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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsersatzversorgung von Offshore-Windkraftanlagen.
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Zur Versorgung der Menschen mit Strom gewinnen die regenerativen Energien immer größere Bedeutung. Offshore-Windparks sind dazu nicht nur in Europa eine Möglichkeit, Strom regenerativ örtlich nahe am Bedarf der Bevölkerung auch dort in großem Umfang zu erzeugen, wo die Sonne nicht so intensiv scheint, wie näher am Äquator.
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Offshore-Windparks weisen in der Regel eine große Anzahl von Windkraftanlagen auf, die üblicherweise auf dem Meeresboden gegründet oder verankert sind. Ihre Türme schauen aus der Wasseroberfläche heraus, und an deren oberem Ende befindet sich bekanntlich der eigentliche Generator, welcher vom Rotor der Windkraftanlage angetrieben wird. Die mehreren Windkraftanlagen eines Windparks stehen üblicherweise in elektrischer Leitungsverbindung mit ihrer zentralen Umspannplattform. Die Umspannplattformen mehrerer Windparks einer Meeresregion können wiederum direkt oder in elektrischer Leitungsverbindung mit einer zentralen Hochspannplattform in Leitungsverbindung mit dem Land stehen, um den gewonnen Strom zur Einspeisung in das Netz dorthin zu leiten.
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Aber Windkraftanlagen produzieren nicht nur Strom, sondern benötigen ihn auch selbst, um zum Einen ständig erforderliche Funktionen wie Schmierung, das Steuern des Anstellwinkels des Rotorblatts oder andere Funktionen zu gewährleisten. Dies erfordert bei Anlagen zum Beispiel der 5 MW-Klasse ständig ungefähr 25 kW. Zum Anderen benötigt die Windkraftanlage aber auch temporär mehr Strom, nämlich zusätzlich zum oben genannten Beispiel insgesamt etwa 50 kW, um zum Beispiel bei sich ändernder Windrichtung den Rotor zusammen mit der Generatorgondel entsprechend zu drehen.
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Dieser Strombedarf einer Windkraftanlage kann auch bestehen, wenn Windstille oder Starkwind herrscht und die Windkraftanlage also momentan nicht oder nicht mehr selbst Strom produziert – zum Beispiel muss die Gondel der Windkraftanlage auch in einer Flaute ausgerichtet werden, wenn der Wind dann aus einer anderen Richtung zu wehen beginnt oder die Steigung der Rotorblätter reduziert werden, wenn die Windstärke zu hoch ist.
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Aus alledem wird die Notwendigkeit der Fremdversorgung der Windkraftanlagen deutlich. Diese wird im Normalbetrieb vom schon beschriebenen „Landnetz” über die Einspeiseleitung über die Umspannplattform bzw. die Hochspannplattform gewährleistet, die Strom also vom Land zur Hochspannplattform, weiter zur Umspannplattform dann schließlich zur Windkraftanlage zu deren Versorgung leiten.
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Für den Fall irgendeiner Betriebsstörung dieser sogenannten „Netzersatzversorgung” ist es bekannt, auf der Umspannplattform eines Windparks eine Netzersatzversorgung mittels zum Beispiel eines oder mehrerer Dieselgeneratoren bereit zu stellen.
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Diese Netzersatzversorgung lässt aber den deutlich unwahrscheinlicheren, aber gar nicht unmöglichen Störungsfall außer Acht, dass auch die elektrische Leitungsverbindung zwischen der Umspannplattform und mindestens einer Windkraftanlage des Windparks störanfällig ist und unterbrochen sein kann. Außerdem können die Umspannplattform selbst, auf der Umspannplattform installierte Leitungsverbindungen oder die auf der Umspannplattform installierte Netzersatzanlage ganz oder teilweise ausfallen, so dass eine Rückspeisung in das Windpark-Netz nicht möglich ist. Eine gewisse Zeit könnte zwar eine Windkraftanlage auch ohne Stromversorgung bleiben, ohne wesentlichen, oder sogar irreparablen Schaden zu nehmen. Aber nach einer gewissen, nicht sehr langen Zeit ohne Stromversorgung würde der Schaden an der Windkraftanlage groß, die Instandsetzung teuer oder sogar unmöglich. Die Investition in die eigentlich betriebssicher, ungefährlich und lange Zeit, also nachhaltig, arbeitende Windkraftanlage wäre dann verloren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die das Betreiben eines Offshore-Windparks weniger anfällig gegen Störungen werden lässt.
