L’Azienda e il Solare Termodinamico

Documento: 11-COM.P-13-rev.4

Update: 08/08/2011

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Chi siamo – Pratt & Whitney Power System

Turboden, leader europeo nella produzione di turbogeneratori ORC per la

generazione e cogenerazione di energia elettrica e calore da fonti rinnovabili

e da recupero di calore da processi industriali.

Nel 2009 entra a far parte di Pratt & Whitney (gruppo UTC), leader

mondiale nella progettazione, costruzione e manutenzione di motori per

aviazione, sistemi di propulsione spaziale e turbine a gas industriali.

Inserita nella divisione Pratt & Whitney Power Systems (PWPS), che

sviluppa soluzioni basate su tecnologia ORC per la generazione di energia

elettrica da fonti rinnovabili, Turboden diventa partner strategico per la

fornitura di turbogeneratori di taglie e rendimenti differenti rispetto ai sistemi

di PWPS, Pure Cycle ®.

2

• $1.99 mld di fatturato nel 2010

• $12.94 mld di volume d’affari

• 36,000 dipendenti in tutto il mondo

• oltre 11,000 clienti

• 195 paesi

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United Technologies Corporation

3

Research

Center

Hamilton

Sundstrand

SikorskyUTC Power OtisCarrierUTC

Fire & Security

Large

EnginesAfter

marketMarine

Mobile

Power

Fortune 50 corporation

16° più grande produttore USA

$54.3B di vendite nel 2010

Presente in 195 paesi

210.000 dipendenti

Wind

Power

EPC

Service

ORC

Technology

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unità standard da 250 kW a 3 MW

soluzioni personalizzate fino a 15 MW

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elettricità

calore

Biomassa

Recupero

Calore

Geotermia

Solare

Termodinamico

Cosa facciamo

Turboden progetta e sviluppa turbogeneratori basati sulla tecnologia

ORC (Organic Rankine Cycle) per la produzione di energia elettrica e

termica partendo da varie fonti rinnovabili e dal calore di scarto,

particolarmente indicati per la generazione distribuita.

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1980-2011- oltre 30 anni di esperienza

1984 –

turbogeneratore

ORC 40 kWel

per applicazione

solare a Perth,

Australia

1987 –

turbogenerator

e ORC a

biomassa da 3

kWel, Milano

2008 –

turbogeneratore ORC

per recupero calore

da 3 MW, Belgio

1988 – impianto

geotermico ORC

da 200 kWel in

Zambia

2009 – primi 100

impianti e 100MW

elettrici installati

2010 – Primo impianto

oltreoceano

2011 – Oltre 200

impianti ORC nel

mondo

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Il principio termodinamico: il ciclo ORC

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Il turbogeneratore utilizza l’olio diatermico ad alta temperatura per preriscaldare e vaporizzare un adatto

fluido organico di lavoro nell’evaporatore (8 3 4). Il vapore organico espande nella turbina (4 5), che

è direttamente collegata al generatore elettrico attraverso un giunto elastico. Il vapore passa attraverso il

rigeneratore (5 9) e in questo modo preriscalda il fluido organico (2 8). Il vapore viene poi condensato

nel condensatore (raffreddato dall’ acqua di raffreddamento) (9 6 1). Il liquido organico viene infine

pompato (1 2) nel rigeneratore e da qui nell’evaporatore, completando così la sequenza di operazioni

nel circuito chiuso.

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Perché un fluido organico con elevata massa

molecolare anziché acqua?

Acqua

Molecole piccole che viaggiano ad

alta velocità

Erosione di parti metalliche e delle

palette della turbina

Turbina pluristadio ad alta

sollecitazione meccanica

Fluido organico

Flusso elevato e più lento

Maggiore diametro della turbina

Minore usura nel tempo di

palette e parti metalliche

ACQUA

FLUIDI ORGANICI CON ELEVATA MASSA

MOLECOLARE

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Il turbogeneratore ORC Turboden – vantaggi

Vantaggi tecnici

Alta efficienza del ciclo termodinamico

Elevata efficienza della turbina (fino 90 %)

Bassa sollecitazione meccanica della turbina, dovuta alla bassa velocità periferica

Basso numero di giri della turbina, tale da consentire il collegamento diretto al generatore

elettrico senza interposizione di riduttore di giri

Mancanza di erosione delle palette della turbina, dovuta all’assenza di umidità negli ugelli

Vantaggi operativi / risultati

Semplicità nelle procedure di avviamento

Funzionamento automatico e continuo

Minima richiesta di manutenzione

Funzionamento silenzioso

Elevata affidabilità (Admont – più di 55,000 ore di funzionamento, affidabilità > 98%)

Funzionamento a carico parziale fino al 10% della potenza nominale

Alta efficienza anche a carico parziale

Richiesta di personale: circa 3-5 ore / settimana

Lunga vita della macchina

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Layout - alcuni esempi

Layout TURBODEN 7

Layout TURBODEN 18

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Layout TURBODEN 10

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Applicationi ORC - Biomassa

Biomassa

Gli impianti cogenerativi con ORC Turboden consentono di produrre

con ottima efficienza ed estrema semplicità di esercizio energia

elettrica e calore da biomassa legnosa.

