Storage e sicurezza della rete: i progetti di Terna - Anna Carolina Tortora Head of Innovation Lab, Research and Development - Aeit
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Storage e sicurezza della rete:
i progetti di Terna
Anna Carolina Tortora
Head of Innovation Lab, Research and Development
1
Agenda
Contesto e i Progetti
I Servizi e le Applicazioni
L’Approccio Terna allo Storage
L’Eccellenza Italiana
Il Futuro
2
Il Contesto Italiano….
Cause Effetti Mitigazione
•Crisi economica unita alla perdita • Una veloce e incontrollata crescita delle
rinnovabili :
dei grandi consumatori (i.e.
Aumento dei tagli derivanti da
riduzione del carico nazionale del
congestioni (MPE 2010 500 GWh)
7% da 340 TWh a 318 TWh) Ottimizzare l’integrazione delle
Aumento della richiesta di riserva non
•Una politica degli incentivi molto rotante Rinnovabili sul SEN e aumentare
aggressiva che promuove le • Impianti termici che lavorano ai minimi la flessibilità della rete (i.e. smart
rinnovabili unito alla grid parity tecnici: grid)
• Tempi brevi per rafforzare la rete Perdita dell’inerzia in sistemi isolani
e per sostenere I nuovi scenari (i.e. Sicilia e Sardegna)
energetici Perdita della riserva primaria di
frequenza
Ottimizzazione del
sistema elettrico
Problema di Potenza Congestioni Problema di Energia
Bassa Inerzia
3
Possibili soluzioni
Investimento Tempo di
Soluzioni richiesto implementazione Benefici Criticità
M€/ MW Anni
▪ Investimenti elevati
Scenario
Virtual Power Plant ▪ Business model da definire
altamente
▪ Molteplici stakeholders coinvolti
variabile:
Gestione N/A N/A
della dipende
domanda fortemente
dal numero di
Aggregatori di domanda players e dalle
▪ Mercato ancora da sviluppare
distribuiti
modalità di
aggregazione
▪ Tempi di ▪ Mercato emergente
Batterie 10 ▪ Terna core business
▪ Non risolve tutte le criticità
individuate
4
Progetti Storage di Terna
Power Intensive Energy Intensive
• Scopo: aumento della sicurezza del sistema • Scopo : ridurre congestioni di rete
• Potenza totale: 40 MW • Potenza totale: 35 MW
• Tecnologie: Li-Ion, Zebra, Flow, Supercap • Tecnologie: NaS Sodium Sulfur
• Numero di siti: 2 • Numero di siti: 3
Sito 1: Ginestra
• Potenza totale: ≈ ≈ 12 MW
• Status: esercizio
Fase I: 16 MW Storage Lab Sito 2 Flumeri
• Codrongianos • Potenza totale: ≈ 12 MW
• Potenza totale: ≈ 8 MW • Status: esercizio
• Status: sperimentazione
≈ 8 MW
Sito 3 Scampitella
• Ciminna • Potenza totale: ≈ 11 MW
• Potenza totale: ≈ 8 MW • Status: esercizio
• Status: sperimentazione
Fase II: 24 MW
Casuzze e Codrongianos: da iniziare
5
Progetti Power
I Fase - Storage Lab (16 MW) II Fase (24 MW)
Sardegna: Sardegna:
8 MW 12 MW
Codrongianos Codrongianos
Sicilia: Sicilia:
8 MW 12 MW Casuzze
Ciminna
Fornire Servizi Essenziali:
Sviluppare un Sistema di
OBIETTIVI
• Regolazione di Frequenza;
• Regolazione Secondaria; Studiare le caratteristiche e controllo avanzato per la
• Integrazione con I sistemi prestazioni di diversi sistemi gestione di diverse
di difesa; di accumulo tecnologie di accumulo
• Power Quality.
6
Progetti Energy
Benevento 2 – Celle San Vito Benevento 2 – Bisaccia 380
FOIANO
MONTEFALCONE TROIA
SAVIGNANO FS
IVPC VOLTURARA
SAVIGNANO ACCADIA
CAMPOBASSO
IRP.
PRESENZANO BENEVENTO ARIANO IRPINO
VOLTURARA APICE FS
EDENS ARIANO VALLESACCARDA
VOLTURARA BENEVENTO 2 BENEVENTO IND.
