DE102020124497A1 - System for energy generation and energy management - Google Patents
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Abstract
Ein System (1) zur Energieerzeugung und Energiemanagement, umfasst folgende Baueinheiten:- eine oder mehrere Windkraftanlagen (2) und/oder ein oder mehrere Solarpanele (3) zur Erzeugung von Energie,- ein Umspannwerk (6) zur Leitung von Energie in ein Stromnetz (7) und/oder zu einem oder mehreren Elektrolyseuren (8),- ein oder mehrere Elektrolyseure (8) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O),- ein Frischwasservorrat (9), der mit dem einen oder mehreren Elektrolyseuren (8) in Strömungsverbindung steht,- ein Vorratsbehälter (10) zur Kompression und Lagerung des erzeugten Sauerstoffs,- einem Vorratsbehälter (11) zur Kompression und Lagerung des erzeugten Wasserstoffs,- einer Abfüllstation (13) zur Abgabe des erzeugten Wasserstoffs an Fahrzeuge oder an ein Erdgasnetz,- eine oder mehrere Brennstoffzellen (14), die in Verbindung mit dem Vorratsbehälter (10) zur Kompression und Lagerung des erzeugten Sauerstoffs sowie dem Vorratsbehälter (11) zur Kompression und Lagerung des erzeugten Wasserstoffs stehen und die erzeugte Energie an das Umspannwerk (6) weitergeben können und- mehrere 20', 40', 45' HC, 45' PW oder 53' HC Container im Wesentlichen von Quaderform mit jeweils einem Innenraum, wobei das Umspannwerk (6), der eine oder die mehreren Elektrolyseure (8), der Frischwasservorrat (9), die Vorratsbehälter (10, 11), die Abfüllstation (13) und die eine oder mehreren Brennstoffzellen (14) auf die Innenräume der mehreren Container verteilt in diesen angeordnet sind.A system (1) for energy generation and energy management comprises the following structural units: one or more wind turbines (2) and / or one or more solar panels (3) for generating energy, - a transformer station (6) for conducting energy into a power grid (7) and / or to one or more electrolysers (8), - one or more electrolysers (8) for generating hydrogen (H2) and oxygen (O2) from water (H2O), - a fresh water supply (9), which with the one or more electrolysers (8) is in flow connection, - a storage container (10) for compressing and storing the generated oxygen, - a storage container (11) for compressing and storing the generated hydrogen, - a filling station (13) for dispensing the generated Hydrogen to vehicles or to a natural gas network, - one or more fuel cells (14), which in connection with the storage container (10) for compression and storage of the generated oxygen and the storage container (11) for compression and un d storage of the generated hydrogen and can pass the generated energy on to the substation (6) and- several 20 ', 40', 45 'HC, 45' PW or 53 'HC containers essentially of cuboid shape each with an interior space, whereby the Substation (6) that distributes one or more electrolysers (8), the fresh water supply (9), the storage containers (10, 11), the filling station (13) and the one or more fuel cells (14) to the interiors of the several containers are arranged in these.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Energieerzeugung und Energiemanagement mit mehreren Baueinheiten.The present invention relates to a system for energy generation and energy management with a plurality of structural units.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die Auswirkungen des Klimawandels sind weltweit immer stärker zu spüren. Die Verwendung von erneuerbaren Energien stellt eine Möglichkeit dar, um den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß (CO2 Ausstoß) zu senken und damit der Hauptursache für den Klimawandel entgegenzuwirken.The effects of climate change can be felt more and more around the world. The use of renewable energies is one way of reducing carbon dioxide emissions (CO 2 emissions) and thus counteracting the main cause of climate change.
Erneuerbare Energien, wie beispielsweise Windkraft und Photovoltaik, werden heute mittels Windkraftanlagen bzw. Solarpanelen zur Erzeugung von Energie verwendet. Dabei kann die gewonnene Energie in Stromnetze eingespeist oder zur Erzeugung weiterer Produkte, beispielsweise zur Erzeugung von Wasserstoff, verwendet werden.Renewable energies, such as wind power and photovoltaics, are used today to generate energy by means of wind turbines or solar panels. The energy obtained can be fed into power grids or used to generate other products, such as hydrogen.