La potenza dei turbogeneratori è generalmente compresa tra i 250 kW

e i 3 MW elettrici.

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Biomassa Recupero Calore Geotetermia Solare

Termodinamico

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Impianto ORC in un processo di cogenerazione da

biomassa

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Applicazioni ORC - Recupero di Calore

Recupero di Calore

Gli ORC Turboden consentono di produrre energia elettrica

recuperando calore da processi industriali e in cicli combinati. La

potenza dei turbogeneratori Turboden in questo ambito è

generalmente compresa tra i 600 kW e i 5 MW elettrici.

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Biomassa Recupero Calore Geotetermia Solare

Termodinamico

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Applicazioni HR / Fonti energetiche

gas di scarico da motori a combustione interna

(ORC come bottom cycle di motori Diesel e a gas e turbine a gas)

gas esausti da forni in acciaierie

gas esausti dai processi di produzione di cemento,

vetro e altri materiali non ferrosi

gas esausti da inceneritori di rifiuti (civili/industriali)

Sorgenti gassose

Sorgenti liquide

Sorgenti in fase vapore

flussi di liquidi caldi presenti in raffinerie

acqua di raffreddamento (o altri fluidi) di processi

industriali

acqua di raffreddamento delle camicie dei motori a

combustione interna

vapori organici da condesare nelle raffinerie

surplus di vapore da processi di produzione

(es. processo di produzione della carta)

vapore di raffreddamento di processi industriali

(es. produzione dell’acciaio)

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Applicazioni ORC - Geotermia

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Geotermia

Gli ORC Turboden/PureCycle® consentono di produrre energia elettrica

da risorse geotermiche a temperatura medio-bassa, generalmente tra i

90 C e I 180 C.

La tecnologia ORC è particolarmente adatta per lo sfruttamento di fonti

geotermiche a medio-bassa entalpia.

Convenienza economica per potenze elettriche installate oltre i 250 kWel

e temperatura dell’acqua sopra i 90 C

Biomassa Recupero Calore Geotetermia Solare

Termodinamico

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Soluzioni commerciali di Turboden

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• Temperatura dell’acqua geotermica compresa tra 90 C - 180 C

• Potenze da 1 MWel a 10 MWel

• Unità multiple per impianti più grandi

• Alta efficienza del ciclo

• Ciclo a doppio livello per massimizzare lo sfruttamento della sorgente

• Minima richiesta di manutenzione

• Possibilità di selezionare fluidi di lavoro non infiammabili

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Applicazioni ORC - Solare Termodinamico

Solare Termodinamico

I turbogeneratori ORC Turboden consentono di trasformare l’energia

termica raccolta dai collettori solari in energia elettrica, attraverso un

ciclo termodinamico ad elevata efficienza.

L’utilizzo di turbogeneratori ORC Turboden in applicazioni solari

termodinamiche risulta economicamente conveniente a partire da

una potenza elettrica installata di 1MW.

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Biomassa Recupero Calore Geotetermia Solare

Termodinamico

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La tecnologia Solare termodinamica

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MERCATO SOLARE

Co

sto

sp

ecific

o (

€/k

Wh

)

Ambito Residenziale

(fino a 1 MW)

Applicazioni Industriali

(fino a 20 MW)

Utility scale

(fino a 500 MW)

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Impianto Solare Termodinamico con ORC

Olio diatermico caldo

Olio diatermico freddo

Potenza

elettrica

Schema semplificato di un impianto ibrido solare termodinamico con ORC Turboden

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Tecnologie solari a media temperatura

Concentratori parabolici lineari di piccole dimensioni

Esempio: HOLANIKU, Kona (Hawaii) - Keahole Solar Power, Sopogy

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Esempio: KIMBERLINA, Bakersfield (California) - Areva

Collettori lineari Fresnel

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Soluzioni Turboden a media temperatura

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TURBODEN 10 HR

TURBODEN 14 HR

TURBODEN 18 HR

TURBODEN 22 HR

TURBODEN 27 HR

TURBODEN 35 HR

TURBODEN 40 HR

INPUT - Olio diatermico

Temperatura nominale (in/out) °C 270 / 150 275 / 150 280 / 150 280 / 150 270 / 155 280 / 175 280 / 170

Potenza termica in ingresso kW 4500 6450 8700 11000 14000 18000 21000

OUTPUT - Acqua di raffreddamento

Temperatura nominale (in/out) °C 25 / 35 25 / 38 25 / 40 25 / 42 30 / 50 25/ 55 25 / 52