CERCEMAGGIORE BENEVENTO FS SCAMPITELLA
FLUMERI LACEDONIA
MONTORSI IVPC ALBERONA DURAZZANO
BISACCIA
S. SOFIA AIROLA
STURNO
FLABRUM
WIND ENERGY EDENS ALBERONA MONTESARCHIO
ALBERONA BISACCIA
IVPC POW3 FOIANO
FOGGIA MATERA
XX
CASTELPAGANO FOIANO ROSETO IVPC4 ROSETO ANDRETTA
ASI T. FV
12 MW
IVPC FIAT
FOIANO
EDENS C.S.V. TROIA PRATA P.U.
PRAT.S. UTE
FEO FORTORE NOVOLEGNO
E. R. SEA FMA PRATOLA SER. GOLETO CALITRI
DAUNIA
EDENS S. FAETO MARGHERITA
S.ANGELO
FOIANO GIORGIO L.M. AVELLINO CASTELNUOVO N
COLLE SANNITA MONTEFALCONE EOS CELLE S.VITO SOLOFRA
12 MW
FAETO FORTORE E.
GINESTRA CALABRITTO
CER EOS4 F.
CASTELF. IVPC4 C.S.V.
GINESTRA DEGLI
SCHIAVONI MARGHERITA F..
IVPC M.
W.F. U. SAVIGNANO FS
EDENS M. AVINO
DAUNIA W.
Flumeri MONTECORVINO
TUSCIANO
CONTURSI
FS
CONTURSI
BUCCINO
ECOENERGIA MONTELEONE
SICIGNANO
DAUNIA
CALVELLO SAVIGNANO IRP. CAMPAGNA TANAGRO
ARIANO IRPINO LAINO ROTONDA
PRESENZANO BENEVENTO APICE FS
NUOVA SE
BENEVENTO IND. GONGOLO GONGOLO
VALLESACCARDA
BENEVENTO 2
BENEVENTO FS
FLUMERI
Ginestra
S. SOFIA FOIANO
AIROLA / MONTEFALCONE TROIA
MONTESERCHIO
AVELLINO SAVIGNANO FS
STURNO
SAVIGNANO ACCADIA
IRP.
PRESENZANO BENEVENTO ARIANO IRPINO
APICE FS
ARIANO VALLESACCARDA
BENEVENTO 2 BENEVENTO IND.
BENEVENTO FS SCAMPITELLA
FLUMERI LACEDONIA
DURAZZANO
BISACCIA
S. SOFIA AIROLA
STURNO
MONTESARCHIO
BISACCIA
• Regolazione di Frequenza;
MATERA
XX
ANDRETTA
OBIETTIVI
12 MW
PRATA P.U. FIAT
PRAT.S. UTE
NOVOLEGNO
• Regolazione Secondaria;
FMA PRATOLA SER.
Ridurre
GOLETO CALITRI
S.ANGELO
AVELLINO CASTELNUOVO N
SOLOFRA
• Regolazione Terziaria;
CALABRITTO
congestioni Scampitella
• Regolazione di Tensione sulla rete in AT MONTECORVINO
TUSCIANO
CONTURSI
FS
CONTURSI
BUCCINO
SICIGNANO
CAMPAGNA TANAGRO
LAINO ROTONDA
7
Agenda
Contesto e i Progetti
I Servizi e le Applicazioni
L’Approccio Terna allo Storage
L’Eccellenza Italiana
Il Futuro
8
La difesa del sistema
Passato Futuro
Inerzia: resistenza
fisica del sistema
contro le variazioni
Inerzia
di frequenza
dovute a
sbilanciamento
Ordine di intervento
Regolazione
La primaria ferma la frequenza Primaria Secondaria Terziaria
primaria
Assicura che la variazione di frequenza
frequenza sia
sempre stabile
Potenza
Regolazione
Secondaria
Riporta la frequenza
ai valori nominali,
ripristinando le
risorse di
regolazione primaria
Regolazione
Supporta la
Tempo
Terziaria
regolazione 30 Secondi
secondaria,
100-200 Secondi
ripristinandone le
relative risorse 15 – 120 Minuti
Perchè l’inerzia è così importante?