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Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und erfindungsgemäße Vorrichtung dienen zur Netzersatzversorgung mindestens einer Offshore-Windkraftanlage. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatz-Spannungsquelle (zum Beispiel ein oder mehrere Dieselgeneratoren und/oder Gastubinen) mobil ist, und zwar vorzugsweise schwimmend, und eine Anschlussvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Ersatz-Spannungsquelle in elektrische Leitungsverbindung mit der mindestens einen Windkraftanlage zu bringen. Diese so eingerichtete Anschlussvorrichtung kann in einer bloßen elektrischen Verbindungvorrichtung bestehen, durch die Stromfluss zu der Windkraftanlage hergestellt wird, oder zum Beispiel auch einen geeigneten Transformator aufweisen, wenn die Ersatz-Spannungsquelle eine andere als die erforderliche Spannung liefert – etwa wenn die Ersatz-Spannungsquelle ein Generator eines Schiffes ist, dessen Spannung dann mittels eines geeigneten Transformators auf die erforderliche Versorgungsspannung transformiert wird.
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Entsprechend wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Ersatz-Spannungsquelle vorzugsweise schwimmend, aber zum Beispiel auch getaucht oder halb getaucht (also sogar auch per U-Boot) oder etwa per Hubschrauber durch die Luft zu ihrem Anschlussort transportiert und dort örtlich vorgehalten, also insbesondere so in Position gehalten, dass sie die Funktion der Ersatz-Spannungsversorgung vor Ort erfüllen kann. Mittels einer Anschlussvorrichtung wird die Ersatz-Spannungsquelle dann in elektrische Leitungsverbindung mit der Windkraftanlage gebracht.
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Zum Beispiel also in einem Störungsfall, bei dem (etwa durch einen verschleppten Anker eines Schiffes) die elektrische Leitung auf dem Meeresboden zwischen einer oder mehreren Windkraftanlagen und der Umspannplattform eines Windparks beschädigt und unterbrochen ist oder die Umspannplattform durch Feuer, Kollision, Wassereinbruch, Seeschlag oder andere Ursachen ganz oder teilweise ausfällt und die Netzersatzversorgung nicht mehr gewährleisten kann, kann die mobile Ersatz-Spannungsquelle zu einem windparkseitigen Teil einer erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung gebracht werden. Dort wird sie positioniert (zum Beispiel etwa mittels eines oder auch eines Hebezeugs wie dem „Tower-Lifter” gemäß
DE 10 2004 026 992 übergeben, vertäut, verankert, dynamisch positioniert (mittels des Antriebs des Schiffes, auf dem sie sich befindet, im Übrigen ohne mechanische Verbindung in Position gehalten) oder aufgeständert). Zum Beispiel nach Übergabe mittels Kran oder Helikopter kann die Ersatz-Spannungsquelle auf eine geeignete Plattform gestellt werden – oder sogar gehängt: eine Öse mit einer Haltestruktur, können so angeordnet und in der Vorrichtung insgesamt so ausgewogen sein, dass die Vorrichtung an der Öse aufgehängt sich in einer räumlichen Orientierung befindet, in der sie betriebsbereit ist. Durch geeignete Maßnahmen zum Beispiel mittels Seilen wird sie dann um Pendeln zum Beispiel unter Windlast gehindert. Eine weitere besonders originelle Ausgestaltung des Vorhaltens ist das Absenken im Wasser – in einen Schwebezustand oder auf den Meeresgrund: eine Unterwasserdruck-dichte Hülle (und im Bedarfsfalle seitens der Ersatz-Spannungsquelle ein Schnorchel für die Luftzufuhr zur Ersatz-Spannungsquelle) sind dazu mindestens erforderlich.
