PROJETOS EM CONVERSÃO DE ENERGIA
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE TECNOLOGIA
ELETR...
Conversão Eletroquímica de Energia
Conversão
Hidrogênio, Células de Combustível, Fotoeletroquímico
Conversão e Armazenagem...
Baterias
• Dispositivos que utilizam oxidorredução
de materiais para gerar energia elétrica.
• Dispõe de eletrodos que for...
Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Bateriasde NiCd comerciais. Fontes: [14] e [15] .
Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Vantagens:
• Carga rápida e simples;
• Elevado número de ciclos de carga/descarg...
Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Limitações:
• Relativa baixa densidade de energia - em comparação com os sistema...
Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Bateriasde NiMh comerciais. Fontes: [16] e [17] .
Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Vantagens:
• 30 - 40 % maior capacidade comparada a uma NiCd padrão.
• Me...
Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Limitações:
• Vida útil limitada - 200 a 300 ciclos quando em altas corre...
Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
• Placa de chumbo e dióxido de chumbo mergulhadas em solução de ácido sulfúrico.
Bateria...
Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Vantagens:
• Barato e simples de fabricar - em termos de custo por watt horas, o SLA é o...
Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Limitações:
• Não podem ser armazenadas numa condição descarregada;
• Baixa densidade de...
Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Baterias de Chumbo Ácido internamentee reação química.
Fontes: [20] e [21] .
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Íon-Lítio
Baterias de Íon-Lítio comerciais. Fontes:[22] e [23] .
Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Vantagens:
• Alta densidade de energia - potencial para capacidades ainda maiores;
• Relati...
Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Limitações:
• Requer circuito de proteção;
• Sujeito ao envelhecimento, mesmo se não estive...
Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Bateria de Íon-Lítio em reação químicade carga e descarga. Fonte: [24]
Baterias de Fluxo
Redox Flow Batteries (RFB)
• Possui duas câmaras com componentes químicos
dissolvidos em soluções químic...
Baterias de Fluxo
Redox Flow Batteries (RFB)
Célulade bateriade fluxo com
área de seção de 700cm²
(1kWh). Fonte: [8].
Baterias de Fluxo
Hybrid Flow Batteries (HFB)
• Similar as baterias de fluxo redox, as baterias de fluxo híbridas trabalha...
Representaçãográfica aproximadadas característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia.
Fonte: [6].
Característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia. Fonte: [1].
Geração de Hidrogênio
Eletrólise da Água em Alta (HT) e Baixa Temperatura (LT)
• Sistemas LT podem operar com uma
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Geração de Hidrogênio
Eletrólise com Auxílio de Carbono
• O processo necessita em torno de um
terço da energia se comparad...
Geração de Hidrogênio
Conceito de um sistema de energia renovávela hidrogêniopara geração de energia distribuída.Fonte:[1].
Células de Combustível
• Os agentes químicos necessários a reação são fornecidos
e consumidos continuamente.
• Reagentes c...
Células de Combustível
• Em sistemas HT (>350°C), rendimento de 40% a 60%
(pode chegar a 85% com reaproveitamentodos gases...
Células de Combustível
Microbial Fuel Cells (MFC)
• Converte material orgânico em energia elétrica
através de processos me...
Células de Combustível
Direct Carbon Fuel Cells (DCFC)
• Utiliza um material rico em carbono como
combustível (como a biom...
Eficiência teórica e real de diferentes tecnologiasde célulasde combustível.Fonte: [1].
Células de Combustível – Eficiência
Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy
Converters (AMTEC)
• Utiliza luz solar incidente, reações nucleares ou até mesm...
Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy
Converters (AMTEC)
Princípio de operação dos sistemas AMTEC. Fonte:
[1].
• Com ...
Supercapacitores
• Diferem-se por armazenar energia em
virtude de separação de cargas, diferente
de baterias, as quais arm...
Reatores Eletroquímicos
• Conversão de energia de uma forma para outra afim de facilitar o armazenamento e o transporte
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• Utilizada membrana condutiva ou mixade íons de oxigênio ou hidrogênio. Normalmente é
aplicado catalisador em ambas lados...
• HT garante alta eficiência, sendo neutro a
dióxido de carbono.
• Pode converter resíduos em eletricidade,
calor, gases (...
Dados de Uso e Áreas de Pesquisa
• Atualmente no Brasil, a indústria mantem-se fortemente concentrada na produção de bater...
Dados de Uso e Áreas de Pesquisa
• Internacionalmente, no contexto de baterias de uso geral, grande parte das empresas ain...
Referências
• [1]. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies; Sukhvinder P. S.
