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Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage, ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mittels der thermischen Solaranlage sowie deren Verwendung, die sich insbesondere für den küstennahen Einsatz in sonnenreichen Gebieten eignen.
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Bekannt ist, Sonnenergie nach Wandlung in elektrische Energie zur Wasserstoffgewinnung durch elektrolytische Zersetzung von Wasser zu nutzen. So offenbart
DE 24 12 908 A1 ein Wetter-Kraftwerk, das aus solarer Wärmeenergie gewonnene elektrische Energie nutzt, um elektrolytisch Wasserstoff zu erzeugen. Als Elektrolyt dient gefiltertes und gereinigtes Regenwasser.
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Aus
DE 41 37 569 A1 ist bekannt, mittels einer schwimmenden Anlage Sonnenenergie zur elektrolytischen Wasserstoffgewinnung zu nutzen. Die solare Strahlung wird mittels Fotovoltaikelementen in elektrische Energie gewandelt, die wiederum zur Wasserelektrolyse verwendet wird. Einzelheiten zum elektrolytischen Verfahren, insbesondere zum verwendeten Elektrolyt und der Einstellung der Elektrolytzusammensetzung sind nicht ausgeführt.
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DE 10 2013 022 004 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Produktion von Wasserstoff mittels Brennglastechnologie auf einem Seeschiff. Demgemäß wird die mittels eines Brennglases gewonnene solare Wärmeenergie in Dampf umgewandelt und mittels Wärmetauschern oder einer Dampfturbine mit Generator zur Gleichstromerzeugung genutzt. Der erzeugte Gleichstrom dient zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff. Hierbei wird das zur Elektrolyse erforderliche Wasser aus mitgeführten Wassertanks entnommen; die Wasserstofferzeugung ist insofern an die Kapazität der Wassertanks gebunden und kann nur im Batchbetrieb durchgeführt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bereitzustellen, die es ermöglichen, in kontinuierlicher Arbeitsweise Wasserstoff aus Süß- oder Salzwassergewässern unter effizienter Nutzung solarer Wärmeenergie zu gewinnen.
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Diese Aufgabe wird durch eine thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff nach Anspruch 8 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 sowie 9 beschrieben. Vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus Anspruch 10.
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Nach Maßgabe der Erfindung umfasst die thermische Solaranlage zur Wasserstofferzeugung einen Schwimmkörper, einen thermischen Solarkollektor, eine Destilliervorrichtung, eine Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator sowie eine Elektrolysezelle.
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Der Schwimmkörper trägt die Bestandteile der Solaranlage; er ist in einem Umgebungswasser, d. h. einem Teich, See, Fluss oder im Meer, schwimmfähig. Der Schwimmkörper kann aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sein und zum Beispiel einen Rumpfbehälter, Auftriebskörper und Plattformelemente umfassen.
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Zur Wärmeübertragung dient eine Wärmeübertragerflüssigkeit, die in der Solaranlage in einen geschlossenen Primärkreislauf strömt. Die erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit, zum Beispiel ein Thermoöl, ist erfindungsgemäß über eine Rohrleitung des Primärkreislaufs vom thermischen Solarkollektor zur Wärmekraftmaschine, weiterhin von der Wärmekraftmaschine zur Destilliervorrichtung und schließlich von der Destilliervorrichtung zurück zum Solarkollektor geführt.
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Der thermische Solarkollektor dient zur Erhitzung der Wärmeübertragerflüssigkeit. Hierzu wird die Solarstrahlung, ggf. gebündelt, auf einen durch den Solarkollektor geführten Bereich der Rohrleitung des Primärkreislaufs gerichtet und die darin befindliche Wärmeübertragerflüssigkeit erwärmt bzw. erhitzt.
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Der Destilliervorrichtung wird bei bestimmungsgemäßer Nutzung das Umgebungswasser zugeführt. Sie umfasst mindestens eine Destillierkammer, aufweisend eine Kammerdecke und einen Kammerboden, sowie einen Sammler. In der jeweiligen Destillierkammer wird das Umgebungswasser an der mittels der Wärmeübertragerflüssigkeit erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs verdampft. Der Wasserdampf kondensiert als destilliertes Wasser innerhalb der jeweiligen Destillierkammer. Das destillierte Wasser wird anschließend aus der Destillierkammer geleitet und im Sammler aufgefangen. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs ist durch die Destillierkammer bzw. die Destillierkammern geführt und vorzugsweise am jeweiligen Kammerboden angeordnet.
