V2G bedeutet „Vehicle-to-Grid“. Es handelt sich dabei um eine Technologie, die es ermöglicht, elektrische Energie aus den Batterien von Elektrofahrzeugen wieder zurück in das Energiesystem zu führen. Mittels Vehicle-to-Grid Technologie können E-Fahrzeuge basierend auf unterschiedliche Faktoren entweder geladen oder entladen werden. V2G hilft also dabei, Angebot und Nachfrage zu balancieren und kann das Stromnetz insgesamt optimieren. So können beispielsweise Energiekapazitäten, Spitzenzeiten beim Verbrauch und die lokale Produktion von erneuerbaren Energien berücksichtigt werden.
V2G ermöglicht das sogenannte bidirektionale Laden, also das be- und entladen von Fahrzeugbatterien in beide Richtungen. Dabei wird zu besonders hohen Belastungszeiten gespeicherter Strom vom Fahrzeug in das lokale Stromnetz zurückgespeist und bei Produktionsspitzen den überschüssigen Strom wiederum der Fahrzeugbatterie zugeführt. Hierbei fungiert die Batterie in Fahrzeugen als vorübergehender Stromspeicher.
Die Begriffe V2G und bidirektionales Laden werden zwar oft gleichbedeutend verwendet, es gibt aber einen kleinen Unterschied. Während bidirektionale Ladetechnologie das Laden in zwei Richtungen meint, bezieht sich die V2G Technologie ausschließlich auf das Entladen und das Zurückführen von Energie von der Fahrzeugbatterie in das öffentliche Netz.
Und was ist mit V2X?
V2X bedeutet Vehicle-to-Everything. Dies beinhaltet viele verschiedene praktische Anwendungsbeispiele wie Vehicle-to-Home (V2H), Vehicle-to-Building (V2B), Vehicle-to-Load (V2L) oder eben Vehicle-to-Grid. Beim Vehicle to home (V2H) beispielsweise ergibt sich die Möglichkeit, sein Privathaus über einige Stunden oder Tage mit einem E-Fahrzeug off grid zu versorgen, also ohne Strom vom Energieversorger zu beziehen.
Kurz gesagt, ergibt sich je nach Anwendungsbereich eine eigene Abkürzung, hier gibt es schier unendliche Anwendungsmöglichkeiten für die V2G Technologie.
Die V2G Technologie wird durch den internationalen ISO 15118 Standard abgedeckt. Die ISO 15118 legt grundsätzliche Normen fest, die für die bidirektionale Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation in Frage kommen, so regelt sie auch das Plug&Charge und die Bezahlung an Ladesäulen.
Wir fassen zusammen:
Die Grundidee von Vehicle-to-Grid die gleiche wie beim regulären Smart Charging. Smart Charging, intelligentes Laden oder auch einfach V1G erlaubt es, das Laden von Elektroautos so zu steuern, dass die Ladeleistung bei Bedarf erhöht oder reduziert werden kann. Vehicle-to-Grid geht einfach noch einen Schritt weiter und ermöglicht es, den geladenen Strom auch vorübergehend von Autobatterien ins Netz zurück zu speisen, um Schwankungen bei Energieerzeugung und -verbrauch auszugleichen: Belastungsspitzen werden geglättet und das Risiko für Stromengpässe minimiert.
Ganz einfach, Vehicle-to-Grid trägt zur Eindämmung des Klimawandels bei. V2G erlaubt es uns, immer größere Mengen erneuerbare Energien aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Das gleicht das Netz aus und sorgt dafür, dass auf lokaler Ebene Überspannungen und Stromengpässe vermieden werden. Damit aber wirklich eine drohende Klimakrise abgedämpft werden kann, müssen im Energie- und Mobilitätssektor vier Dinge geschehen: Dekarbonisierung, Netzausbau, Steigerung der Energieeffizienz und die Elektrifizierung des Transports.
Im Zusammenhang mit der Energieerzeugung versteht sich Dekarbonisierung als Ausbau von erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft und der zunehmende Verzicht auf fossile Brennstoffe wie Kohle und Gas.
Das Jahr 2022 war ein Rekordjahr für die Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen. 46,2 % der gesamten Stromproduktion in Deutschland entfiel auf erneuerbare Energien. Und der positive Trend setzt sich fort.
