DE4427322A1 - Elektrizitätserzeugungsaggregat für Serienhybridfahrzeuge und Kraftwärmekopplungsanlagen - Google Patents

Elektrizitätserzeugungsaggregat für Serienhybridfahrzeuge und Kraftwärmekopplungsanlagen

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DE4427322A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrizitätserzeugungsaggregat für ein Serienhybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und dessen Verwendung.
Verbrennungskraftmaschinen können hohe Drehmomente nur in einem relativ schmalen Drehzahlbereich abgeben. Zur Anpassung an die Anforderungen eines Kraftfahrzeugantriebs sind daher Schaltgetriebe notwendig. Weiterhin kann eine Verbrennungskraftmaschine nicht selbständig anlaufen und im Stillstand kein Drehmoment abgeben, weshalb ein elektrischer Anlasser und eine Kupplung zum Anfahren benötigt werden. Im reinen Verbrennungsmotor­ fahrzeug und beim Parallelhybridfahrzeug müssen die Verbrennungskraftmaschine und das Getriebe für die maximalen Leistungen und Momente ausgelegt sein, was zu einem großen Antriebsvolumen und -gewicht führt.
Weitere Nachteile der Verbrennungskraftmaschine sind die gesundheits- und umweltschädi­ genden Abgase {CO, NOx, Benzol} sowie der niedrige Wirkungsgrad im Teillastbetrieb, der im Nahverkehr überwiegt. Aufgrund der hohen Verluste sind entsprechend dimensionierte Kühlkörper und Kühlmittelmengen erforderlich.
Ein Elektroantrieb - insbesondere ein bürstenloser Permanentmagnetmotor - kann hingegen im gesamten Drehzahlbereich sein maximales Drehmoment bei hohem Wirkungsgrad abgeben. Anlasser, Kupplung und Schaltgetriebe entfallen und auch die zur Kühlung notwendigen Massen sind wesentlich geringer. Neben der Möglichkeit Bremsenergie zurückzugewinnen, zeichnet sich ein bürstenloser Permanentmagnetmotor durch eine hohe kurzzeitige Überlast­ barkeit aus, weshalb er im Vergleich zur Verbrennungskraftmaschine für ähnliche Fahrlei­ stungen mit kleinerer Nennleistung und dank seiner hohen Leistungsdichte auch leichter baut.
Als entscheidender Nachteil steht Elektroantrieben jedoch kein Energiespeicher mit höchster Energiedichte zur Verfügung. Um sowohl die günstigen Antriebseigenschaften des Elektro­ antriebs als auch die hohe Energiedichte der Kohlenwasserstoffe nutzen zu können, ist es seit Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts bekannt Serienhybridantriebe einzusetzen. Aufgrund des hohen Kostenaufwandes für Verbrennungsmotor, Generator und Elektroantrieb sowie dem hohen Gewicht für die mehrfach installierte Leistung haben sich Serienhybridantriebe bisher jedoch nicht wirtschaftlich durchsetzen können.
