DE19527882A1 - Energy storage using liquefied air e.g. for powering vehicles, air conditioning engineering and storage of off-peak electricity - Google Patents

Energy storage using liquefied air e.g. for powering vehicles, air conditioning engineering and storage of off-peak electricity

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Abstract

A device for energy storage using liquid air has the energy from an arbitrary source stored as liquid air in Dewar jars and the amount is increased by cooling with pentane. Pentane is used as coolant for the compressor and intermediate cooler, as well as a medium in a conventional thermal power plant with a closed circuit which additionally drives the cooled compressor. Not only can electrical energy be saved but it can also be recovered, since the heat which flows during the cooling of the air to a liquid can be converted into kinetic energy.

Description

Die Erfindung betrifft die Erkenntnis, daß die an sich bekannte Luftverflüssigung durch ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades als Verfahren zur Energiespeicherung eingesetzt werden kann.The invention relates to the knowledge that the known air liquefaction by a Processes for increasing the efficiency used as a process for energy storage can be.

Sie betrifft weiterhin Verfahren zur Nutzung dieser flüssigen Luft zum Antrieb von Fahrzeugen und in der Klimatechnik, sowie die Kombination der Erzeugung und Nutzung von flüssiger Luft zur Speicherung von Nachtstrom.It also relates to methods of using this liquid air to drive Vehicles and in air conditioning technology, as well as the combination of the generation and use of liquid air for storing night electricity.

Es ist bekannt, daß Energie, die zu einem Zeitpunkt oder an einem Ort erzeugt wird, wo sie nicht verwendet werden kann, entweder übertragen und/oder zwischengespeichert werden muß. Besonders erneuerbare Energien, wie z. B. die Windkraft, haben den Nachteil, daß sie entsprechend der natürlichen Gegebenheiten und nicht nach Bedarf anfallen. Trotzdem wird in modernen Windkranlagen größtenteils elektrischer Strom erzeugt und direkt in das öffentliche Netz eingespeist.It is known that energy is generated at a time or in a place where it is cannot be used, either transferred and / or cached got to. Especially renewable energies, such as B. the wind power have the disadvantage that they according to the natural conditions and do not arise as required. Nevertheless, in modern wind turbines mostly generate electricity and directly into that fed into the public grid.

Flüssige Luft wird bisher nur zur Stofftrennung und bei Gebrauch extrem niedriger Temperaturen erzeugt. Die hierzu eingesetzte Energie könnte größtenteils auch anderweitig verwendet werden.So far, liquid air has only been used for material separation and extremely low when used Temperatures. Most of the energy used for this could also be otherwise be used.

Im Rahmen der Erzeugung von flüssiger Luft müssen bei der mehrstufigen Kompression sowohl der Kompressor als auch das komprimierte Gas von ca. 200°C bis nahe an die Umgebungstemperatur gekühlt werden. Hierzu werden derzeit Wasser oder Luft benutzt.As part of the generation of liquid air, multi-stage compression both the compressor and the compressed gas from approx. 200 ° C to close to Ambient temperature to be cooled. Water or air are currently used for this.

Ein vergleichbares Beispiel für die Rückumwandlung von speicherbarer Energie in Bewegungsenergie ist das mit einem Akkumulator gespeiste Elektrofahrzeug.A comparable example for the reconversion of storable energy into Kinetic energy is the electric vehicle powered by an accumulator.

In der Klimatechnik werden elektrisch angetriebene Kältemaschinen verwendet.Electrically driven chillers are used in air conditioning technology.

Zur Speicherung von Nachtstrom werden Pumpspeicherwerke eingesetzt.Pump storage plants are used to store night power.

Folgende Nachteile bestehen beim gegenwärtigen Stand der Technik:The following disadvantages exist with the current state of the art:

  • - Ungleichmäßig erzeugte Elektroenergie muß zusätzlich umgeformt werden, um die hohen Anforderungen an den Wechselstrom im öffentlichen Netz zu erfüllen.- In addition, unevenly generated electrical energy has to be transformed to meet the high To meet AC power requirements in the public grid.
  • - Es muß ein Anschluß an das öffentliche Leitungsnetz hergestellt werden.- A connection to the public supply network must be established.
  • - Die Einspeisung der Energie nach Möglichkeit und nicht nach Bedarf erzeugt eine große Abneigung beim Abnehmer bzw. es fällt dort ein hoher zusätzlicher Aufwand an.- Feeding the energy in whenever possible and not as needed creates a large one Reluctance on the part of the customer or there is a high additional effort.

