M04 - Cogenerazione · – motori a combustione interna (ciclo Otto, Diesel) – turbine a gas –...
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M04 - Cogenerazione
Impianti di produzione e distribuzione dell'energiaINGEGNERIA DEI SISTEMI E DEI SERVIZIPER IL TERRITORIO E PER L’AMBIENTEA.A. 2007/2008UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PAVIA - SEDE DI MANTOVA
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Sommario
Mappa mentale
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Introduzione
Praticamente tutti i processi produttivi richiedono (in maggior o minor misura):
– energia elettrica– calore
Generalmente l’approvvigionamento (produzione) di questi 2 fattori produttivi avviene separatamente
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Energia elettricaIntroduzione
7.00010.00070.000.000Ii5.00010.00050.000.000Ih6.0004.00024.000.000Ig4.0002.50010.000.000If4.0005002.000.000Ie2.5005001.250.000Id1.600100160.000Ic
Ore annue di utilizzazione
Massima potenza (kW)
Consumo annuale (kWh)
Codice
Utenze industriali standard - Eurostat
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Energia termicaIntroduzione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Typical steam and heat quality requirements by sector
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Che cosa è la cogenerazione
Produzione combinata di:– Energia (meccanica) > elettrica– Calore
Introduzione
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Vantaggi della cogenerazione
Natura energetica– Impiego razionale dei combustibili fossili (recupero
termico)– Sfruttamento di siti rinnovabili (e.g. biogas)– Riduzione delle perdite nel sistema di trasmissione e
distribuzione
Di carattere ambientale– Riduzione delle infrastrutture per il trasporto– Riduzione delle emissioni in atmosfera (?)
Introduzione
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Vantaggi della cogenerazione
Per la sicurezza e la qualità approvvigionamento EE– Miglioramento disponibilità energia elettrica (ma non
sempre miglioramento PQ!)– Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche
Di natura economica– Risparmi sui costi energetici– Diritto alla vendita di certificati verdi e bianchi (?)
Introduzione
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Vantaggi della cogenerazioneIntroduzione
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Svantaggi della cogenerazione
Per l’utente– Iter autorizzativi e gestionali complessi– Aspetti economici (scarsa valorizzazione dell’energia
elettrica ceduta alla rete, elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, ecc.)
– Scelta della taglia e della tipologia di impianto non immediata (Soddisfacimento della domanda elettrica/termica/ frigorifera)
Introduzione
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Svantaggi della cogenerazione
Per il sistema di distribuzione dell’energia elettrica e del gas
– Impatto sul sistema elettrico (utilizzo delle reti di distribuzione in maniera attiva e non più passiva)
– Necessità di potenziare reti di distribuzione del gas
Per gli Enti locali– Gestire e controllare nuove sorgenti emissive in
aree urbane o comunque densamente popolate
Introduzione
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Che cosa è la trigenerazione
Produzione combinata di:– Energia (meccanica) > elettrica– Calore– Freddo
Introduzione
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Vantaggi e Svantaggi della trigenerazione
Come cogenerazione con costi specifici ancora piùelevati (costo macchine frigorifere ad assorbimento)
Introduzione
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Dati statistici
Potenza lorda (produttori e autoproduttori): 18.000 MW (20% totale)
Energia prodotta sul totale
Introduzione
Dati 2005 - Fonte Terna
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Dati statistici
Distribuzione delle potenze degli impianti di cogenerazione in ItaliaCurva cumulata anno 2005 - Dati GSE
Introduzione
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Dati statisticiIntroduzione
Potenza installata di cogenerazione per le principali attività economiche, anno 2005 - Dati GSE
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Dati statisticiIntroduzione
Potenza installata in impianti di cogenerazione suddivisa in funzione del ciclo termico impiegato, anno 2005 - Dati GSE
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Dati statistici
Taglia media per tipologia:– motori a combustione interna – 1,2 MW– turbine a gas – 6 MW– turbine a vapore (contropressione) – 6,6 MW– turbine a vapore (cond. con spillamento) – 25,7 MW– ciclo combinato – 72,9 MW
Introduzione
Dati 2005 - Fonte Terna
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Dati statisticiIntroduzione
Principali tipi di combustibile impiegati per la cogenerazione, anno 2005 - Dati GSE
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Dati statisticiIntroduzione
Taglia media dei sistemi cogenerativi per alcune categorie di attivitàeconomica, anno 2005 - Dati GSE
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Dati statisticiIntroduzione
Prestazioni dei sistemi cogenerativi in termini di rendimento di primo principio ed indice IRE per alcune categorie di attività economica, anno 2005 - Dati GSE
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Costo energia elettrica
Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c€/kWh, a valori correnti - Fonte AEEG
Utilità
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Costo gas naturaleUtilità
Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c€/m3, a valori correntiFonte AEEG
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Costo oli vegetali Utilità
540Olio di soia
520Olio di palma
560Olio di girasole
560Olio di colza
Costo (€/t)Tipo
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IRE (Indice di Risparmio di Energia)
Rapporto tra– il risparmio di energia primaria conseguito dalla sezione
di cogenerazione rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica
e– l’energia primaria richiesta dalla produzione separata
Definizioni
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Rendimento di primo principio
Rapporto tra– la somma dell’energia elettrica netta generata (Ee) e
dell’energia termica netta utile (Et) generata dall’impianto di cogenerazione
e– l’energia primaria del combustibile, riferita al potere
calorifico inferiore dello stesso, che alimenta l’impianto di cogenerazione (Ec)
Definizioni
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Tecnologie per la cogenerazione
La produzione combinata di energia elettrica e di calore può essere tecnicamente realizzata con le modalità:
– topping– bottoming
La maggior parte dei processi di produzione combinata di energia elettrica e di calore sono di tipo “topping”
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Topping
In questa modalità viene prodotta energia elettrica attraverso un ciclo termodinamico ad alta temperatura integrato ad un sistema di recupero in forma utile del calore di scarico e di distribuzione del medesimo all’utenza termica.
Tecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
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Topping
In questo caso le tecnologie risultano sostanzialmente derivate da quelle utilizzate per la produzione di sola energia elettrica attraverso l’installazione di apparecchiature di recupero termico e di distribuzione del calore a valle dei motori primi
Tecnologie per la cogenerazione
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Bottoming
Nella modalità bottoming viene prima prodotto calore per utilizzazioni ad alta temperatura, il cui cascame termico alimenta un ciclo termodinamico sottostante che permette di ottenere anche una produzione di energia elettrica.
Tecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
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Classificazione delle tecnologie
Da un punto di vista impiantistico le tecnologie di produzione combinata di energia elettrica e di calore vengono classificate in base alla tipologia dei motori primi utilizzati:
– motori a combustione interna (ciclo Otto, Diesel)– turbine a gas– turbine a vapore (contropressione, a condensazione
con spillamento)– ciclo combinato (?)– micro-turbine a gas (emerging)– motore stirling (new)– celle a combustibile (new)
Tecnologie per la cogenerazione
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Classificazione delle tecnologie
Ciascuna tecnologia presenta un rapporto tra energia elettrica Ee e calore utile Et prodotto (indice elettrico K):
– tipico (mediamente)– variabile in funzione della taglia– variabile rispetto al profilo di carico (domanda)
Tecnologie per la cogenerazione
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Classificazione delle tecnologieValori indicativi del rendimento elettrico, totale e dell’indice elettrico per le diverse tipologie impiantistiche di produzione combinata di energia elettrica e calore
Tecnologie per la cogenerazione
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Dati tipici– taglie (ciclo otto) 0,25 – 3 MW– taglie (ciclo diesel) 0,8 – 10 MW– rendimento elettrico 30 - 46%– indice elettrico K = 0,4-2,2– 60.000 ore (grossa manutenzione) (diesel?)– costo manutenzione
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Vantaggi– elevati rendimenti (anche nei regimi di funzionamento
parziale)– ampia gamma di combustibili utilizzabili (liquidi,
gassosi - compresi gas poveri, gas d’altoforno, da biomasse, di distillazione del carbone)
– spinta modularità di realizzazione– campo di applicazione vasto (15 kWe - 10 MWe)– indice elettrico K = 0,5-2,4– costo medio– costo medio manutenzione (XXX - 0,92 c€/kWh)– pesi– ingombri
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Svantaggi– significative emissioni di NOx (necessità di
dispositivi di riduzione delle emissioni)– elevati costi di manutenzione (quota percentuale 2-
4% dei costi di investimento)
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Motori a gas GE - Jenbacher
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Rendimento elettrico in funzione della taglia (motori < 1 MWe)
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Rendimento elettrico in funzione del carico
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Rendimento elettrico in funzione della temperatura
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Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione
Costi specifici in funzione della taglia (motori < 1 MWe)
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
Dati– taglie 0,1 – 100 MW– rendimento elett. 25 - 40%– rendimento totale 60 - 80%
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
Vantaggi– larga indipendenza della potenza termica
disponibile dalla meccanica prodotta > maggiore flessibilità di esercizio
– semplicità costruttiva– potenze elettriche tra 5 e 100 MWe– indice elettrico K = 0,5 – 0,8
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
Svantaggi– rendimenti elettrici relativamente bassi– necessità di utilizzare combustibili pregiati (gas,
oli leggeri) per evitare fenomeni di sporcamento e corrosione delle palette della turbina
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Gas turbine section (Siemens)
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
J. A. Orlando - Cogeneration Design Guide, ASHRAE
Effetto della temperatura dell’aria sul rendimento
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Turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Overview gas turbine systems
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Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Gas Turbine with heat recovery steam generator (HRSG). (1) Air filter, (2) Gas turbine, (3) Generator, (4) HRSG, (5) Steam turbine, (6) Condensor
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Turbina a vaporeTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Steam turbine (B+V Industrietechnik)
Dati– taglie 0,1 – 100 MW– rendimento elett. 14 - 35%– rendimento totale 60 - 85%
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Turbina a vaporeTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Vantaggi– possibilità di ottenere valori abbastanza alti del
rendimento termico globale, fornendo nel contempo calore di recupero ad alta temperatura. Dato che queste macchine utilizzano il vapore proveniente da un opportuno generatore, esse permettono l’adozione di qualsiasi combustibile, particolarmente quelli non pregiati.