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Schließlich wird die Ersatz-Spannungsquelle erfindungsgemäß mittels des spannungsquellenseitigen Teils der Anschlussvorrichtung in elektrische Leitungsverbindung mit einer vorhandenen, insbesondere einer innerparklichen Leitungsverbindung betroffener Windkraftanlagen zum Beispiel eines Windparks gebracht. Auch ist es erfindungsgemäß möglich, durch Einrichtung einer oder mehrerer schwimmend oder auf einem meerestechnischen Bauwerk vorgehaltener Einspeisepunkte die Netzersatzversorgung in das innerparkliche Leitungsnetz einzuspeisen. So kann in genügend kurzer Zeit die elektrische Versorgung betroffener Windkraftanlagen wiederhergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind sehr wenig aufwendig. Die Anschaffung einer kleinen Anzahl mobiler Generatoren erzeugt schon erheblich geringere Kosten als die alternative Versorgung zum Beispiel jeder einzelnen von ungefähr 50–100 Windkraftanlagen eines Offshore-Parks mit je einem Notstromaggregat. Darüber hinaus erscheint aber die Instandhaltung so vieler Notstromaggregate mit uferlosem Aufwand verbunden zu sein, wenn bedacht wird, dass jedes dieser Aggregate in einer Windkraftanlage auf hoher See an einem anderen Ort (nämlich in der jeweiligen Windkraftanlage selbst) angeordnet sein und für den jederzeit erforderlichen Einsatz betriebsbereit gehalten werden muss, der auf der Windkraftanlage bevorratete Brennstoff begrenzt ist und das Betriebspersonal dieses Aggregat dann bei Wind und Wetter fortwährend zu erreichen hat.
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Dem gegenüber kann erfindungsgemäß mindestens eine schwimmend mobile Ersatz-Spannungsquelle bereit gehalten werden, nur zum Beispiel an Bord eines Versorgungsschiffes. Um sogar gleichzeitige Störfälle der dargestellten Art erfindungsgemäß abzusichern, können wie schon angedeutet auch mehrere der erfindungsgemäßen Ersatz-Spannungsquellen bereit gehalten werden. Dies ist an Investition- und Erhaltungsaufwand immer noch ganz wesentlich geringer als eine Individualversorgung jeder einzelnen Windkraftanlage.
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Aus verschiedenen schaltungstechnischen Gründen sind auch schon herkömmlich die Windkraftanlagen eines Parks durch zusätzliche elektrische Leitungsverbindungen „querverbunden”. Es ergibt sich folglich eine Art Netzwerk elektrischer Verbindungen zwischen den Windkraftanlagen. Daraus resultiert zwar zunächst – wegen dann mehrerer Leitungswege, die innerhalb des Netzwerks von der Umspannplattform zu den jeweiligen Windkraftanlagen führen – eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass eine Windkraftanlage durch eine Unerbrechungsstörung ohne elektrische Versorgung ist. Wie aber in der Zeichnungsbeschreibung noch beispielhaft ausgeführt werden wird, ist auf Grund örtlicher Gegebenheiten diese Gefahr dennoch nicht vollends gebannt, wenn zum Beispiel wie schon angedeutet durch einen verschleppten Anker gerade in der Nähe der Umspannplattform (wo regelmäßiger Schiffsanlegeverkehr herrscht) versehentlich mehrere Leitungsstränge durchtrennt werden. Die „Quervernetzung” begünstigt im Sinne der Erfindung zusätzlich vorteilhaft, dass eine Abtrennung mehrerer Windkraftanlagen von der Umspannplattform allein durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen schwimmend mobilen Ersatz-Spannungsquelle behoben werden kann. Dies ist aber auch ohne die Quervernetzung möglich, wenn sich eine erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung in einem Leitungsstrang hinter der Unterbrechung befindet und Anschluss herstellt zu allen Windkraftanlagen, die durch diesen Leitungsstrang verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Ersatz-Spannungsquelle kann an Bord eines Schiffes als eigenständiger Generator oder auch als Teil der üblicherweise für den Eigenbedarf (Antrieb, Bordnetz usw.) des Schiffes installiert sein – welches also einen eigenen Antrieb hat und sich aus eigener Kraft fortbewegen und an seinen Einsatzort bringen kann. Alternativ ist aber auch das Anordnen der Ersatz-Spannungsquelle zum Beispiel an Bord eines Pontons denkbar, der also schiffstechnisch weniger aufwendig keinen eigenen Antrieb hat, sondern geschleppt, geschoben oder (auf dem See- oder Luftweg) verfrachtet werden kann. In diesem Fall kann zum Beispiel ein einzelner Schlepper mehrere der erfindungsgemäß schwimmend mobilen Ersatz-Spannungsquellen im jeweiligen Bedarfsfalle transportieren. Dies kann besonders in einem größeren Park oder wenn eine „Flotte” von Ersatz-Spannungsquellen mehrere Windparks versorgt (die zum Beispiel um eine Hochspannungsplattform herum angeordnet sind) vorteilhaft sein.
