Kraft-Wärme

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Einführung - Theorie - Übungsaufgaben - Geschäftsfall - Zusammenfassung
1
Überblick

Einführung
–
–
–

Theorie









Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Energiequellen für intelligente Energienetze
Erneuerbare Energie
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Sonnenenergie
Energie aus Biomasse
Windenergie
Erdwärme
Wasserkraft
Kraft-Wärme-Kopplung Technologien
Übungsaufgaben
Geschäftsfall
Zusammenfassung
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2
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3
Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbare Energiequellen für
intelligente Energienetze
Einige erneuerbare Energiequellen sind durch große Unstetigkeiten gekennzeichnet
Lastausgleich Erneuerbare Quellen
Lokale Produktion von Energie
Gitternetz
Dezentralisierte Generation (DG)
Kraft-Wärme-Kopplung
Energieeffizienz
Information-und
Kommunikationstechnik
Speicher
DG ist der logische Kern von intelligenten Städten
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4
Erneuerbare Energie
Erneuerbare Energiequellen haben eine Regenerationszeit von Energie kleiner als
(oder gleich) der Nutzungsdauer.
Können daher nicht als erneuerbare fossile Brennstoffe betrachtet werden.
SonneBiomasse
Wind
Geothermie
Wasser
Energieeffizienz (ist keine Quelle, aber reduziert die Verwendung der Bezugsquellen)
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5
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
"... Integrierte Systeme, welche Energie von jeglichen
Primärenergiequellen in der gemeinsamen Produktion von Strom
und thermische Energie (Wärme), umwandeln...“
Definition von AEEG n. 42/02 19 März 2002
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SOLARENERGIE
Die Sonne ist eine Quelle=> Wärme, Kühlung, Licht und Strom
Großes Potential: In einer Stunde liefert die Sonne die notwendige
Jahres Energie für den gesamten Planeten.
Technologien:
Solarheizung
Solarkühlung
Photovoltaik
Aufbereitete Sonnenenergie
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SOLARENERGIE
Solarheizung (Geringe Temperatur, t < 100 °C)
• Produktion von hygienischem Warmwasser
Solarheizung (Hohe Temperatur, t > 150 °C)
•
Heizung oder Vorwärme (industrielle Verwendung)
•
Fernwärme
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SOLARENERGIE
Solarheizung: Merkmale
•
Eine ausgereifte Technologie
•
Keine lokalen CO2-Emissionen
•
Lautlos
•
Zufälligkeit der Produktion
•
Speicherung
•
Variable Umweltbelastung
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SOLARENERGIE
Solarkühlung
Solarkollektor
Warmluft
60-90 °C
Befeuchter
Abdampf
Rückluft
System des geschlossenen Kreislaufs
•
Absorption
•
Adsorption
Befeuchter
Aufnahme
Entfeuchtungsrad
Wärmerückgewinnungsrotor
System des geöffneten Kreislaufs
•
DEC System (Trockenmittel & Verdunstungskühlsysteme)
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Zuluft
16-18 °C
SOLARENERGIE
Solarkühlung: Merkmale
•
Relativ neue Technologie
•
Hohe Kosten für kleine Größen
•
Keine lokalen CO2-Emissionen
•
Lautlos
•
Zufälligkeit der Produktion
•
Speicherung
•
Variable Umweltbelastung
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SOLARENERGIE
Photovoltaik:
Direkte Umwandlung von
Sonnenenergie in Strom.
Solarmodule
• Hohe Stromkosten
• Anreicherung
• Neue organische Materialien
Umrichter
Schalttafel
Zähler
anstelle von Silikon
• Energiespeicher
Öffentliches
Stromnetz
Benutzer
• Batterien
• Warmwasser durch Joule-Effekt
• Wasserstofferzeugung
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SOLARENERGIE
Photovoltaik: Merkmale
• Keine lokale CO2-Emission
• Lautlos
• Dezentralisiert
• Geringe Effizienz
• Nur Stromerzeugung
• Unterbrochene Produktion
• Umweltauswirkung
• Ländliche Nutzung (Agrarwirtschaftliche Nutzung)
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SOLARENERGIE
Konzentrierte Solarthermie (CSP)
Konzentration, durch Bündelung der Sonnenstrahlen mit Spiegel auf die
Absorber Fläche.
Typologie
•
Linear parabolisch
•
Turmsysteme mit zentralem Empfänger
•
Parabolrinnen- und Fresneltechnik
•
Parabolschüsselkollektor
Bild: ENEA
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SOLARENERGIE
Thermodynamisch Hochtemeperatur
•
Linear parabolisch
•
Turmsysteme
Bild: ENEA
Aktuell, Verwendung von
Salzschmelzen als Träger von
Wärmeenergie
Hohe Temperaturen werden erreicht (T bis zu
550 °C )
Verbesserung des thermodynamischen Zyklus
Nachteile
Die Salze müssen auf hoher Temperatur gehalten werden, auch bei Nacht.