Badwal*, Sarbjit ...
Referências
• [9]. Baterias automotivas:panorama da indústria no Brasil, as novas tecnologias e como os
veículos elétricos...
Referências
• [16].http://www.cccme.org.cn/products/detail-8104003.aspx.Acesso em: 04 de setembro de
2015.
• [17].http://r...
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• [23].http://cammyscomiccorner.com/photowfd/li-ion-rechargeable-battery. Acesso em: 04 de
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  1. 1. PROJETOS EM CONVERSÃO DE ENERGIA UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE TECNOLOGIA ELETROQUÍMICA ALAN NUNES BONATTO AUGUSTO PIZZETTA ELIELTON GRZEÇA Tecnologias de Conversão e Armazenamento de Energia Eletroquímica
  2. 2. Conversão Eletroquímica de Energia Conversão Hidrogênio, Células de Combustível, Fotoeletroquímico Conversão e Armazenagem Baterias, Supercapacitores
  3. 3. Baterias • Dispositivos que utilizam oxidorredução de materiais para gerar energia elétrica. • Dispõe de eletrodos que fornecem a superfície na qual as reações ocorrem (anodo e catodo), imersos em um meio com íons em concentrações conhecidas (eletrólito). • Ao conectar uma carga, ocorre a dissociação de prótons e elétrons através do eletrólito. Os prótons passam pela membrana causando a redução do material disposto no catodo. Reação básica em uma bateria. Fonte: [4].
  4. 4. Baterias Metal-Metal Níquel Cádmio (NiCd) Bateriasde NiCd comerciais. Fontes: [14] e [15] .
  5. 5. Baterias Metal-Metal Níquel Cádmio (NiCd) Vantagens: • Carga rápida e simples; • Elevado número de ciclos de carga/descarga, pode chegar a 1000 ciclos; • Bom desempenho de carga, inclusive em baixas temperaturas; • “Longa vida de prateleira” - em qualquer estado de carga; • Robusta; • Menor custo-ciclo; • Boa gama de tamanhos, a maioria das células de NiCd são cilíndricas.
  6. 6. Baterias Metal-Metal Níquel Cádmio (NiCd) Limitações: • Relativa baixa densidade de energia - em comparação com os sistemas mais recentes. • Efeito de memória - o NiCd deve periodicamente descarregado para evitar memória. • Prejudicial ao meio ambiente - o NiCd contém metais tóxicos. Alguns países limitam o uso este tipo de bateria; • Tem relativa elevada auto descarga - precisa ser recarregada após o armazenamento.
  7. 7. Baterias Metal-Metal Níquel Metal Hidreto (NiMh) Bateriasde NiMh comerciais. Fontes: [16] e [17] .
  8. 8. Baterias Metal-Metal Níquel Metal Hidreto (NiMh) Vantagens: • 30 - 40 % maior capacidade comparada a uma NiCd padrão. • Menos propenso a memória do que o NiCd; • Ciclos periódicos são necessários com menor frequência, em comparação à anterior; • Ecologicamente correto - contém toxinas leves; • Rentávelpara a reciclagem.
  9. 9. Baterias Metal-Metal Níquel Metal Hidreto (NiMh) Limitações: • Vida útil limitada - 200 a 300 ciclos quando em altas correntes, aconselha-se descargas parciais nesta situação; • Corrente de descarga limitada; • Algoritmo de carga mais complexa e mais lenta em relação ao NiCd; • Alto custo de manutenção - bateria requer plena descargaregular para evitar a formação cristalina; • Cerca de 20 % mais caro do que NiCd.
  10. 10. Baterias Metal-Metal Chumbo Ácido • Placa de chumbo e dióxido de chumbo mergulhadas em solução de ácido sulfúrico. Bateriasde Chumbo Ácido comerciais. Fontes: [18] e [19] .
  11. 11. Baterias Metal-Metal Chumbo Ácido Vantagens: • Barato e simples de fabricar - em termos de custo por watt horas, o SLA é o menos caro; • Quando usado corretamente, o SLA é durável e fornece um serviço confiável; • A taxa de auto descargaé uma das mais baixas dos sistemas recarregáveis; • Exigências de manutenção baixas - sem memória; • Capaz de taxas de descargaaltas.
  12. 12. Baterias Metal-Metal Chumbo Ácido Limitações: • Não podem ser armazenadas numa condição descarregada; • Baixa densidade de energia (SLA); • Permite que apenas um número limitado de ciclos de descarga total; • Ambientalmentehostil - o eletrólito e o teor de chumbo podem causar danos ambientais.