Potenza termica all’acqua kW 3563 5096 6860 8682 11100 14200 16600

PRESTAZIONI

Potenza elettrica attiva lorda kW 898 1302 1762 2220 2808 3697 4270

Efficienza elettrica lorda 19,9% 20,2% 20,3% 20,2% 20.1% 20.5% 20.3%

Autoconsumi elettrici kW 33 52 62 80 113 194 205

Potenza elettrica attiva netta kW 865 1250 1700 2140 2695 3503 4065

Efficienza elettrica netta* 19,1% 19,2% 19,6% 19,5% 19.2% 19.5% 19.4%

(*) Rapporto tra la Potenza elettrica attiva netta e la Potenza termica in ingresso dall’olio diatermico

unità Turboden HR

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Tecnologie solari ad Alta Temperatura

Ricevitore puntuale su Torre

Esempio: PS 10, Siviglia (Spagna) - Abengoa

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Esempio: ANDASOL 1, Granada (Spagna) - ACS Cobra

Concentratori parabolici lineari di grandi dimensioni

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TD 12 HRS TD 24 HRS TD 32 HRS*

INPUT – Olio diatermico Atteso Guarantito Atteso Guarantito Atteso Guarantito

Temperatura nominale (in/out) C 305 / 206 305 / 206 310 / 212 310 / 212 310 / 215 310 / 215

Potenza termica in ingresso kW 4820 4820 9640 9640 13300 13300

OUTPUT – Acqua di raffreddamento

Temperatura nominale (in/out) C 25 / 35 25 / 35 24 / 37 24 / 37 25 / 39 25 / 39

Potenza termica all’acqua kW 3540 3630 7200 7320 9910 10050

PRESTAZIONI

Potenza elettrica attiva lorda kW 1244 1189 2447 2331 3390 3260

Efficienza elettrica lorda 25,8 % 24,7 % 25,4 % 24,2 % 25,5% 24,5 %

Autoconsumi elettrici kW 48 50 97 101 135 142

Potenza elettrica attiva netta kW 1196 1139 2350 2230 3255 3118

Efficienza elettrica netta** 24,8 % 23,6 % 24,4 % 23,1 % 24,5% 23,4 %

Generatore elettricoAsincrono trifase, Asincrono trifase, Asincrono trifase,50 Hz, L.V. (660 V) 50 Hz, M.V. (6 kV) 50 Hz, M.V. (6 kV)

(*) Dati preliminari

(**) Rapporto tra la Potenza elettrica attiva netta ie la Potenza termica in ingresso dall’olio diatermico

unità Turboden HRS

Soluzioni Turboden ad Alta temperatura

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Effi

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olle

tto

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ola

ri [

%]

Differenza tra temperatura media del fluido termovettore e temperatura ambiente [°C]

LS-2 collector, vacuum receiver

IST collector

Range di lavorodella tecnologia ORC

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Vantaggi dei turbogeneratori ORC Turboden

Prestazioni calcolate con: Radiazione solare diretta = 900 W/m2, Angolo d’incidenza= 0°Curve di efficienza dei collettori solari da SANDIA Reports

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Vantaggi dei Turbogeneratori ORC Turboden

Vantaggi operativi (applicazioni a medie temperature).

- Maggiori prestazioni dei collettori solari;

- Possibilità di utilizzare collettori solari a basso costo;

- Utilizzo di oli diatermici a basso costo;

- Utilizzo di oli diatermici classificati come non tossici e non nocivi (secondo le direttive 67/548/CEE e 1999/45/CE);

- Possibilità di implementare schemi impiantistici semplici: usando l’olio diatermico sia come fluido termovettore che come mezzo di accumulo termico.

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Referenze

Tipo d’impianto: Solare termodinamico con accumulo termico ad olio

Developer: Sopogy

Località: Honolulu, Hawaii

Data di avviamento: inizio 2012

Superficie netta dei collettori: circa 75.000 m2

Fonte di calore: olio minerale a 270 C nominali

Sistema di raffreddamento: torri evaporative

Accumulo termico: circa30 MWh, 2 serbatoi con olio diatermico

Potenza elettrica totale lorda: 6 MW

Efficienza elettrica lorda: 20.5%

Impianto solare da 5.5 MW

in costruzione

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1. Collettori solari: parabolici lineari LS-2 (prestazioni secondo il report

SANDIA:“Test results SEGS LS-2 Solar Collector”)

2. Power Block: turbogeneratore ORC Turboden 12 HRS (Potenza nominale:

1 MWel)

3. Fluido termovettore: Olio diatermico (Therminol® 62 o simili)

4. Accumulo termico: Singolo serbatoio ad olio diatermico

5. Sistema di combustione della Biomassa: Sistema di combustione a griglia

mobile con caldaia ad olio combustibile

6. Località: Sicilia (DNI: 1872 kWh/m2 anno)

Assunzioni Tecniche:

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico da 1 MW

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Pote

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ter

mic

a[kW

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Th. Power from SUN

Th. Power from BIOMASS

Th. Power to ORC

Th. Power from STORAGE

giorno 1

Analisi di funzionamento:

Potenza termica in 1 settimana

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

giorno 2 giorno 3 giorno 4 giorno 5 giorno 6 giorno 7

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- Dimensioni campo solare: circa 11.000 m2

- Numero di collettori solari: 288 unità

- Lunghezza delle stringhe: circa 140 m

- Numero di collettori per linea: 8

- Capacità nominale dell’accumulo termico: 17 MWhth (3.6 ore equivalenti)

- Potenza nominale della caldaia a Biomassa: 1.7 MWth (biomassa in ingresso *= 820 kg/h)

Principali dati d’impianto

(*) Assumendo: potere calorifico inferiore biomassa = 2.6 kWh/kg e rendimento caldaia = 0.8

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

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Layout preliminare di un impianto ibrido solare termodinamico basato su Turboden 12 HRS

Potenza in uscita: 1 MWel

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- Produzione di energia elettrica lorda: 5320 MWhel/anno

- Autoconsumo: 535 MWhel/anno

- Produzione di energia elettrica netta (SOLARE): 2410 MWhel/anno (50.4%)

- Produzione di energia elettrica netta (BIOMASSA): 2375 MWhel/anno (49.6%)

- Fattore di carico annuale: 54 %

- Efficienza di conversione Solare-Elettrica (punto di progetto): 15.9 %

Prestazioni dell’impianto:

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

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Total investment ≈ 8.650.000 €

33,8%

19,7%

20,2%

14,6%

11,8%

Campo Solare≈ 2.920.000 €

Power Block≈ 1.700.000 €

BOP≈ 1.020.000 €

Sistema di accumulo termico

≈ 1.260.000 €

Sistema Biomassa≈ 1.750.000 €

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

Analisi economica:

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Assunzioni:

- Remunerazioni energia da SOLARE:

- Feed-in premium: 250 €/MWhel (25 anni)

- Vendita dell’energia: 90 €/MWhel

- Remunerazioni energia da BIOMASSSA :

- Tariffa omnicomprensiva: 280 €/MWhel (15 anni)

Ricavi vendita energia SOLARE: 820.000 €

Ricavi vendita energia da BIOMASSA : 665.000 €

Costi O&M + approvigionamento Biomassa: 313.000 €

Flusso di cassa (per i primi 15 anni): 1.172.000 €

Flusso di cassa (dal 16° anno): 747.000 €

Risultati:

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

Analisi economica:

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-€ 10.000.000

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€ 0

€ 2.000.000

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€ 6.000.000

€ 8.000.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

anniPBT: 8.3 anni

VAN (15 anni): 4.168.000 €

TIR (15 anni): 12.5%

VAN (25 anni): 6.810.000 €

TIR (25 anni): 13.9%

Valore Attuale Netto

Ipotesi:

Contributo a Fondo Perduto = 10% dell’Investimento; Tasso di interesse = 5%

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Caso Studio Impianto ibrido Solare termodinamico

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Turboden - Un caso di successo

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I punti di forza di Turboden

• Partecipazione a

programmi di ricerca

nazionali ed europei

• Cooperazione con

Università europee e

centri di ricerca

• Ottimizzazione cicli

termodinamici

• Selezione e controllo

fluidi di lavoro

•Progettazione termo-

fluido-dinamica;

• Programmazione e

controllo del software di

supervisione

• Numerosi brevetti o

•Valutazione della

fattibilità tecnico-

economica di impianti

ORC

• Offerte

personalizzate per

massimizzare gli

obiettivi economici e

ambientali

• Sostegno per il

raggiungimento di

incentivi pubblici per

energie rinnovabili

• Progettazione

meccanica

componenti totalmente

“in house”

• Proprietary design e

costruzione propria di

turbine ottimizzate

ORC

•STRUMENTI

• Programmi termo-

fluido-dinamici

• FEA - Finite Element

Analysis

• 3D CAD-CAM

• Analisi vibrazionale

• Avviamento e

commissioning

• Manutenzione,

assistenza tecnica e

gestione parti di

ricambio

• Monitoraggio a

distanza &

ottimizzazione della

gestione degli impianti

•Fornitori selezionati di

materiali e componenti

• Controllo qualità &

project management

• Moduli montati in

fabbrica per

minimizzare tempi di

montaggio “in situ”

R&D Marketing/Vendite Design Produzione Manutenzione

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(ultimo aggiornamento dati : gennaio 2010)

Turboden - Fatti & Persone

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NOTE

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