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Im Fokus der Studiendatenbank stehen Veröffentlichungen, die sich mit dem notwendigen Umbau und der Steuerung des Energiesystems für eine erfolgreiche Energiewende insgesamt beschäftigen. Mehr zu den Kriterien, nach denen das Forschungsradar Studien aufnimmt …

 

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Modell Deutschland: Klimaschutz bis 2050. Vom Ziel her denken. Langfassung

Herausgeber/Institute:

WWF, Öko-Institut, Prognos

Datum:

Oktober 2009

Autoren:

Hans-Joachim Ziesing et al.

Art der Veröffentlichung:

Studie

Auftraggeber/Förderer:

WWF Deutschland

Themenbereiche:

Energiesysteme

Schlagwörter:

Klimaschutz

Seitenzahl:

533

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Zielsetzung und Fragestellung

Hintergrund der Studie ist die erforderliche drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG), um die globale Klimaerwärmung auf einen Wert von unter 2°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Dies bedeutet für Deutschland eine Minderung der Treibhausgasemissionen von 95 % bis 2050 gegenüber 1990, wenn den Entwicklungs- und Schwellenländern für die weitere wirtschaftliche Entwicklung noch Zuwächse bei den Treibhausgasemissionen zugestanden werden. In Deutschland dürfte damit im Jahr 2050 nur noch weniger als eine Tonne Treibhausgase pro Kopf emittiert werden.

Vor diesem Hintergrund untersucht die Studie verschiedene Pfade für die Entwicklung der Treibhausgasemissionen sowie deren technisch-wirtschaftliche und politisch-strategische Herausforderungen. Ziel ist es, einen technisch möglichen und bezahlbaren Weg zu einer klimaverträglichen Wirtschaftsweise aufzuzeigen. Im Einzelnen werden dabei folgende Fragen analysiert:

  • Ist in einem hochindustrialisierten Land, dessen Energiesektor vorwiegend auf fossilen Energieträgern beruht, eine 95-prozentige Reduktion der Treibhausgase bis zur Mitte des Jahrhunderts möglich?
  • Welche technischen Maßnahmen und politischen Instrumente sind nötig, um diese weitgehende Dekarbonisierung erreichen?
  • Wie kann, bzw. muss der Umbau zu einer emissionsarmen Gesellschaft aussehen?

Zentrale Ergebnisse

Schlussfolgerungen der Szenarioanalyse

Um die Erwärmung der globalen Mitteltemperatur auf einen Wert von unter 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, sind erhebliche Anstrengungen erforderlich. Mit einer – auch ambitionierten – Fortschreibung heutiger Energie- und Klimaschutzpolitik lässt sich das Ziel nicht annähernd erreichen. Die zentralen Herausforderungen sind:

  • massive Erhöhung der Energieeffizienz, von mindestens 2,6 % jährlich
  • Deckung der verbleibenden Energienachfrage nahezu vollständig mit Erneuerbaren Energien
  • Einsatz von CCS für die verbleibenden Emissionen aus ...

Schlussfolgerungen der Szenarioanalyse

Um die Erwärmung der globalen Mitteltemperatur auf einen Wert von unter 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, sind erhebliche Anstrengungen erforderlich. Mit einer – auch ambitionierten – Fortschreibung heutiger Energie- und Klimaschutzpolitik lässt sich das Ziel nicht annähernd erreichen. Die zentralen Herausforderungen sind:

  • massive Erhöhung der Energieeffizienz, von mindestens 2,6 % jährlich
  • Deckung der verbleibenden Energienachfrage nahezu vollständig mit Erneuerbaren Energien
  • Einsatz von CCS für die verbleibenden Emissionen aus ...

Schlussfolgerungen der Szenarioanalyse

Um die Erwärmung der globalen Mitteltemperatur auf einen Wert von unter 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, sind erhebliche Anstrengungen erforderlich. Mit einer – auch ambitionierten – Fortschreibung heutiger Energie- und Klimaschutzpolitik lässt sich das Ziel nicht annähernd erreichen. Die zentralen Herausforderungen sind:

  • massive Erhöhung der Energieeffizienz, von mindestens 2,6 % jährlich
  • Deckung der verbleibenden Energienachfrage nahezu vollständig mit Erneuerbaren Energien
  • Einsatz von CCS für die verbleibenden Emissionen aus fossilen Brennstoffen sowie aus Industrieprozessen
  • erhebliche Emissionsreduktionen bei den nicht-energiebedingten Emissionen (Industrieprozesse, Landwirtschaft, Landnutzung).

