El Hidrógeno Rocío, Fernández Claudia Lalvay, Mgt. Francisco Vázquez

Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Carrera de Ingeniería Ambiental

Asignatura: Energías Renovables, Cuenca – Ecuador, Fecha de entrega: 25-05-2015

El hidrogeno es el elemento más ligero y abundante de la naturaleza. Constituye aproximadamente el 80% de la masa de toda la materia del universo, y se encuentra en el 90% de las moléculas.

El hidrógeno, pese a ser el elemento más abundante en el universo, no es una fuente primaria de energía, pues generalmente se encuentra asociado a otros elementos, como es el caso del agua donde se encuentra formando una molécula con el oxígeno. Se trata de un vector energético, es decir, una forma secundaria de energía que se debe transformar a partir de otras fuentes primarias.

La discontinuidad de las energías renovables hace que sea necesario su almacenamiento para su posterior utilización. Estas energías pueden ser almacenadas de diferentes maneras, una de ellas es el hidrógeno.

El hidrogeno está siendo considerado mundialmente como medio de almacenamiento energético, debido a su extraordinaria flexibilidad. Además de ser utilizado en pilas de combustible, para alimentar motores eléctricos, el hidrogeno también puede usarse como combustible en turbinas de gas, en ciclos combinados o en motores de combustión interna en vehículos.

La energía del hidrógeno es una fuente de energía viable, que no contamina el planeta como pueden llegar a hacerlo los combustibles fósiles y la biomasa que está basados en el carbono, que cuando se queman, el dióxido de carbono y monóxido de carbono se liberan en la atmósfera. En cambio cuando el hidrógeno se quema, se combina con el oxígeno en el aire para difuminarse en el agua.

1. Ventajas de la energía del hidrógenoEl hidrógeno no contamina y tampoco consume recursos que sean naturales. Se toma a partir del agua y luego se oxida y se devuelve al agua.El hidrógeno podría tener mucha más seguridad como energía que cualquier otro tipo de combustible, pues de liberarse y quedar disipado no contaminaría ni a personas ni al medio ambiente.Es altamente eficiente pues convertido en energía puede alcanzar gran eficiencia incluso mayor al resto de energías.Convertido en energía y utilizado como combustible, el hidrógeno es un elemento prácticamente silencioso.El hidrógeno como energía puede proporcionar larga vida a los elementos sobre los que se aplique, además se podría llegar a regular su potencia y modular la energía de los sistemas según los crecimientos de la demanda energética, reduciendo drásticamente los costos iniciales.

La Energía del Hidrógeno podría ser una verdadera alternativa a la imposición actual del petróleo. Es un elemento que además reduciría drásticamente las emisiones de dióxido de carbono y podría paliar los efectos del calentamiento global, siendo además

abundante y no se agotaría en sus reservas así que quizás en un futuro no muy lejano vemos coches en funcionamiento, y casas iluminadas, gracias al hidrógeno.

2. Generación del hidrógeno

El hidrógeno es un medio de almacenaje y transporte de energía y no una fuente de ésta, por lo que puede ser producido por un gran rango de fuentes potenciales incluyendo el agua, los combustibles fósiles y la materia orgánica.

En cualquier proceso de producción de hidrógeno hay unas entradas (materias primas y energía) y unas salidas (hidrógeno, subproductos y pérdidas de energía).

FIGURA 1 Entradas y salidas de un proceso de producción de hidrógeno.

El hidrógeno molecular no está presente en reservas naturales convenientes, aunque está en la atmósfera en forma muy poco concentrada. La mayoría del hidrógeno en la tierra está en la molécula de agua. También está presente en los combustibles fósiles. Éste puede ser producido usando combustibles fósiles a través de reformación de gas natural o de gasificación de carbón. También puede ser producido mediante electrólisis usando electricidad y agua, consumiendo aproximadamente 50 kilowatt hora de electricidad para cada kilogramo de hidrógeno. La energía nuclear puede ser ocupada de varias formas para la producción del hidrógeno. Otra opción puede ser la energía solar. En la figura siguiente se muestran las principales vías de producción de hidrógeno en la actualidad.

2.1. Electrólisis

La electrólisis es la hidrólisis del agua, separación de los átomos que constituyen sus moléculas, por medio de la electricidad. Genera hidrógeno a partir de agua y energía eléctrica.