Alle bekannten Fahrzeuge mit Serienhybridantrieb weisen zwar eine uneingeschränkte Reich­ weite auf, aufgrund ihres Gewichts ist beim Einsatz im Nahverkehr jedoch der Energiever­ brauch zu hoch. Da Personenkraftfahrzeuge überwiegenden für Kurzstreckenfahrten eingesetzt werden und die Fahrzeugbatterie über Nacht bequem und billig an der Steckdose aufladbar ist, kommt die Verbrennungsmotor-Generatoreinheit nur selten zum Einsatz. Weiterhin weist ein Serienhybridantrieb, aufgrund des niedrigen Lade-Entlade-Wirkungsgrades verfügbarer Batte­ rien, im Vergleich zu effizienten Verbrennungsmotoren keinen wesentlich günstigeren Gesamt­ wirkungsgrad auf, wenn ein Großteil der Energie in der Batterie zwischengespeichert wird. Die geringe Anlagenausnutzung und die ungünstige Ökobilanz im Nahverkehr führen dazu, daß eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Nutzung von Serienhybridantrieben mit bekannten Kon­ zeptionen nicht erreichbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für ein Kraftfahrzeug die Vorteile des Elektroantriebs mit der hohen Energiedichte von Kohlenwasserstoffen zu kombinieren, wobei die Energiebilanz des Fahrzeuges im Nahverkehr verbessert und die Wirtschaftlichkeit des An­ triebssystems erhöht werden soll.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 oder 10 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß ist das für größere Reichweiten im Kraftfahrzeug integrierte Elektrizitäts­ erzeugungsaggregat so modular auf- und eingebaut, daß es auch für den technischen Laien ein­ fach und schnell ein- und ausbaubar ist. Hierzu ist es in ein entnehmbares, selbsttragendes Gehäuse - bzw. in ein Einschubfach - eingebaut und mit wenigen Handgriffen in mehrere gut transportierbare Teile zerlegbar. Zur wirtschaftlichen Auslastung des Elektrizitätserzeugungs­ aggregats, im folgenden kurz EA genannt, wird es stadionär mit Abwärmenutzung zur Batterie­ ladung eingesetzt, wozu die Anschlüsse im Kühlmittelkreislauf entsprechend ausgestaltet sind.
Das EA enthält entweder eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor mit Generator, wobei als Verbrennungsmotor vorzugsweise ein Zweitaktdieselmotor oder eine kleine hoch­ tourige Gasturbine eingesetzt wird. Zusätzlich gehört zum Einbausatz in das Fahrzeug die Elektronik, ein Schallschutzgehäuse, Halterungselemente sowie ein Tank, wobei alle für den reinen Elektroantrieb nicht notwendigen Antriebskomponenten im Einschub integriert sind.
Durch den einfachen Ausbau steht ein zusätzlicher Stauraum im Fahrzeug zur Verfügung und das Leergewicht eines Kleinwagens wird um ca. 5 bis 10% reduziert. Da im Kurzstreckenver­ kehr der Energieverbrauch nahezu proportional zum Gewicht ist, wird die benötigte Nutzen­ ergie somit um bis zu 10% vermindert und die Reichweite des nun rein elektrisch betriebenen Stadtwagens entsprechend gesteigert.
Nach dem Ausbau wird das EA als Bestandteil einer kleinen Kraftwärmekopplungsanlage zum Laden der Fahrzeugbatterien eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit dem EA ist hierdurch deutlich höher als der Steckdosenwirkungsgrad, wobei zusätzlich zu berücksichti­ gen ist, daß der Netzwechselstrom zur Batterieladung erst noch gleichgerichtet und abgesenkt werden muß. Dagegen kann das EA durch geringe Variation der Brennstoffzufuhr so betrieben werden, daß es eine Gleichspannung direkt mit der benötigten Ladespannung abgibt. Die Schadstoffbilanz wird im Vergleich zu Kohlekraftwerken zusätzlich wesentlich günstiger, wenn im stadionären Betrieb Erdgas und im mobilen Betrieb Flüssiggas eingesetzt wird. Für einen weitgehend CO₂-neutralen Individualverkehr sollte jedoch aus Biomasse - z. B. aus CH₄- Pflanzen - gewonnenes Methanol als Energiespeicher verwendet werden.
Die Abwärmenutzung ist insbesondere für Eigenheimbesitzer interessant, da sie die Abwärme des EA′s neben der Brauchwassererwärmung auch zum Vorwärmen des Heizungswassers nutzen können. Vielfahrer mit geringem Brauchwasserbedarf im Sommer oder ökologisch bewußte Eigenheimbesitzer mit solarer Brauchwasseranlage können ihr System durch einen Solargenerator und eine stadionäre Solarbatterie ergänzen.
