DE102013222225A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (100) soll den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb einer Gasturbine in Erdgasnetzen mit Power-to-Gas-Einspeisung ermöglichen. Dazu wird der Wasserstoffgehalt des der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoffs (146) ermittelt und eine Anzahl von Stellgrößen (158) der Gasturbine (100) anhand des ermittelten Wasserstoffgehalts in der Art einer Regelung variiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine. Sie betrifft weiter eine Gasturbine und eine Kraftwerksanlage.
  • Aufgrund der fortschreitenden Energiewende nimmt der Anteil an erneuerbaren Energien in den Stromverbundnetzen zu. Hierdurch werden fossile Energieträger und somit Kohlendioxidemissionen eingespart. Da erneuerbare Energien typischerweise hinsichtlich ihrer momentanen Leistung abhängig von z. B., Sonneneinstrahlung und Windstärke fluktuieren, die Verbundnetzfrequenz durch Angleich von Verbrauch und Stromeinspeisung jedoch konstant gehalten werden muss, ist ein Ausgleich dieser Fluktuationen notwendig.
  • Ein Lösungsansatz besteht darin, die Energie durch Zwischenspeicherung zeitversetzt nutzbar zu machen. Bisher wurde Energie dabei hauptsächlich in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert. Im Rahmen von Forschungs- und Demonstrationsprojekten gibt es jedoch Bestrebungen, überschüssige Energie zur Wasserelektrolyse zu nutzen und den entstehenden Wasserstoff in das Erdgasnetz einzuspeisen. Dieses Verfahren ist unter dem Namen Power-to-Gas bekannt und soll in Zukunft großkommerziell eingesetzt werden.
  • Es ergibt sich hierbei das Problem, dass Kraftwerke, die elektrische Energie mithilfe von Brennstoff aus dem Erdgasnetz erzeugen, d. h. typischerweise Gasturbinenkraftwerke oder kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke, nicht auf die durch die Wasserstoffeinspeisung veränderte Brennstoffzusammensetzung im Erdgasnetz angepasst sind. Unter Umständen können hierbei Wirtschaftlichkeit und sogar die betriebliche Sicherheit solcher Kraftwerke leiden.
  • Aus der US 2010/0162678 A1 und der CH 703598 A2 ist es zwar bekannt, Gasturbinen abhängig von bestimmten Brennstoffparametern zu regeln. Allerdings werden hierbei lediglich sekundäre Parameter wie der Heizwert verwendet. Weiterhin wird in diesen Druckschriften davon ausgegangen, dass die Zusammensetzung des Brennstoffs aktiv beeinflussbar ist, nämlich durch entsprechende Einstellung der Mischungsverhältnisse.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb einer Gasturbine in Erdgasnetzen mit Power-to-Gas-Einspeisung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Wasserstoffgehalt des der Gasturbine zugeführten Brennstoffs ermittelt wird und eine Anzahl von Stellgrößen der Gasturbine anhand des ermittelten Wasserstoffgehalts in der Art einer Regelung variiert werden.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz dem Wasserstoff eine sehr breite Nutzung offensteht. Insbesondere werden in Phasen geringer erneuerbarer Erzeugung Gasturbinen mit dem Erdgas-Wasserstoff-Mischgas betrieben. Um diese Art der Energiespeicherung sicherzustellen, sollten Gasturbinen mit einem schwankenden Wasserstoffgehalt im Erdgas betrieben werden können. Dazu wird der Wasserstoffgehalt des der Gasturbine zugeführten Brennstoffes durchgehend gemessen und mittels einer vordefinierten Korrelation alle relevanten Parameter der Gasturbinenregelung eingestellt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wasserstoffgehalt direkt mittels eines Gaschromatographen gemessen. Durch die direkte physikalische Messung, die alternativ z. B. auch mittels Wärmeleitfähigkeitsmessung erfolgen kann, wird eine besonders exakte Ermittlung des Wasserstoffgehalts erreicht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wasserstoffgehalt anhand von Eigenschaften des Brennstoffs indirekt ermittelt. Als Eigenschaften kommen hier beispielsweise der Heizwert oder die Verbrennungseigenschaften des Brennstoffes in Frage. Wenn eine derartige indirekte Messung eine ausreichende Genauigkeit ermöglicht, kann so auf aufwändige Bauteile, z. B. einen separaten Gaschromatographen verzichtet werden.