Die bisherigen Kühlsysteme haben den Nachteil, daß die abgeführte Wärmeenergie kaum genutzt wird. The previous cooling systems have the disadvantage that the dissipated thermal energy is hardly is being used.  

Akkumulatoren sind wegen der Schwermetalle teuer und bergen besonders bei Produktion und Entsorgung eine Gefahr für die Umwelt in sich. Das Nachladen der Akkumulatoren in den Fahrzeugen geschieht im Vergleich zur nachfolgend aufgeführten Lösung mit geringer Energiedichte.Accumulators are expensive because of the heavy metals and are particularly difficult to produce and Disposal is a danger to the environment in itself. Reloading the batteries in the Vehicles are less expensive compared to the solution listed below Energy density.

Elektrisch angetriebene Kältemaschinen sind vergleichsweise aufwendig und benötigen eine kontinuierliche Energieversorgung.Electrically driven chillers are comparatively complex and require one continuous energy supply.

Pumpspeicherwerke sind an besondere geologische Voraussetzungen gebunden. Folglich sind sie selten in unmittelbarer Nähe von Kraftwerken. Hierdurch entstehen Übertragungsverluste.Pumped storage plants are tied to special geological requirements. Hence are they rarely in the immediate vicinity of power plants. This causes transmission losses.

Das technische Problem liegt darin, ein Verfahren zu finden, womit die Energie in hoher Dichte gespeichert wird, und welches hierzu einen jederzeit zugänglichen umweftfreundlichen Rohstoff benutzt. Dieses Verfahren wird effektiv, indem die Wärme, die bei der Verflüssigung von Luft naturgemäß in großer Menge anfällt, mit möglichst hohem Wirkungsgrad als zusätzliche Antriebsenergie für den Kompressor genutzt wird.The technical problem is to find a method by which the energy in high Density is saved, and which one is always accessible and environmentally friendly Raw material used. This process becomes effective by removing the heat that comes from liquefaction of air naturally occurs in large quantities, with the highest possible efficiency as additional drive energy is used for the compressor.

Flüssige Luft als speicherbare Energie führt zur Aufgabenstellung, sie zur Erzeugung von Bewegungsenergie einzusetzen.Liquid air as storable energy leads to the task, it to the generation of Use kinetic energy.

Sie sollte weit über das bekannte Maß in der Klimatechnik eingesetzt werden. Dabei sollten der mit der Kühlung verbundene Wärmestrom und/oder die Volumenausdehnung der Luft bei Verdunstung und Erwärmung zur Energiegewinnung genutzt werden.It should be used far beyond the known standard in air conditioning technology. Doing so the heat flow associated with the cooling and / or the volume expansion of the air Evaporation and heating can be used to generate energy.

Es existiert das Problem, eine Anlage mit der Funktion eines Pumpspeicherwerkes in unmittelbarer Nähe jedes Kraftwerkes bauen zu können.There is the problem of a system with the function of a pumped storage plant in to be able to build in the immediate vicinity of any power plant.

Die Lösung ist das Verfahren, die an sich bekannte Verflüssigung von Luft zur Energiespeicherung einzusetzen. In einem Dewar-Gefäß (Thermogefäß, das nicht gasdicht verschlossen sein darf) vom Ausmaß eines Großcontainers kann ein negatives Potential von mehr als einer Megawattstunde gespeichert werden.The solution is the process, the known liquefaction of air Use energy storage. In a Dewar flask (thermo flask that is not gas-tight of the size of a large container may have a negative potential of more than one megawatt hour can be saved.

Durch den Einsatz des Kohlenwasserstoffes Pentan als Kühlmittel und gleichzeitig als Medium in einer Wärmekranlage mit geschlossenem Kreislauf zum zusätzlichen Antrieb des Kompressors wird der zur Energiespeicherung notwendige Wirkungsgrad erzielt. Pentan siedet bei 36°C und kondensiert bei Umgebungstemperatur (vgl. Fig. 1).The use of the hydrocarbon pentane as a coolant and at the same time as a medium in a closed-loop heating system to additionally drive the compressor achieves the efficiency required for energy storage. Pentane boils at 36 ° C and condenses at ambient temperature (see Fig. 1).

