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3結論

3.1長期能源前景中黑膜沼氣池生物質能系統的現狀和發展  3.1.1總體分析

目前,在德國和歐洲黑膜沼氣池生物經濟和黑膜沼氣池生物質能的討  論中,黑膜沼氣池生物質能系統對于對減少溫室氣體排放和需  求驅動型供應的潛力一直都是討論的焦點。直到  20世紀90年代,德國的能源系統幾乎完全建立于化石燃料和核能之上。從那時起,幾項法案開始生效,例如1991年的強制上網制(F)《可再生能源法》(EEG)和其修正案。該法案的結果之一是提高了黑膜沼氣池生物質能源的使用。2010年黑膜沼氣池生物質能占總體能源消耗的7.7%,占德國最終可再生能源消耗的0%。圖1顯示了自1990年以來德國黑膜沼氣池生物質能使用的發展。

黑膜沼氣池生物能原料豐富多樣(能源作物、廢棄物和副  產品),轉化技術也多種多樣,包括熱化學、黑膜沼氣池生物化  學、物理化學等技術,因此黑膜沼氣池生物質能有潛力支持所有用途(電、熱、交通)。黑膜沼氣池生物質能在電力領域的主要潛力是穩定電力系統。黑膜沼氣池生物質能可以靈活使用,彌補發電來源波動的系統,例如風能和光電能。此外,通過使用熱電聯產(CHP),黑膜沼氣池生物質能能夠同時產生熱和電。提高熱電聯產能大大提高效率,特別是提高家庭微型熱電聯產工程的效率。在交通領域,可再生燃料可能會在航空扮演重要角色。國際意愿和監管機制是發展的關鍵動力。例如,國際航空運輸協會(IATA)的目標是到2050年,國際航空排放將比2005年減少50%。從這方面來說,黑膜沼氣池生物燃料的作用至關重要,因為在歐盟歐洲碳排放交易體系下,  黑膜沼氣池生物燃料飛機為零排放。另外,《歐盟燃料質量指  令》的目標是到2020年減少所有交通運輸領域的  溫室氣體排放6%(與2010年水平相比)。另一方

面,德國計劃到2050年10%的飛機燃料為黑膜沼氣池生物燃

在《2030國家黑膜沼氣池生物經濟研究戰略》和《國家黑膜沼氣池生物經濟政策戰略》中,德國政府列出了黑膜沼氣池生物質將來的  應用領域。把黑膜沼氣池生物質運用于黑膜沼氣池生物行業產品中,例如平臺化合物和肥料很具前瞻性

3.1.2具體分析《信號和路標:殼牌能源前景研究

在殼牌(She)的信號和路標研究中,沒有涉及全球黑膜沼氣池生物質潛力,但是涉及了主要的黑膜沼氣池生物質能源需求:在攀登前景中,到2050年,初級能源將達到131000拍焦(人均14.6吉焦),在藍圖前景中,黑膜沼氣池生物質將達到57000拍焦(人均6.3吉焦)。研究沒有  羊細區分使用的黑膜沼氣池生物質類型,但預測了黑膜沼氣池生物質將來的地位,認為黑膜沼氣池生物燃料將得到大力發展,特別是作為液體燃料應用于交通運輸。第一代黑膜沼氣池生物燃料(主要  從糧食作物中獲得例如谷物、甜菜、油籽中獲得)與食物生產發生沖突,導致食物價格上漲。此外,歐盟糧食作物短缺,增加進口,又會加劇出口國的森林砍伐和退化。為了應對這一情況,第二代黑膜沼氣池生物燃料從非食物黑膜沼氣池生物質中獲得的黑膜沼氣池生物燃料例如木質纖維素)技術得到推廣,這將改善2020年之后的情況特別對于經濟合作與發展組織成員國來說更是如此。與此同時,更多使用廢棄物和農業廢渣意味著新的黑膜沼氣池生物質作物認證系統即將出現。