La riduzione di inerzia nel sistema diventa un grave problema quando si deve far fronte ad
improvvisi fuori-servizio o rapide variazioni della generazione rinnovabile
3 Giugno 2015
Generazione Perdità 230 MW
• Località: Sicilia (in isola di Invio comando apertura
frequenza) pompa 2
• Generazione: 2,355 MW Intervendo del sistema di
difesa con 75 MW distaccati
• Eolico (AT): 82 MW Apertura pompa 2
• PV: 590 MW
~1 sec
• Percentuale RES: ~30%
Le regole ENTSO-E prescrivono una variazione massima di frequenza durante il transitorio pari
a 800 mHz
10Applicazioni: Reintegro della capacità di regolazione
POWER INTENSIVE
PRODUZIONE CONVENZIONALE FRNP SdA
• No regolazione primaria
• Riduzione potenza
immessa con • Regolazione primaria con banda
• Regolazione primaria con banda 50.3HzApplicazioni: Performance nella regolazione
POWER INTENSIVE
Pregolata
Frequenza (MW)
180
100%
50Hz 160
140
120
100
50%
80
100%
60
100%
40
SdA
20 50%
Tempo (s)
0
Tempo 0 5 10 15 20 25 30
Inerzia del sistema Regolazione primaria • Disponibilità riserva primaria Sicilia: 160 MW
• Disponibilità riserva primaria Sardegna: 60 MW + BMI (≈80 MW)
Termoelettrico SdA
• Banda di regolazione: ± 1,5% Peff
• Banda di regolazione: ± 100%Pnom dell’impianto
Regolazione • Almeno metà entro 15 sec
• Tutta entro 1 sec (regolazione ultrarapida)
primaria • Tutta entro 30 sec
• Eventuale sovraccaricabilità
• Mantenimento per almeno 15 min
Inerzia del • Inerzia delle masse rotanti • Inerzia sintetica
sistema • Effetto non regolabile (statismo) • Effetto regolabile
12Tanti servizi possibili…
Generazione tradizionale e rinnovabili Ottimizzazione utilizzo carburante
Ripristino Riserva Primaria
Generatori
Fornitura Servizi di Rete
Smoothing della generazione
Inseguimento del carico
Trasmissione e distribuzione Regolazioni Primarie (f and V)
Operatori di Sistema
Regolazioni Secondarie (f and V)
Gestione delle congestioni
Synthetic Inertia
Differimento di investimenti in T&D
Impianti pubblici e industriali, carichi E-mobility
domestici Efficienza Energetica
Consumatori
Taglio del Picco
Servizi di UPS
Gestione della Domanda
Gestione delle Rinnovabili
13Agenda
Contesto e i Progetti
I Servizi e le Applicazioni
L’Approccio Terna allo Storage
L’Eccellenza Italiana
Il Futuro
14Roadmap dello Storage in Terna
Studio Applicazioni Presidio sulle Analisi Selezione Tecnologie per
Storage Tecnologie Leader del Tecnica Servizio
Settore
Ciclaggio dei moduli
Selezione e per analizzare capacità Associazione di
realizzazione di e limiti delle tecnologie tecnologie e fornitori a
Tecnologie nei Piani di determinate applicazioni
Sviluppo e di Difesa Market arbitrage/load
shifting
Transmission
avoidance/deferral
INIZIO
Energy intensive
applications
Analisi
Economica System operation
Primary reserve
Valutazione dei benefici Secondary/tertiary
reserve
e
Quantificazione costi Distribution
avoidance/deferral
PV and storage
Off-grid
Business Development
Creazione Portfolio di prodotti e opportunità in campo Energy Storage
• Virtual Storage Plant
piattaforma virtuale di telecontrollo in grado di integrare know-how su tutte tecnologie ottimizzando performance
• Ibridizzazione Progetti Smart Grid
integrazione di conoscenze in ambito storage con opportunità business PV, Wind, Efficienza energetica, ecc
• Partecipazione a bandi internazionali su Sistemi di Accumulo
1.3 GW California entro il 2020, 200 MW Hawaii, ecc
15Strategia di test
• Test di • Test di prestazione;
invecchiamento su • Test di prestazione
ciclo di regolazione di
frequenza;
a cicli parziali;
• Test di • Test di creazione
invecchiamento su cicli circuito equivalente
standard;
Creazione Creazione
modello modello
invecchiamento elettrico
Valutazione
Valutazione
comportamento
comportamento
in condizioni
in caso di guasti
non nominali
• Test termici; • Test di Overcharge;
• Test di
Overdischarge;
• Test di Corto
circuito.