  13. 13. Baterias Metal-Metal Chumbo Ácido Baterias de Chumbo Ácido internamentee reação química. Fontes: [20] e [21] .
  14. 14. Baterias Metal-Metal Íon-Lítio Baterias de Íon-Lítio comerciais. Fontes:[22] e [23] .
  15. 15. Baterias Metal-Metal Íon-Lítio Vantagens: • Alta densidade de energia - potencial para capacidades ainda maiores; • Relativa baixa auto descarga - auto descarga é inferior a metade do NiCd e NiMH; • Baixa Manutenção - nenhuma descargaperiódica é necessária; • Não possui efeito memória.
  16. 16. Baterias Metal-Metal Íon-Lítio Limitações: • Requer circuito de proteção; • Sujeito ao envelhecimento, mesmo se não estiver em uso; • Caro para fabricar - cerca de 40% maior no custo do que NiCd.
  17. 17. Baterias Metal-Metal Íon-Lítio Bateria de Íon-Lítio em reação químicade carga e descarga. Fonte: [24]
  18. 18. Baterias de Fluxo Redox Flow Batteries (RFB) • Possui duas câmaras com componentes químicos dissolvidos em soluções químicas (eletrólitos) separadas por uma membrana. Comercialmente, utilizam-se soluções de Vanádio. • Os fluídos são bombeados de um lado a outro da célula, ocorrendo a ionização quando em contato com os eletrodos. • Capacidade em aplicações práticas: 1V a 2,2V por célula. Princípio de funcionamentode bateriade fluxo redox (redução – oxidação).Fonte: [5].
  19. 19. Baterias de Fluxo Redox Flow Batteries (RFB) Célulade bateriade fluxo com área de seção de 700cm² (1kWh). Fonte: [8].
  20. 20. Baterias de Fluxo Hybrid Flow Batteries (HFB) • Similar as baterias de fluxo redox, as baterias de fluxo híbridas trabalham com o fluido disperso sobre o eletrólito. • Neste caso apenas o eletrólito positivo é armazenado em um tanque externo, enquanto o eletrólito negativo é armazenado entre as placas das células (não há fluxo). • Aplicações típicas utilizam Zinco-Brometo (ZnBr2) como fluído.
  21. 21. Representaçãográfica aproximadadas característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia. Fonte: [6].
  22. 22. Característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia. Fonte: [1].
  23. 23. Geração de Hidrogênio Eletrólise da Água em Alta (HT) e Baixa Temperatura (LT) • Sistemas LT podem operar com uma grande variação na carga, embora não alcançam o rendimento de sistemas HT. • É possível utilizar a própria energia térmica do processo para auxiliar os sistemas HT. O sistemapeca no preço, já que é tecnologia recente e necessita de condicionamento mais refinado (devido à alta temperatura). Princípiosde operação de eletrólise em baixa e alta temperaturacom diferentes eletrólitos. Fonte: [1].
  24. 24. Geração de Hidrogênio Eletrólise com Auxílio de Carbono • O processo necessita em torno de um terço da energia se comparado a eletrólise da água. • Possui densidades de corrente menores que os sistemas anteriores, manifestando a cinética “lenta” do carbono. • Pode apresentar boa relação custo- benefício se operando em HT, no entanto ainda necessita de estudos devido a complexidade do sistema. Reações envolvidasna eletrólisecom auxíliode carbono em baixae altatemperatura para geração de hidrogênio. Fonte: [1].
  25. 25. Geração de Hidrogênio Conceito de um sistema de energia renovávela hidrogêniopara geração de energia distribuída.Fonte:[1].
  26. 26. Células de Combustível • Os agentes químicos necessários a reação são fornecidos e consumidos continuamente. • Reagentes comumente utilizados são o hidrogênio, álcool, gás natural (reformadores de hidrocarbonetos), carvão e oxigênio. • Diferentes tipos de células, que variam de acordo com o eletrólito: Náfion (derivado do teflon), ácido fosfórico, hidróxido de potássio, entre outros. Esquemáticode célulade combustível típica. Fonte: [3].
  27. 27. Células de Combustível • Em sistemas HT (>350°C), rendimento de 40% a 60% (pode chegar a 85% com reaproveitamentodos gases dispersos). • Em sistemas LT (<150°C), rendimento de 35% a 40%. • Temperaturas intermediárias geram sistemas com rendimento em torno de 50%. Célulade combustíveltípica. Fonte: [7].