Eine derartige Anlage ist beispielsweise in der
Typischerweise werden derartige Anlagen im Hinblick auf eine zu liefernde Energiemenge ausgelegt und entsprechend konfiguriert. Eine einmal errichtete Anlage kann nachträglich nur mit hohem Aufwand geändert, bewegt oder ergänzt werden.Typically, such systems are designed with a view to the amount of energy to be delivered and configured accordingly. Once a system has been set up, it can only be changed, moved or supplemented at a later date with great effort.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Energieerzeugung bereitzustellen, das eine flexible Nutzung ermöglicht.It is therefore the object of the present invention to provide a system for generating energy that enables flexible use.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die Aufgabe wird von einem System, umfassend die Merkmale gemäß Patentanspruch 1, gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschreiben.The object is achieved by a system comprising the features according to claim 1. Preferred embodiments are described in the subclaims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das System eine oder mehrere Windkraftanlagen und/oder ein oder mehrere Solarpanele zur Erzeugung von Energie und ein Umspannwerk zur Leitung von Energie in ein Stromnetz und/oder zu einem oder mehreren Elektrolyseuren. Das System umfasst weiter ein oder mehrere Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O), einen Frischwasservorrat, der mit dem einen oder mehreren Elektrolyseuren in Strömungsverbindung steht, ein Vorratsbehälter zur Kompression und Lagerung des erzeugten Sauerstoffs und einen Vorratsbehälter zur Kompression und Lagerung des erzeugten Wasserstoffs. Eine Abfüllstation zur Abgabe des erzeugten Wasserstoffs an Fahrzeuge oder an ein Erdgasnetz ist ebenfalls vorgesehen. Das System umfasst weiter eine oder mehrere Brennstoffzellen, die in Verbindung mit dem Vorratsbehälter zur Kompression und Lagerung des erzeugten Sauerstoffs sowie dem Vorratsbehälter zur Kompression und Lagerung des erzeugten Wasserstoffs stehen und die erzeugte Energie an das Umspannwerk weitergeben können. Ebenfalls Teil des erfindungsgemäßen Systems sind mehrere 20', 40', 45' HC, 45' PW oder 53' HC Container im Wesentlichen von Quaderform mit jeweils einem Innenraum. Das Umspannwerk, der eine oder die mehreren Elektrolyseure, der Frischwasservorrat, der Vorratsbehälter, die Abfüllstation und die eine oder mehreren Brennstoffzellen sind auf die Innenräume der mehreren Container verteilt in diesen angeordnet.According to the present invention, the system comprises one or more wind turbines and / or one or more solar panels for generating energy and a substation for conducting energy into a power grid and / or to one or more electrolysers. The system further comprises one or more electrolysers for generating hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water (H 2 O), a fresh water supply that is in flow connection with the one or more electrolysers, a storage container for compression and storage of the generated oxygen and a storage container for compression and storage of the generated hydrogen. A filling station for delivering the generated hydrogen to vehicles or to a natural gas network is also planned. The system further comprises one or more fuel cells which are connected to the storage container for compressing and storing the generated oxygen and the storage container for compressing and storing the generated hydrogen and which can pass the generated energy on to the substation. Also part of the system according to the invention are several 20 ', 40', 45 'HC, 45' PW or 53 'HC containers, essentially of cuboid shape, each with an interior space. The substation, the one or more electrolysers, the fresh water supply, the storage container, the filling station and the one or more fuel cells are distributed over the interiors of the several containers.