16Test di invecchiamento
Durante la fase di gara si è reso necessario individuare un ciclo, definito poi “standard”, da utilizzarsi per comparare in
maniera uniforme tutte le diverse tecnologie. Il ciclo è stato definito senza il supporto di alcuno standard specifico per i
sistemi grid scale, poiché non disponibili all’epoca della gara.
1,5
Ciclaggio Standard
• Scarica a potenza nominale,
Procedura di test
1
DOD 80%;
0,5
Potenza [pu]
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
• Carica completa a potenza
-0,5 nominale;
-1
• Nessuna fase di stand-by(*)
-1,5
Ai fini della sperimentazione è stato effettuato anche un test di invecchiamento su ciclo di regolazione di frequenza. il
profilo di frequenza individuato è desunto da un giorno di misure reali e adattato per ottenere una serie replicabile e
rappresentativa di un periodo lungo (valore medio 50 Hz, massime deviazioni superiori a 100 mHz)
Andamento frequenza
50,15
Parametri ciclo:
Procedura di test
50,1 •Statismo 0,075%;
•Banda Morta 0 mHz.
50,05
•SOC iniziale: 100%;
Frequenza [Hz]
50
•SOC max :100% (non sono previste fasi di over-charge);
•SOC min: 0% (non sono previste fasi di over-discharge);
49,95 •Raggiunto SOC min ricarica fino a SOC 100% e ripresa del
ciclo di regolazione dal punto in cui è stato interrotto;
49,9 •Ogni 10 giorni esecuzione del ciclo di riferimento per la
determinazione dei principali parametri di batteria.
49,85
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
tempo [sec]
* A seguito di colloqui con i fornitori il ciclo è stato poi applicato in forma modificata a seconda delle
possibilità di ciascuna tecnologia in modo da rispettare le caratteristiche particolari.
17Confronto tra i due test
Rispetto al ciclo standard il ciclo di regolazione risulta termicamente ed energeticamente meno
dispendioso
• Potenza Media:
•Ciclo Standard: P Nominale
Confronto tra i due test
•Ciclo Regolazione: 0,4 Pn
•Cicli giornalieri equivalenti:
1,5
•Ciclo Standard: 5-12
Ciclaggio Standard •Ciclo Regolazione: ≈5
1
0,5 •Numero di inversioni di potenza
giornaliere:
Potenza [pu]
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-0,5 •Ciclo Standard: max 24
•Ciclo Regolazione: oltre 1000
-1
-1,5
La sperimentazione ha mostrato che l’effettuazione di un ciclo di regolazione reale invecchia le
batterie in maniera significativa e non prevista inizialmente
18Agenda
Contesto e i Progetti
I Servizi e le Applicazioni
L’Approccio Terna allo Storage
L’Eccellenza Italiana
Il Futuro
19L’Italia all’avanguardia dello Storage in Europa
Più
1
grande
Batteria
10,5 3 d’Europa
10
13
1
4,3
4
2 Prima
35 40
installazione
multi-
tecnologica
Numeri in Nero: MW in esercizio
Numeri in Rosso: MW in costruzione
20Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (1/3)
Un sistema storage può essere composto, a livello esemplificativo, in tre macro-blocchi di rilievo:
• Stringhe batterie •Sistema di conversione (PCS) • Sistema di controllo (SCI)
Terna, nell’implementazione dei suoi progetti, ha coinvolto una serie di aziende, molte delle quali dal brand apparentemente
internazionale, ma con competenze e know how fortemente italiano!
Batterie PCS Sistema di Controllo
Sebbene non sia fornitore diretto dei componenti, l’azienda italiana green utility ha 21
sviluppato forti competenze di installazione di sistemi storage !Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (2/3)
Nella realizzazione dei sistemi di accumulo per i progetti Terna, le realtà italiane hanno potuto stringere rapporti
commerciali con aziende estere leader del settore, facendosi conoscere come partner per le future attività di
business.