  28. 28. Células de Combustível Microbial Fuel Cells (MFC) • Converte material orgânico em energia elétrica através de processos metabólicos por microrganismos. • Microrganismos formam um biofilme sobre o anodo, realizando sua oxirredução. Como combustível são utilizados compostos orgânicos. • A oxirredução pode ser dada diretamente (elétrons são carregados diretamente das enzimas respiratórias da bactéria para o eletrodo) ou através de um mediador (azul de metileno, tionina, ácido húmico). • Bactérias com reação direta: Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila. Modosde operação do MFC. (A)Reação direta, (B)Reação indireta.Fonte: [1].
  29. 29. Células de Combustível Direct Carbon Fuel Cells (DCFC) • Utiliza um material rico em carbono como combustível (como a biomassa). • A reação dispersa dióxido de carbono puro, que pode ser capturado mais facilmente (e com menos custo) que as formas tradicionais de conversão a combustão. • Devido a sua alta eficiência, requer menos carbono que os sistemas de combustãopara gerar a mesma quantidade de energia. • Eletrólito comum : metal fundido. Sistema DCFC típico. Fonte: [4].
  30. 30. Eficiência teórica e real de diferentes tecnologiasde célulasde combustível.Fonte: [1]. Células de Combustível – Eficiência
  31. 31. Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy Converters (AMTEC) • Utiliza luz solar incidente, reações nucleares ou até mesmosistemas de combustãocomo fonte de calor, utilizado em reações químicas para gerar eletricidade. • Utiliza metal alcalino, geralmente sódio ou potássiocomo fluído, pois possui alta condutividade iônica (requer menos energia de ionização). • Eficiência teórica de 15% a 40%. Em sistemas reais 20%. • O eletrólito separa a seção de alta pressão (> 20kPa) e alta temperatura (700-950°C)do sistema da de baixa pressão (~100Pa) e baixa temperatura (100-350°C).
  32. 32. Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy Converters (AMTEC) Princípio de operação dos sistemas AMTEC. Fonte: [1]. • Com o calor proveniente da fonte externa, o metal líquido é evaporado e tem sua pressão elevada. • Na parte inferior a temperatura é reduzida pelo dissipador, todavia ainda é alta para manter o metal na forma líquida. • Devido a alta pressão sobre o eletrólito, surge uma diferença de potencial sobre os eletrodos. Ao conectar uma carga no sistema, o vapor do metal é ionizado, e as cargas positivas são transportadas pelo eletrólito. • O vapor de metal é condensado e retorna a seção do anodo por revaporização.
  33. 33. Supercapacitores • Diferem-se por armazenar energia em virtude de separação de cargas, diferente de baterias, as quais armazenam através de transformação química dos eletrodos. • Normalmente simétricos, inicialmente foram abandonados devido a energia específica máxima que atingiam (5Wh/kg). • Supercapacitores híbridos mostram-se interessantes, através da construção de eletrodos com estruturas de carbono e eletrodos de baterias (conjunto). Característicasbásicas de um supercapacitorde duas camadas(óxido de titânio-lítio).Fonte: [1].
  34. 34. Reatores Eletroquímicos • Conversão de energia de uma forma para outra afim de facilitar o armazenamento e o transporte de energia (hidrogênio, amônia, syngas). • Possibilidade de utilização de eletrólitos sólidos, garantindo uma diversidade de condições de operação (dependendo da reação). • Atualmente, dois tipos de sistemas são desenvolvidos. Os que possuem eletrólitos de íon de oxigênio e os de próton (hídron). • Novamente os processos em HT se tornam mais interessantes devido a eficiência.
  35. 35. • Utilizada membrana condutiva ou mixade íons de oxigênio ou hidrogênio. Normalmente é aplicado catalisador em ambas lados da membrana (entre os eletrodos) auxiliando no migração dos íons, que se dá devido ao campo elétrico aplicado ou por uma diferença de potencial. • Neste processo pode ocorrer redução ou oxidação (processos normalmente fortes em HT) do reagente, produzindo combustível e produtos químicos adicionais. • Amônia é um excelente meio de armazenamento com infraestrutura para distribuição e transporte. Contém em torno de 17,6 wt% (fração de massa)de hidrogênio. • Amônia ainda é bastantedifundido na indústria, podendo ser produzido a baixo custo em relação a outros processos de produção de hidrogênio. Reatores Eletroquímicos Oxidação Parcial , De- e Hidrogenação, Produção de Amônia
  36. 36. • HT garante alta eficiência, sendo neutro a dióxido de carbono. • Pode converter resíduos em eletricidade, calor, gases (monóxido de carbono, metano, hidrogênio) e combustíveis líquidos (metanol, etanol, biodiesel). • A utilização de eletrodos formados por um semicondutor e um foto catalisador permite absorver fótons, no entanto possui baixa eficiência e custo alto. Reações envolvidasem váriosprocessos de produçãode combustívela partir de resíduos. Fonte: [1]. Reatores Eletroquímicos Biomassa, Dióxido de carbono e Foto eletroquímico
  37. 37. Dados de Uso e Áreas de Pesquisa • Atualmente no Brasil, a indústria mantem-se fortemente concentrada na produção de baterias chumbo-ácido (linha automotiva). Embora algumas empresas trabalhem com tecnologias mais modernas, que melhoram o desempenho de seus produtos, não há empresas que produzam baterias de níquel-metal hidreto (NiMH) ou de íon-lítio [9]. • Em maio de 2015, a Itaipu Binacional e a Fundação Parque Tecnológico Itaipu (FPTI) assinaram um acordo com a Mira, empresa de origem inglesa focada em serviços de engenharia, para o desenvolvimento e fabricação de uma bateria de lítio para uso em veículos elétricos e no segmentode energia estacionária no Brasil [10].