Durch die Kraftwärmekopplung erzeugt der Nutzer seinen Fahrstrom mit über 90% Primär­ energieausnutzung. Der Systemwirkungsgrad inklusive Lade-Endladewirkungsgrad der Batterie liegt aufgrund der hohen Effizienz von Elektroantrieben auch im Stadtverkehr über 50%. Ver­ glichen mit einem reinen Verbrennungsmotorfahrzeug, das aufgrund des Teillastbetriebs unter 20% Brennstoffausnutzung aufweist, bedeutet dies eine deutliche Schadstoffeinsparung.
Während im Nahverkehr die CO₂-Einsparung gegenüber einem gleichwertigen Fahrzeug mit konventionellem Verbrennungsmotorantrieb 60 bis 70% beträgt, reduziert sich die CO₂-Ein­ sparung im Fernverkehr auf geringere Werte, da die Abwärme nicht nutzbar ist. Die ver­ bleibende Umweltentlastung basiert darauf, daß ein auf einen stadionären Arbeitspunkt ausge­ legter und konstant betriebener Verbrennungsmotor einen günstigeren Wirkungsgrad aufweist, als ein auf wesentlich höhere Spitzenmomente auszulegender Verbrennungsmotor im dynami­ schen Betrieb. Auch bei Autobahnfahrten werden reine Verbrennungsmotorantriebe größtenteils im Teillastbereich betrieben. Dagegen wird die Effizienz des Serienhybridantriebs im elek­ trischen Teil nur gering vermindert, da ein angepaßter Generator mit η = 97 . . . 98%, die Leistungselektronik mit η = 96 . . . 97% und der Elektromotor mit η = 93 . . . 95% derart hoch­ effizient arbeiten, daß ein Effizienzvorsprung erhalten bleibt. Lediglich der Energieanteil, der in der Batterie zwischengespeichert wird, erzeugt höhere Verluste.
Daher wird das EA auf den mittleren Leistungsbedarf des Fahrzeugs bei ca. 100 bis 120 km/h in der Ebene ausgelegt, d. h. ein EA für ein Leichtelektromobil leistet ca. 5 bis 10 kWmech und 11 bis 22 kWtherm und weist aufgrund der hohen Drehzahl eine hohe Leistungsdichte auf.
Bei jährlich 8000 km im Nahverkehr müssen ca. 1000 kWh zur Batterieladung stadionär erzeugt werden. Dies entspricht 2000 kWh nutzbarer thermischer Energie für die Brauch­ wasserheizung. Gleichzeitig wird der Ladestrom deutlich billiger erzeugt, so daß die Wirt­ schaftlichkeit des EA′s, bei ca. 2000 DM Anschaffungspreis und mindestens 10 bis 15 Jahren Betriebszeit, durch den Ausbau und den stadionären Betrieb mit Abwärmenutzung deutlich verbessert wird.
Die Wirtschaftlichkeit des Systems kann durch zusätzliche Gleichstromverbraucher im Haushalt weiter erhöht werden. So können beispielsweise Kühlschränke und Tiefkühltruhen, die als Kältespeicher gut für diskontinuierlichen Stromverbrauch geeignet sind, mit einem Univer­ salmotor ausgestattet werden, der mit Wechsel- und Gleichstrom funktioniert.
Die Betriebsdauer des EA′s übertrifft diejenige des Fahrzeuges. Es kann somit in mehreren Fahrzeuggenerationen eingesetzt werden, wozu durch Standardisierung die kompakte selbst­ tragenden Konstruktion in unterschiedliche Karosserien einsetzbar ist. Hierdurch kann ein EA auch von mehreren Besitzern unterschiedlicher Elektrofahrzeuge gemeinsam genutzt werden. Insbesondere bietet sich jedoch ein Vermietungsservice an, wobei dieser auch Umbau und War­ tungsarbeiten durchführt. Hierdurch wird das EA auch für in Miete wohnende Personen interes­ sant, die pro Jahr nur selten über 100 km lange Strecken fahren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich in Ländern mit unzuverlässigem oder schlecht ausgebautem Elektrizitätsnetz. Hier kann das ausgebaute EA kombiniert mit einem Wechsel­ richter auch als Notstromaggregat eingesetzt werden.