FIGURA 2. Esquema de la Electrolisis.

Los electrodos, el cátodo y el ánodo, se sitúan en la solución y generan el movimiento de electrones. El hidrógeno se forma en el cátodo, mientras que el oxígeno lo hace en el ánodo. Para mejorar la producción de hidrógeno, u oxígeno, generalmente se suele variar la composición del agua, con la adición de sales para aumentar la velocidad de reacción.

La electrolisis es muy efectiva como medio de producir hidrógeno puro en cantidades pequeñas. Debido a que la electrolisis utiliza electricidad, la eficiencia térmica del proceso incluye la eficiencia de la generación de la energía eléctrica, así como la electrolisis en sí misma. El proceso de electrolisis tiene una eficiencia generalmente de entorno al 75%. La eficiencia de producción de energía eléctrica varía dependiendo del medio por el que se produzca. Lo que significa que la eficiencia total para la producción de hidrógeno mediante esta tecnología se encuentra entre el 25-45%.

La producción de hidrógeno usando la electrolisis tiene el potencial de estar completamente libre de emisiones si la electricidad se genera a partir de una fuente de energía renovable limpia como puede ser la energía solar y eólica.

2.2. Reformado de Vapor de Gas Natural

El hidrógeno también puede ser extraído de los hidrocarburos a partir del reformado de vapor, o reformado catalítico de un hidrocarburo ligero, como el gas natural, bajo una atmósfera de vapor. El hidrógeno producido por este proceso necesita una purificación antes de ser utilizado en procesos posteriores. Es la tecnología dominante para la producción de hidrógeno.

FIGURA 3. Proceso de reformado de vapor de gas natural.

El reformado de vapor es un proceso termodinámico que consiste en hacer reaccionar metano, o más comúnmente gas natural, y vapor a una alta temperatura. Se producen dos reacciones. La primera, la reacción de reformado, que es fuertemente endotérmica, y que transcurre con un catalizador y a una alta temperatura. La segunda reacción es exotérmica. A continuación se produce el proceso de separación, se elimina el dióxido de carbono y se purifica el hidrógeno.

El proceso convencional transcurre en un reactor químico a temperaturas entre 800-900ºC. Cuando estas temperaturas se consiguen con combustibles fósiles, se convierte en el método más barato para producir hidrógeno. El calor es generalmente suministrado quemando el exceso de metano. Esto conlleva la pérdida de tanto reactante como de algo de producto de hidrógeno. Las eficiencias típicas para un proceso de reformado de vapor son en torno al 70%.

Una de las principales desventajas que se observan en este proceso es la pureza del hidrógeno obtenido. La pureza del hidrógeno resultante tiene que ser mejorada para muchas de las aplicaciones de hoy en día, en las que se requiere un hidrógeno de alta pureza. El CO2 se elimina mediante un lavado alcalino, bien con una solución amínica, bien con una solución cáustica regenerativa, y finalmente, gas rico en hidrógeno se refrigera hasta bajas temperaturas y se purifica. Este proceso de purificación incurre en costes, que no es, por ejemplo, necesario en el proceso de electrolisis.

Este proceso de producción de hidrógeno lleva asociada la emisión de gases de efecto invernadero como es el dióxido de carbono. Por tanto se podría enmarcar dentro de los sistemas de producción de hidrógeno sucio.

2.3. Gasificación del Carbón

El proceso básico de gasificación del carbón comienza convirtiendo el carbón en estado gaseoso calentándolo en un reactor de alta temperatura. El carbón gaseoso se trata posteriormente con un vapor y oxígeno y el resultado es la formación de hidrógeno gaseoso, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

La gasificación del carbón es el método más antiguo de producción de hidrógeno, pues hay grandes yacimientos de carbón en todo el mundo. Este método de producción se convierte en económicamente viable si el CO2 es capturado y usado para recuperar el metano atrapado en las minas de carbón. Sin embargo, es casi dos veces más caro producir hidrógeno a partir del carbón que a partir del gas natural.

Se producen 2 reacciones para producción de hidrógeno a partir de la gasificación. La primera reacción convierte el carbono del carbón en monóxido de carbono y la segunda reacción lo convierte el dióxido de carbono. En las dos reacciones se produce hidrógeno.