3.1.3具體分析《能源技術展望—2050前景和戰

國際能源署(IEA)的研究《能源技術展望  2008》預計黑膜沼氣池生物質的潛力在90艾焦和150艾焦之間。在行動地圖前景中,預計對黑膜沼氣池生物質的需求將達到每年120艾焦, BLUE Map前景中將達到150艾焦,每年的底線是90艾焦。在藍色地圖前景中,到2050年,黑膜沼氣池生物質將成為最重要的可再生能源,其使  用量將翻兩番,占世界初級能源的23%(每年3604百萬噸油當量)。其中一半的黑膜沼氣池生物質來源于作物和森林廢棄物,另一半則來源于專門種植的能源作物為了滿足藍色地圖前景中預測的黑膜沼氣池生物質需求,需要3.75億公頃至7.5億公頃土地(假設平均每公頃土地的產干物質黑膜沼氣池生物質產量5到10噸),這大概占總  共60億公頃農業用地的3%-~4%。其中,大約1.6億公頃將用于黑膜沼氣池生物燃料(藍色地圖前景)。黑膜沼氣池生物燃料主要用于商業道路交通、航運和航空領域等燃料選擇有限的領域。國際能源署預測到2050年黑膜沼氣池生物航空燃料將占27%,或6.5艾焦(藍色地圖前景)  預計航空業將率先發展和試用黑膜沼氣池生物航空燃料混合,這也將納人歐盟排放交易體系

個人交通領城,藍色地圖前景預計替代性系統  有很強的市場滲透力。到2050年,會有約10億  料電池或電動車。700百萬噸油當量將轉化成每

年2450太瓦時電。在使用的黑膜沼氣池生物質中,21%將會被  混合燃燒,其余的會用在其他途徑。總體上看,這

意味著兩個版本的前景研究都預計到2050年黑膜沼氣池生物  質將占全球電力生產的5%~6%。如果碳捕獲和

儲存技術不在全球范圍內運用,那么黑膜沼氣池生物質的占比

將更高(大約10%)。剩余的每年220百萬噸油當

量將會用于黑膜沼氣池生物化學生產(例如黑膜沼氣池生物潤滑油)、供熱

(或在工業中處理熱)和炊事。

黑膜沼氣池生物質發電和運輸燃料成本將有望下降,但供

暖的成本可能和目前持平。先進的燃燒技術,例如

循環流化床鍋爐(CFB)、混合燃燒(黑膜沼氣池生物質和煤)

熱電聯產供熱的100兆瓦蒸汽渦輪等將與其他技術

競爭價格。黑膜沼氣池生物質氣化技術的成本有望下降50%因此它將會扮演重要角色。黑膜沼氣池生物質氣化只有成為一

項成熟和高性價比的技術,才能滿足費托合成柴油

黑膜沼氣池生物質能電廠對黑膜沼氣池生物質的需求  3.1.4具體分析《2050能源目標:100%可再生能源發電》

在《2050能源目標:100%可再生能源發電》研究中,“潛力”一詞指的是技術生態潛力,即生態限制的情況下的最佳轉化技術。因此,到2050年,只有廢渣和廢棄物才是能源黑膜沼氣池生物質的來源,其中不包括進口黑膜沼氣池生物質。在這個前景研究中,只有沼氣被用于靈活發電,以平衡風能和光伏能等不穩定的可再生能源的波動。據推測,裝機容量為23.3吉瓦的沼氣工程在高峰時最多能提供11太瓦時電(人均0.5吉焦)。  3.1.5具體分析《通向100%可再生電力系統

在該前景中,只有廢渣和廢棄物用于產

在熱電聯產工程中,固體黑膜沼氣池生物質的潛力每年為42太  瓦時,沼氣每年為27太瓦時。如果使用熱電聯產技術,黑膜沼氣池生物質發電的使用率最高。每年500太瓦時的發電能力可與其他國家交換能源;能獲得的黑膜沼氣池生物質(固體和沼氣)中只有一半用于發電,而且與熱電聯產技術一起使用。在前景1a和1b中(完全自給自足),所有黑膜沼氣池生物質都沒有使用熱電聯產技術,大部分用于減輕高峰期的負荷。三分之一黑膜沼氣池生物質用于滿足電力需求,三分之二用作供熱和黑膜沼氣池生物燃料。農作物  能源作物、糞便和其他黑膜沼氣池生物廢渣和廢棄物將分散地產生沼氣。