Die Zeichnungen zeigen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch die Integration eines EA′s als Wechselteil in einem Serien­ hybridfahrzeug und in einer kleinen Kraftwärmekopplungsanlage;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein in Einzelteile zerlegbares EA;
Fig. 3 zeigt zwei Schnitte durch ein in einem Einschubfach integrierten EA;
Fig. 4 zeigt drei Einbauvarianten eines Einschubfaches in einen Pkw;
Fig. 5 zeigt drei Varianten für die Einbindung des in einem Einschubfach integrierten EA′s in die Heizungsanlage eines Wohnhauses.
In Fig. 1 wird ein PKW 1 mit Serienhybridantrieb und eine Heizungsanlage 2 eines Ein- oder Mehrfamilienhauses schematisch dargestellt, wobei das zu beiden Systemen gehörende EA 3 in beiden Systemen - also doppelt - eingezeichnet ist. Der Antrieb der Räder 4 erfolgt ausschließ­ lich durch bürstenlose Raddirektantriebe 5. Nach dem Ausbau des EA′s 3, verbleiben im Fahr­ zeug nur jene Antriebskomponenten 5-7, die für den Betrieb als reines Elektrofahrzeug erforderlich sind. Im Kurzstreckenverkehr wird somit kein unnötiger Ballast herumgefahren. Der elektrische Energiespeicher 6 kann modular vergrößert werden, und die Antriebselektronik 7 ist zusammen mit dem Bordcomputer für beide Betriebsarten ausgelegt.
In der Heizungsanlage 2 ist ein großer Warmwasserspeicher 8 integriert, der die Arbeitsinter­ valle des Brenners 9 verlängert und sich daher unabhängig vom EA rechnet. Zusätzlich ist lediglich ein zweiter Wärmetauscher 10 notwendig, der im Sommer auch als Bestandteil einer solaren Brauchwasseranlage ein setzbar ist.
Das in Fig. 2 gezeigte EA 11 ist in tragbare Einzelteile zerlegbar, deren Anzahl für schwächere Personen erhöht werden kann. Die Verbindungsstellen sind einfach zugänglich und die Einzel­ teile weisen Tragegriffe 12 oder Anschlußmöglichkeiten für Tragehilfen auf.
Als Verbrennungsmotor 13 wird ein unter 15 kg schwerer 125 cm³-Zweitaktmotor ver­ wendet der bei 8000 l/min ca. 10 kWmech abgibt. Der leicht lösbar angekuppelte Hohlwellenge­ nerator 14 (5 kg) ist als permanenterregte, bürstenlose Gleichstrommaschine ausgelegt und dient gleichzeitig als Anlasser. Zweitaktmotor und Generator sitzen gekapselt in einem schall­ absorbierenden Gehäuse 15, das aus zwei Hälften 15a, 15b besteht, die über Schnellverschlüsse 16 verriegelt werden. In die obere Hälfte 15b ist ein ca. 10 l fassender Tank 17 integriert, wobei die Kraftstoffzuleitung beim Aufsetzen automatisch durch einen Führungsstift 18 an den Vergaser 19 angeschlossen wird.
Die Abgase durch strömen bereits innerhalb des schallabsorbierenden Gehäuses 15 in einer zweiten Kammer einen Schalldämpfer 20. Ein mit Kühlkanälen 21 versehener Halterungskörper 22 nimmt einen Teil der Abgaswärme auf, wobei das Kühlmittel von einem externen Kühlkör­ per kommend zunächst am Generator 14 und Verbrennungsmotor 13 vorbeigeleitet wird. Das erwärmte Kühlmittel kann im Winter auch ins Wageninnere geleitet werden.