Umweltauswirkungen (vor allem bei Turmsystemen)
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ENERGIE AUS BIOMASSE
•
Thermochemische Verarbeitung
•
Biochemische Umwandlung
Biokraftstoffe: Umwandlung von Biomasse in flüssige Kraftstoffe für Beförderungsmittel.
•
Rapsöl und Sonnenblumenöl (Biodiesel),
•
Zuckerrohr, Rüben, Mais (Bioethanol).
Biopower: Direkte Verbrennung von Biomasse oder Umwandlung in gasförmige oder
flüssige Brennstoffe die effizienter brennen, um Strom zu erzeuge.
Bioprodukte: Umwandlung von Biomasse in Chemikalien für die Herstellung von
Kunststoffen und andere Produkte, die typischerweise aus Erdöl hergestellt werden.
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ENERGIE AUS BIOMASSE
Vorteile
‒ Produktion auf Nachfrage
‒ Speicherung
‒ Kraft-Wärme-Kopplung Konfiguration
Nachteile
‒ Technologie befindet sich in der Entwicklungsphase,
‒ Einsatz von Unkrautvernichtungsmitteln (für Intensivkulturen)
‒ Umweltauswirkung (von sehr begrenzt bis nicht unbedeutend)
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ENERGIE AUS BIOMASSE
Biomasse
Organische Abfälle
Wald
Gemüse
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Technologischer Wandel
von Produkten
Energetischer Anbau
landwirtschaf
tlich
- Essen
- Tiere
- Kein Essen
- Gemüse
Aquatisch
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Land
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ENERGIE AUS BIOMASSE
Existierenden Haupttechnologien für die Verwendung von Biomasse
Biomasse
Aufbereitung
Mechanisch (Chips …)
Holz
Brennstoff
Technologie
Holz
Heizkessel+ Dampfturbine
Kohle
Verbrennungsmotor
(Diesel Kreisprozess)
Öl
Gasturbine
Mikrogasturbine
Karbonisierung
Öl Pflanzen kein
Essen
Pyrolyse
Vergasung
Zuckerpflanzen
kein Essen
Pyrolyse / Veresterung
Gas
Alkoholische Gärung
Organische
Abfälle
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Ethanol
Anaerobe Faulung
Brennstoffzellen
Verbrennungsmotor
(Otto Kreisprozess)
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WINDENERGIE
Wind ist eine Form der Sonnenenergie.
Winde werden von einer ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre
durch die Sonne, den Unregelmäßigkeiten der Erdoberfläche und der
Erdrotation verursacht.
Technologie: Horizontal- und vertikalachsige Windturbinen
Ortsbestimmung : an Land/ vor der Küste ;
Leistung: Bis zu 8 MW
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WINDENERGIE
Rotor
Übersetzungsgetriebe
Generator
Messinstrumente
Gondel, Gier System
Bremssystem
Turm und Fundament
Foto: ENEA
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WINDENERGIE
Vorteile
Keine lokalen CO2-Emissionen
Nachteile
Umweltauswirkung (Lärmbelästigung, Biodiversität, sichtbar)
Unterbrochene Produktion
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ERDWÄRME
Geothermische Energie verwendet Erdwärme (Dampf und Warmwasser in
verschiedenen Temperaturen)
• Dampf-dominierte hydrothermale Systeme
• Wasser-dominierte hydrothermale Systeme
• Heiße Trockengesteinssysteme
• Gepresste Gesteinssysteme
Erdwärme, kann entsprechend der Fluidenergie nach klassifiziert
werde.
Geringe Enthalpiewärme 100 kcal/kg
(Wasser bei 100 °C)
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Mittlere Enthalpiewärme 100-630 kcal/kg Hohe Enhtalpiewärme heat 630 kcal/kg
(Ein Gemisch aus Wasser und Dampf)
(Trockener Dampf)
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ERDWÄRME
Hohe Enthalpie
•
Elektrische Energie
•
Industrieller Dampfeinsatz
Geringe und mittlere Energie
•
Badewesen und Wellnessorte,
•
Gewächshäuser,
•
Aquakultur,
•
Industrielle Nutzung,
•
Trocknung von Produkten,
•
Andere Verwendung.
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ERDWÄRME
Hausgebrauch
•
•
•
•
•
•
•
Ausgereifte Technologie
Großer Leistungsbereich
Auf Anfrage
Geringere Umweltauswirkungen oder geringfügig
Fluidtemperatur: 12-15 °C
Kühlung
Heizung (mit integrierter Wärmepumpe)
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WASSERKRAFT
Verwendung der potentiellen Wasserenergie.
Verschiedene Arten von Turbinen als Funktion des Wassersprungs
sind verfügbar.
