來(lái)源:東方早報(bào) 作者:林伯強(qiáng)
可再生能源具有間斷性的特點(diǎn),電網(wǎng)無(wú)法大規(guī)模消納并網(wǎng),而電動(dòng)汽車(chē)也面臨充電設(shè)施和電池安全的瓶頸,儲(chǔ)能技術(shù)是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的好處有三點(diǎn):一是幫助增加可再生能源的滲透率,促進(jìn)分布式發(fā)電的發(fā)展;二是提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)充分的調(diào)峰,減少高峰負(fù)荷及對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)投資和電源投資;三是通過(guò)電價(jià)設(shè)計(jì),促進(jìn)電力市場(chǎng)自由化。
廣義的儲(chǔ)能技術(shù)包括儲(chǔ)熱和儲(chǔ)電。狹義上它是一種運(yùn)用物理或者化學(xué)方式儲(chǔ)存電能,并在需要時(shí)釋放的技術(shù)。隨著人類對(duì)能源需求的逐漸增加,傳統(tǒng)能源在儲(chǔ)量、環(huán)境污染、能源效率以及成本等方面的約束日益突顯。尋求能源替代,對(duì)新能源進(jìn)行研究和利用已經(jīng)成為全世界的共同主題,也是未來(lái)不可逆的能源發(fā)展趨勢(shì)。從狹義的角度來(lái)看,儲(chǔ)能技術(shù)包括了機(jī)械儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能等方式,其中較為成熟,可以商業(yè)化應(yīng)用的包括抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能,這兩種為大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。一般認(rèn)為,電池儲(chǔ)能的商業(yè)化應(yīng)用還面臨著成本問(wèn)題,只有很少的高電價(jià)地區(qū),結(jié)合光伏發(fā)電,儲(chǔ)能技術(shù)才具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。隨著技術(shù)進(jìn)步,電池儲(chǔ)能的成本的確不斷下降,但是一般還是認(rèn)為受制于較高的成本或其他技術(shù)因素,無(wú)法大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。
近年來(lái),可再生能源發(fā)電的份額逐步提高??稍偕茉床坏灰暈榻鉀Q環(huán)境問(wèn)題,特別是減少碳排放的有效途徑,長(zhǎng)期則可能是人類能源需求的最重要的解決方案之一。全球2014可再生能源發(fā)力占電力生產(chǎn)總值比例占比為22.8%(包括水電等),其中風(fēng)能與太陽(yáng)能之和占到4%。中國(guó)面臨著嚴(yán)重的環(huán)境壓力而更加重視可再生能源發(fā)電的發(fā)展,2014年可再生能源發(fā)電量為1.2萬(wàn)億千瓦時(shí),占總發(fā)電量的22%,其中并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的2.8%;光伏發(fā)電占總發(fā)電量的0.45%,并網(wǎng)光伏占0.42%。2014年在中美雙方發(fā)布的聯(lián)合聲明中,中國(guó)提出計(jì)劃2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰值,并相應(yīng)地將2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到20%,而此前的規(guī)劃是到2020年非化石能源占比為15%。考慮到水電核電施工周期較長(zhǎng),增長(zhǎng)受稟賦限制,風(fēng)、光的發(fā)展?jié)摿Ψ浅4蟆?/span>
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的突破已經(jīng)到了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),現(xiàn)在研究?jī)?chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性,比之前更有時(shí)效性與指導(dǎo)意義。而從宏觀與微觀上分步進(jìn)行可再生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究和政策設(shè)定,具有可行性與實(shí)證參考意義。
儲(chǔ)能技術(shù)的重要性