Die Lösung ist die Nutzung des Energiegefälles zwischen flüssiger Luft und der Umgebungswärme eines Fahrzeuges zum Antrieb durch eine Wärmekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf mit dem Medium Butan. Eine weitere Energiequelle ist die etwa 700- fache Volumenausdehnung von flüssiger Luft zu gasförmiger Luft mit Umgebungstemperatur (vgl. Fig. 2).The solution is to use the energy differential between liquid air and the ambient heat of a vehicle to drive it through a closed-loop thermal power plant with the butane medium. Another source of energy is the approximately 700-fold expansion in volume from liquid air to gaseous air at ambient temperature (cf. FIG. 2).

Zur Energiespeicherung gewonnene flüssige Luft kann direkt elektrisch angetriebene Kältemaschinen ersetzen. Zusätzlich sollte der Wärmestrom aus der Kühlung zur Energiegewinnung in Analogie zum Fahrzeug genutzt werden (vgl. Fig. 3a und 3b). Liquid air obtained for energy storage can directly replace electrically driven chillers. In addition, the heat flow from cooling should be used to generate energy in analogy to the vehicle (see Fig. 3a and 3b).

Die Lösung ist die Speicherung der Energie des Nachtstromes in flüssiger Luft und die Rückgewinnung von Elektroenergie in Spitzenzeiten aus dem Energiegefälle zwischen der flüssigen Luft und der Restwärme des Kraftwerkes ebenfalls in Analogie zur Energieumwandlung im Fahrzeug (vgl. Fig. 4).The solution is the storage of the energy of the nighttime electricity in liquid air and the recovery of electrical energy at peak times from the energy gradient between the liquid air and the residual heat of the power plant, also in analogy to the energy conversion in the vehicle (see Fig. 4).

Ein wesentlicher Vorteil ist, daß Luft überall problemlos entnommen und wieder abgegeben werden kann. Flüssige Luft besitzt eine hohe Energiedichte in Form eines großen Energiegefälles. Sie kann relativ einfach in Dewar-Gefäßen gespeichert werden. Damit ist auch ein effektiver Transport von erneuerbarer speicherbarer Energie über Strecken, auf denen sich eine ständige Verbindung nicht lohnt, möglich. Das Sammeln von mehr als einer Megawattstunde in flüssiger Luft in Dewar-Gefäßen mit dem Ausmaß von Großcontainern ermöglicht den Transport zum Nutzer im Rhythmus von mehreren Tagen.A major advantage is that air can be easily removed and discharged anywhere can be. Liquid air has a high energy density in the form of a large one Energy gradient. It can be stored relatively easily in Dewar vessels. So that is also an effective transport of renewable storable energy over routes on which a permanent connection is not worthwhile, possible. Collecting more than one Megawatt hour in liquid air in Dewar vessels the size of large containers enables transport to the user at intervals of several days.

Pentan als Kühlmittel hat den Vorteil der Aufnahme von viel Wärme in Form von Verdunstungswärme. Der zweite wesentliche Vorteil ist die Ausnutzung der Energie des gasförmigen Pentans zum zusätzlichen Antrieb für die Kompression. Die zusätzlich gewonnene Bewegungsenergie wirkt immer wieder auf die Kompression zurück. Wenn zum Beispiel die Hälfte der in Wärme umgewandelten ursprünglich zugeführten Energie noch einmal nutzbar gemacht wird, so kommen in einem zweiten Schritt ein Viertel in einem dritten Schritt ein Achtel usw. hinzu. D.h., daß sich der Nutzeffekt aus dieser Maßnahme nach kurzer Betriebszeit vom reinen Wirkungsgrad hin zum Grenzwert aus der Summe aller Potenzen des Wirkungsgrades aufschaukelt. Die nachfolgende Tabelle zeigt an einigen Beispielen, wie sich dies auswirkt:Pentane as a coolant has the advantage of absorbing a lot of heat in the form of Evaporation heat. The second major advantage is the use of the energy of the gaseous pentans for additional drive for compression. The additionally won Kinetic energy always has an effect on compression. If, for example, the Half of the energy originally converted into heat can be used again is done, in a second step a quarter come in a third step Eighths, etc. This means that the benefit from this measure will be removed after a short time Operating time from pure efficiency to the limit value from the sum of all potencies of the Efficiency builds up. The following table shows some examples of how this affects:

Der Vorteil des Fahrzeuges, was mit flüssiger Luft angetrieben wird, gegenüber dem Elektrofahrzeug liegt darin, daß das Dewar-Gefäß billiger und aus umweltfreundlicheren Materialien hergestellt und sehr viel schneller wieder aufgefüllt werden kann als der Akkumulator.The advantage of the vehicle, which is driven by liquid air, over that Electric vehicle is that the Dewar vessel is cheaper and more environmentally friendly Materials and can be refilled much faster than that Accumulator.

Durch den Einsatz von zur Energiespeicherung erzeugter flüssiger Luft in der Klimatechnik entfallen sowohl die Kältemaschine als auch die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Versorgung mit Elektroenergie. Wenn der Wärmestrom aus der Kühlung zur Energiegewinnung genutzt wird, so wird die Gesamtbilanz verbessert, weil dem Kühlmittel an dieser Stelle zusätzlich Energie entzogen wird, aber es entsteht auch ein etwas höherer Verbrauch an flüssiger Luft. Unabhängig davon ist die Volumenausdehnung der ehemals flüssigen Luft nutzbar. Through the use of liquid air generated for energy storage in air conditioning technology both the chiller and the need for a continuous one are eliminated Supply of electrical energy. When the heat flow from the cooling to Energy is used, the overall balance is improved because of the coolant additional energy is withdrawn from this point, but a somewhat higher one also arises Liquid air consumption. Regardless of this, the volume expansion is the former liquid air usable.  

Die Anlage, die ein herkömmliches Pumpspeicherwerk ersetzen soll, kann unmittelbar im oder am Kraftwerk installiert werden. Indem sie zu Spitzenzeiten aus flüssiger Luft und der Restwärme des Kraftwerkes Elektroenergie erzeugt, führt sie durch die verbesserte Kühlung gleichzeitig zu einer Erhöhung der Effektivität der vorhandenen Kraftwerksanlage.The system, which is to replace a conventional pumped storage plant, can be installed directly in or be installed at the power plant. By being at peak times from liquid air and the Residual heat generated by the power plant produces electrical energy through the improved cooling at the same time to increase the effectiveness of the existing power plant.

Es bedeutet grundsätzlich vergleichsweise wenig mehr Aufwand, die Luftverflüssigung um die Trennung der Bestandteile der Luft zu erweitern. Besonders bei der Masse verflüssigter Luft in der letztgenannten Anlage ist eine wirtschaftlich sinnvolle Gewinnung kleinster Bestandteile der Luft zu erwarten. Aber auch in kleineren Anlagen beinhaltet die Technologie der Luftverflüssigung, daß der nicht verflüssigte Teil der komprimierten Gase ständig in der Anlage kreist. Folglich reichert sich dieses Gasgemisch mit den Gasen Neon, Helium und Wasserstoff an, weil sie mit den Siedetemperaturen -246, -269 bzw. -253°C deutlich unter denen von Stickstoff und Sauerstoff liegen. Damit liefert dieses Gasgemisch nach einer gewissen Betriebszeit einen wertvollen Rohstoff zur Produktion von Helium für Luftschiffe in ausreichender Menge und zu einem vertretbaren Preis.Basically, it means comparatively little more effort, the air liquefaction around the Expand separation of air components. Especially with the mass of liquefied air in The latter plant is an economically sensible extraction of the smallest components expected in the air. But even in smaller plants, the technology includes Air liquefaction that the non-liquefied part of the compressed gases constantly in the Plant circles. As a result, this gas mixture is enriched with the gases neon, helium and Hydrogen, because with the boiling temperatures -246, -269 and -253 ° C they are significantly below that of nitrogen and oxygen. So this gas mixture delivers after one a valuable raw material for the production of helium for airships in certain operating times sufficient quantity and at a reasonable price.