Entwicklung der Treibhausgasemissionen in den Szenarien

Unter Berücksichtigung aller Emissionsquellen (also inklusive Landnutzung und Forstwirtschaft, mit Ausnahme der Hochseeschifffahrt) müssen auf Grundlage der zwischen 1990 und 2005 erreichten THG-Reduktion bis 2050 noch weitere 81 Prozentpunkte eingespart werden, um das Gesamtminderungsziel von 95 % zu erreichen. Energieeffizienz und Erneuerbare Energien sind die wesentlichen Bausteine für den Klimaschutz.

Die Fortsetzung der heutigen Energie- und Klimapolitik (Referenzszenario) würde nur zu einer Minderung von 45 % im Vergleich zu 1990 führen. Selbst das Innovationsszenario verfehlt mit einer Reduktion von 87 % gegenüber dem Niveau von 1990 das Ziel. Vor diesem Hintergrund beschreibt die Studie die Variante „Modell Deutschland“ mit weitergehenden Maßnahmen, um im Jahr 2050 ein Emissionsniveau zu erreichen, das 95 % niedriger liegt als 1990. Dies gelingt durch die zusätzliche Einbeziehung von CO2 - Abscheidung und -speicherung (CCS) sowie einen wesentlich höheren Anteil an Bioenergien. Dies ist zum einen Biomethan für den verbleibenden Prozesswärmebedarf der Industrie sowie die verbleibenden Erdgas- und Heizölanwendungen im Dienstleistungssektor, zum anderen der weitgehende Ersatz konventioneller Kraftstoffe durch Biokraftstoffe im Flugverkehr. Das anfallende CO2 aus der Biokraftstoffproduktion wird in geologische Formationen verpresst (Biomasse – CCS). Zudem führt der flächendeckende Einsatz der CCS-Technologie bei einschlägigen Industrieprozessen zur Senkung der Prozessemissionen.

Entwicklung des Energieverbrauchs in den Szenarien

Gegenüber dem Niveau im Jahr 2005 sinkt der Endenergieverbrauch im Referenzmodell bis 2050 um 34 % auf 6.099 Petajoule (PJ), im Innovationsszenario um 58 % auf 3.857 PJ. Erreicht wird die zusätzliche Emissionsminderung unter anderem dadurch, dass der Energiebedarf von Neubauten fast auf null sinkt und die energetische Sanierungsrate im Gebäudebestand verdoppelt wird.

Die Endenergienachfrage nach Strom geht von 510 TWh im Jahr 2005 auf 472 TWh (Innovationsszenario) im Jahr 2050 zurück. Im Innovationsszenario reduziert sich der Nettostromverbrauch zwischen 2005 und 2050 um 20 % auf 453 TWh in der Berechnung ohne CCS, bzw. auf 420 TWh mit CCS.

Entwicklung der Erneuerbaren Energien und des Kraftwerksparks im Stromsektor

Die Studie beinhaltet keine eigene Einschätzung über die Entwicklung der erneuerbaren Stromerzeugung. Sie orientiert sich vielmehr am Leitszenario 2008 von BMU/DLR. Dort werden bis 2050 472,4 TWh Strom aus Erneuerbaren Energien als möglich angenommen, davon 121 TWh aus dem europäischen Verbundnetz, also 351,4 TWh als inländische Erzeugung. In den Szenarienergebnissen wird die jeweils benötigte Menge an erneuerbaren Quellen ausgewiesen, wobei sich das Innovationsszenario an der angestrebten Emissionsminderung sowie an weiteren Leitplanken orientiert. Es begrenzt die maximale Stromerzeugung aus Biomasse auf 41,3 TWh im Vergleich zu 53,8 TWh im BMU/DLR-Leitszenario 2008.