Das erfindungsgemäße System leistet einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion des CO2 Ausstoßes, indem es Energie, die aus erneuerbaren Energien gewonnen wurde, in unterschiedlichen Formen zur Verfügung stellt. Die mittels Windkraft und/oder Photovoltaik erzeugte Energie kann über das Umspannwerk direkt in ein Stromnetz eingespeist werden. Alternativ oder zusätzlich kann die gewonnene Energie zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden, der beispielsweise in vorhandene Erdgasnetze eingespeist und/oder anderweitig in flüssiger oder gasförmiger Form, bspw. an Fahrzeuge, abgegeben wird. Die Einspeisung des produzierten Wasserstoffs in vorhandene Erdgasnetze ermöglicht beispielsweise einen harmonischen Übergang von dem fossilen Energieträger Erdgas zum nachhaltigen Wasserstoff. Des Weiteren stehen Brennstoffzellen zur Verfügung, die beispielsweise vorhandenen Wasserstoff in Strom umwandeln können, der dann über das Umspannwerk in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Das erfindungsgemäße System stellt die vollständige und effiziente Verbindung von der nachhaltigen Stromerzeugung mit der Erzeugung des umweltfreundlichen Wasserstoffs (H2) dar. Darüber hinaus kann Sauerstoff (O2), der bei der Produktion des Wasserstoffs (H2) entsteht für medizinische Zwecke verwendet werden.The system according to the invention makes a significant contribution to the reduction of CO 2 emissions by making energy obtained from renewable energies available in various forms. The energy generated by wind power and / or photovoltaics can be fed directly into a power grid via the substation. Alternatively or additionally, the energy obtained can be used to generate hydrogen, which is fed into existing natural gas networks, for example, and / or otherwise given off in liquid or gaseous form, for example to vehicles. Feeding the hydrogen produced into existing natural gas networks enables, for example, a harmonious transition from the fossil fuel natural gas to sustainable hydrogen. Furthermore, fuel cells are available that can, for example, convert existing hydrogen into electricity, which can then be fed into a power grid via the substation. The system according to the invention represents the complete and efficient combination of sustainable power generation with the generation of environmentally friendly hydrogen (H 2 ). In addition, oxygen (O 2 ), which is produced during the production of hydrogen (H 2 ), can be used for medical purposes .
Die Verwendung von insbesondere standardisierten 20', 40', 45' HC, 45' PW oder 53' HC Containern ermöglicht einen modularen Aufbau des Systems. Die einzelnen Container sind einfach mittels Schiff, LKW oder Flugzeug/Hubschrauber auch an abgelegene Orte leicht zu transportieren. Die einzelnen Container können bei Aufbau des Systems nebeneinander oder aufeinander angeordnet werden. Einzelne Container können bei Beschädigung der darin angeordneten Baueinheiten einfach ausgetauscht werden. Die Container schützen die darin angeordneten Baueinheiten vor Umgebungseinflüssen. Das erfindungsgemäße System ist daher auch für den Einsatz in Regionen mit rauen klimatischen Bedingungen, beispielsweise in der Wüste, dem Gebirge oder in kalten Klimaregionen, geeignet.The use of in particular standardized 20 ', 40', 45 'HC, 45' PW or 53 'HC containers enables a modular structure of the system. The individual containers can be easily transported to remote locations by ship, truck or airplane / helicopter. The individual containers can be used when building the system next to each other or on top of each other. Individual containers can easily be exchanged if the structural units arranged therein are damaged. The containers protect the structural units arranged therein from environmental influences. The system according to the invention is therefore also suitable for use in regions with harsh climatic conditions, for example in the desert, the mountains or in cold climatic regions.