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Das destillierte Wasser strömt in einer Rohrleitung eines offenen Sekundärlaufs, wobei es aus dem Sammler der Destilliervorrichtung zunächst zur Kraftmaschine und anschließend von der Kraftmaschine zur Elektrolysezelle geführt ist.
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Die Wärmekraftmaschine mit dem gekoppelten Generator dient zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Die vom Solarkollektor zuströmende, erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit fungiert als Wärmequelle und das von der Destilliervorrichtung zuströmende destillierte Wasser als Wärmesenke; die sich aus dem Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und -senke ergebende Wärmeenergie wird zunächst mittels der Wärmekraftmaschine in mechanischen Energie, zum Beispiel in Rotationsenergie, und anschließend mittels des mit der Wärmekraftmaschine gekoppelten Generators in elektrische Energie gewandelt.
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Die Wärmekraftmaschine kann eine Dampfturbine, die mit verdampfter Wärmeübertragerflüssigkeit angetrieben wird, oder ein Stirlingmotor sein. Vorzugsweise ist die Wärmekraftmaschine mit dem gekoppelten Generator eine Wärmezyklusmaschine nach
DE 10 2016 122 156 B4 ; hinsichtlich der kennzeichnenden Merkmale dieser Wärmezyklusmaschine wird auf
DE 10 2016 122 156 B4 Bezug genommen bzw. verwiesen.
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Das über die Rohrleitung des Sekundärlaufs zur Elektrolysezelle geführte destillierte Wasser, wird in der Elektrolysezelle mittels der von der Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator erzeugten elektrischen Energie elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Die Elektrolyse des destillierten Wassers kann unter Zugabe eines leitfähigkeitserhöhenden Agens und/oder unter Verwendung eines geeigneten Katalysators erfolgen.
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Der entstehende Wasserstoff wird in geeigneten Speichern aufgefangen oder über Rohrleitungen zu einem Verbraucher geleitet.
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Ein Vorteil neben der kontinuierlicher Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Solaranlage bzw. des Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff, die es ermöglichen Wasserstoff aus See- oder Meerwasser mittels Solarenergie zu gewinnen, ist deren hohe Effizienz. Die mittels des Solarkollektors gewonnene thermische Energie wird zunächst zur Wärmekraftmaschine geleitet, in der ein Teil der Wärmeenergie der hocherhitzen Wärmeübertragerflüssigkeit in elektrische Energie umgewandelt wird. Die restliche Wärmeenergie der Wärmeübertragerflüssigkeit wird anschließend zur Destillation der Umgebungswassers genutzt.
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Das destillierte Wasser wird - als Wärmesenke - zur Kühlung der Wärmekraftmaschine verwendet. Dadurch werden im Unterschied zur Nutzung ungereinigten Kühlwassers Ablagerungen, Verunreinigungen oder Korrosionserscheinungen beim Durchströmen durch die Wärmekraftmaschine vermieden bzw. weitestgehend eingedämmt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Solaranlage zur Wasserstofferzeugung sowie des Verfahrens zur Herstellung von Wasserstoff ist die Direktnutzung des destillierten Wassers zur Elektrolyse. Der Elektrolysezelle wird - unabhängig von der Qualität des Umgebungswassers - kontinuierlich hochreines destilliertes Wasser, also ein Elektrolyt mit gleichbleibender Zusammensetzung, zugeführt. Reinigungsvorgänge sind mithin entbehrlich. Zudem wirkt sich die erhöhte Temperatur des destillierten Wassers - infolge der vorhandenen Restwärme - vorteilhaft im Hinblick auf die Effizienz der elektrolytischen Reaktion aus.
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Außerdem kann die Solaranlage autark, mit nur geringem Betreuungsaufwand betrieben werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Solargenerator ein oder mehrere gekrümmte Spiegel, zum Beispiel Parabolspiegel oder -rinnen, umfasst, in deren Brennpunkt die Rohrleitung des Primärkreislaufes angeordnet ist. Der oder die Spiegel können mit einer Mechanik verbunden sein, die die Spiegel entsprechend des Sonnenstandes bezüglich Azimut und Elevation ausrichtet, um die optimale Orientierung zur Sonne zu gewährleisten.