  38. 38. Dados de Uso e Áreas de Pesquisa • Internacionalmente, no contexto de baterias de uso geral, grande parte das empresas ainda investe em soluções com baterias de Lítio, e sua produção ainda detém grande parte da produção mundial. • Em aplicações na linha automotiva, a produção atual é dispersa em baterias de fluxo e células de combustível. No entanto, continuamente são realizados estudos nas mais diversas áreas, incluindo melhorias nas tecnologias atuais e processos de manufatura. • Tecnologias em desenvolvimento: • Supercapacitores de grafeno - California NanoSystems Institute at UCLA. Fonte: [11]. • Baterias de Lítio-Ar – IBM .Fonte: [12]. • Microbaterias 3D – Universidade de Ilinois. Fonte: [13].
  39. 39. Referências • [1]. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies; Sukhvinder P. S. Badwal*, Sarbjit S. Giddey , Christopher Munnings, Anand I. Bhatt and Anthony F. Hollenkamp; 2014. • [2]. Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion, Jiujun Zhang, Lei Zhang, Hansan Liu, Andy Sun, Ru-Shi Liu, 2012. • [3]. www.geni.org. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [4]. www.ee.co.za. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [5]. www.large.stanford.edu. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [6]. www.optimal-power-solutions.com. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [7]. www.ecmi-indmath.org. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [8]. www.messib.eu. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
  40. 40. Referências • [9]. Baterias automotivas:panorama da indústria no Brasil, as novas tecnologias e como os veículos elétricos podem transformar o mercado global. Bernardo Hauch Ribeiro de Castro, Daniel Chiari Barros, Suzana Gonzaga da Veiga. • [10].http://www.automotivebusiness.com.br/noticia/22085/brasil-tera-fabrica-de-bateria-de- litio-para-veiculos-elétricos. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [11].http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-scientists-create-quick-charging-hybrid- supercapacitors. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [12].http://www.ibm.com/smarterplanet/us/en/smart_grid/article/battery500.html. Acesso em: 03 de setembro de 2015. • [13].https://news.illinois.edu/blog/view/6367/204839. Acessoem: 03 de setembro de 2015. • [14].http://www.directindustry.com/prod/power-sonic/product-19906-438153.html. Acessoem: 04 de setembro de 2015. • [15].http://www.marginup.com/products/43183/Ni-mh-battery-pack-3NH-4-51200MAH.html. Acesso em: 04 de setembro de 2015.
  41. 41. Referências • [16].http://www.cccme.org.cn/products/detail-8104003.aspx.Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [17].http://rightbattery.com/tag/1-2v-nimh-battery/page/9/. Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [18].http://www.lelong.com.my/ps7-12-sealed-lead-acid-battery-12v-7ah-portablepower- I1866447-2007-01-Sale-I.htm. Acessoem: 04 de setembro de 2015. • [19].http://www.directindustry.com/prod/enersys/product-19888-653557.html. Acessoem: 04 de setembro de 2015. • [20].http://www.primeproducts.in/. Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [21].http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/leadacid.html. Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [22].http://electronicsgate.com/projects/liioncharger.html. Acesso em: 04 de setembro de 2015.
  42. 42. Referências • [23].http://cammyscomiccorner.com/photowfd/li-ion-rechargeable-battery. Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [24].https://physicsandsocietybc.wordpress.com/2013/04/03/the-rocking-chair-battery-lithium- ion-battery/. Acesso em: 04 de setembro de 2015. • [25].http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_best_battery. Acesso em: 04 de setembro de 2015.

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