Mit zunehmender Abhängigkeit von erneuerbaren Energien wächst auch die Nachfrage nach Speichermöglichkeiten für den nachhaltig erzeugten Strom. Erneuerbare Energien sind abhängig von externen Faktoren, die nicht beeinflusst werden können. So liefern Photovoltaik oder PV-Anlagen nur tagsüber Strom und Windräder nur an windreichen Tagen. Da die elektrische Energie aber auch zu anderen Zeiten nachgefragt wird, entsteht hier ein Speicherbedarf. Bei fossilen Brennstoffen ergibt sich ein solches Speicherproblem nicht. Sie setzten erst bei der Verbrennung Energie frei und können daher besser gesteuert werden.
Erneuerbare Energien machen unser Energiesystem volatiler und erfordern deshalb neue Wege, um Netzspitzen zu glätten und Energie zu speichern. Und genau hier kommen E-Fahrzeuge ins Spiel. Ihre Batterien eignen sich perfekt dafür, Energie zu speichern.
Gleichzeitig leistet die E-Mobilität einen großen Beitrag zur Reduktion von CO2-Emissionen. Und die Zahl von E-Autos nimmt stetig zu, was die Vorteile eines batteriebetriebenen Fahrzeugs weiter unterstreicht. In Deutschland kam im Jahr 2022 bereits jeder dritte Neuwagen mit einem Stecker auf die Straße. Im selben Jahr nahmen E-Autos eine weitere wichtige Hürde: Es wurden mehr als 1 Million rein batteriebetrieben Fahrzeuge im Bestand gemeldet.
Die Batterien in E-Autos stellen die kosteneffizienteste Art der Energiespeicherung dar, da keine zusätzlichen Investitionen in Hardware nötig sind. Mit V2G können Fahrzeugbatterien 10-mal effizienter genutzt werden als bei regulärem Smart Charging. Immerhin machen Standzeiten den Großteil des Lebenszyklus eines Autos aus.
Bis 2030 könnten weltweit bereits über 250 Millionen E-Fahrzeuge unterwegs sein. Dies wiederum bedeutet, dass wir mindestens 250 Millionen winzige Energiespeicher auf Rädern haben werden, mit einer Gesamtspeicherkapazität von 15 TWh. Studien sagen sogar voraus, dass wir bis am Ende des Jahrzehnts bereits genügend Fahrzeugbatterien für die kurzfristige Energiespeicherung zur Verfügung haben sollten.
Die Vision von Virta für Vehicle-to-Grid Lösungen
Stationäre Energiespeicher - gewissermaßen große Akkus - werden immer häufiger. Sie sind eine praktische Lösung für die Speicherung von Energie, beispielsweise von Solarkraftwerken. Laut Prognosen könnte in den nächsten 20 Jahren bereits 6 % der weltweiten Energieproduktion in Batterien gespeichert werden.
Tesla und Nissan bieten bereits Heimbatterien für Endkundinnen und -kunden an. Diese Heimbatterien sind zusammen mit Sonnenkollektoren und Ladestationen eine hervorragende Möglichkeit, die Energieerzeugung und den Energieverbrauch in Einfamilienhäusern oder kleinen Siedlungen auszugleichen.
Zudem sind derzeit Pumpstationen oder Pumpwerke, bei denen Wasser zur Speicherung von Energie auf und ab gepumpt wird, eine der häufigsten Arten der Speicherung. Bei sogenannten Pumpspeicherkraftwerken, bei denen es sich häufig um ausgebaute Speicherkraftwerke oder Wasserkraftwerke handelt, wird Energie in Form von Wasser in den Stausee zurückgepumpt und dort für eine spätere Wiederverwertung quasi „gespeichert“.
Im Vergleich zu E-Fahrzeugen sind diese Methoden der Energiespeicherung jedoch deutlich aufwendiger und kostenintensiver. Der Anteil an Elektroautos steigt stetig und ihre Batterien können ohne Probleme und ohne Zusatzkosten Verwendung finden.
Wir bei Virta glauben, dass Elektroautos der intelligenteste Weg sind, um Energieschwankungen im Netz auszugleichen und den Ausbau von erneuerbaren Energien weiter voranzutreiben. Wir sind fest überzeugt, dass E-Autos in Zukunft ein fester Bestandteil in unserem Leben sein werden – unabhängig davon, wie wir sie verwenden.