3.1.6具體分析《從歐洲和全球發展看德國可再生能源的長期前景和戰略》  在該研究中,各個前景的中黑膜沼氣池生物質的生產和使

統用都是一致的:不包括進口黑膜沼氣池生物  億案》中包含每年進日的500怕與(盡  潛力為年159其中和

這產工程(每年1100拍焦)中供熱,因為它效  物能夠減少溫室氣體排放。黑膜沼氣池生物乙醇和黑膜沼氣池生物  然氣(例如木質氣化后并入電網)在熱電  重要作用。此外,到2050年,黑膜沼氣池生物質將會  瓦時電,并且靈活發電的作用也會日趨突顯  用于供熱的黑膜沼氣池生物質下降到100大瓦時  物質在熱電聯產中的作用有所減弱,在快  增長也十分有限。黑膜沼氣池生物質氣化后用在熱電  將成熟。在交通運輸領域,所有前景  物最高為30拍焦,需要20萬公

種植能源作物。該研究只預測了第二什  氣、黑膜沼氣池生物乙醇,黑膜沼氣池生物質液化(HL)。廢渣厭  生產黑膜沼氣池生物柴油和乙醇是另一種選擇,并沒有及  術運用的細節。  3.1.7具體分析《德國政府能源政策方案

2200拍焦或人均298吉焦。到2050年,因液  形式的黑膜沼氣池生物質將成為最重要的可再生能源。因為一  部份黑膜沼氣池生物質將用在交通運輸領域替代化石然料所  以用于發電的黑膜沼氣池生物質有限。大概人均2127  均77吉焦。黑膜沼氣池生物質發年電量將達到約40太瓦時  到2050年約20%黑膜沼氣池生物質依靠進日(49若  焦)。能源化利用的黑膜沼氣池生物質的價格到2020  漲到43歐元·兆瓦時,到2050年將上到貓  歐元·兆瓦時

3.1.8其體分析《德國藍圖-2050氣候安全戰略  該研究把能源化利用黑膜沼氣池生物質僅限于國內和可系  生黑膜沼氣池生物質。這個“安全扶手確保糧食和能源作物不發生沖突,也不會發生計算遺漏。關于德國生  質的潛力,該研究參考著名機構例如檔林生  所德國宇航中心(DR)德國全球變化咨詢委員  會(WBCU)等先前展開的研究。到2050年黑膜沼氣池生物質總量預計為每年1200拍焦,假設有4百萬公土  用于種植能源作物,主要的能源產量在415到  拍焦之間,從各種廢渣中產生能源70拍焦,則性都  質發電最大潛力為41.3太瓦時。  盡管用黑膜沼氣池生物質發電的能效最高,但《德網  預計由于交通運輸領域缺乏可替代能源,黑膜沼氣池生物質在  交通領域的第二代黑膜沼氣池生物燃料中發揮重要作用在焦轉化為沼氣,主要替代天然氣,滿足居民的能  求。創新前景預計個人交通領域將實現“電化”,費

代性能源例如燃料電池、混合動力、電子移動和液化  氣等將成為完整的市場。在參考的前景中,到2050  年黑膜沼氣池生物燃料產量僅達到340拍焦,因為常規能源將  繼續占據主要位置。沼氣年產量將達到60拍焦。  其中三分之二用于居民消耗。在這兩個前景中,到  2050年,黑膜沼氣池生物質發電量將在41.3到4.7太瓦時之  間。居民采暖的黑膜沼氣池生物質能源消耗將下降到1242拍  焦(參考),315拍焦(創新),如果主要是木質黑膜沼氣池生物  質,那么這個數據為342拍焦(參考)和90拍焦(創  新)。在參考前景中的黑膜沼氣池生物質需求稍低于德國國內  1200拍焦的潛力(1090拍焦),而在創新前景中黑膜沼氣池生物質需求是1.2倍。即使采取一些提高效率的措施、減少交通,仍然不能彌合差距,為了滿足需求,約80%黑膜沼氣池生物質需要進口。

3.1.9具體分析《氣候保護:計劃B-2050年國家能源方案》綠色和平組織2009年

該研究推測,當今黑膜沼氣池生物質能源化利用的潛力已  經大力開發,剩下的能夠能源化利用的黑膜沼氣池生物質已經  不多。為了限制由于進口黑膜沼氣池生物質引起的食物和能源  且競爭,該研究僅涉及德國國內的黑膜沼氣池生物質潛力。