FIGURA 4. Proceso de obtención de hidrogeno a partir de la gasificación del carbón.

En el proceso, la reacción del vapor con el carbón se produce en el reactor primario a una temperatura de operación de 1273K, y los gases producidos se introducen en el segundo reactor, que normalmente opera por debajo de los 673K. El proceso necesita dos reactores para producir hidrógeno debido a que las reacciones primera y segunda transcurren a temperaturas diferentes. Además es necesario un sistema de purificación del gas.

2.4. Oxidación Parcial de Hidrocarburos

Mediante la oxidación parcial se puede obtener hidrógeno de una gran variedad de materias primas o de subproductos de otras reacciones. Entre éstos se encuentran los hidrocarbonos, los residuos industriales, la biomasa, el metano, etc.

Mediante la oxidación parcial con oxígeno, a temperaturas 1150-1350ºC se produce un gas bruto compuesto de H2, CO, CO2 y CH4. Las impurezas contenidas en el gas bruto dependen de la composición de la materia prima y de las condiciones de desarrollo del proceso (presión y temperatura), encontrándose el azufre procedente de la materia prima prácticamente en su totalidad en forma de H2S. Luego se realizan unas etapas de depuración y de acondicionamiento, tras las cuales se obtiene hidrógeno puro.

FIGURA 5. Obtención de hidrógeno mediante oxidación parcial de hidrocarburos.

La oxidación parcial se produce para el caso hidrocarburos pesados con una eficiencia del 86%, para el caso del carbón con un 50% y para el caso de la biomasa con un 65%.

La oxidación parcial ofrece algunas ventajas claras con respecto al reformado con vapor en cuanto que utiliza aire, en vez de vapor, y es una reacción exotérmica por lo que no requiere un aporte de energía externa durante la operación.

Por cada mol de metano, en el caso de la oxidación parcial se obtienen dos moles de hidrógeno, mientras que en el caso del reformado se obtienen tres moles.

2.5. La Biomasa

La Biomasa se define como la materia orgánica que está disponible en una base renovable a través de un proceso natural o como subproducto de un proceso que utiliza fuentes renovables. La mayoría de la biomasa se usa en procesos de combustión en fábricas que producen electricidad como generación de producto de uso final.

FIGURA 6. Distintas formas de producción de hidrógeno a partir de la biomasa.

La producción de hidrógeno a partir de la biomasa ofrece la ventaja de proporcionar un portador renovable de energía con una importante reducción de las emisiones de CO2.

La biomasa puede ser convertida en hidrógeno a partir de distintos métodos:

• Gasificación.

• Pirolisis de la biomasa para formar un bioaceite que puede ser convertido a continuación en hidrógeno a través de un reformado catalítico de vapor.

• Oxidación parcial de la biomasa con agua en estado supercrítico.

• Fermentación de la materia orgánica por bacterias capaces de producir hidrógeno.

2.5.1. Gasificación de la biomasa

En este proceso la biomasa se calienta a alta temperatura en un reactor donde se rompen las uniones de las moléculas que forman la biomasa. Esto genera un gas constituido principalmente por hidrógeno, monóxido de carbono y metano. Este metano se transforma en hidrógeno y dióxido de carbono a partir del mismo método de reformado de vapor. La gasificación de la biomasa presenta una serie de ventajas frente a otros métodos de producción de hidrógeno, como son que las emisiones de dióxido de carbono procedentes de la gasificación de la biomasa no contribuyen al incremento neto de las emisiones de gases de efecto invernadero. Por otro lado, la gasificación de la biomasa es actualmente uno de los métodos más avanzados de producción de hidrógeno a partir de fuentes

2.5.2. Pirolisis de la biomasa

La pirolisis de la biomasa para la producción de hidrógeno tiene el potencial de ser competitivo económicamente con los actuales procesos comerciales para la producción de hidrógeno. El bioaceite, producido por la pirolisis de la biomasa, se transporta fácilmente de modo que la segunda etapa de reformado de vapor se puede realizar en diferentes localizaciones, cerca de donde se vaya a utilizar o distribuir el hidrógeno. La segunda ventaja es el potencial para la producción y recuperación de un subproducto valioso del bioaceite que puede impactar significativamente en la economía del proceso completo.