– potenzialità medio-alte, comprese tra 1 e 250 MWe di potenza elettrica ed oltre.
– indice elettrico K = 0,1 – 0,5
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Turbina a vaporeTecnologie per la cogenerazione
Svantaggi– alti costi iniziali di investimento– complessità di impianto– limitata capacità di adattarsi a condizioni di
marcia diverse da quelle di progetto– presenza continuativa di personale specializzato
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Ciclo combinatoTecnologie per la cogenerazione
Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE
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Ciclo combinatoTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Large scale single-shaft combined cycle power plant (Siemens)
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Micro-turbine (Bowman Power)
70 - 80%Rendimentocomplessivo
25 - 30%Rendimento elettrico
30 - 100Potenza elettrica
(kW)
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Vantaggi– ridotte emissioni di NOx e CO (<10 ppm @ 15% O2)– ingombri e pesi contenuti– bassa rumorosità e vibrazioni– manutenzione ridotta (ogni 10.000 ore)– elevata vita utile (80.000 ore)
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Svantaggi– tecnologia emergente– costo specifico elevato (1100 €/kW)– rendimenti elettrici inferiori– bassa temperatura fumi (250 °C)
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
30 250 Ingersoll Rand MT250 33 200 Capstone C200 30 100 Turbec T100 29 100 Elliott TA 100 28 80 Bowman TG80 29 70 Ingersoll Rand MT70 28 60 CAPSTONE C60 25 30 CAPSTONE C30
Rendimento elettrico (%)Pel (kW)Modello
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Influenza del carico sul rendimento delle micro-turbine a gas
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Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Influenza della temperatura sulle prestazioni delle micro-turbine a gas
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Motore StirlingTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Stirling Engine Module 9kWe/24kWth (Solo Kleinmotoren)
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Celle a combustibileTecnologie per la cogenerazione
COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe
Fuel Cell System Types
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Studio di fattibilità tecnico economica
Introduzione
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Fattibilità tecnica
Analisi dei consumi elettriciAnalisi dei consumi termiciAnalisi tariffe energia elettrica e combustibili
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità tecnica
Analisi dei consumi elettrici– Potenza elettrica impegnata– Energia elettrica (kWh)
Tipicamente:– 1/2 anni di bollette– curve di carico (kW – kWh) settimanali (settimana tipo
invernale, settimana tipo estiva)– curve di carico (kW – kWh) giornaliere (giornata tipo
invernale, giornata tipo estiva)
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità tecnica
Analisi dei consumi termici– Tipologia dei consumi termici (vapore, acqua calda, …;
livelli termici e di pressione)– Tipologia dei combustibili approvvigionabili (rete gas
naturale?);– Energia (dettaglio giornaliero/mensile)– Potenza termica richiesta (dettaglio
giornaliero/mensile)
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità economica
Flussi di cassa positivi– Stima dei ricavi– Stima dei risparmi bolletta energetica
Flussi di cassa negativi– Stima dei costi iniziali di investimento– Stima dei costi di esercizio
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità economica
Ricavi:– da vendita energia elettrica (immessa in rete)– da certificati bianchi– da certificati verdi
Valorizzazione tipica (?)
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità economica
Risparmi bolletta energetica:– costi di acquisto dell’energia elettrica evitati
(energia elettrica autoprodotta)– costi di acquisto di combustibile evitati (energia
termica, valorizzazione del recupero termico)– minori costi di acquisto di combustibile (sconto
volume per aumento fornitura)
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità economica
Stima dei costi di esercizio del sistema cogenerativo– Costo del combustibile– Manutenzione– Contratto di Soccorso e Servizio– Costo del Personale– Oneri di gestione autorizzazioni
Studio di fattibilità tecnico economica
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Fattibilità economica Stima dei costi iniziali di investimento
– Sistema cogenerativo» cogeneratore» HRSG» sistema trattamento emissioni» (macchine frigorifere ad assorbimento)
– Opere elettriche» linee, trasformatore, quadro di interfaccia
– Opere meccaniche» linee distribuzione vapore, HTW, LTW, (freddo)
– Opere civili» fondazioni, insonorizzazione
– Apprestamenti antincendio– Sistema di supervisione e controllo– EPC
Studio di fattibilità tecnico economica
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Varie
Appunti:– Manutenzione– Gestione dell’impianto (procedure di sicurezza)– Impianto elettrico (passaggio in isola)– Formazione (vedi presentazione)– Passaggi in isola (vedi report)
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Bibliografia
Per un approccio operativo alla cogenerazione:– EDUCOGEN - The European Educational Tool on
Cogeneration (www.cogen.org)– J.A. Orlando: Cogeneration Design Guide. Ashrae– Small scale cogeneration. Why? In which case?
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