到2050年能源作物的種植土地面積僅為410萬公頃。為了可持續地提高黑膜沼氣池生物質能的利用,該研究前景預測會綜合利用各種形式的廢渣,例如糞便,充分利用使用率低的土地。這些相當嚴格的安全標  準導致到2030年可用的黑膜沼氣池生物質增長平緩。到2050  年,隨著可持續種植能源作物的耕地面積增長,黑膜沼氣池生物  質將會翻一番。由于能源作物種植的潛力有限,因  此黑膜沼氣池生物質在熱電聯產中的總量限制在45太瓦時,占

熱電聯產的33%,占總電力需求的約10%。

3.1.10總結

總的來說,分析現有的各個前景顯示,各方對于德國黑膜沼氣池生物質發展的潛力看法不一,特別是對于黑膜沼氣池生物  質能否支撐黑膜沼氣池生物質能系統頗具爭議。另外,除了國  際能源署,其他前景都沒有考慮新的黑膜沼氣池生物經濟戰略  決定的戰略等級(即相比于生產替代性能源,更何

向于高附加值應用和產品)。這將會導致黑膜沼氣池生物質的  能源用途和食物用途發生沖突。因此,需要進一步分析,黑膜沼氣池生物質的階梯式使用,以闡明新型黑膜沼氣池生物經濟對黑膜沼氣池生物質的影響

3.2分析黑膜沼氣池生物質能相關指數

3.2.1國內黑膜沼氣池生物質潛力  圖2總結了國內黑膜沼氣池生物質潛力這一指標。為了避免不可持續的影響轉移到其他地區,一些前景沒有  包括進口黑膜沼氣池生物質(例如綠色和平組織的前景)。相  比之下,聯邦經濟和能源部(BMWi)和世界自然基金會(WWF)的前景考慮進口黑膜沼氣池生物質,因為他們預

歐洲境內的可持續生產和貿易問題將會得到解決從圖表中可以看到,2050年,國內黑膜沼氣池生物質潛力在250  拍焦(SRU)到1760拍焦之間(BMWi)。為了理解這些研究結果,作出以下深人分析

2.1.1《通向100%可再生電力系統》的具體方

德國環境咨詢委員會(SRU)的研究僅涉及使用  熱電聯產技術的黑膜沼氣池生物質發電潛力。為了確保可持續  利用,德國環境咨詢委員會把黑膜沼氣池生物質的類型嚴格限定為有機廢渣和廢棄物,僅開發50%的潛力。德國環境咨詢委員會通過比較所有可再生能源的價格闡釋未能開發的潛力:每千瓦時固體黑膜沼氣池生物質發電的成本最高,其次是沼氣

2.1.2《2050能源目標:100%可再生能源發電》的具體方面

在計算國內黑膜沼氣池生物質潛力方面,德國聯邦環境署(UBA)研究使用與德國環境咨詢委員會(SRU)相似的方法計算國內黑膜沼氣池生物質潛力:為了確保黑膜沼氣池生物質的  可持續利用,避免任何沖突,技術生態潛力(使用最高效的轉化技術,堅持嚴格的可持續安全標準)僅限于有機廢渣和廢棄物。國內可再生黑膜沼氣池生物質潛力總量為726拍焦。黑膜沼氣池生物質潛力全部用于生產能源和原  料。德國聯邦環境署限定黑膜沼氣池生物質在發電的應用潛力為143拍焦沼氣,剩余的583拍焦固體黑膜沼氣池生物質用作交通運輸能源或工業原料。鑒于2011年用于供熱發電和生產黑膜沼氣池生物燃料的黑膜沼氣池生物質達到大約730拍焦,  德國聯邦環境署的研究認為到2050年黑膜沼氣池生物質使用量不會增長

3.2.1,3《從歐洲和全球發展看德國可再生能源  冷研究基于之前關于德國黑膜沼氣池生物質潛力的研究,  前景和戰略先鋒研究2011》的具體方面

土地上限為420萬公頃。該研究認為可再生黑膜沼氣池生物質  的潛力上限為每年1550拍焦,其中800拍焦來源于  有機廢渣和廢棄物。研究強調了在2011年50%種