目前尋找新能源的主要路徑是將風(fēng)能、太陽(yáng)能逐漸納入到電力系統(tǒng)中,并占據(jù)越來(lái)越大的比重。與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電相比,以風(fēng)能太陽(yáng)能為基礎(chǔ)的可再生能源發(fā)電依賴于自然條件,具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn),大規(guī)模納入會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)很大的沖擊。有專家認(rèn)為,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電,如果裝機(jī)比重在系統(tǒng)比例10%以下,傳統(tǒng)技術(shù)可以基本保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定;當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)比例超過(guò)20%,就需要儲(chǔ)能手段來(lái)減少波動(dòng)性與間歇性,避免對(duì)電網(wǎng)造成難以承受的沖擊,因此,儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展是可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的必須條件。
對(duì)于分布式可再生能源(風(fēng)電太陽(yáng)能)來(lái)說(shuō),儲(chǔ)能技術(shù)更為重要。分布式能源主要指建在用戶端的能源供應(yīng)方式,可獨(dú)立運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行,按照用戶多種能源需求,采用需求應(yīng)對(duì)式設(shè)計(jì)的新型能源系統(tǒng),是可以將資源和環(huán)境效益最大化的分散式供能系統(tǒng)。由于可以降低輸送環(huán)節(jié)的損耗,因此可以提高能源利用效率。但是,同樣由于風(fēng)電太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性,儲(chǔ)能手段也是分布式可再生能源大規(guī)模發(fā)展的必要條件之一。有人認(rèn)為至2050年,人類的太陽(yáng)能利用可以占總能源供應(yīng)的50%,如果沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可行的儲(chǔ)能技術(shù),這個(gè)美好愿景難以想象。因此可以說(shuō),儲(chǔ)能技術(shù)可以真正地改變?nèi)祟惖哪茉垂?yīng)。
能源安全也是中國(guó)能源發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)。中國(guó)目前石油進(jìn)口依存度已經(jīng)超過(guò)60%,而且未來(lái)還將繼續(xù)上升,石油價(jià)格的大幅度波動(dòng),除了影響整體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,還會(huì)影響能源行業(yè)的健康發(fā)展。因此政府需要提前布局石油替代,降低對(duì)其他國(guó)家的能源依賴,減少國(guó)際油價(jià)波動(dòng)對(duì)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的影響。混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向,已經(jīng)成為世界汽車(chē)強(qiáng)國(guó)和主要汽車(chē)制造商發(fā)展重點(diǎn),而儲(chǔ)能技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要約束。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),電動(dòng)汽車(chē)除了減少城市環(huán)境污染,電動(dòng)車(chē)的普及還可以替代石油,減少石油對(duì)外依存。另一方面,電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能技術(shù)是石油強(qiáng)有力的替代品,長(zhǎng)期而言,油價(jià)的最大威脅可能是電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能技術(shù)。想象一下,如果路上跑的一半是電動(dòng)汽車(chē),油價(jià)會(huì)跌到哪里?
近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步迅速,作為石油替代的可能性也越來(lái)越明顯。
SONY公司在1992年研制出鋰電池后,該技術(shù)在材料和制造工藝上有了很大的發(fā)展,在發(fā)電系統(tǒng)及電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。2014年世界儲(chǔ)能技術(shù)新增裝機(jī)中,鋰離子電池占比達(dá)到了71%。目前鋰電池技術(shù)仍無(wú)法滿足電動(dòng)汽車(chē)的普及要求,首先,因?yàn)殡姵剡^(guò)大,一般電動(dòng)汽車(chē)的重量都超過(guò)了體積相當(dāng)?shù)钠推?chē),但是續(xù)航能力卻只有汽油汽車(chē)的一半。其次,在充電方面鋰離子電池也無(wú)法滿足消費(fèi)需求,據(jù)估計(jì),電動(dòng)車(chē)想要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,電池密度至少達(dá)到250Wh/kg,但目前電動(dòng)汽車(chē)鋰電池密度普遍不足100Wh/kg。最后是鋰電池目前成本過(guò)高,可以占到電動(dòng)車(chē)成本的一半,直接導(dǎo)致了電動(dòng)車(chē)在價(jià)格上難與傳統(tǒng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。