Zwei Virta Mitarbeiter arbeiten an einer V2G Ladestation. Photo/Credits by Ville Vappula.
Damit V2G praxistauglich wird, muss sichergestellt werden, dass E-Autos zu jedem Zeitpunkt genügend aufgeladen sind. Für die tägliche Fahrt in die Arbeit muss die Batterie selbstverständlich für Hin- und Rückfahrt genügend geladen sein. Und dies ist im Grunde eine Hauptanforderung an V2G und andere Ladetechnologien: Fahrerinnen und Fahrer von E-Autos müssen weiterhin die Möglichkeit haben zu entscheiden, wann sie ihr Autos ausstecken möchten und mit wie viel Batteriekapazität sie ihre Reise beginnen möchten.
Mit der Virta V2G Lösung ist die Autobatterie mit Sicherheit immer zu 70-90 % geladen, wenn die Fahrt beginnen soll.
Mit Smart Charging endet die Möglichkeit des Netzausgleichs bzw. Lastmanagements genau dann, wenn der Akku vollständig geladen ist. Mit V2G hingegen kann ein Netzausgleich fortgesetzt werden, so lange das Fahrzeug ans Stromnetz angeschlossen bleibt.
Privates Laden und hauptsächlich das Laden zu Hause oder auf Arbeit eignen sich hervorragend für V2G, da die Fahrzeuge lange genug mit einer Ladestation verbunden sind. Dies ermöglicht ebenfalls das kontrollierte Laden und Entladen zu Zeiten, an denen das Stromnetz den größten Belastungen ausgesetzt ist.
Wie fließt Strom?
Um V2G zu verstehen, sehen wir uns erst mal die Grundlagen des Stromflusses an:
Strom nimmt immer den kürzesten Weg zum nächstgelegenen Ort, an dem er benötigt wird. Eine V2G Ladestation absorbiert Strom aus Autobatterie und speist ihn einfach zurück ins Netz, wo er sich auf dem kürzesten Weg zum nächstgelegenen Verbraucher begibt.
Ein praktisches Beispiel: Das Virta Headquarter HQ
Im Virta HQ in Helsinki haben wir derzeit zwei V2G Ladestationen in ständigem Betrieb. Diese Ladestationen befinden sich in der Garage des Bürogebäudes gleich neben den (regulären) intelligenten Ladestationen. Wenn an der V2G-Ladestation eine Fahrzeugbatterie entladen wird, fließt der Strom direkt zu den nahe gelegenen intelligenten Ladestationen und in die Batterien der gerade ladenden Fahrzeuge. Dies ist der nächstgelegene Stromverbraucher.
Sind gerade keine Fahrzeuge angeschlossen, wird der Strom für die Beleuchtung in der Garage oder der Klimaanlage verwendet. Dies reduziert den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes, wodurch wiederum das Energiesystem rund um das Büro ausgeglichen wird.
Kommen Sie mit uns auf eine virtuelle Tour in das Virta HQ, um unsere V2G Lösung zu testen:
Und natürlich bei unseren Kunden:
Ein Beispiel ist das eFuture Projekt, bei dem Virta mit Nissan kooperiert, um V2G gemeinsam mit E.ON auf den Markt zu bringen.
Dabei stellte Virta E.ON eine digitale Ladeplattform für E-Fahrzeuge zur Verfügung, die das Laden und den Energieausgleich anhand von Signalen wie Netzbedarf, Energiepreis und Kohlenstoffintensität des Energiemixes automatisiert. Dabei wird die Effektivität von V2G im größeren Maßstab unter echten Bedingungen mit 20 V2G Ladestationen getestet.
Ziel des Projektes, welches 2020 in Großbritannien startete, ist es zu zeigen, dass V2G eine praktikable, nachhaltige und profitable Lösung für Unternehmen ist.
Während des Projekts werden Fahrzeuge in Intervallen an die Ladestationen angeschlossen, um die Zeitpläne der Unternehmensflotte nachzubilden und zu simulieren – hauptsächlich über Nacht, aber auch für einige Zeiträume am Tag.