Die installierte Leistung für die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien steigt im Innovationsszenario „ohne CCS“ von 27 GW im Jahr 2005 auf 117 GW im Jahr 2050. Die daraus produzierte Strommenge erreicht 339 TWh (Referenzszenario: 71 GW, 190 TWh). Damit decken Erneuerbare Energien im Jahr 2050 im Innovationsszenario einen Anteil von 84 % der Strombereitstellung. Wegen des hohen Anteils der fluktuierenden Quellen Wind und Photovoltaik sind erhebliche Kapazitäten an Speichern und Regelenergie erforderlich. Maximal 48 TWh Strom aus Erneuerbaren Energien werden im Jahr 2050 importiert.

Kommt ab 2025 in neuen Braunkohle- und ab 2035 in neuen Steinkohlekraftwerken CCS zum Einsatz, so erreichen Erneuerbare Energien mit 243 TWh lediglich einen Anteil von 66 % an der erzeugten Nettostrommenge. Mit 87 GW installierter Leistung aus Erneuerbaren Energiequellen liegt die CCS-Variante 25 % unter dem Wert im CCS-freien Modell. Der Grund dafür liegt im Einsatz fossiler Kraftwerke, 13 GW Kohle- und 17 GW Erdgaskraftwerke. Der Bedarf an Speicherkapazitäten verringert sich dadurch von 20 auf 13 GW.

Erneuerbare Energien im Verkehrssektor

Hinsichtlich der Bereitstellung der im Verkehr benötigten Endenergie wird in der Referenzprognose angenommen, dass der Anteil der Biokraftstoffe deutlich zunimmt, von 71 PJ im Jahr 2005 auf 323 PJ im Jahr 2050. Der Stromverbrauch im Verkehr steigt von 58 PJ in 2005 auf 131 PJ 2050, zum einen durch mehr Schienenverkehr, zum anderen durch Elektromobilität. Wasserstoff spielt dagegen mit 10 PJ kaum eine Rolle.

Im Innovationsszenario werden im Verkehrssektor sowohl im motorisierten Güterverkehr als auch im Personenverkehr bis auf Restmengen an Erdgas und Flüssiggas keine fossilen Kraftstoffe mehr eingesetzt. Die Elektrifizierung des motorisierten Individualverkehrs und die Umstellung des Güterverkehrs auf Erneuerbare Energien senken das Emissionsniveau des Sektors um 83%. Mit einem Anteil von 59 % wird der Endenergiebedarf des Verkehrs 2050 überwiegend  durch hocheffizient produzierte Biokraftstoffe der zweiten und dritten Generation und zu 12 % durch Strom gedeckt.

Kosten der Transformation und Strompreise

Die Maßnahmen des Innovationsszenarios erfordern eine Reihe zusätzlicher Investitionen gegenüber dem Referenzszenario, zum Beispiel durch verstärkte Sanierungen im Gebäudebestand. Über alle Sektoren (private Haushalte, Verkehr, Dienstleistungen, Industrie) summiert ergeben sich jährliche Mehrkosten von maximal 30,4 Milliarden Euro im Jahr 2030.

Den nach volkswirtschaftlichen Kriterien berechneten Investitionen stehen allerdings Einsparungen aufgrund verringerter Importe an fossilen Energieträgern sowie Einsparungen bei den Vollkosten der Stromerzeugung gegenüber (nicht gebaute Kraftwerke aufgrund geringerer Nachfrage). In der Gegenüberstellung von Mehrkosten und Einsparungen ergeben sich maximale Netto-Mehrkosten von ca. 15 Milliarden Euro im Jahr 2024 (0,6 % des BIP). Ab dem Jahr 2044 übertreffen die Einsparungen die Mehrkosten.

Die Stromgestehungskosten steigen von 2005 bis 2050 von durchschnittlich 5,2 Cent pro Kilowattstunde (ct/kWh) auf 8,4 (ohne CCS) bzw. 8,6 ct/kWh (mit CCS) an. Damit liegen die Gestehungskosten im Innovationsmodell etwa 10 % unter denen des Referenzszenarios. Zum Einen kommt dies durch die starke Kostendegression der Erneuerbaren Energien zustande, zum Anderen durch die im Vergleich zum Referenzmodell geringere Menge an zusätzlichen, kostspieligen Gaskapazitäten sowie weniger mit CO2-Preisen belegten Kohlekraftwerken.