2.5.3. Oxidación parcial de la biomasa con agua en estado supercrítico

Este tipo de proceso, implica la producción de hidrógeno a partir de los combustibles de “bajo grado” como son las basuras municipales, la biomasa y el carbón con alto contenido en azufre. La oxidación parcial del agua en estado supercrítico implica llevar a cabo reacciones oxidativas en un ambiente de agua en condiciones supercríticas, es decir, vapor a alta presión, en presencia de cantidades limitadas de oxidante, generalmente oxígeno puro o aire.

2.5.4. Por Fermentación

Consiste en dos fermentaciones consecutivas. Los méritos específicos del bioproceso son la producción de hidrógeno a pequeña escala a partir de biomasa húmeda. Las concentraciones típicas de los gases de escape se encuentran entre el 50% en la primera fermentación y superior al 85% en la segunda.

2.6. Energía nuclear

El aprovechamiento de la energía nuclear en la producción de hidrógeno sólo se justifica para procesos que requieren alta temperatura. Los procesos más estudiados para la producción de hidrógeno nuclear son:

o Electrólisis de alta temperatura.o Ciclos termoquímicos.

Los dos procesos aprovechan el calor generado por los reactores para producir hidrógeno. Una de las ventajas de utilizar energía nuclear para este fin es que durante la generación de energía no se emiten gases de efecto invernadero. Además, se pueden producir hidrógeno y electricidad en forma simultánea, lo que permite desplazar la producción hacia el producto deseado dependiendo de las necesidades del mercado.

FIGURA 7. Fusión nuclear.

La eficiencia global para el uso de la energía nuclear en la producción de hidrógeno depende de la temperatura de operación, la eficiencia de conversión del proceso y la complejidad del sistema. La elección general dependerá del costo del proceso, lo que se traduce en costo de los equipos.

2.7. Energía Solar

Existen tres métodos de producción de hidrógeno a partir de la energía solar, electroquímica (Electrolisis) termoquímica y fotoquímica.

En el primer caso se utiliza la energía del sol para producir electricidad, y ésta será la que después se utilice para producir hidrógeno, por el método de la electrolisis. El segundo caso, el de la termólisis, se utiliza la energía del sol para generar un calor que luego será empleado en el proceso que producirá el hidrógeno, mediante los denominados ciclos de hidrólisis termoquímica del agua como por ejemplo el ciclo azufre-yodo, y los procesos de fotolisis son aquellos que necesitan expresamente la luz como una entrada al proceso, y sin la cual el proceso no produce hidrógeno.

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE HIDROGENO

El almacenamiento de hidrogeno se da por el uso extensivo y flexible del hidrogeno como vector energético por lo que su exceso de producción es almacenado para un posterior uso.Los sistemas de almacenamiento varían dependiendo de ciertas condiciones:

Gas a presión. Forma líquida. ( almacenamiento criogénico) Hidruros metálicos.

Almacenamiento de gas a presión

La forma de almacenamiento más difundida y con mayor experiencia se puede almacenar de diferentes tipos de depósitos:

Depósitos de superficies móviles. Depósitos de superficies estacionarias. Depósito de cavernas subterráneas.

El gas comprimido se la forma más sencilla de almacenar hidrogeno, aunque las densidades energéticas conseguidas son las menores a menos que se emplee alta presión, ya que la densidad energética depende linealmente de la presión si se asume e un comporta miento como gas ideal.

En los diferentes centros de acopio de hidrogeno, el gas se comprime a 200 atm y se envasa en botellas o plataformas. Estas botellas posteriormente son trasladadas a centros de consumo para tratar de disminuir el peso de estos sistemas, desde algún tiempo se está ensayando con envases de material tipo (composite) que son polímeros en sustitución del acero pero con los mismos niveles de seguridad.

El uso de nuevas tecnologías de tanques de almacenamiento mediante: Estructuras reforzadas de vidrio Fibras de aramida Fibras de carbono sobre acero

Que permiten almacenamiento de hidrógeno comprimido hasta 350 y 700 bar.

Almacenamiento de hidrogeno liquido

Almacenando el hidrogeno de forma líquida se obtiene una mayor densidad de energía por volumen que en forma gaseosa. La tecnología criogénica del hidrogeno no esta tan extendida como lo está la del proceso de hidrogeno comprimido, pero ha alcanzado un alto nivel de madurez.