今年4月特斯拉推出了Powerwall家用儲(chǔ)能電池,引起了業(yè)界的廣泛注意。Powerwall可以將電費(fèi)低廉時(shí)儲(chǔ)存的電能在電費(fèi)高昂時(shí)釋放,或是與可再生能源(太陽(yáng)能風(fēng)電)配套使用。其經(jīng)濟(jì)性是能否大規(guī)模推廣的最重要標(biāo)準(zhǔn),此次推出的Powerwall有7kwh和10kwh兩種容量,售價(jià)分別為3000美元和3500美元,提供10年質(zhì)保,但均有充電次數(shù)限制。由于Powerwall主要著眼于產(chǎn)品與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)配套使用,因而除電池外,用戶還要購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)能面板、逆變器等,整個(gè)系統(tǒng)成本據(jù)說(shuō)在2萬(wàn)美元以上。由于,太陽(yáng)能用戶可以將剩余電量出售給電網(wǎng),因此削弱了Powerwall的經(jīng)濟(jì)性。目前美國(guó)安裝儲(chǔ)能電池總價(jià)約為1.28億美元,多數(shù)集中在事業(yè)機(jī)構(gòu),家庭安裝僅為1%。有機(jī)構(gòu)分析,特斯拉需要將銷(xiāo)售價(jià)格下調(diào)75%左右。特斯拉正與松下合作建造大型的電池工廠,據(jù)說(shuō)有望在不久的未來(lái),使成本降低約30%。如果油價(jià)持續(xù)低迷,Powerwall的成本的確需要有更多的下降。
一直以來(lái),世界各國(guó)都很重視大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的研發(fā)與運(yùn)用。目前美國(guó)已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目為95個(gè),裝機(jī)規(guī)模超過(guò)357MW。日本裝機(jī)規(guī)模約為310MW,列第二位。今年來(lái)發(fā)展更為迅猛,2014年美國(guó)的新增裝機(jī)規(guī)模為34.4MW,中國(guó)和歐洲分列二、三位,裝機(jī)規(guī)模分別為31MW和27.7MW。大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的只有鈉硫電池和液流電池。比如,鈉硫電池有較高的儲(chǔ)能密度,效率在80%左右,充放電次數(shù)可以達(dá)到6000次以上。日本京瓷公司所研制的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已有100多套投入運(yùn)營(yíng)中,容量已超過(guò)100MW。目前大容量?jī)?chǔ)能中鈉硫電池裝機(jī)比重最大,達(dá)到了40%,但鈉硫電池的高成本是制約其發(fā)展的重要因素。
儲(chǔ)能技術(shù)離我們有多遠(yuǎn)
在低碳轉(zhuǎn)型的過(guò)程中,可再生能源發(fā)展給人類提供了清潔可持續(xù)的能源來(lái)源,而電動(dòng)汽車(chē)的崛起則為石油大規(guī)模替代提供了可能性,因此全球的能源供應(yīng)方式將面臨巨大的變化。但是,可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模發(fā)展都面臨同一個(gè)難題,這就是儲(chǔ)能技術(shù)。
可再生能源具有間斷性的特點(diǎn),電網(wǎng)無(wú)法大規(guī)模消納并網(wǎng),而電動(dòng)汽車(chē)也面臨充電設(shè)施和電池安全的瓶頸,而儲(chǔ)能技術(shù)是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的好處有三點(diǎn):一是幫助增加可再生能源的滲透率,促進(jìn)分布式(微電網(wǎng))發(fā)電的發(fā)展;二是提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)充分的調(diào)峰,減少高峰負(fù)荷及對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)投資和電源投資;三是通過(guò)電價(jià)設(shè)計(jì),促進(jìn)電力市場(chǎng)自由化。更重要的是,電池儲(chǔ)能是分布式(微電網(wǎng))發(fā)展中具有至關(guān)重要的瓶頸地。
儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要性比較直觀。電動(dòng)汽車(chē)的充電、巡航里程和安全問(wèn)題都涉及電池。比如說(shuō),由于電池引發(fā)的安全事故減弱了消費(fèi)者的信心,影響了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展除了石油替代,還可以解決城市汽車(chē)尾氣和噪聲污染。利用用電峰谷,電動(dòng)汽車(chē)夜間充電還可以使用夜間過(guò)剩和便宜的電力。
