.
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Sinngemäß läßt sich das Verfahren auch auf Binnenwasserfahrzeuge übertragen
mit entsprechenden gesetzlichen Auflagen.