Die Erfindung wird anhand von mehreren Darstellungen des Grundprinzips für die jeweiligen Verfahrensschritte näher erläutert.The invention is based on several representations of the basic principle for each Process steps explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Energiespeicherung mittels flüssiger Luft am Beispiel Windenergie, Fig. 1 Energy storage by means of liquid air example wind energy,

Fig. 2 Erzeugung von Bewegungsenergie mittels flüssiger Luft,2 generation of kinetic energy by means of liquid air,

Fig. 3a und 3b Zwei Beispiele für besonders effektive Nutzung von flüssiger Luft in der Klimatechnik durch Kälte-Kraft-Kopplung, FIGS. 3a and 3b show two examples of particularly effective use of liquid air in air-conditioning refrigerant by force coupling,

Fig. 4 Energiespeicherung mittels flüssiger Luft in einer Anlage mit der Funktion derzeitiger Pumpspeicherwerke. Fig. 4 energy storage by means of liquid air in a system with the function of current pumped storage plants.

Sowohl der technische Aufbau einer Anlage zur Luftverflüssigung als auch eine Wärmekraftanlage mit geschlossenem Kreislauf sind an sich bekannt. Durch die Erhöhung des Wirkungsgrades wird die Luftverflüssigung zum Verfahren zur Energiespeicherung. Die direkte Kopplung von einem Windrad und einer Anlage zur Luftverflüssigung ist besonders günstig, weil hier die zwischenzeitliche Umwandlung in eine andere Energieart entfällt. Both the technical structure of a plant for air liquefaction and one Closed cycle thermal power plants are known per se. By increasing the Efficiency is the liquefaction of air to the method for energy storage. The Direct coupling of a wind turbine and an air liquefaction system is special cheap, because here the intermediate conversion into another type of energy is not necessary.  

Fig. 2 beinhaltet den Tankvorgang und die Funktionsweise eines Fahrzeuges, was mittels flüssiger Luft angetrieben wird. Der Vorratstank ist ein Dewar-Gefäß mit mindestens einhundert Liter Inhalt. Die Wärmekranlage hat die bekannten Bestandteilen Verdampfer, Gasdruckmotor, Kondensor und Pumpe. Hinzu kommt ein Wärmetauscher und ein weiterer Gasdruckmotor. Fig. 2 includes the refueling process and the functioning of a vehicle which is driven by means of liquid air. The storage tank is a Dewar vessel with at least one hundred liters of content. The heating system has the well-known components of evaporator, gas pressure motor, condenser and pump. There is also a heat exchanger and another gas pressure motor.

Butan (Siedetemperatur -1°C) verdampft unter dem Einfluß der Umgebungswärme. Das hierdurch unter Druck stehende Gas treibt den Gasdruckmotor, der zum Beschleunigen des Fahrzeugs dient, an. Der Kondensor ist ein Wärmetauscher, wo Butan bei Verbrauch von vergleichsweise wenig flüssiger Luft verflüssigt wird. Über die Pumpe wird das verflüssigte Gas in den Verdampfer zurück gebracht. Die ehemals flüssige Luft hat nach Erwärmung auf Umgebungstemperatur das 700-fache Volumen. Ein zusätzlicher Gasdruckmotor nutzt die darin enthaltene Energie entweder auch zum Beschleunigen des Fahrzeugs oder zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie Lüfter, Lichtmaschine usw.Butane (boiling point -1 ° C) evaporates under the influence of the ambient heat. The thereby pressurized gas drives the gas pressure motor, which accelerates the Serves vehicle. The condenser is a heat exchanger where butane is consumed by comparatively little liquid air is liquefied. This is liquefied via the pump Gas returned to the evaporator. The formerly liquid air is open after heating Ambient temperature 700 times the volume. An additional gas pressure engine uses the energy contained therein either to accelerate the vehicle or to drive it of auxiliary units such as fans, alternators, etc.

Fig. 3a und 3b zeigen, wie in der Klimatechnik zusätzlich Bewegungsenergie gewonnen werden kann, wenn ein dem angestrebten Temperaturbereich angepaßtes Medium (Propan oder Butan) gleichzeitig als Kühlmittel und in einer Wärmekranlage mit geschlossenem Kreislauf fungiert und/oder die Volumenausdehnung genutzt wird. Die Bewegungsenergie kann direkt z. B. zum Antrieb von Lüftern eingesetzt oder in Elektroenergie umgewandelt werden. FIGS. 3a and 3b show how kinetic energy can be recovered in the air conditioning technology, in addition, if a matched the desired temperature range medium (propane or butane) also acts as a coolant and a heat crane position closed-loop and / or the volume expansion is used. The kinetic energy can directly z. B. used to drive fans or converted into electrical energy.