特斯拉推出的針對(duì)家庭用戶的儲(chǔ)能設(shè)備Powerwall和針對(duì)電網(wǎng)級(jí)的設(shè)備Powerpack,其中Powerwall的價(jià)格已低至每千瓦時(shí)350美元。Powerpack雖然還沒(méi)有給出具體的技術(shù)參數(shù),但有媒體報(bào)道其成本僅為每千瓦時(shí)250美元,這意味著儲(chǔ)能技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上開(kāi)始具有吸引力了。
廈門(mén)大學(xué)能源經(jīng)濟(jì)與能源政策協(xié)同創(chuàng)新中心最近進(jìn)行了一項(xiàng)研究,利用特斯拉的Powerwall和Powerpack,針對(duì)中國(guó)目前的峰谷電價(jià)政策,建立優(yōu)化套利模型,對(duì)各省的儲(chǔ)能投資收益及外部影響進(jìn)行分析,量化分析各種影響因素改變后對(duì)儲(chǔ)能投資收益水平的影響。其基本思路是從電網(wǎng)角度出發(fā),使儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮調(diào)峰的作用,再確定儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和投資收益。
中國(guó)的輸配電主要由國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)投資和實(shí)施運(yùn)營(yíng),而電價(jià)由發(fā)改委根據(jù)電網(wǎng)公司的成本結(jié)合地區(qū)發(fā)展情況來(lái)制定。由于資源稟賦、地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同,各省的電價(jià)有較大差異。目前許多電力輸入省份都實(shí)行峰谷電價(jià)政策,即差別峰谷電價(jià),鼓勵(lì)消費(fèi)者在非高峰時(shí)段增加電力消費(fèi),在高峰時(shí)節(jié)約用電,還有利于均衡供應(yīng)電力。
研究通過(guò)對(duì)不同地區(qū)儲(chǔ)能投資的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)儲(chǔ)能投資已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)收益,在不需要補(bǔ)貼的情況下,投資儲(chǔ)能可以獲利,收益的水平除了受到電價(jià)差的影響外,也與峰谷時(shí)間段的劃分有關(guān)。如果從電網(wǎng)角度出發(fā),考慮如何定價(jià)能夠使儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮調(diào)峰作用,那么儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性可以大大提高。研究結(jié)果還說(shuō)明,當(dāng)儲(chǔ)能投資達(dá)到最優(yōu)的規(guī)模后,電網(wǎng)的負(fù)荷將更加均衡,電廠也可以以更加穩(wěn)定高效的模式運(yùn)行,因此從投資潛力上看,將有著很大的發(fā)展空間。
顯然,目前的研究還很粗淺,由于種種限制,還無(wú)法充分考慮影響電池經(jīng)濟(jì)性的各種因素。比如說(shuō):第一,由于電能存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)一定的損耗,但其占總耗電量的比例并不大,考慮到由于電源端及電網(wǎng)運(yùn)行效率提升的作用,所以儲(chǔ)能大規(guī)模發(fā)展后對(duì)碳排放的影響還需要進(jìn)一步的分析。第二,儲(chǔ)能可以減少電網(wǎng)投資和電源投資的外部性,這些外部性如何合理定量地評(píng)價(jià),如何與儲(chǔ)能的成本進(jìn)行對(duì)比,將是很有意義的問(wèn)題。但是比較確定的是,如果充分考慮環(huán)境外部性,儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性將可能大幅度增加。
對(duì)于電網(wǎng)而言,發(fā)展電池儲(chǔ)能技術(shù)或者可以從根本上解決可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性,大規(guī)模擴(kuò)大可再生能源發(fā)電的份額,切實(shí)提高上并網(wǎng)率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)于政府而言,制定更有針對(duì)性和有差別性的差別電價(jià)政策,不但有助于推動(dòng)電池儲(chǔ)能技術(shù)的盈利能力,還可以在更大程度上優(yōu)化電力資源配置,提高電力系統(tǒng)的總體發(fā)電效率。