Nachstehend die Vorteile von V2G für die jeweiligen teilnehmenden Parteien:
- Unternehmen können den Stromverbrauch und die Kosten hierfür in Ihren Gebäuden und Standorten optimieren.
- Unternehmen mit Fuhrpark können die Total Cost of Ownership (TCO) ihrer Flottenfahrzeuge reduzieren.
- Autohersteller (OEMs) können Fahrzeuge mit einem Mehrwert anbieten.
- Fahrerinnen und Fahrer von E-Autos profitieren von finanziellen Anreizen für das zur Verfügung Stellen ihrer Fahrzeugbatterien.
- Unternehmen des Energiemarktes können mit ihren Ressourcen besser handeln und diese optimieren.
- Netzversorger können ihre Investitionen optimieren und das Netz besser stabilisieren
Immobilien
Bei der Installation von Ladestationen für E-Fahrzeuge besteht der erste Schritt darin, das elektrische System des Gebäudes zu überprüfen. Die elektrischen Zuleitungen können das geplante Projekt entweder komplett behindern oder die Kosten erheblich steigern, falls Leitungen erweitert oder erneuert werden müssen.
Vehicle-to-Grid, so wie andere intelligente Lösungen für das Energiemanagement ermöglichen das Laden von E-Fahrzeugen überall, unabhängig von der Umgebung oder dem Standort. Die Vorteile von V2G für Gebäude werden sichtbar, wenn der Strom aus Autobatterien dort verwendet wird, wo er am ehesten benötigt wird.
So können Fahrzeugbatterien lokal gezielt helfen, Versorgungsengpässe zu überbrücken oder einen Energieüberschuss abzufangen und später abzugeben, wenn er gebraucht wird. Damit hilft V2G dabei, den Strombedarf auszugleichen und unnötige Kosten für den Ausbau des Netzes zu vermeiden.
Stromnetz
Wenn der Stromverbrauch zunimmt, kann es lokal zu Überlastung kommen. Wenn Gebäude ihren Strombedarf mit V2G-Ladestationen selbstständig ausgleichen können, hilft das auch dem Stromnetz im größeren Maßstab.
Das ist besonders dann praktisch, wenn der Anteil an erneuerbaren Energien am Strommix zunimmt. Wind- und Solarstrom sind volatil und werden besonders in Gegenden zur Herausforderung, die besonders von ihnen abhängig sind. Fahrzeugbatterien stellen hier eine geeignete und kostengünstige Alternative dar, um diesen Engpässen entgegenzuwirken.
Ohne diese Schwarmspeicher, also viele kleine Batteriespeicher in Form von Fahrzeugbatterien, müsste der Strom bei großer Nachfrage zu höheren Preisen bei Reservekraftwerken zugekauft werden. Und dabei handelt es sich meist um Graustrom, also um Strom aus ökologisch fragwürdigen Quellen.
Mit V2G und den Zwischenspeichern in Fahrzeugen kann dies umgangen werden, was zu einer deutlichen Reduktion von Kosten führt.
Fuhrparks und Flotten
Betreibende eines Fuhrparks mit einem Pool an E-Fahrzeugen können zusätzlich Einnahmen generieren, wenn sie die Fahrzeugbatterien zur Zwischenspeicherung von Energie zur Verfügung stellen. Gleichzeitig helfen die Autos dabei, das Netz zu stabilisieren.
Finanzielle Anreize gibt es aber nicht nur von Energieversorgern. Unternehmen können ihre eigenen Fahrzeuge bei Stromengpässen ganz einfach als vorübergehende Stromquelle nutzen und somit eine durchgehende Produktion bzw. einen durchgehenden Betrieb gewährleisten.
In Verbindung mit einer PV-Anlage oder mit einem Windrad können die Fahrzeugbatterien bei einer Überproduktion als Speicher dienen, damit der Grünstrom zu einem späteren Zeitpunkt, wann immer er gebraucht wird, wieder abgegeben werden kann.
Fahrerinnen und Fahrer von E-Autos
Warum sollten Fahrerinnen und Fahrer von E-Autos bei der V2G-Technologie teilnehmen? V2G schadet ihnen nicht, aber welchen Nutzen genau können sie aus V2G ziehen?