Eckpunkte eines Integrierten Klimaschutz- und Energieprogramms 2030

Auf Basis der Szenarioanalysen entwickelt die Studie zahlreiche Handlungsempfehlungen als Eckpunkte für ein Integriertes Klimaschutz- und Energieprogramm 2030 (IKEP 2030) ab. Zentraler Punkt ist demnach ein Nationales Klimaschutzgesetz, das mittel- und langfristige Emissionsminderungsziele rechtlich verbindlich festlegt, ein umfassendes Monitoringsystem zur Erfolgskontrolle einführt, einen „Rat von Sachverständigen für Klimapolitik“ schafft und die Verpflichtung zur Weiterentwicklung es IKEP beinhaltet.

Als zentrale politische Instrumente zur Reduktion der energiebedingten Emissionen werden unter anderem empfohlen:

  • Weiterentwicklung des Europäischen Emissionshandelssystems
  • Einführung einer Treibhausgas-Emissionssteuer für nicht vom Emissionshandel erfasste Anlagen
  • Einführung eines Mengensteuerungssystems für Energieeinsparungen auf Basis von handelbaren Energieeffizienzzertifikaten („Weiße Zertifikate“)
  • Fortsetzung und Forcierung der Förderprogramme für die Gebäudesanierung im Bereich der Energieeffizienz und Verschärfung der Standards für Neubauten in der Energieeinsparverordnung.
  • Wiedereinführung der erhöhten steuerlichen Absetzbarkeit von Energieeffizienzinvestitionen sowie Verbesserung der Investitionszulagenregelungen
  • Verbindliche Einführung von Energie-Management-Systemen in der Industrie
  • Fortsetzung und Forcierung der Förderprogramme für die Gebäudesanierung
  • Verschärfung des Neubaustandards für Gebäude
  • Verschärfung der Verbrauchsgrenzwerte für alle elektrischen Geräteklassen nach dem Toprunner-Prinzip
  • Verbot von Nachtstromspeicherheizungen
  • Investitionsprogramm zur Kapazitätserhöhung des deutschen Schienennetzes
  • Verschärfung der CO2-Flottengrenzwerte für Personenkraftwagen und Schaffung von Lkw-Flottengrenzwerten
  • Programm zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des öffentlichen Nahverkehrs um 25 % bis 2030 sowie seiner Attraktivität
  • Erhöhung und effizienzbasierte Differenzierung der LKW-Maut und Ausweitung auf alle LKW und Straßen
  • Erhöhung der Mineralölsteuer
  • Erhöhung des Biokraftstoffanteils bei gleichzeitiger Einführung von hohen und verlässlich überprüfbaren Nachhaltigkeitsstandards (auf Langstrecken, im Straßengüterverkehr, Luftverkehr und der Binnenschifffahrt gibt es auf absehbare Zeit keine Alternative zum Biokraftstoff)
  • Einführung eines Tempolimits von 120 km/h auf Autobahnen
  • Moratorium für Kohlekraftwerke, bis die CCS-Technologie kommerziell verfügbar ist, genügend sichere CO2-Speicher zur Verfügung stehen und die entsprechenden CO2-Infrastruktuen vorhanden sind
  • Weiterentwicklung des EEG (Erhaltung des Einspeisevorrangs, innovationsorientierte Kostendegression, Förderung der Biomasseverstromung nur noch in Kraft-Wärme-Kopplung)
  • Ausbau von Stromspeichern zur Integration der Erneuerbaren Energien
  • stärkere Verknüpfung des deutschen Stromsystems mit den Nachbarstaaten und -regionen
  • Weiterentwicklung des Marktdesigns im Strommarkt, um Anreize zum Ausbau von Speichern zu schaffen und die Erneuerbaren Energien langfristig in den Wettbewerbsmarkt zu überführen
  • Überarbeitung und Erweiterung der deutschen Biomassestrategie
  • Innovationsprogramm für Biokraftstoffe der zweiten Generation
  • Innovations- und Markteinführungsprogramm für Elektrofahrzeuge
  • Schnellstmögliche Umsetzung der CCS-Pilot- und Demonstrationsvorhaben
  • Erarbeitung eines „Deutschen CCS-Entwicklungsplans“ und eines Rechtsrahmens für CCS
  • Erarbeitung eines „Deutschen Energie-Infrastruktur-Umbauprogramms“