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Am Einsatzort lassen sich die erfindungsgemäßen Ersatz-Spannungsquellen erfindungsgemäß örtlich festmachen, zum Beispiel in dem sie dort vertäut oder dynamisch positioniert werden oder ankern. Aber auch eine technisch aufwendigere Lösung einer Aufständerung des Schiffes oder des Pontons („Jack-up”) ist erfindungsgemäß denkbar.
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Für den Netzersatz ist gemäß der elektrotechnischen Konstruktion des Windparks eine bestimmte Spannung erforderlich (zum Beispiel 33 kV), die dann im Bedarfsfall von der Ersatz-Spannungsquelle zu liefern sind.
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Eine auch denkbare spezielle Ausgestaltung der Erfindung ist der Einsatz gewöhnlicher Schiffe, die zum Beispiel während des Betriebs des Windparks dort ohnehin im Einsatz sind. Schiffe haben eine eigene Bordnetzversorgung, in der Regel einen Generator. Dieser benötigt dann erfindungsgemäß einen passenden Umspanntrafo, der die Bordnetzspannung auf die Netzersatzspannung transformiert, wenn nicht die Ausgangsspannung des Generators der Netzersatzspannung entspricht, oder auf der WEA kein separater Umspanntrafo zur Verfügung steht oder der Umspanntrafo des WEA-Generators nicht die Möglichkeit bietet, die von außen eingespeiste Leistung zu transformieren.
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Die Anschlussvorrichtung der Ersatz-Spannungsquelle zum Anschließen an die Windkraftanlage kann wie ein herkömmlicher Landanschluss von Schiffen ausgestaltet sein. Aus diesem technischen Zusammenhang gibt es Vorrichtungen und Technologien, die dazu dienen, Schiffe im Hafen von Land elektrisch zu versorgen. Zwar erfolgt gemäß der Erfindung die Richtung der elektrischen Versorgung umgekehrt, nämlich vom Fahrzeug weg. Die Anschlusstechnik kann aber dementsprechend ausgestaltet sein.
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Damit erfindungsgemäß auch der größte denkbare Störfall versorgt werden kann, dass nämlich sämtliche Windkraftanlagen eines Parks von der Umspannplattform abgetrennt sind oder die Umspannplattform für die Netzersatzversorgung ausfällt, ist es vorteilhaft, die bereitgehaltene, erfindungsgemäße Ersatz-Spannungsquelle so leistungsfähig zu gestalten, dass der gesamte Windpark von ihr versorgt werden kann. Falls örtlich mehrere erfindungsgemäße Spannungsquellen im Einsatz sind, kann es reichen, dass diese zusammen, also in der Summe in der Lage sind, die erforderliche Gesamtleistung aufzubringen.
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Vorteilhaft ergibt sich durch die Erfindung, dass durch das Vorsehen mehrerer örtlicher erfindungsgemäßer Anschlussvorrichtungen für die Ersatz-Spannungsquelle in einem Netzwerk eines Windparks variantenreich auf Störfälle reagiert werden kann. Die erfindungsgemäße Einspeisung wird in der Regel nicht wie bislang zentral in der Umspannplattform erfolgen, sondern sozusagen dezentral. Es können sogar vorhandene Versorgungsschiffe zur Verwendung als erfindungsgemäße Ersatz-Spannungsquelle ausgerüstet werden, was besonders geringe Zusatzinvestitionen und -betriebskosten erfordert. Dieses einfache Nachrüsten möglicherweise schon vorhandener Schiffe mit den nötigen Einrichtungen ist erfindungsgemäß denkbar. Solche Einrichtungen können in beliebiger Kombination gemäß jeweiligem Erfordernis sein: eine passende schiffsseitige Anschlussvorrichtung, ein Umspanntrafo von der Bordnetz- auf die Netzersatzspannung, eine „Kabeltrommel” (um größere Entfernungen zwischen dem Liegeort des Schiffes im erfindungsgemäßen Einsatz und der Anschlussvorrichtung zur Windkraftanlage zu überbrücken) und/oder überhaupt eine geeignete schiffsseitige Anschlussvorrichtung der Ersatz-Spannungsquelle.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden entlang den beigefügten Abbildungen beispielhaft weiter erläutert.