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In einer Ausgestaltung sind im Bereich der Kammerdecke der Destillierkammer ein oder mehrere mit Umgebungswasser durchflutete Kühlkanäle angeordnet. Die Kühlkanäle sind rohrförmige Durchbrüche durch die Destilliervorrichtung bzw. die jeweilige Destillierkammer ausgebildet, d. h. das Umgebungswasser wird von außen, aus der Umgebung des Schwimmkörpers, durch die Kühlkanäle hindurchgeführt. Das Umgebungswasser ist durch die Wandungen der Kühlkanäle vom Zutritt in die Destillierkammer getrennt, d. h., es findet kein Stoffaustausch, sondern lediglich der Übergang der Kondensationswärme über die Wandungen der Kühlkanäle in das die Kühlkanäle durchflutende Umgebungswasser statt.
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Vorteilhafterweise sind in dieser Ausgestaltung entlang jedes Kühlkanals kammerbodenseitig ein oder mehrere Abtropfstege angebracht. Gegenüberliegend zum jeweiligen Abtropfsteg, d. h. bei bestimmungsgemäßer Nutzung unterhalb jedes Abtropfsteges ist eine in Längsausrichtung geneigte Abtropfrinne angeordnet. Nach der Kondensation an den Kühlkanälen rinnt das destillierte Wasser vom Abtropfsteg in die Abtropfrinne, über die es infolge ihrer Neigung aus der Destillierkammer fließt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Destilliervorrichtung der Solaranlage kann die mindestens eine Destillierkammer eine Umgebungswasserzuleitung zur Zuführung des Umgebungswassers aufweisen. Der Pegelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer ist mittels eines Regelventils in der Umgebungswasserzuleitung steuer- oder regelbar. Die Zuführung des Umgebungswassers zur Destillierkammer wird mittels des Regelventils vorzugsweise so geregelt, dass sich ein konstanter Pegelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer unmittelbar oberhalb der mittels Wärmeübertragerflüssigkeit erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs einstellt.
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Vorteilhafterweise ist die durch die mindestens eine Destillierkammer geführte Rohrleitung des Primärkreislaufs am Kammerboden der Destillierkammer angeordnet. Auch bei niedrigen Pegelstand kann so die Bedeckung der Rohrleitung gewährleistet werden. Die große Kontaktfläche zum Umgebungswasser, insbesondere bei einer mäanderartigen Anordnung der Rohrleitung des Primärkreislaufs in der Destillierkammer, fördert infolge der geringen Umgebungswassermenge in der Destillierkammer die schnelle Verdampfung des Umgebungswassers.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Destilliervorrichtung eine Kaskade aus mehreren übereinander angeordneten Destillierkammern. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs ist durch die einzelnen Destillierkammern dieses Stapels geführt, wobei die Strömung der Wärmeübertragerflüssigkeit bei bestimmungsgemäßer Verwendung vorzugsweise von unten nach oben erfolgt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Destilliervorrichtung in einem Teilbereich (innerhalb) des Schwimmkörpers eingebracht ist, der sich bei im Umgebungswasser schwimmender Solaranlage unterhalb der Wasserlinie des Umgebungswassers befindet, d. h., die Destilliervorrichtung ist zum Beispiel im Inneren eines schwimmfähigen bzw. schwimmenden Rumpfbehälters eingebaut. Dies erleichtert die Entnahme der Umgebungswassers, da das Umgebungswasser durch die Umgebungswasserzuleitungen in die Destillierkammern fließen kann, ohne das Pumpen erforderlich sind.
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Eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Solaranlage und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Salzgewinnung bei Betrieb der Anlage in Meerwasser bzw. in salzhaltigen Binnengewässern, da Salz als Destillatrückstand des Destilliervorgangs anfällt.
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Weiterhin kann die Solaranlage zur Herstellung von hochreinem Sauerstoff verwendet werden. Der in der Elektrolysezelle neben dem Wasserstoff entstehende hochreine Sauerstoff kann - ebenso wie der Wasserstoff - aufgefangen und - zum Beispiel komprimiert in Druckgasbehältern - gespeichert werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:
- 1: die Solaranlage im Vertikalschnitt,
- 2: die Solaranlage in einem ersten Horizontalschnittschnitt im Bereich der Destilliervorrichtung,
- 3: die Solaranlage in einem zweiten Horizontalschnittschnitt im Bereich der Destilliervorrichtung, und
- 4: die Solaranlage in einem Horizontalschnittschnitt im Bereich der Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator.
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Gemäß der 1 besitzt die Solaranlage den Schwimmkörper 1, der mehrere Teile umfasst, nämlich einen zylinderförmigen Rumpfbehälter in dem die Destilliervorrichtung 3 eingebracht ist, sowie mehrere (nicht bezeichnete) Plattformelemente sowie Auftriebskörper. Auf dem Schwimmkörper 1 befinden sich die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator 4 sowie die Elektrolysezelle 5.