  • Die anhand des Wasserstoffgehaltes angepassten relevanten Stell- bzw. Systemgrößen der Gasturbine sollten abhängig vom Lastbereich ausgewählt werden: Vorteilhafterweise wird im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts die Abgastemperatur verringert. Hierdurch wird auch die Verbrennungstemperatur verringert, so dass ein Anstieg der NOx-Emissionen vermieden wird und die Gefahr eines Flammenrückschlags vermieden wird.
  • Zum gleichen Zweck wird alternativ oder zusätzlich vorteilhafterweise im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts eine Wasser- und/oder Dampfeindüsung vorgenommen. Diese Eindüsung erfolgt in die Brennkammer und verringert ebenfalls die Verbrennungstemperatur und damit die NOx-Emissionen und die Gefahr eines Flammenrückschlags.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Eindüsung von Wasser oder Dampf kann vorteilhafterweise im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts auch eine Kohlendioxid- und/oder Stickstoffeindüsung vorgenommen werden. Diese erreicht den gleichen Zweck.
  • Im Teillastbereich wird vorteilhafterweise die Brennstoffmenge in einem Pilotbrenner der Gasturbine variiert. Der Pilotbrenner dient in der Brennkammer der Gasturbine zur Erzeugung einer stabilen Pilotflamme. Um den Pilotbrenner herum sind die Hauptbrenner angeordnet. Da der Wasserstoffanteil im Brennstoff die Flammenstabilität bzw. akustische Stabilität beeinflusst, ist eine Anpassung der Pilotgasmenge zur Erhöhung dieser Stabilität besonders vorteilhaft.
  • Für den Fall, dass die Wasserstoffgehalte so hohe Werte annehmen, dass die bisher beschriebenen regelungstechnischen Maßnahmen nicht mehr ausreichen, um einen sicheren, regelkonformen Betrieb zu gewährleisten, sollte die Gasturbine schnellstmöglich heruntergefahren werden. Hierfür wird vorteilhafterweise ein erster Grenzwert für den Wasserstoffgehalt bestimmt, der von Art und Auslegung der Gasturbine abhängig sein kann, und bei Überschreitung des ersten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt wird die Gasturbine heruntergefahren.
  • Ist ein Herunterfahren der Gasturbine nicht erwünscht, da z. B. nur ein kurzfristiger Anstieg des Wasserstoffgehalts zu erwarten ist, oder aber nicht möglich, da z. B. die Versorgungssicherheit dies nicht zulässt, können auch alternative Maßnahmen ergriffen werden, die der Reduktion des Wasserstoffgehalts dienen. Dazu wird vorteilhafterweise bei Überschreitung eines zweiten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt Wasserstoff aus dem der Gasturbine zugeführten Brennstoff extrahiert. Eine derartige Wasserstoff-Abreicherung kann beispielsweise über eine Wasserstoff-permeable Membran oder über Druckwechselabsorption erfolgen. Der zweite Grenzwert für den Start der Absorption kann dabei niedriger liegen als der Grenzwert für die Abschaltung der Gasturbine.
  • Der extrahierte Wasserstoff wird vorteilhafterweise in einem Wasserstoffspeicher gespeichert und bei Unterschreitung eines dritten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher dem der Gasturbine zugeführten Brennstoff beigemischt. Der dritte vorgegebene Grenzwert charakterisiert dabei eine Phase mit niedrigerem Wasserstoffgehalt im Brennstoff, in dem eine zusätzliche Beimischung von Wasserstoff durch die oben beschriebenen regelungstechnischen Maßnahmen kompensierbar ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Erdgas- bzw. Brennstoffspeicher zur Absenkung des Wasserstoffgehalts zur Anwendung kommen: Hierzu wird vorteilhafterweise bei Unterschreitung eines vierten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt, d. h. in einer Phase mit niedrigem Wasserstoffgehalt im Brennstoff ein Teil des der Gasturbine zugeführten Brennstoffs in einem Brennstoffspeicher gespeichert. Bei Überschreitung eines fünften vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt, d. h. in einer Phase mit hohem Wasserstoffanteil wird dann vorteilhafterweise Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher dem der Gasturbine zugeführten Brennstoff beigemischt. Hierdurch wird der relative Wasserstoffanteil reduziert.
  • Eine Gasturbine weist vorteilhafterweise entsprechende Mittel zum Betrieb mittels des beschriebenen Verfahrens auf. Diese beinhalten entsprechende Messeinrichtung wie z. B. einen Gaschromatographen oder andere Sensoren für die Verbrennungseigenschaften des Brennstoffs, eine entsprechende Regelungselektronik und/oder -software sowie die beschriebenen Absorptions- und Beimischungseinrichtungen sowie Brennstoff- und/oder Wasserstoffspeicher.
  • Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derartige Gasturbine. Hierdurch eignet sich die Kraftwerksanlage in besonderem Maße für den Einsatz in Erdgasnetzen mit Power-to-Gas-Einspeisung.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Modifikation der Gasturbinenregelung in der Weise, dass der während des Betriebs bestimmte Wasserstoffanteil im Erdgas direkt Regelgrößen beeinflusst, ein regelkonformer, sicherer und wirtschaftlicher Betrieb der Gasturbine gewährleistet ist. Des Weiteren wird eine Steuerung implementiert, die regelungstechnische Maßnahmen und weitere Prozesse zur Wasserstoffverminderung (Abtrennung und Speicherung) aufeinander abstimmt.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben der Gasturbine unter Berücksichtigung des Wasserstoffanteils im zugeführten Brennstoff.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Eine Gasturbine 100 ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 106, hier eine Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Brenner 107 umfassen dabei jeweils einen nicht näher gezeigten Pilotbrenner, der zur Erhöhung der Flammenstabilität insbesondere im Teillastbereich dient.
  • Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125. Die Schaufeln 120, 130 sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 106 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120.
  • Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln 120, 130 ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln 120 der Turbine 108 übergeht. Über diese wird dann der Rotor 103 in Drehung versetzt, wodurch zunächst der Verdichter 105 angetrieben wird. Die nutzbare Leistung wird an die nicht dargestellte Arbeitsmaschine abgegeben.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. In der Gasturbine 100 herrschen Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celsius, da höhere Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad bedeuten. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 insbesondere der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Die hohen Belastungen machen höchstbelastbare Werkstoffe erforderlich. Die Turbinenschaufeln 120, 130 werden daher aus Titan-Legierungen, Nickel-Superlegierung oder Wolfram-Molybdän-Legierungen gefertigt.
  • Die Schaufeln 120, 130 werden für höhere Resistenz gegen Temperaturen sowie Erosion wie zum Beispiel Lochfraß, auch bekannt unter „pitting corrosion“, durch Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise ZrO2, Y2O4-ZrO2) geschützt. Die Beschichtung zur Hitzeabschirmung wird Thermal Barrier Coating bzw. kurz TBC genannt. Weitere Maßnahmen, um die Schaufeln hitzeresistenter zu machen, bestehen in ausgeklügelten Kühlkanalsystemen. Diese Technik wird sowohl in den Leit- als auch in den Laufschaufeln 120, 130 angewendet.
  • Jede Leitschaufel 130 weist neben dem eigentlichen Schaufelblatt einen auch als Plattform 144 bezeichneten, dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Innenring 140 des Stators 143 festgelegt. Jeder Innenring 140 umschließt dabei die Welle des Rotors 103. Ebenso weist jede Laufschaufel einen derartigen Laufschaufelfuß auf, endet jedoch in einer Laufschaufelspitze.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben der Gasturbine 100 unter Berücksichtigung des Wasserstoffanteils im zugeführten Brennstoff 146. 2 zeigt von der Gasturbine 100 lediglich schematisch Verdichter 105, Brennkammer 106 und Turbine 108. Auf der Achse 102 ist der bereits beschriebene Generator 148 angeordnet.
  • Die Gasturbine 100 wird mit Brennstoff 146 aus einem Erdgasnetz versorgt, das zur Speicherung der Energie aus erneuerbaren Energieerzeugungsverfahren wie Wind- oder Solarkraft mit mittels Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff gespeist wird. Der Brennstoff 146 umfasst daher einen Anteil von Erdgas 150 und einen Anteil Wasserstoff 152.
  • Der Betrieb der Gasturbine 100 wir von einer Steuereinheit 154 geregelt. Auf Basis einer Vielzahl von Messgrößen 156 aus der Gasturbine 100 wie z. B. Vibrationsamplituden und Stickoxidgehalt im Abgas und vorgegebenen Sollgrößen wie z. B. Leistung werden die Stellgrößen 158 der Gasturbine 100 geregelt. Diese umfassen z. B. die Turbinenein- und -austrittstemperaturen, Dampf- und/oder Wasserbeimischungsmenge und -druck, Pilotgasmenge für die Pilotbrenner etc.