研究還有很大的局限性,沒(méi)有就儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展對(duì)提高可再生能源滲透率,以及對(duì)分布式和微電網(wǎng)發(fā)展的影響進(jìn)行評(píng)估??梢哉f(shuō),研究還難以證明目前儲(chǔ)能技術(shù)的有效性,而僅僅是想簡(jiǎn)單地看看儲(chǔ)能技術(shù)究竟離我們有多遠(yuǎn)。但這種探索性的研究是重要的,因?yàn)橐坏﹥?chǔ)能技術(shù)突破,世界的能源市場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生巨大變化,這種變化將使得我們的能源消費(fèi)更加清潔,電網(wǎng)和發(fā)電廠能夠更加高效地運(yùn)行,可再生能源的使用比重也能得以大幅度提高。由于這種改變才剛剛開(kāi)始,沒(méi)有能夠直接感受到這些變化的影響,因此也很容易將其忽視。
電池儲(chǔ)能是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵
中國(guó)不但有著世界最大的用電需求,也是世界上最大的可再生能源發(fā)電國(guó),因此中國(guó)對(duì)全球可再生能源發(fā)展舉足輕重。可再生能源發(fā)電發(fā)展最大的問(wèn)題是可再生能源發(fā)電的間歇性與不可預(yù)測(cè)性。一方面,可再生能源的發(fā)電集中時(shí)間段與用電時(shí)間段存在著不一致性。風(fēng)電發(fā)電高峰一般集中在晚上,太陽(yáng)能發(fā)電的高峰集中在白天。而工業(yè)用電的用電曲線較為平緩,居民用電則呈現(xiàn)白天、晚上兩個(gè)高峰。另外,隨著季節(jié)、天氣的變化,可再生能源發(fā)電與用電曲線都會(huì)有相應(yīng)的變化。中國(guó)大部分地區(qū)春季風(fēng)力發(fā)電輸出最大;光伏發(fā)電夏天輸出最高,而且發(fā)電隨天氣原因劇烈變化而具有不可預(yù)測(cè)性。
這些對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō),都是麻煩。傳統(tǒng)的解決方案主要集中在兩個(gè)方案:一是利用較為靈活的發(fā)電設(shè)施與之配合,形成穩(wěn)定的總輸出,應(yīng)用較為廣泛的是天然氣發(fā)電與可再生能源發(fā)電相結(jié)合。二是將可再生能源發(fā)電的能量進(jìn)行儲(chǔ)存,儲(chǔ)能傳統(tǒng)方法是轉(zhuǎn)換為熱能等形式,如儲(chǔ)熱、熱水系統(tǒng)與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合。而不涉及能量轉(zhuǎn)換的電力儲(chǔ)能方法,以往的應(yīng)用中,主要表現(xiàn)為抽水蓄能電站。
以上兩個(gè)方案都不能從根本上解決可再生發(fā)電到達(dá)一定規(guī)模比例后,難以維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的問(wèn)題。第一個(gè)方法存在兩個(gè)主要限制:一是應(yīng)用不夠廣泛,較多應(yīng)用于分布式系統(tǒng);二是涉及到燃料價(jià)格因素,成本不可控。第二個(gè)方法的主要局限在于,抽水蓄能電站工作時(shí),其能量來(lái)源從根本上來(lái)說(shuō),同樣是來(lái)源于化石能源。因此,抽水蓄能雖然有利于減少電網(wǎng)的波動(dòng)性,但對(duì)節(jié)能減排并沒(méi)有本質(zhì)上的好處。另外,抽水蓄能電站的應(yīng)用受到選址、成本與利益分配等多方面限制因素影響。
因此,如果更為長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這個(gè)問(wèn)題,電池儲(chǔ)能可能是解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定性的最有效經(jīng)濟(jì)方案。電池儲(chǔ)能的好處在于,可大可小,容易與各種規(guī)模的可再生能源發(fā)電相結(jié)合;充電放電快速,直接電與電轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)換效率高。其限制的最大因素在于經(jīng)濟(jì)性,以及與成本相關(guān)聯(lián)的充放電效率、安全性、壽命。傳統(tǒng)上都認(rèn)為電池儲(chǔ)能的成本高難以商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
這個(gè)狀況正在迅速改變,近期電池技術(shù)的突破,使得電動(dòng)汽車(chē)等大規(guī)模電池應(yīng)用已經(jīng)較為普遍,而直接與電力系統(tǒng)結(jié)合的電池儲(chǔ)能的嘗試也已經(jīng)開(kāi)始。特斯拉的PowerWall和Powerpack,單體峰值電量為3kW,可儲(chǔ)存10kWh電量,充放電能效92%,可以通過(guò)簡(jiǎn)單拼接進(jìn)一步擴(kuò)大至1000倍。特斯拉希望借此改變?nèi)祟惖挠秒娔J剑破鹉茉锤锩?,推?dòng)可再生能源的普及?,F(xiàn)在看來(lái),特斯拉不是在吹牛。
(來(lái)源:東方早報(bào) 作者:林伯強(qiáng))
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