Forniti due
Forniti due sistemi PCS+SCI
sistemi PCS+SCI •Una delle aziende italiane che
Forniti più PCS attraverso i progetti Terna ha
per 35MW totali avuto modo di farsi conoscere ad
altre realtà industriali è senz’altro
Nidec ASI.
•Altro esempio è costituito da
MCMEnergy Lab, spin off del
politecnico di Milano, che assieme
ad ELVI ha fornito il sistema PCS e
il sistema di controllo a due colossi
come Toshiba e General Electric
Integrati i PCS con i sistemi
scada Siemens per gli impianti Forniti due PCS
NGK
22Storage in Terna: sviluppo di know how italiano! (3/3)
Alcune delle società che hanno lavorato nei progetti Terna, forti delle competenze acquisite, stanno rafforzando il proprio business
nei Sistemi di Accumulo, anche all’estero. Altre, oltre a cogliere opportunità di business con altri utility, continuano a fornire sistemi
di accumulo a Terna di tecnologie innovative!
“Nidec ASI ha siglato in questi giorni con la utility tedesca
Steag un contratto del valore di oltre 70 mln di euro per la Saet si è aggiudicata la fornitura del sistema
fornitura di un sistema multiplo di stoccaggio di energia di accumulo tecnologia flusso che sarà
elettrica con una capacità totale di 90 MW. Questo sistema, installato nell’impianto in Sicilia
basato sulle soluzioni di conversione dell’energia di Nidec ASI,
utilizzerà batterie fornite da LG Chem per immagazzinare
Potenza nominale: 450kW;
energia elettrica che la utility utilizzerà per garantire la
Energia nominale: 1,4 MWh
stabilità della rete elettrica in Germania.”
Fonte: corriere della sera
23Agenda
Contesto e i Progetti
I Servizi e le Applicazioni
L’Approccio Terna allo Storage
L’Eccellenza Italiana
Il Futuro
24Quanti sistemi di accumulo servono?
Previsione a lungo termine Previsione domanda capacità di accumulo
• Aumento della generazione rinnovabile;
• Riduzione della generazione tradizionale;
• Evoluzione della generazione distribuita;
• Evoluzione della domanda;
• Rafforzamento della capacità di connessione.
Tipicamente gli studi volti a determinare la necessità di sistemi di accumulo a lungo termine non tengono in considerazione la
necessità di servizi di breve durata (Inerzia e Riserva primaria). In quest’ottica le stime della necessità di capacità di accumulo
potrebbero essere riduttive
(*) Source: EASE
25Analisi dei costi EESS – Identificazione Riduzione
EESS – distribuzione dei costi di realizzazione al 2011 [%]
Litio Zebra
EESS
EESS
Average Total Cost Litio
Litio- distribuzione
1.3€Mill/MW costi
- distribuzione
1.3 €Mill/MWh, [%]
Batterie
costi [%] EESS
EESS Zebra- distribuzione
Zebra - distribuzionecosti
costi[%]
Average Total Cost 1€Mill/MWh, 3€Mill/MW[%
12% Batterie
PCS
Batterie Batterie
Batterie
1%1% 3%3%
7% 1% 8%8%
2% 12%
12% PCS
Trasformatore
PCS 1%1% 1% PCSPCS
2%2% 7%7%
7% Trasformatore
Servizi ausiliari
Trasformatore 10% Trasformato
10% Trasform
54%
2% 7%7%
54% Apparecchiature
Servizi ausiliari di Servizi ausili
54% Servizi ausiliari Servizi au
2%2% manovra e protezione
16%
SCI
Apparecchiature di di Apparecchia
16%
16% Apparecchiature 76%
76% Apparecc
manovra e protezione
manovra e protezione manovra ep
manovra
Altro
SCISCI SCISCI
NAS
Average Total Cost 3.3€Mill/MW
14% Batterie Alcune considerazioni di massima:
14% Batterie • Alcune quantità sono legate alla potenza
6% PCS-SCI (PCS, parte degli Ausiliari)
6% PCS-SCI
• Altre all’energia (Batterie, parte degli
5%
5% Servizi ausiliari Ausiliari)
Servizi ausiliari
8% • Altre sono one-off (SCI, Apparecchiature
8% Apparecchiature di
67%
Apparecchiature
manovra ediprotezione
di Manovra e protezione, TR)
67% manovra e protezione
Altro
• Altre alle dimensioni dell’impianto (opere
Altro civili, container, ecc)
21Annex
27Codrongianos – Rappresentazione impianto
Tecnologie installate
1 MW 1.231 MWh Litio Ferro Fosfato
Litio Nichel
1.2 MW 0.928 MWh Cobalto Alluminio
1 MW 0.916 MWh Litio Manganese
Litio Nichel
1.08 MW 0.540 MWh Manganese
Cobalto
1 MW 1.016 MWh Litio titanato
Nichel-Cloruro Altre
1,2 MW 4,15 MWh di Sodio tecnologie
Nichel-Cloruro
1 MW 2 MWh di Sodio
Altre Altre
tecnologie tecnologie
7Focus tecnologico – LITIO
Lithium Iron
Phosphate
modulo cella
Container Batterie
Lithium Nickel
Cobalt
Alluminium
container batterie
armadio
Lithium
PCS container Manganese
L’assemblato batterie è composto da molteplici celle
elettrochimiche opportunamente connesse in serie e
parallelo.