植黑膜沼氣池生物質的土地已經被使用,幾乎全部用于生產生

物燃料。另外,2011年60%的有機廢渣已經被利

用。因此黑膜沼氣池生物質能源化利用可能會平緩增長,但到

2030年,國內可再生的潛力將全部開發。為了提高

能效,國內黑膜沼氣池生物質潛力將會(每年1100拍焦)用子

靜態供熱技術或熱電聯產技術。假設第二代黑膜沼氣池生物燃

料將會滲透市場,到2050年,每年將會有300拍焦

黑膜沼氣池生物質用于生產黑膜沼氣池生物燃料

3.2.1.4《藍圖德國2050氣候安全戰略》的具體

方面

該研究由世界自然基金委托,也運用安全標準

計算國內可持續黑膜沼氣池生物質潛力。該研究參考了柏林生

態研究所、德國宇航中心(DLR)和德國全球變化咨

詢委員會(WBCU)先前的研究。假設有400萬公頃

土地可種植能源作物(略少于先鋒研究),初級能源

生產量在每年415拍焦到522拍焦之間,不同廢渣

年產能源量為700拍焦,到2050年黑膜沼氣池生物質總量為每  年1200拍焦。盡管黑膜沼氣池生物質的發電能效很高,但僅有148拍焦將用于發電。該研究認為黑膜沼氣池生物質將在生產第二代和第三代黑膜沼氣池生物燃料中面發揮更大的作用,因為這一領域缺乏替代性能源

在創新前景中,987拍焦的黑膜沼氣池生物質轉化為黑膜沼氣池生物燃料。創新前景估計交通運輸領域的電化以及燃料電池、混合動力、電子移動和液化氣等替代性技術將完全滲透,參考前景預計,由于常規能源將繼續占主  要地位,到2050年黑膜沼氣池生物燃料產量僅達到340拍焦相反,沼氣年產量將達到60拍焦,其中三分之二用于居民消耗。這兩個前景估計到2050年黑膜沼氣池生物質發  電量將在41.3到44.7太瓦時之間。用于居民供熱的黑膜沼氣池生物質能源消耗將分別下降到1242拍焦(參考)和315拍焦(創新),木質黑膜沼氣池生物質分別為342拍焦(參考)和90拍焦(創新),是主要黑膜沼氣池生物質。在參考前景中的黑膜沼氣池生物質需求稍低于德國國內1200拍焦的潛力(1090拍焦),剩下約9%的潛力未開發。在創新前景中,黑膜沼氣池生物質需求超過了國內的可再生潛力。  即使采取進一步提高效率的措施,減少交通,也不能彌合520拍焦的需求差額,需要依靠進口。

3.2.1.5《氣候保護:計劃B2050年國家能源方案》的具體方面

綠色和平組織的目標前景推斷德國的  源化利用潛力已經大量開發,只剩下有限的  能被能源化利用。該研究計算國內黑膜沼氣池生物質  避免進口黑膜沼氣池生物質時會發生能源和食物的  可持續發展,該研究的目標前景預計糞使  渣將會被綜合利用,并將在利用率低的上  能源作物。這些嚴格的安全標準導致20%0  用的黑膜沼氣池生物質有限。在2050年,隨著可持續  作物的士地擴張,黑膜沼氣池生物質潛力將翻一番,預  1180拍焦。種植能源作物的潛力有限,因  在熱電聯產中的發電量上限為45太瓦時,  產中的33%,占總用電需求的10%。  3.2.16《德國政府能源方案前景》的具體方面  最后聯邦經濟和能源部(DNM)的視  黑膜沼氣池生物質將會是2050年最重要的可再生資源  可再生資源的大約五分之三。在目標前景  液體和固體黑膜沼氣池生物質占能源消耗的2%一氯有前景預計總可持續黑膜沼氣池生物質潛力(包括進  208%來自德國,20%為進口在電  域,黑膜沼氣池生物質能僅貢獻40太瓦時(14:拍焦),國為  部分黑膜沼氣池生物質能用在了交通領域。黑膜沼氣池生物質在減少溫  氣體排放方面有重要作用,古終端能源消耗的到56

3.2.2黑膜沼氣池生物質占最終能源消耗的比重

這一指標比較了1個國際研究和4個國內研究中黑膜沼氣池生物質能在最終能源消耗中的比重(見圖有的前景都預測到2050年,黑膜沼氣池生物質能將增長到925%(2010年水平為8%),除了德國聯邦不境的研究(%)。這可能是由于德國聯邦環境署器