Die Baueinheiten des Systems können jeweils einzeln oder zusammen mit weiteren Baueinheiten des Systems in einem Container angeordnet sein. Optional ergibt sich so eine Anzahl von etwa 10 Containern pro System.The structural units of the system can each be arranged individually or together with other structural units of the system in a container. This optionally results in a number of around 10 containers per system.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jeder Innenraum der Container durch eine Bodenwand, vier Seitenwände und eine Deckenwand definiert, wobei das eine oder die mehreren Solarpanele in oder auf einer der Seitenwände und/oder der Deckenwand angeordnet und derart ausrichtbar sind, dass Sonnenstrahlung auf die ein oder mehrere Solarpanele trifft. Dadurch wird eine flexible Aufstellung der Container ermöglicht. Da die Solarpanele nicht gesondert sondern mit dem Container aufgestellt werden, verkürzt sich die benötigte Zeit zum Aufbauen des Systems. Es ist ebenfalls denkbar, eine automatische Ausrichtungseinrichtung vorzusehen, die die Solarpanele automatisch nach dem aktuellen Sonnenstand ausrichtet und so einen möglichst effizienten Betrieb der Solarpanele ermöglicht.According to one embodiment of the invention, each interior space of the container is defined by a bottom wall, four side walls and a top wall, wherein the one or more solar panels are arranged in or on one of the side walls and / or the top wall and can be directed in such a way that solar radiation hits the one or hits several solar panels. This enables the containers to be set up flexibly. Since the solar panels are not set up separately but with the container, the time required to set up the system is reduced. It is also conceivable to provide an automatic alignment device which automatically aligns the solar panels according to the current position of the sun and thus enables the solar panels to be operated as efficiently as possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Windkraftanlagen und/oder ein oder mehrere Solarpanele außerhalb der Container angeordnet und mit dem Umspannwerk elektrisch verbunden. Dies ermöglicht eine individuelle Anpassung der Anzahl der Windkraftanlagen an die benötigte Energiemenge des verwendeten Systems.According to a further embodiment, the wind power plants and / or one or more solar panels are arranged outside the container and are electrically connected to the substation. This enables the number of wind turbines to be individually adapted to the amount of energy required by the system used.
Bevorzugt sind die Windkraftanlagen und/oder ein oder mehrere Solarpanele modular aufgebaut und mobil ausgebildet. Dies ermöglicht einen einfachen Transport und Aufbau der Windkraftanlagen und/oder der Solarpanelen. Darüber hinaus können dadurch beschädigte Windkraftanlagen und/oder Solarpanele oder Teile davon einfach ausgetauscht und repariert werden. Dies verringert die Ausfallzeit des erfindungsgemäßen Systems bei beispielsweise beschädigten Windkraftanlagen und/oder Solarpanelen.The wind power plants and / or one or more solar panels are preferably constructed in a modular manner and designed to be mobile. This enables easy transport and construction of the wind power plants and / or the solar panels. In addition, damaged wind turbines and / or solar panels or parts thereof can be easily replaced and repaired as a result. This reduces the downtime of the system according to the invention in the case of damaged wind turbines and / or solar panels, for example.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abfüllstation ausgebildet, Wasserstoff in fluider, insbesondere flüssiger Form abzugeben. Der Wasserstoff kann beispielsweise in Druckbehältern abgefüllt und dort gespeichert werden oder in Metallhydridtanks gespeichert werden. Daneben ist es ebenso möglich, den Wasserstoff von der Abfüllstation an eine Tankstelle weiterzuleiten, an der beispielsweise Fahrzeuge Wasserstoff tanken können.According to one embodiment of the invention, the filling station is designed to deliver hydrogen in fluid, in particular liquid, form. The hydrogen can, for example, be filled into pressure vessels and stored there or stored in metal hydride tanks. In addition, it is also possible to forward the hydrogen from the filling station to a filling station where, for example, vehicles can fill up with hydrogen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das System zusätzlich Wärmetauscher, um die bei der Elektrolyse anfallende Wärme mit einem Medium an Industrie oder Haushalte weiterzuleiten. Dadurch kann Wärme, die ebenfalls bei der Produktion des Wasserstoffs entsteht, beispielsweise als Fernwärme, für die Wärmeversorgung von Industrie und/oder Haushalten eingesetzt werden.According to a further embodiment of the invention, the system additionally comprises heat exchangers in order to pass the heat generated during electrolysis on to industry or households with a medium. As a result, heat that is also generated during the production of hydrogen, for example as district heating, can be used to supply industry and / or households with heat.