Zentrale Annahmen und Thesen

Sozio-ökonomische Rahmenbedingungen

Bis zum Jahr 2050 geht die Bevölkerung in Deutschland gegenüber 2005 um 12,5 % auf 72 Millionen zurück. Die Zahl der Ein- und Zweipersonenhaushalte wächst und die Wohnfläche pro Kopf nimmt um 9% zu. Das Bruttoinlandsprodukt wächst um rund ein Drittel gegenüber 2005. Die Wertschöpfung aus dem Dienstleistungssektor steigt bis zur Mitte des Jahrhunderts auf annähernd 50 %, die Industrie wächst zwischen 2005 und 2050 um 20 %, wobei ein Rückgang bei energieintensiven Branchen durch einen Anstieg bei übrigen Industriezweigen ausgeglichen wird. Im Personenverkehr ...

Sozio-ökonomische Rahmenbedingungen

Bis zum Jahr 2050 geht die Bevölkerung in Deutschland gegenüber 2005 um 12,5 % auf 72 Millionen zurück. Die Zahl der Ein- und Zweipersonenhaushalte wächst und die Wohnfläche pro Kopf nimmt um 9% zu. Das Bruttoinlandsprodukt wächst um rund ein Drittel gegenüber 2005. Die Wertschöpfung aus dem Dienstleistungssektor steigt bis zur Mitte des Jahrhunderts auf annähernd 50 %, die Industrie wächst zwischen 2005 und 2050 um 20 %, wobei ein Rückgang bei energieintensiven Branchen durch einen Anstieg bei übrigen Industriezweigen ausgeglichen wird. Im Personenverkehr ...

Sozio-ökonomische Rahmenbedingungen

Bis zum Jahr 2050 geht die Bevölkerung in Deutschland gegenüber 2005 um 12,5 % auf 72 Millionen zurück. Die Zahl der Ein- und Zweipersonenhaushalte wächst und die Wohnfläche pro Kopf nimmt um 9% zu. Das Bruttoinlandsprodukt wächst um rund ein Drittel gegenüber 2005. Die Wertschöpfung aus dem Dienstleistungssektor steigt bis zur Mitte des Jahrhunderts auf annähernd 50 %, die Industrie wächst zwischen 2005 und 2050 um 20 %, wobei ein Rückgang bei energieintensiven Branchen durch einen Anstieg bei übrigen Industriezweigen ausgeglichen wird. Im Personenverkehr wird ein Rückgang um 10% angenommen, bei gleichbleibender Dominanz des motorisierten Individualverkehrs. Bei der Verkehrsgüterleistung wird von einer Verdopplung bis 2050 ausgegangen, wobei es Verschiebungen zugunsten des schienenbasierten Güterverkehrs gibt.

Energie- und Klimapolitik

Hinsichtlich der Kernenergie gehen beide modellierte Szenarien vom Ausstieg entsprechend der im Jahr 2009 geltenden gesetzlichen Regelungen aus. Im Referenzszenario wird eine ambitionierte Fortsetzung heutiger Energie- und Klimaschutzpolitik angenommen. Vorhandene energiepolitische Instrumente im Bereich der Energieeinsparung, der Erneuerbaren Energien sowie der Kraft-Wärme-Kopplung werden weitergeführt. Effizienztechnologien werden weiterentwickelt und verbreiten sich schnell im Markt. Im Innovationsszenario ist die Klima- und Energiepolitik dagegen ein Ergebnis der Zielsetzung einer 95%-igen THG-Minderung und der damit verbundenen notwendigen Maßnahmen.