Anwendungsbereich
H [m]
Kreuzstrom
Pelton,
Francis
Francis,
Kaplan
Kaplan,
Pelton
Kreuzstrom (Banki)
Archimedes
Schnecke
Archimedes Schnecke
Q [m³/s]
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HYDRAULIC ENERGY
Advantages
mature technology
no local CO2 emissions
on Demand
storage
Disadvantages
high environmental impact,
ecosystem damage,
only electricity production
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Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary
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Wasserkraft
Vorteile
ausgereifte Technologie
keine lokale CO2-Emission
auf Anfrage
Speicherung
Nachteile
große Umweltauswirkung,
Schädigung des Ökosystems,
nur Stromerzeugung
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Kraft-Wärme-Kopplung
Warum Kraft-Wärme-Kopplung?
Vorteile
• Wirtschaftlich: Dank besserer Anlageeffizienz kann der
Energieinhalt des Kraftstoffes in effizienterer Weise genutzt werden.
Zukünftige Einsparungen aufgrund der lokalen Energieproduktion.
• Umwelt: Niedriger Kraftstoffverbrauch bedeutet weniger
umweltschädliche Emissionen.
• Finanziell: Kraft-Wärme-Kopplung wird eine vergleichbare
Energiequelle neben den anderen Energiequellen (Sonne, Wind und
Erdwärme) und profitiert von den gesetzlichen Vorschriften und
Anlagen.
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30
Kraft-Wärme-Kopplung
Warum Kraft-Wärme-Kopplung?
GRENZEN
• Notwendig der Gegenseitigkeit zwischen Produktion und
Nachfrage für die elektrische und die thermische Energie.
• Wirtschaftliche Zweckmäßigkeit der Anlagen. Thermische und
elektrische Anwendungen müssen in der Nähe des Kraftwerks
sein
• Höhere Anlagenkosten im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen durch die Komplexität der KWK-Anlagen.
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31
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Warum KWK??
Die Idee der KWK ist impliziert in dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik
enthalten.
•
Ein generischer thermodynamischen Zyklus um Wärme in mechanische Arbeit
umzuwandeln ist notwendig, um einen Teil der Wärme im Eingang des Zyklus
abführen
•
In wirklich sinnvollen und eingesetzten Technologien ist der Teil der abgeführten
Wärme in der Regel größer als der in der mechanische Arbeit umgewandelte Teil
•
Thermische Energie ist die Energieform die in industriellen und zivilen Anwendungen
am häufigsten zum Einsatz kommt
•
Der KWK Prozess führt zu einer rationelleren Nutzung von Primärenergie im
Vergleich zu Prozessen welche separat zwei Arten von Energie erzeugen.
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32
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
KWK Vs. Getrennte KWK
Anlagen produzieren getrennt elektrische und thermische Energie. Es kann
wie folgt definiert werden.
Getrennte Erzeugung von Kraft & Wärme
Ein Vergleich zwischen diesen beiden Anlagelösungen könnte dazu
beitragen, die Vorteile der kombinierten Energie-Kopplung (KWK) in Bezug
auf die Getrennt zu beurteilen.
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33
KWK
Getrennte KWK
CHP Vs SHP
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Elektrisch
Energie
Chemische Energie
mcHi
ηc
Wärme
Q
Chemische
Verschmutzung
Thermische
Energie
Elektrischeund
thermische
Energie
Chemische Energie
mcHi
ηc
Chemische Energie
mcHi
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ηt
Arbeit
L
ηc
Nützliche
Wärme
ηt
ηt
Wärme
Q
Chemische
Verschmutzung
ηm
Arbeit
L
Nützliche
Wärme
Nützliche Arbeit
Le
Mechanische
Verluste
Thermische
Verschmutzung
Wärme
Q
ηm
Nützliche Arbeit
Le
Mechanische
Verluste
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34
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
A) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme
(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)
( =80%)
Thermische
Anfrage
IN
50
63
+
+
( =35%)
Elektrische
85
30
Anfrage
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 = 80/148 = 54%
148
80
Verlust = 68
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35
COMBINED HEAT & POWER
B) Geteilte Produktion von Elektrizität und Wärme
(All figues are energy units)
50
+
ELECTRIC
REQUEST
COGENERATION
PLANT
100
THERMAL
REQUEST
IN
30
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 = 80/100 = 80%
Introduction - Theory - Exercises - Business Case - Summary
100
80
Losses = 20
36
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
B) COMBINED PRODUCTION OF ELECTRICITY AND HEAT
(Alle Zahlen sind Energieeinheiten)
IN
50
+
Elektrische
Anfrage
KWK-Anlage
100
Thermische
Anfrage
30
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 = 80/100 = 80%
100
80
Verlust = 20
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37
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Die Verwendung von KWK-Systemen ermöglicht
es den Primärenergieverbrauch von 15% auf 40%
zu reduzieren, produzierter Strom und Wärme sind
gleich.