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Die Figur ist eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Windpark.
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Die Figur zeigt einen Offshore-Windpark aus einer großen Anzahl von Windkraftanlagen 1, die auf dem Meeresboden gegründet sind. Ihre Türme schauen aus der Wasseroberfläche heraus. An deren oberem Ende befindet sich der eigentliche Generator, welcher vom Rotor der Windkraftanlage angetrieben wird.
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Die Windkraftanlagen 1 stehen in elektrischer Leitungsverbindung 2 mit ihrer zentralen Umspannplattform 3. Die Umspannplattformen dieses und anderer Windparks (nicht dargestellt) derselben Meeresregion stehen wiederum in elektrischer Leitungsverbindung 9 mit einer zentralen Hochspannplattform 4. Diese befindet sich in Leitungsverbindung 10 mit dem Land, um den gewonnen Strom zur Einspeisung in das „Landnetz” 5 dorthin zu leiten.
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Die Fremdversorgung der Windkraftanlagen 1 mit Strom (zur Deckung von deren Eigenbedarf zu Zeiten, wo sie zum Beispiel bei Flaute keinen Strom produzieren) wird im Normalbetrieb vom Landnetz 5 durch die Einspeiseleitung 10 über die Hochspannplattform 4 und weiter über die Umspannplattform 3 gewährleistet.
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Für den Fall irgendeiner Betriebsstörung dieser sogenannten „Netzersatzversorgung” steht auf der Umspannplattform 3 des Windparks eine Netzersatzversorgung mittels Dieselgenerator 6 bereit.
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Wenn nun aber die Umspannplattform 3 selbst oder die auf der Umspannplattform installierte Netzersatzanlage 6 ganz oder teilweise ausfallen, ist eine Rückspeisung in das Windpark-Netz 1, 2 und damit die Netzersatzversorgung nicht möglich.
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Zum Beispiel also auch in einem Störungsfall, bei dem (etwa durch einen verschleppten Anker eines Schiffes) die elektrische Leitung 2 auf dem Meeresboden zwischen einer oder mehreren Windkraftanlagen 1 und der Umspannplattform 3 des Windparks beschädigt und unterbrochen ist, wird erfindungsgemäß eine mobile Ersatz-Spannungsquelle 7 (in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Ponton) mittels eines Schiffs (nicht dargestellt) zu einem windparkseitigen Teil 11 einer erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung geschleppt. Dort wird die Ersatz-Spannungsquelle 7 vertäut und angeschlossen.
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Aus verschiedenen schaltungstechnischen Gründen sind auch schon herkömmlich die Windkraftanlagen eines Parks durch zusätzliche elektrische Leitungsverbindungen 8 „querverbunden”. Dies kann übrigens sogar auch nachträglich zur Unterstützung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Ergänzung von „Quervernetzungen” 8 geschaffen werden. Es ergibt sich dann eine Art Netzwerk elektrischer Verbindungen 2, 8 zwischen den Windkraftanlagen 1.
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Wenn nun zum Beispiel wie schon angedeutet durch einen verschleppten Anker in der Nähe der Umspannplattform 3 (wo regelmäßiger Schiffsanlegeverkehr herrscht) versehentlich alle Leitungsstränge 2 durchtrennt werden, ist zwar trotz der „Quervernetzung” 8 die Netzersatzversorgung aller Windkraftanlagen 1 im Park unterbrochen, lasst sich aber allein durch den Anschluss der schwimmend mobilen Ersatz-Spannungsquelle 7 (mittels des quellenseitigen Teils 12 der Anschlussvorrichtung an Bord der Ersatz-Spannungsquelle 7) am windparkseitigen Teil 11 der Anschlussvorrichtung wieder herstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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