El hidrogeno solo existe en forma líquida entre 14 y 20 K, siendo, salvo el helio, la más volátil de las sustancias. Por lo tanto para almacenar el hidrogeno líquido a presión atmosféricas hay que mantener bajas temperaturas. Por lo tanto es el principal inconveniente en el momento de almacenarlo y manipularlo.

El almacenamiento se lo realiza en recipientes de doble aislamiento térmico para limitar los aportes de calor exterior. El consumo energético demandado por este sistema se cifra entre el 1 y 2 % de la energía almacenada.

Actualmente se está estudiando un sistema hibrido entre la comprensión y la licuefacción el llamado hidrogeno (crio-comprimido). Se trata de hidrogeno gaseoso o presión pero a temperatura criogénica. Este sistema presenta similares presentaciones volumétricas que el hidrogeno licuado pero reduce considerablemente las perdidas por evaporación así como la energía consumida. (Moratilla, 2007)

Almacenamiento en hidruros metálicos

El almacenamiento de hidrogeno mediante hidruros metálicos abarca varias posibilidades, desde pequeños contenedores para bajos volúmenes hasta complejos sistemas de calefacción y refrigeración.

Requisitos para el almacenamiento de hidrogeno en hidruros metálico:

El hidruro debe ser fácilmente formado y descompuesto.

La cinética de las reacciones de absorción y desorción ha de ser lo suficiente rápida para satisfacer los requerimientos de carga y descarga del sistema.

La presión de equilibrio correspondiente a la temperatura de descomposición del hidruro debe ser en todo momento compatible con los requerimientos de seguridad del sistema.

Debe mantener oprimas condiciones de operación durante el mayor número posible de ciclos carga / descarga.

Debe poseer la máxima tolerancia posible a la impurezas gaseosas que aporte el hidrogeno, ya que estas actúan dificultad las reacciones y disminuyendo la vida útil del sistema. (Jodra, 2005)

El almacenamiento se realiza por medios químicos estableciendo un proceso de carga (adsorción) y otra descarga (desorción) en el primer proceso hay que reducir la temperatura y retirar calor y en el segundo proceso hay que calentar el hidruro y operarlo a temperatura elevada los dos procesos nos ayudan a liberar hidrogeno contenido en el hidruro.

Temperatura del hidruro

Alta temperatura la desorción se realiza entre: 150 y 300 ºC. Baja temperatura la desorción se realiza entre: 20y 90 ºC.

Presiones del hidruro

La adsorción se lleva a cabo: 30 y 55 bar. La desorción se lleva a cabo: 0.7 y 10 bar.

El elemento A normalmente es una tierra rara o un metal alcalino y tiende a formar un hidruro estable. El elemento B suele ser un metal de transición y solo forma hidruros inestables.

Tabla I principales familias de hidruros metálicos para almacenar hidrogeno

Otros métodos de almacenamiento

Sólido poroso para absorber en el hidrogeno Nanotubos de carbono consisten en una especie de grafito enrollado con forma

cilíndrica, constituyendo una estructura muy resistente y con numerosas aplicaciones

Los fullerenos no dejan de ser moléculas que forma una especia de “jaula” en la que se pueden almacenar otras moléculas.

Estructuras nanoporosas de moléculas órgano-metálicas a temperatura ambiente.

Carbón (ya sea carbón activado, grafito, lechos de carbón molecular, nano fibras, etc.)

Forma de compuesto químico (NH3, tolueno, etc.) Microesferas de vidrio Zeolitas

Estos métodos de almacenamiento se encuentren aún en períodos tempranos de investigación. Por lo que su utilización es controlada.

APLICACIONES

3.1 El hidrogeno puede acomodar a varias aplicaciones, tanto para aplicaciones estacionarias como para aplicaciones portátiles o de trasporte. El almacenamiento de energía de hidrogeno a gran escala es útil para generación de:

Gestión de redes eléctricas en las que los flujos energéticos podrían ser multidireccional.

Generación renovable

3.2 Las aplicaciones estacionarias más pequeñas y de activación rápida son ya comerciales, utilizando:

Pilas PEM y orientados a actuar como generadores de potencia de emergencia en momentos en los que falla el suministro principal.