Da V2G Lösungen mit Sicherheit von großem finanziellem Interesse für Energieunternehmen und -versorger sein werden, besteht ein klarer Anreiz darin, die Besitzerinnen und Besitzer von E-Autos daran teilhaben zu lassen. Schließlich reicht die V2G-Technologie, kompatible Ladestationen und Fahrzeuge alleine nicht aus. Menschen müssen selbst mitmachen, ihre Autos einstecken und die V2G Funktion in ihrem Fahrzeug aktivieren. Finanziell können sie für die vorübergehende Speicherung von Strom und die spätere Rückführung ins Stromnetz profitieren.
Abhängig vom Standort und dem jeweiligen Strompreis besteht nach unseren Erfahrungen ein Einsparpotenzial von 200 bis 700 Euro pro Auto und Jahr. Grundlage dafür sind durchschnittliche Stand- beziehungsweise Ladezeiten zwischen 15 und 20 Stunden am Tag.
Lösungen für V2G sind jetzt schon so weit entwickelt, dass sie reif für den Markt sind. Einige Hürden müssen jedoch noch überwunden werden, bevor V2G zu einem gängigen Instrument für das Energiemanagement werden kann.
A. V2G Ladestationen und Technologie
Mehrere Hardwarehersteller haben Ladestationen entwickelt, die das Vehicle-to-Grid Laden unterstützen. Wie bei jeder anderen Ladestation gibt es auch bei der V2G Technologie Hardware in unterschiedlichsten Formen und Ausführungen.
Normalerweise liegt hier die maximale Ladeleistung bei etwa 10 kW - gerade genug für das Laden zu Hause oder am Arbeitsplatz. Einige V2G Ladestationen schaffen bereits Leistungen von bis zu 15 kW und in Zukunft werden noch größere Leistungssprünge realisiert werden.
V2G Ladestationen sind DC-Ladestationen, laden und entladen also mit Gleichstrom (DC). So können auch die unidirektionalen Lader im Inneren des Fahrzeugs umgangen werden. Es gab auch Versuche, V2G über eine AC (Wechselstrom)-Ladestation umzusetzen. Diese Idee konnte sich letztendlich aber nicht durchsetzen.
Zusammengefasst kann man sagen, dass es bereits Ladestationen gibt, die für das V2G Laden verwendet werden können. Allerdings gibt es noch Spielraum für Verbesserungen, bis die Technologie völlig ausgereift ist.
B. V2G kompatible Fahrzeuge
Derzeit haben Fahrzeuge mit CHAdeMo-Stecker bei V2G die Nase vorn. Allen voran der japanische Hersteller Nissan, der bereits V2G-kompatible Modelle auf den Markt gebracht hat. So können alle Nissan Leaf bereits über V2G-Stationen ge- und entladen werden. Auch Mitsubishi macht V2G für seinen Outlander Plug-in-Hybris und den i-MiEV Modellen möglich.
Weitere europäische Modelle mit V2G Unterstützung sind der Peugeot iON und Citroën C0. Der erst kürzlich angekündigte Renault 5 wird das erste Fahrzeug des französischen OEM sein, das mit einem bidirektionalen Ladegerät ausgestattet sein wird und damit V2G unterstützt. Renault hat ebenfalls ein Pilotprojekt auf der portugiesischen Insel Porto Santo gestartet, bei dem der Renault ZOE mittels V2G Technologie dabei helfen soll, eine Smart Fossil Free Island zu schaffen. Besonders im Inselbetrieb stellt V2G eine vielversprechende Lösung für lokale Energiesysteme dar.
V2G ist aber in erster Linie eine große Chance für OEMs und viele weitere nehmen V2G in ihr Produktportfolio auf.
So plant Ford die kommerzielle Einführung von V2G für ihre F-150 Lightning elektrischen Pickup Trucks und Hyundai be den Hyundai IONIQ 5 Modellen. Bei den Volkswagen ID Modellen ist V2G zwar grundsätzlich technisch möglich, muss aber erst durch ein Software-Update nachgerüstet werden. Dies ist bei einigen Modellen bereits geschehen. Beim neuen VW ID 5 ist das V2G-Laden eingeschränkt möglich, vom Hersteller wurden dabei Limits für die Betriebsdauer und maximale Energiemenge festgelegt. Bei erreichen dieser Limits wird die V2G-Funktion deaktiviert.