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Die Einsparung kann mit der folgenden
mathematischen Formel ausgedrückt werden:
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
HAUPTKOMPONENTEN
1.
Motor
2.
Generator
3.
Wärmetauscher
4.
Steuersystem
5.
Verteilersystem
6.
Elektrische Anschlüsse
7.
Elektroschrank (Wenn das Unternehmen vor hat elektrische Energie
zu verkaufen)
8.
…..
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40
KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Anlagen die als KWK definiert werden können (*)











Gasturbine mit Wärmerückgewinnung (kombinierter Prozess)
Gegendruckdampfturbine
Entnahme- Kondensationsdampfturbine
Gasturbine mit Wärmerückgewinnung
Verbrennungsmotor
Mikroturbinen
Stirling- Motoren
Brennstoffzellen
Dampfmotoren
Rankine- Kreislauf mit organischem Fluidum Quelle: ENEA Desire – Net Project
Jede andere Technologie oder Kombination von Technologien, für
die die Begriffsbestimmung des Artikels 3 Buchstabe a) gilt..
(*) Quelle: Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die
Förderung der KWK auf der Grundlage eines Nutzwärmebedarfs im
Energiebinnenmarkt
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KRAFT-WÄRME-KOPPLUNG
Vergleich der Effizienz verschiedener Generatoren
MCFC
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Primärenergieeinsparung
Nehmen wir einen gleichen Energiebedarf von 80 kWh thermischer Energie und
90 kWh thermischer an, kalkulieren Sie bitte die Verbrauchsschwankungen mit
einem KWK statt einem getrennten KWK.
Daten:
•
Effizienz des thermoelektrischen Kraftwerks gleich 45%.
•
Wirkungsgrad des Wärmekraftwerks gleich 95%.
•
KWK: Elektrischer Wirkungsgrad gleich 40% und thermischer Wirkungsgrad
gleich 45%.
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Primärenergieeinsparung
Gentrennt KWK
KWK
Elektrische Energie
80/45=178 kWh
80/40=200 kWh
Thermische Energie
90/95= 95 kWh
90/45=200 kWh
Verbrauchte Energie (PCI) 273 kWh
200 kWh
Verbrauchsreduzierung von ungefähr 27%
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45
HOCHLEISTUNGSMOTOREN
Welche der folgenden Lastprofile ist für
die KWK geeignet ?
Diagramm a
Diagramm b
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HOCHLEISTUNGSMOTOREN
Welche der folgenden Lastprofile ist für
die KWK geeignet ?
Diagramm a
Mit der Verwendung eines Speichersystems
Diagramm b
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Praxisbeispiel
“Hypo Alpe Adria”
Blockheizkraftwerk Fernwärme und Kühlung:
Das "Hypo Alpe Adria" Blockheizkraftwerk liegt in Tavagnacco (UD) im Nordosten Italiens.
Im nördlichen Teil des Landkreises von Udine, einem Wohnbereich mit mehreren
öffentlichen und privaten Gebäuden, darunter ein Schwimmbad, ein Hotel, Sitz einer
italienischen Bank und andere Einrichtungen im Dienst der Gemeinde, wurden entwickelt.
Die Anlage "Hypo Alpe Adria" enthält eine KWK-Kraftmaschine mit 1 MW elektrischer und
1,3 MW Wärmekapazität. Darüber hinaus sind zwei Wärmeerzeuger mit 1,2 und 2,0 MW
Wärmekapazität installiert. Die Kühlanlage umfasst zwei Kältemaschinen mit 1 MW
Kühlleistung und eine Absorptionskältemaschine mit 0,5 MW Kälteleistung.
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Elektrische Kapazität (gesamt)
Wärmekapazität (gesamt)
Technologie
Nr. Der Einheit
Hersteller
Art des Kraftstoffs
Strom (Jahreserzeugung)
Wärme (Jahreserzeugung)
Anlagebau
Gesamtinvestitionskosten
Finanzierung
Staatliche Unterstützung
Ort
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1,06 Mwe
1,27 MWth
Maschinenmotor
1
Jenbacher
Erdgas
2,37 GWh
2,57 GWh
2006
€ 2.800.000
Eigenmittel
Zertifikate, Steuersenkung
Tavagnacco, Italien
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Wiederholung
 Einige erneuerbare Energiequellen weisen starke
Produktionsdiskontinuitäten auf
 Für die Energiedistrikte wir es notwendig die produzierte
Energie zu nutzen und zu optimieren
 KWK-Anlagen bieten die Möglichkeit Primärenergie effizient
zu nutzen, wenn elektrische- und thermische Energie benötigt
wird
 KWK-Anlagen können auch mit erneuerbaren Energien
(Biomasse) eingespeist werden
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