Wachstum und technologische Entwicklungen der Erneuerbaren Energien

Wesentliche angenommene technologische Weiterentwicklungen sind die weitere Kostensenkung bei der Solarstromerzeugung aus Dünnschichtzellen, bessere Ertragsprognosen bei Windkraftanlagen, effizientere Biomasseprozesse und der Ausbau der Biogas-Einspeisung ins Erdgasnetz. Hinsichtlich der Potenziale der Erneuerbaren Energien orientiert sich die Studie am BMU/DLR-Leitszenario 2008. Für das gesamte nachhaltig nutzbare Biomassepotenzial in Deutschland werden 1.200 Petajoule (PJ) Primärenergie angesetzt.

CO2-Abscheidung und –Speicherung (CCS)

Die Studie betrachtet CCS als Option zur CO2-Reduktion, insbesondere aus großtechnischen Prozessen zur Stromerzeugung sowie aus Industrieprozessen. Damit wäre es möglich, weiterhin fossile Brennstoffe zu nutzen, beziehungsweise über die Anwendung bei der Biomasseverbrennung CO2-Senken zu aktivieren. Da Sicherheits- und insbesondere Akzeptanzfragen bei Transport und Lagerung allerdings weithin ungeklärt sind, werden Szenarien mit CCS ab dem Jahr 2025 und ohne CCS gerechnet. CCS wird vor allem als eine Rückfalloption betrachtet, für den Fall, dass die anspruchsvollen Zielpfade der Erneuerbaren Energien in der Stromerzeugung nicht umgesetzt werden können.

Methodik

Die Studie entwickelt zwei unterschiedliche modellgestützte quantitative Szenarien. Als Referenzszenario dient eine ambitionierte Fortsetzung der heutigen Energie- und Klimaschutzpolitik. Im Innovationsszenario bildet dagegen das Ziel von 95 % THG-Minderung die Basis für Schlussfolgerungen hinsichtlich des notwendigen Umbaus zu einer emissionsarmen Gesellschaft, wobei der Schwerpunkt auf den energiebedingten Emissionen liegt. Bei der Stromerzeugung wird in beiden Szenarien jeweils die Variante mit CO2-Abscheidung und -speicherung (CCS) und „ohne CCS“ analysiert. Entwicklung und Analyse der ...

Die Studie entwickelt zwei unterschiedliche modellgestützte quantitative Szenarien. Als Referenzszenario dient eine ambitionierte Fortsetzung der heutigen Energie- und Klimaschutzpolitik. Im Innovationsszenario bildet dagegen das Ziel von 95 % THG-Minderung die Basis für Schlussfolgerungen hinsichtlich des notwendigen Umbaus zu einer emissionsarmen Gesellschaft, wobei der Schwerpunkt auf den energiebedingten Emissionen liegt. Bei der Stromerzeugung wird in beiden Szenarien jeweils die Variante mit CO2-Abscheidung und -speicherung (CCS) und „ohne CCS“ analysiert. Entwicklung und Analyse der ...

Die Studie entwickelt zwei unterschiedliche modellgestützte quantitative Szenarien. Als Referenzszenario dient eine ambitionierte Fortsetzung der heutigen Energie- und Klimaschutzpolitik. Im Innovationsszenario bildet dagegen das Ziel von 95 % THG-Minderung die Basis für Schlussfolgerungen hinsichtlich des notwendigen Umbaus zu einer emissionsarmen Gesellschaft, wobei der Schwerpunkt auf den energiebedingten Emissionen liegt. Bei der Stromerzeugung wird in beiden Szenarien jeweils die Variante mit CO2-Abscheidung und -speicherung (CCS) und „ohne CCS“ analysiert. Entwicklung und Analyse der Szenarien basieren auf dem Prognos Bottom-up-Energiesystemmodell und werden ergänzt durch eine Top-down-Analyse der verschiedenen Wirkungskomponenten.

Da beide Szenarien in den Untersuchungen nicht das gesetzte Minus-95 %-Ziel erreichen, wird ein „Modell Deutschland“ entwickelt, das zusätzlich Vorschläge für weitergehende Maßnahmenpakete und Handlungsempfehlungen vorsieht, um die Lücke zwischen Innovationsszenario und Reduktionsziel zu schließen.

Die Kostenberechnung für die konventionelle Stromerzeugung basiert auf dem Kraftwerksmodell der Prognos AG, die Berechnungen für die Erneuerbaren Energien und den Stromimport orientieren sich an der Leitstudie 2008.

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