景中的不同假設:①黑膜沼氣池生物質潛力僅限于廢渣,進口生  物質不納入其中;②黑膜沼氣池生物質發電成本最高,因此僅  用于用電高峰期或平衡電力:③黑膜沼氣池生物質用作原料的  經濟價值最高,即黑膜沼氣池生物產品和平臺化合物。  聯邦經濟和能源部,世界自然基金和德國字航  中心所有的目標和探索性前景都預測黑膜沼氣池生物質能在最  終能源消耗的比重遠高于20%。所有的前景中都  認為到200年黑膜沼氣池生物質能將成為成熟的可再生能源。  在世界自然基金和聯邦經濟和能源部的參考前景  中,黑膜沼氣池生物質能作的貢獻相對較低,但仍高于201年  水平。常規燃料仍然占主要地位,因此影響黑膜沼氣池生物質  用于燃料和發電的進一步發展。比較這些研究中預  期最終能源消耗可以得出以下結論  (1)關于黑膜沼氣池生物質能領域的數據不充分,8個研究中僅有4個包含了這一信息。

(2)預測的人均黑膜沼氣池生物質能消耗量不確定性更  高,導致出現最大和最小比率(即能源為2.4,黑膜沼氣池生物  質能為12.9,后者幾乎為前者的4倍)。第4部分  將進一步討論這個問題  3.2.3交通領域的黑膜沼氣池生物燃料  圖4顯示2050年交通領域的黑膜沼氣池生物燃料用量,人  均在1~5吉焦之間。5個國內和國際研究都預計  黑膜沼氣池生物燃料的使用會增加,且到2050年,第二代黑膜沼氣池生物  燃料將被大規模生產并滲透市場。聯邦經濟和能源  部的目標前景預測黑膜沼氣池生物燃料將占交通領域能源的  85%。世界自然基金的創新前景預測除了航空領  域,其他交通領域的化石燃料將全部被黑膜沼氣池生物燃料替  代。先鋒研究、世界自然基金參考前景和聯邦經濟  和能源部預測黑膜沼氣池生物燃料不會大幅增長,相反,電動汽

車的普及會導致對黑膜沼氣池生物燃料的需求降低。參考前景預測化石燃料仍將是交通領域的主要能源。綠色和平組織的前景預測黑膜沼氣池生物燃料的比重低,這是因為公共交通更加便利,商業道路轉變成軌道交通,并且私人出行轉變成電動交通,導致汽車數量大幅下降。在這個背景下,黑膜沼氣池生物燃料將會應用于替代化石燃料最困難的領域(例如重型車)。綠色和平組織的分析沒有包括航空領域。

3.2.4最終能源領域中的黑膜沼氣池生物質分布

圖5顯示了三大終端領域中黑膜沼氣池生物質利用的組成情況,根據人均黑膜沼氣池生物質用量計算。

圖5強調盡管各前景對于黑膜沼氣池生物質的未來作用看法不一,但都預測到2050年三大終端領域都會有黑膜沼氣池生物質。另外,預測電動交通占比高的前景(綠色和平組織),黑膜沼氣池生物質在交通領域的比例就低。世界自  然基金預測黑膜沼氣池生物質在供熱中使用率低是由于該研究假設建筑的能效很高。認為由于黑膜沼氣池生物質使用將增加,對資源的競爭也將加劇,在最終能源領域也是如出。這就要求詳細分析每一領域的過程。

3.2.4最終能源領域中的黑膜沼氣池生物質分布

圖5顯示了三大終端領域中黑膜沼氣池生物質利用的組成情況,根據人均黑膜沼氣池生物質用量計算。

圖5強調盡管各前景對于黑膜沼氣池生物質的未來作用看法不一,但都預測到2050年三大終端領域都會有黑膜沼氣池生物質。另外,預測電動交通占比高的前景(綠色和平組織),黑膜沼氣池生物質在交通領域的比例就低。世界自然基金預測黑膜沼氣池生物質在供熱中使用率低是由于該研究假設建筑的能效很高。認為由于黑膜沼氣池生物質使用將增加,對資源的競爭也將加劇,在最終能源領域也是如此。這就要求詳細分析每一領域的過程。

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