Auch Tesla Modelle sind grundsätzlich für V2G ausgestattet, hier müsste Elon Musk einfach nur einen Hebel umlegen und hätte dadurch Zugriff zum weltweit größten Energiespeicher.
Um eine breite Akzeptanz für das V2G Laden zu schaffen, müssen noch weitere rechtliche Grundlagen geschaffen werden. Hier insbesondere zu Themen der Garantie, Gewährleistung und Haftpflicht, was etwa die Auswirkung von V2G auf die Batterien betrifft.
Wie wirkt sich V2G auf die Batterieleistung aus?
C. Energiebranche und Autohersteller müssen mit einsteigen
Vehicle-to-Grid ist nur ein Beispiel für eine Lösung des Energiemanagements, die es im Zuge der Entwicklungen bei Elektromobilität geben wird. Der Energie- und Mobilitätssektor müssen in Zukunft – mit oder ohne V2G – zusammenwachsen. Wir bei Virta glauben, dass dies mit V2G geschehen wird.
Große technologische Veränderungen und Umschwünge benötigen mehr Zeit für eine Anpassung. Nissan geht mit gutem Beispiel voran und arbeitet bereits mit dem Energiesektor zusammen, um die Zukunft des Energiesystems aktiv mitgestalten zu können. Die Autoindustrie erlebt derzeit eine Revolution wie nie zuvor. Werden diese Kräfte mit denen des Energiesektors gebündelt, eröffnen sich für die Automobilbranche noch nie da gewesene Potenziale.
Gleiches gilt für den Energiesektor: Wird die Energieeffizienz weiter verbessert und steigt der Anteil erneuerbarer Energien, wird sich das Stromnetz drastisch ändern. Der Energiesektor muss neue Wege finden, um Energieerzeugung und -verbrauch in Einklang zu bringen. Und genau dabei können E-Fahrzeuge helfen.
D. Ein europäischer Standard, der das E-Laden vereinfachen wird
Der Markt für das Lastmanagement verzeichnet eine jährliche Wachstumsrate von über 20 Prozent. Dabei ist die V2G Technologie eine der vielversprechendsten Neuheiten auf dem Markt. Es ist also kein Wunder, dass der Markt für V2G bis 2024 voraussichtlich auf über 5 Milliarden US-Dollar wachsen wird. Auch andere Studien sehen die größten Gewinnsprünge in der Ladeindustrie bei den Lösungen für das intelligente Energiemanagement.
Noch ist V2G ein projektbasiertes Geschäftsmodell, doch das wird sich bald ändern. V2G entwickelt sich hin zu einem kommerziell rentablen Modell.
Der europäische Standard ISO 15118-20 definiert ein Vehicle-to-Grid Kommunikationsinterface für die bidirektionale Ladefunktion und erlaubt so den bidirektionalen Energietransfer für verschiedenste Automodelle.
Damit wird das Laden von E-Fahrzeugen noch intelligenter, effizienter und komfortabler. Gleichzeitig bedeutet das, dass die Batteriekapazität für E-Fahrzeugen in den nächsten Jahren deutlich zunehmen wird.
Eine einmalige Gelegenheit
Die ersten V2G Projekte laufen und Vehicle-to-Grid Lösungen wurden bereits mehrfach erfolgreich implementiert. V2G wird zu einer grundlegenden Lösung und zwar genau dann, wenn unser Energiesystem am volatilsten ist.
Am wichtigsten aber ist, dass die installierten V2G Ladestationen intelligent sind. Ohne intelligente Ladestationen gibt es keine intelligenten Lösungen für das Energiemanagement.
Sobald die V2G Technologie zur Norm wird, werden E-Fahrzeuge dabei helfen, in Notsituationen unser Stromnetz aufrecht zu halten. Führen extreme Wetterbedingungen beispielsweise zu Stromausfällen, können Elektrofahrzeuge einspringen und eine Versorgung weiterhin aufrecht erhalten.
Damit wird unser Energiesystem weniger anfällig und abhängig von externen Faktoren.
Es wird Zeit, dass alle Teilnehmer, Energieversorger, Automobilhersteller und Ladedienstleister an einem Strang ziehen, damit V2G überall Realität wird.
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