  • In die Brennstoffzufuhrleitung der Gasturbine 100 ist ein Gaschromatograph 160 geschaltet. Dieser misst permanent den Wasserstoffgehalt im zugeführten Brennstoff 146 und gibt den ermittelten Wasserstoffgehalt an die Steuereinheit 154. Sofern der Wasserstoffgehalt auch indirekt bestimmt werden kann, z. B. anhand der Verbrennungseigenschaften, und diese Bestimmung eine ausreichende Genauigkeit aufweist, kann der Gaschromatograph 160 in einer alternativen Ausführungsform auch entfallen. Entscheidend ist, dass der Steuereinheit 154 der Wasserstoffgehalt im Brennstoff 146 als Eingangsgröße zur Verfügung steht.
  • Basierend auf dem Wasserstoffgehalt werden die Stellgrößen 158 der Gasturbine 100 eingestellt. Im Volllast- oder Nahvolllastbetrieb wird insbesondere die Abgastemperatur reduziert oder eine Wasser-/Dampf- oder alternativ Kohlendioxid- oder Stickstoffeindüsung vorgenommen. Im Teillastbereich wird insbesondere die Brennstoffmenge für den Pilotbrenner angepasst, um eine ausreichende Flammenstabilität zu gewährleisten.
  • Des Weiteren sind verschiedene obere und untere Grenzwerte für den Wasserstoffgehalt im Brennstoff 146 vorgegeben, bei deren Über- bzw. Unterschreiten zusätzliche Maßnahmen ausgelöst werden: Beispielsweise kann bei unzulässig hohen Wasserstoffgehalten die Gasturbine 100 heruntergefahren werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann über eine Wasserstoffabtrennung 162, die auf einer wasserstoffpermeablen Membran basieren kann, Wasserstoff 152 aus dem Brennstoff 146 entnommen werden. Dieser wird in einem Wasserstoffspeicher 164 zwischengespeichert. Sinkt der Wasserstoffgehalt im Brennstoff 146 wieder, kann der Wasserstoff über ein Ventil 166 wieder zugeführt werden.
  • Weiterhin ist ein Brennstoffspeicher 168 vorgesehen, in den in einer Phase geringen Wasserstoffgehalts im Brennstoff 146 Brennstoff 146 eingespeichert wird. Steigt der Wasserstoffgehalt über einen Grenzwert, wird Brennstoff 146 aus dem Brennstoffspeicher 168 über ein Ventil 170 beigemischt. Es versteht sich hierbei, dass die Entnahme und Beimischung von Wasserstoff 152 bzw. Erdgas 150 nicht allein anhand der vorgegebenen Grenzwerte erfolgt, sondern die Steuereinheit 154 hierbei auch den jeweiligen Füllgrad des Wasserstoffspeichers 164 bzw. Brennstoffspeichers 168 berücksichtigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0162678 A1 [0005]
    • CH 703598 A2 [0005]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (100), bei dem der Wasserstoffgehalt des der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoffs (146) ermittelt wird und eine Anzahl von Stellgrößen (158) der Gasturbine (100) anhand des ermittelten Wasserstoffgehalts in der Art einer Regelung variiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wasserstoffgehalt mittels eines Gaschromatographen (160) gemessen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wasserstoffgehalt anhand von Eigenschaften des Brennstoffs (146) indirekt ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts die Abgastemperatur verringert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts eine Wasser- und/oder Dampfeindüsung vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Volllastbetrieb bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts eine Kohlendioxid- und/oder Stickstoffeindüsung vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Teillastbereich die Brennstoffmenge in einem Pilotbrenner der Gasturbine (100) variiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Überschreitung eines ersten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt die Gasturbine (100) heruntergefahren wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Überschreitung eines zweiten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt Wasserstoff aus dem der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoff (146) extrahiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der extrahierte Wasserstoff (152) in einem Wasserstoffspeicher (164) gespeichert wird und bei Unterschreitung eines dritten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt Wasserstoff (152) aus dem Wasserstoffspeicher (164) dem der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoff (146) beigemischt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Unterschreitung eines vierten vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt ein Teil des der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoffs (146) in einem Brennstoffspeicher (168) gespeichert wird und bei Überschreitung eines fünften vorgegebenen Grenzwertes für den Wasserstoffgehalt Brennstoff (146) aus dem Brennstoffspeicher (168) dem der Gasturbine (100) zugeführten Brennstoff (146) beigemischt wird.
  12. Gasturbine (100) mit Mitteln zum Betrieb mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine (100) nach Anspruch 12.
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