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An einem (nicht bezeichneten) Gestell auf dem Schwimmkörper 1 ist der thermische Solarkollektor 2 befestigt. Dieser umfasst fünf Parabolrinnen, die mittels einer Mechanik sowohl in Azimut als auch in Elevation ausrichtbar sind. Die Rohrleitung des Primärkreislaufs 6, durch die die Wärmeübertragerflüssigkeit 7, hier ein Thermoöl, im Kreislauf strömt, ist durch den Bereich des Brennflecks jedes der Parabolrinnen geführt, um einen hohen Wärmeeintrag der solaren Strahlung in die Wärmeübertragerflüssigkeit 7 sicherzustellen.
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Die erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit 7 strömt in der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 zunächst zur Wärmekraftmaschine 4, in der ein Teil der thermischen Energie der Wärmeübertragerflüssigkeit 7 in mechanische Energie und anschließend mittels des gekoppelten Generators 4 in elektrische Energie gewandelt wird. Danach wird die erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit 7 durch die Destilliervorrichtung 3 geführt und schließlich zurück zum Solarkollektor 2 geleitet. Die kontinuierliche Strömung der Wärmeübertragerflüssigkeit 7 im Primärkreislauf 6 wird mittels einer (nicht bezeichneten) Pumpe sichergestellt.
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Die im Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 eingebrachte Destilliervorrichtung 3 umfasst vier Destillierkammern 3.1, die im Stapel übereinander angeordnet sind. Zuunterst in der Destilliervorrichtung 3 befindet sich der Sammler 3.2. Jeder der Destillierkammern 3.1 besitzt eine Kammerdecke 3.11, einen geneigten Kammerboden 3.12 sowie eine Umgebungswasserzuleitung 3.13 zur Zufuhr des Umgebungswassers 9. Der Zustrom des Umgebungswassers 9 ist mittels eines separaten Regelventils 3.14 in jeder der Umgebungswasserzuleitungen 3.13 steuer- bzw. regelbar.
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Die Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 ist in vertikaler Ausrichtung mäanderartig durch die einzelnen Destillierkammern 3.1 geführt, wobei sie innerhalb jeder der Destillierkammern 3.1 an deren Kammerboden 3.12 angeordnet ist.
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Der zylinderförmigen Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 befindet sich bestimmungsgemäß unter der Wasserlinie des Umgebungswassers 9, sodass die Eingangsöffnungen der Umgebungswasserzuleitungen 3.13, die sich im Bereich der Regelventile 3.14 befinden, unter Wasser angeordnet sind. Das Umgebungswasser 9 kann, geregelt über die Regelventile 3.14, durch die Umgebungswasserzuleitungen 3.13 in die Destillierkammern 3.1 gelangen, ohne das Pumpen erforderlich sind. Die Regelung des Zuflusses mittels der Regelventile 3.14 ist so eingestellt bzw. so geregelt, dass sich der Pegelstand 9.1 des Umgebungswassers 9 innerhalb jeder der Destillierkammern 3.1 unmittelbar oberhalb der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 befindet.
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Im Bereich der Kammerdecke 3.11 jeder der Destillierkammern 3.1, oberhalb der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 befinden sich die Kühlkanäle 3.15, die mit Umgebungswasser 9 durchflutet sind. Sie sind als rohrförmige Durchbrüche durch den Rumpfbehälter des Schwimmkörpers 1 und die Destillierkammern 3.1 ausgebildet.
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Das in den einzelnen Destillierkammern 3.1 befindliche Umgebungswasser 9 wird an der durch die Wärmeübertragerflüssigkeit 7 erhitzten Rohrleitung des Primärkreislaufs 6 verdampft. Es kondensiert als destilliertes Wasser 10 anschließend an den Kühlkanälen 3.15.
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An der Unterseite der Kühlkanäle 3.15 ist jeweils ein Abtropfsteg angebracht. Vom jeweiligen Abtropfsteg gelangt das destillierte Wasser 10 in eine jeweils unter jedem der Abtropfstege befindliche, geneigte Abtropfrinne 3.16. Entlang der Abtropfrinnen 3.16 fließt das destillierte Wasser 10 aus der jeweiligen Destillierkammer 3.1 und gelangt über eine (nicht bezeichnete) Rohrleitung in den Sammler 3.2. Das Detail D an der rechten Bildseite zeigt einen der Kühlkanäle 3.15 sowie die darunter angeordnete Abtropfrinne 3.16 im Querschnitt.