3.3 Aplicaciones al transporte el boom está liderado por las grandes compañías automovilísticas:

BMW lanzó el año pasado el primer vehículo de producción propulsando por hidrógeno. El BMW Hydrogen 7 es un auto híbrido. Esto es que puede funcionar en base a bencina o a hidrógeno.

Daimler Chrysler desde 2003, ha estado probando y mejorando su prototipo Mercedes-Benz clase A F-Cell. Éste vehículo tiene un motor eléctrico alimentado por celdas de combustible de hidrógeno.

Ford Focus FCV-Hybrid, es la tercera generación de prototipos Ford a celdas de combustible.

General Motors posee múltiples modelos de prototipos a celdas de combustible. El Chevrolet Sequel posee un motor eléctrico alimentado por celdas de combustibles de hidrógeno. Éste es almacenado en forma de gas compreso.

Honda anunció el año 2006 que el 2008 se comenzará a comercializar su conceptual FCX a celdas de combustible de hidrógeno.

Hyundai desarrolló el Tucson FCEV, conceptual que es alimentado por celdas de combustible de hidrógeno.

3.4 Aplicaciones portátiles, orientadas a pequeños dispositivos eléctricos:

Siemens ya tiene la versión pre-comercial de su primer generador a celdas de combustible, el SFC-200.

Fuel Cell Energy esta empresa vende generadores entre 300 kW y 2 MW de celdas de combustible alimentadas por gas natural.

UTC Fuel Cells vende generadores de potencia que funcionan a base de celdas de combustible alimentadas por gas natural.

3.5 Aplicaciones en la industria química Utiliza el hidrogeno para la síntesis de:

Plásticos Poliéster Nailon

3.6 Aplicaciones en la industria del vidrio

Vidrio plano Acristalamiento Pantallas planas

3.7 Aplicaciones en la electrónica

El hidrogeno se utiliza como gas de barrido durante las fases de depósito de silicio o de producción de circuitos impresos.

En electrónica, el hidrógeno se utiliza como gas de barrido durante las fases de depósito de silicio o de producción de circuitos impresos.

3.8 Aplicaciones en el medio ambiente

El azufre.- Contenido de forma natural en los combustibles fósiles produciendo óxidos de azufre los cuales pueden provocar problemas respiratorios y contaminación atmosférica. Para desulfurar los carburantes, desde la fase de refino se utiliza hidrogeno que reacciona con el hidrógeno para formar sulfuro de hidrogeno.

Tratamiento de agua.- Los contenidos demasiado elevados de nitratos en aguas potables pueden ser reducidos por desnitrificación en birreactores, en los que las bacterias emplean el hidrógeno como fuente de energía.

3.9 Aplicaciones en el proceso de refinería

Los procesos de hidrogenación tiene como objetivo la obtención de fracciones ligeras de cruda a partir de fracciones pesadas, aumentando su contenido de hidrogeno y disminuyendo su peso molecular.

3.10 Aplicaciones en la química orgánica

El hidrógeno participa en un gran número de procesos de hidrogenación o reducción para la obtención de productos químicos e intermedios.

3.11 Aplicaciones en la Industria Metalúrgica.

En la industria siderúrgica, el mineral de hierro puede ser reducido empleando coque o un gas que contenga hidrógeno, monóxido de carbono, o mezclas de éstos.

3.12 Otros usos.

Además de los usos industriales del hidrógeno mencionados en los apartados anteriores, que son los de mayor volumen de utilización, cabe citar los siguientes:

Combustible aeroespacial. Suministro de energía para los ordenadores y sistemas de soporte en el espacio,

obteniendo agua como “subproducto”. Llamas de alta temperatura. La combustión de una mezcla estequiometria de hidrógeno Plasma de hidrógeno. Producción de semiconductores. Aumentar la temperatura de transición de aleaciones superconductoras Gas portador Combustible en cromatografía gaseosa. El hidrógeno líquido se usa como refrigerante.

BibliografíaBennaceur, K. (s.f.). el hidrogeno un ¿futuro potador energetico.

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Jodra, L. G. (2005). El hidrogeno, combustible delf uturo. Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp) , 57.

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