Zusammen mit dem Tank 17 wiegt die obere Gehäusehälfte 15b ca. 5 kg und die untere Gehäusehälfte 15a zusammen mit dem Schalldämpfer 20 und den Halterungen 22 ca. 15 kg, so daß durch den Ausbau des zerlegbaren EA′s in etwa 40 kg eingespart werden.
Alternativ zum leicht zerlegbaren EA 11 mit universal einsetzbarem, selbsttragendem Gehäuse 15 kann das EA 23 auch kompakt in einem Einschubfach 24 integriert sein.
In Fig. 3 ist ein flaches Einschubfach 24 zwischen die Hinterrädern 25 eines Fahrzeuges eingebaut. Für eine geringe Bauhöhe wird ein Zweizylinder-Boxermotor 26 verwendet, der eine getrennte Auspuffanlage 27, 28 und Vergaser 29 aufweist. Die Luft wird über Einlässe 30 in der Nähe der hintern Radkästen angesaugt und in über den zweiten Auspufftöpfen 28 angeord­ neten Luftfiltern 31 angewärmt. Der flache Tank 32 ist im Deckel 33 des Einschubfaches angeordnet, wogegen die Leistungselektronik 34 nahe des Generators 35 auf Kühlkörpern 36 aufgesteckt ist. Das Kühlwasser fließt vom am Boden und an der Rückseite des Einschubfaches angeordneten Wärmetauschern 37 zunächst an der Leistungselektronik 34 und am Generator 35 vorbei, bevor es die Wärme des Verbrennungsmotors 26 aufnimmt. Trotz des kompakten Aufbaus läßt sich auch das EA der Einschubvariante leicht in tragbare Teile zerlegen.
In Fig. 4 sind drei Einbauvarianten für einen PKW 40 dargestellt, wobei das Einschubfach 41 entweder von vorne zwischen den Vorderrädern 42, von hinten zwischen den Hinterrädern 43 oder von der Seite unter den Sitzen 44 in die tragende Bodengruppe des Fahrzeugs integriert wird. Ein entnehmbares Einschubfach 41 ist somit bereits von Anfang an bei der Fahrzeugkon­ zeption zu berücksichtigen. Beim Einschieben des Einschubfaches 41 wird die elektrische Ver­ bindung über Kontaktstifte hergestellt. Zum Ausbau werden entweder einzelne Radbefestigun­ gen 45 oder ein zusammenklappbarer Wagen 46 unter dem Einschubfach angebracht, wodurch ebene Strecken rollend zurücklegbar sind.
Der Nutzer besitzt ein zusätzliches Einschubfach mit identischen Außenabmessungen, das entweder leer als zusätzlicher Stauraum oder mit Akkumulatoren gefüllt zur Erhöhung der Speicherkapazität des reinen Elektrofahrzeuges genutzt wird. Somit hat der Nutzer je nach der gewünschten Fahrstrecke drei Optionen.
  • - Für unbegrenzte Langstrecken den Hybridantrieb, z. B. Urlaubsfahrt nach Spanien.
  • - Für auf 200 km begrenzte Mittel strecken ein mit Akku-Zellen gefülltes Schubfach, das die fahrzeugfeste Speicherkapazität erhöht, z. B. für Wochenendausflüge.
  • - Für den täglichen Nahverkehr (< 100 km) mit reduziertem Fahrzeugleergewicht, das leere Schubfach als zusätzlicher, nicht einsehbarer und verschließbarer Stauraum z. B. für Einkaufsfahrten.
Für den Einbau des EA′s in die Heizungsanlage eines Ein- oder Mehrfamilienfamilienhauses 50 gibt es ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten, von denen drei in Fig. 5 schematisch dargestellt sind.