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Aus dem Sammler 3.2 wird das destillierte Wasser 10 mittels der Rohrleitung des Sekundärlaufs 8 zur Wärmekraftmaschine 4 geführt.
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Die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator
4 ist eine Wärmezyklusmaschine nach
DE 10 2016 122 156 B4 , der mittels der die Wärmequelle bildenden erhitzen Wärmeübertragerflüssigkeit
7 Wärme zugeführt und die mittels des die Wärmesenke bildenden destillierten Wassers
10 gekühlt wird. Die Wärmeenergie wird in mechanische Arbeit und mittels des integrierten Generators
4 in elektrischen Energie gewandelt.
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Die gewonnene elektrische Energie wird der Elektrolysezelle 5 mittels der elektrischen Leiter 5.2 zugeführt. Zudem wird die elektrische Energie für den Betrieb von weiteren Aggregaten, wie zum Beispiel von Pumpen und Steuerungen, genutzt. Das destillierte Wasser 10, welches nach der Destillation und dem Durchfluss durch die Wärmekraftmaschine 4 noch Restwärme aufweist, wird über die Rohrleitung des Sekundärlaufs 8 mittels einer (nicht bezeichneten) Pumpe zur Elektrolysezelle 5 gefördert.
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In der Elektrolysezelle 5 erfolgt an den Elektroden 5.1 die Zersetzung des destillierten Wassers 10 in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird in geeigneten Tanks oder Hydridspeichern aufgefangen oder über Rohrleitungen einer direkten Nutzung zugeführt. Der hochreine Sauerstoff kann ebenfalls nach Speicherung, zum Beispiel nach Kompression als Drucksauerstoff in Druckgasbehältern, genutzt werden.
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Die Destillatrückstände werden aus den Destillierkammern 3.1 mittels einer (nicht bezeichneten) Pumpe entfernt und entweder ins Umgebungswasser 9 rückgeführt oder zur weiteren Gewinnung von Rohstoffen, zum Beispiel von Meersalz, genutzt.
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Die Horizontalschnittdarstellung der Destilliervorrichtung 3 im Bodenbereich der untersten Destillierkammer 3.1 gemäß der 2 verdeutlicht die Führung der Rohrleitung des Primärkreislaufs 6, die in der horizontalen Ebene mäandrierend innerhalb der Destillierkammer 3.1 angeordnet ist.
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Die Horizontalschnittdarstellung der Destilliervorrichtung 3 im Deckenbereich der untersten Destillierkammer 3.1 gemäß der 3 zeigt zusätzlich die Kühlkanäle 3.15 und die Anordnung der Abtropfrinnen 3.16.
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Die Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem Generator
4 gemäß der
4 ist eine Wärmezyklusmaschine nach
DE 10 2016 122 156 B4 , die mittels des über die Rohrleitung des Sekundärlaufs
8 zugeführten destillierten Wassers
10 gekühlt ist. Die Wärme wird durch die in der Rohrleitung des Primärkreislaufs
6 strömende, erhitzte Wärmeübertragerflüssigkeit
7 eingebracht. Aufbau und Funktionsweise der Wärmezyklusmaschine sind detailliert in
DE 10 2016 122 156 B4 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwimmkörper
- 2
- Solarkollektor
- 3
- Destilliervorrichtung
- 3.1
- Destillierkammer
- 3.11
- Kammerdecke
- 3.12
- Kammerboden
- 3.13
- Umgebungswasserzuleitung
- 3.14
- Regelventil
- 3.15
- Kühlkanal
- 3.16
- Abtropfrinne
- 3.2
- Sammler
- 4
- Wärmekraftmaschine mit gekoppeltem elektrischem Generator
- 5
- Elektrolysezelle
- 5.1
- Elektrode
- 5.2
- elektrische Leiter
- 6
- Primärkreislauf, Rohrleitung
- 7
- Wärmeübertragerflüssigkeit
- 8
- Sekundärlauf, Rohrleitung
- 9
- Umgebungswasser
- 9.1
- Pegelstand des Umgebungswassers in der Destillierkammer
- 10
- destilliertes Wasser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2412908 A1 [0002]
- DE 4137569 A1 [0003]
- DE 102013022004 A1 [0004]
- DE 102016122156 B4 [0014, 0041, 0047]