Lithium Nickel
Le celle sono infatti assemblate in dei “case” formando i Manganese
Cobalt
moduli batteria, che a loro volta sono inseriti in degli
armadi batteria (o rack) formando delle stringhe che
vengono quindi connesse al PCS.
EESS
Assemblati batterie nell’ordine di 1 MW sono solitamente P: 1÷1.2 MW Lithium
Titanate
containerizzati. E: 0.5÷1.2 MWh
15Focus tecnologico – ZEBRA
container batterie
batteria
Container Batterie
Nickel-Sodium
Chloride
modulo
PCS container
Anche in questo caso il sistema presenta una architettura
modulare con l’elemento principale costituito dalla cella Nickel-Sodium
elettrochimica (generalmente del tipo “prismatico”) Chloride
collegata a formare moduli a loro volta raccolti in armadi.
Oltre al container batterie è presente un container
(tipicamente da 40ft) contenente il PCS ed il necessario per
il collegamento alla rete elettrica.
EESS
P: 1÷1.2 MW
I container non sono accessibili all’interno
E: 4.15 MWh
30Focus Tecnologico – NAS
NAS Technology – Produced by NGK Insulators
1,2 MW Battery Assembly
Blueprint of 12 MW ESS (20 kV 3~AC)
1,2 MW - PCS
31Altre tecnologie – Batterie al flusso e Supercapacitori
Batterie al Flusso Supercap Double Layer/ Supercap Litio
• Coppia di Elettroliti in due Serbatoi •I supercapacitori tradizionali (EDLC) basano il proprio
• Cella (stack) suddivisa da Membrana dove avviene il principio di funzionamento su fenomeni elettrostatici, i
passaggio di ioni supercapacitori Litio ioni (LIC) invece, sono caratterizzati da
• Pompe di circolazione una struttura ibrida in cui uno degli elettrodi accumula carica
per via elettrostatica mentre l’altro per via elettrochimica.
•Nei supercapacitori tradizionali (EDLC) anodo e catodo sono
costituiti da carbone attivo, mentre nei LIC l’anodo è
costituito generalmente in grafite.
Avvio
installazione
nel corso del
2016
32Foto Installazioni
Ciminna
Dettaglio Installazioni
Codrongianos
Visione d’insieme
33Dicono di noi…
[…]Terna può vantare oggi un primato: un progetto sperimentale
chiamato Storage Lab, uno dei primi impianti multi tecnologici al
mondo. E’ un progetto che consente di testare l’efficienza e la
potenza delle diverse tecnologie esistenti per l’uso ottimale delle
batterie per lo storage elettrico, al servizio della sicurezza e dei
minori costi per la rete.
[…] E' un progetto cui tutto il settore energetico sta guardando e che
consente di testare l'efficienza e la potenza delle diverse tecnologie
esistenti per l'uso ottimale delle batterie per lo storage elettrico, al
servizio della sicurezza e dei minori costi per la rete.
Agenzia Giornalistica Italiana
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