Fig. 4 gibt einen Überblick über die Anlage, die die Funktion von bisherigen Pumpspeicherwerken übernehmen soll. Die Energie für die Luftverflüssigung ist der Nachtstrom. Hier wird ein weitaus größeres stationäres Dewar-Gefäß benötigt. Bei der Verwertung des Potentials der flüssigen Luft kommt die Wärme aus der Restwärme des Kraftwerkes, und die Bewegungsenergie wird zur Gewinnung von Elektroenergie eingesetzt. Abgesehen von der Dimension setzt sich die Anlage aus den bereits beschriebenen Anlagen zusammen. Fig. 4 gives an overview of the system that is to take over the function of previous pumped storage plants. The energy for air liquefaction is the night electricity. A much larger stationary Dewar vessel is required here. When utilizing the potential of liquid air, the heat comes from the residual heat of the power plant, and the kinetic energy is used to generate electrical energy. Apart from the dimensions, the system is made up of the systems already described.

Claims (4)

1. Verfahren zur Energiespeicherung mittels flüssiger Luft, gekennzeichnet dadurch, daß Energie aus beliebiger Quelle in flüssiger Luft mit hoher Dichte in Dewar-Gefäßen gespeichert und der Ertrag durch die Kühlung mit Pentan wesentlich erhöht wird, indem Pentan als Kühlmittel für Kompressor und Zwischenkühlung und gleichzeitig als Medium in einer an sich bekannten Wärmekranlage mit geschlossenem Kreislauf, die zusätzlich den gekühlten Kompressor antreibt, dient.1. A method for energy storage by means of liquid air, characterized in that energy from any source in high-density liquid air is stored in Dewar vessels and the yield by cooling with pentane is significantly increased by using pentane as a coolant for the compressor and intermediate cooling and at the same time serves as a medium in a conventional closed-loop thermal system that also drives the cooled compressor. 2. Verfahren zum Antrieb von Fahrzeugen mittels nach Anspruch 1 erzeugter flüssiger Luft, gekennzeichnet dadurch, daß das Energiegefälle zwischen flüssiger Luft und der Umgebungswärme in einer Wärmekranlage mit geschlossenem Kreislauf mit dem Medium Butan und die Volumenausdehnung beim Verbrauch der flüssigen Luft zum Antrieb genutzt werden.2. Method for driving vehicles by means of liquid air generated according to claim 1, characterized in that the energy differential between liquid air and Ambient heat in a closed loop thermal system Medium butane and the volume expansion when consuming the liquid air for Drive can be used. 3. Verfahren zum Einsatz von nach Anspruch 1 erzeugter flüssiger Luft in der Klimatechnik, gekennzeichnet dadurch, daß nicht nur Elektroenergie eingespart, sondern sogar noch Engie gewonnen werden kann, indem die Wärme, die bei der Kühlung zur flüssigen Luft strömt, nach Anspruch 2 in Bewegungsenergie umgesetzt wird.3. A method for using liquid air generated according to claim 1 in air conditioning technology, characterized in that not only saved electrical energy, but even more Engie can be gained by the heat that is generated when cooling to liquid air flows according to claim 2 is converted into kinetic energy. 4. Verfahren, was als Anlage ein derzeitiges Pumpspeicherwerk ersetzt, gekennzeichnet dadurch, daß die Energie aus der Quelle Nachtstrom gemäß Anspruch 1 in einem stationären Dewar-Gefäß gespeichert und unter Verwendung der Restwärme des Kraftwerkes gemäß Anspruch 2 bei Antrieb eines Generators wieder in Elektroenergie umgewandelt wird.4. The process of replacing a current pumped storage plant as a system characterized in that the energy from the night power source according to claim 1 in one stationary Dewar flask saved and using the residual heat of the Power plant according to claim 2 when driving a generator again in electrical energy is converted.
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