In Fig. 5a) und b) ist das Einschubfach 51 so konzipiert, daß es ohne Umbaumaßnahmen direkt an die Heizungsanlage angeschlossen und betrieben werden kann, wobei die notwendigen Leitungs- und Kaminanschlüsse entweder in der Garage 52 oder in einem separaten, kleinen Anbau 53 an der Hauswand installiert sind. Hierbei kann der Einschubwagen 51 bei einem Fenster des Heizungskeller 54 als quasi mobile Energieerzeugungsanlage eingestuft werden, wobei die elektrischen Kontakte wiederum durch Steckverbindungen und die Flüssigkeits­ anschlüsse durch Steckventile mit zusätzlicher Schraubverbindung realisiert sind.
Wenn die Rohrverlegung zu aufwendig ist, muß das EA in den Heizungskeller 54 trans­ portiert und dort in eine Anschlußvorrichtung 55 eingesetzt werden. Hierfür wird das EA, wie in Fig. 5c) gezeigt, in Teile zerlegt aus dem Schubfach herausgebaut und nach dem Transport im Heizungskeller in eine festinstallierte Vorrichtung 55 eingesetzt.

Claims (12)

1. Elektrizitätserzeugungsaggregat für einen Serienhybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat (3, 11, 23) zusammen mit dem Tank (17, 32) und der Halterungselementen eine Baugruppe bildet, die einfach in das Fahrzeug (1, 40) ein- und ausbaubar ist.
2. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat (3, 11, 23) eine Brennstoffzelle oder innerhalb eines selbsttragenden, schallabsorbierenden Gehäuses (15, 32) einen Verbrennungsmotor (13, 26) und einen Generator (14, 35) aufweist.
3. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat (3, 11, 23) nach dem Ausbau aus einem Kraftfahrzeug (1, 40) Bestandteil eines stadionären Kraft-Wärme-Kopplungsaggregats (2) ist.
4. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausbaubare Elektrizitätserzeugungs­ aggregat (3, 11, 23) einfach in mehrere Teile (13, 14, 15a, 15b) zerlegbar ist.
5. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat (3, 23) in einem von außen in das Fahrzeug (1, 40) einschiebbaren Einschubfach (24, 41) integriert ist.
6. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschubfach (24, 41) mit einem zu­ sammenklappbaren Wagen (46) ein- und ausbaubar ist, wobei die elektrischen Ver­ bindungen mit dem Fahrzeug durch Steckkontakte beim Einschieben erfolgen.
7. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (17, 32) in das schallabsorbie­ rende Gehäuse (15, 33) intergiert ist, wobei die Kraftstoffleitung beim Aufsetzen der oberen Gehäusehälfte durch einen Steckkontakt (18) an das Elektrizitätserzeugungs­ aggregat (3) angeschlossen wird.
8. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des schallabsorbierenden Gehäuses (33) ein Kühlmittel fließt, das entweder zu einem die Oberfläche des Ein­ schubfaches (24) bildenden Wärmetauscher (37) oder zu einem Wärmetauscher im Fahr­ zeuginneren geführt wird.
9. Elektrizitätserzeugungsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschubfach (41) zwischen den Vorderräder (42), zwischen den Hinterrädern (43) oder unter den Sitzen (44) angeordnet ist, wobei es als tragendes Teil der Bodengruppe fungiert.
10. Verwendung eines Elektrizitätserzeugungsaggregats für einen Serienhybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat nach dem Ausbau aus einem Kraftfahrzeug im stadionären Betrieb als Teil einer Kraftwärme­ kopplungsanlage zur Ladung des Akkumulators eingesetzt wird.
11. Verwendung eines Elektrizitätserzeugungsaggregats für einen Serienhybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrizitätserzeugungsaggregat in verschieden Elektrofahrzeugen zur Erhöhung der Reichweite einsetzbar ist und von kommerziellen Verleihfirmen angeboten wird.
12. Verwendung des Elektrizitätserzeugungsaggregats nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im stadionären aus auch im mobilen Betrieb des Elektrizitätserzeugungsaggregats aus Biomasse gewonnene Kohle­ wasserstoffe eingesetzt werden.
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