Die obige Aufgabe wird ebenfalls von einer Anordnung, umfassend die Merkmale des Patentanspruchs 7, gelöst.The above object is also achieved by an arrangement comprising the features of
Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung mehrere der oben beschriebenen Systeme. Dadurch kann die von der Anordnung bereitgestellte Energie an die individuellen Bedürfnisse der Abnehmer angepasst werden. Eine einmal in Betrieb genommen Anordnung kann durch Ergänzung eines oder mehrere zusätzlicher Systeme an einen gestiegenen Energiebedarf des oder der Abnehmer nachträglich angepasst werden. Sollte die Anordnung ursprünglich für einen Energiebedarf geplant und gebaut worden sein, der sich nachträglich verringert, können einzelne nicht mehr benötigte Systeme schnell und einfach abgebaut werden. According to the invention, the arrangement comprises several of the systems described above. As a result, the energy provided by the arrangement can be adapted to the individual needs of the consumer. Once an arrangement has been put into operation, one or more additional systems can be subsequently adapted to an increased energy requirement of the customer (s). If the arrangement was originally planned and built for an energy requirement that is subsequently reduced, individual systems that are no longer required can be dismantled quickly and easily.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Systeme derart miteinander verbunden, dass sie parallel betrieben werden. Bevorzugt verfügt jedes System über gesonderte Windkraftanlagen und/oder Solarpanele. Die durch die jeweiligen Systeme erzeugte Energie in Form von Strom und/oder Wasserstoff wird in diesem Fall gebündelt beispielsweise in Netze eingespeist oder in Vorratsbehältern gespeichert. Es ist aber ebenso denkbar, dass die einzelnen Systeme der Anordnung eine oder mehrere Windkraftanlagen gemeinsam benutzen und die mittels der einen oder mehreren Windkraftanlagen gewonnen Energie auf die einzelnen Systeme aufgeteilt werden. Die dann durch die jeweiligen Systeme erzeugte Energie in Form von Strom oder Wasserstoff wird dann ebenfalls gebündelt beispielsweise in Netze eingespeist oder in Vorratsbehältern gespeichert.According to one embodiment of the invention, the systems are connected to one another in such a way that they are operated in parallel. Each system preferably has separate wind turbines and / or solar panels. The energy generated by the respective systems in the form of electricity and / or hydrogen is bundled in this case, for example, fed into networks or stored in storage tanks. However, it is also conceivable that the individual systems of the arrangement share one or more wind power plants and that the energy obtained by means of the one or more wind power plants is distributed to the individual systems. The energy then generated by the respective systems in the form of electricity or hydrogen is then also bundled, for example, fed into networks or stored in storage tanks.
Bevorzugt weist die Anordnung zwei, bevorzugt vier, weiter bevorzugt sechs, weiter bevorzugt sieben, insbesondere bevorzugt 10 Systeme auf. Bevorzugt kann ein System eine Leistung von ca. 10.000 MWh/a bereitstellen. Durch Verwendung mehrere Systeme kann die Gesamtleistung der Anordnung dadurch bei sieben verwendeten Systemen auf ca. 70.000 MWh/a oder bei Verwendung von 10 Systemen auf ca. 100.000 MWh/a erhöht werden.The arrangement preferably has two, preferably four, more preferably six, more preferably seven, particularly preferably 10 systems. A system can preferably provide an output of approx. 10,000 MWh / a. By using several systems, the total output of the arrangement can be increased to approx. 70,000 MWh / a with seven systems used or to approx. 100,000 MWh / a when using 10 systems.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wir im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben, die in den Figuren dargestellt ist, in denen:
-
1 eine schematische Darstellung der Baueinheiten eines erfindungsgemäßen Systems und -
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Systems an dessen Einsatzort zeigt.
-
1 a schematic representation of the structural units of a system according to the invention and -
2 shows a schematic representation of the structure of a system at its place of use.
Das System
Ein Frischwasservorrat
Das System
Das System
Die Windkraftanlage
Das System
Das Umspannwerk
Das eine oder die mehreren Solarpanele
Im Folgenden wir die Funktionsweise des Systems mit Bezug auf
- Mittels der Windkraftanlage
2 und dem Solarpanel 3 wird elektrischer Strom erzeugt und über das Umspannwerk6 zum örtlichen Stromnetz7 sowie optional zu einem oder mehreren Elektrolyseuren8 geleitet. Ein Großteil des erzeugten Stroms wird indas örtliche Stromnetz 7 als Hauptabnehmer eingespeist. Überschussstrom wird bevorzugt an den oder die Elektrolyseure8 weitergeleitet.
- By means of the wind turbine
2 and the solar panel3rd Electric power is generated and via the substation6th to the local power grid7th and optionally to one or more electrolysers8th directed. Much of the electricity generated is fed into the local electricity grid7th fed in as the main consumer. Excess current is preferred to the electrolyzer (s)8th forwarded.
Der Elektrolyseur
Der Wasserstoff wird komprimiert und anschließend in Druckbehälter oder Metallhydridtanks abgefüllt und darin gelagert und/oder in ein nahes Erdgasnetz eingespeist.The hydrogen is compressed and then filled into pressure vessels or metal hydride tanks and stored therein and / or fed into a nearby natural gas network.
Der in Behälter abgefüllte Wasserstoff kann in einem entsprechenden Fuhrpark in PKWs oder LKWs zum Antrieb verwendet und/oder als Redundanz zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen
Die Windkraftanlage
Ein Großteil der Baueinheiten des Systems
In einem weiteren Container
Das System wird von einer oder mehreren Kontrollstationen
Das System
Optional können zusätzlich zu dem System
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Anordnung zwei, vier, sechs, sieben, oder 10 Systeme zur Energieerzeugung und Energiemanagement auf. Jedes System produziert eine Leistung von ca. 10.000 MWh/a. Durch Verwendung mehrere Systeme kann die Gesamtleistung der Anordnung dadurch bei beispielsweise sieben verwendeten Systemen auf 70.000 MWh/a oder bei Verwendung von 10 Systemen auf 100.000 MWh/a erhöht werden.The arrangement according to the invention preferably has two, four, six, seven or 10 systems for energy generation and energy management. Each system produces an output of approx. 10,000 MWh / a. By using several systems, the total output of the arrangement can be increased to 70,000 MWh / a with, for example, seven systems used, or to 100,000 MWh / a when using 10 systems.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Systemsystem
- 22
- WindkraftanlageWind turbine
- 33
- SolarpanelenSolar panels
- 44th
- Windwind
- 55
- SonneSun
- 66th
- UmspannwerkSubstation
- 77th
- Stromnetzpower grid
- 88th
- ElektrolyseurElectrolyzer
- 99
- Frischwasservorrat (Wasser)Fresh water supply (water)
- 1010
- Erster Vorratsbehälter (Sauerstoff)First storage tank (oxygen)
- 1111
- Zweiter Vorratsbehälter (Wasserstoff)Second storage tank (hydrogen)
- 1212th
- WärmeleitungConduction
- 1313th
- AbfüllstationFilling station
- 1414th
- BrennstoffzellenFuel cells
- 1515th
- Gestrichelte LinieDashed line
- 1616
- ContainerContainer
- 1717th
- TankstelleGas station
- 1818th
- Behältnis (für Wasserstoff)Container (for hydrogen)
- 1919th
- Lagerstelle (für Wasserstoff)Storage point (for hydrogen)
- 2020th
- StraßeStreet
- 2121st
- KontrollstationControl station
- 2222nd
- Parkplatzparking spot
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 202010001737 U1 [0004]DE 202010001737 U1 [0004]
Claims (9)
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-
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2020
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