Energia Hídrica e Eólica O Fundamental Projeto FEUP 2016/2017 -- Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Manuel Firmino / Sara Ferreira Teresa Duarte Supervisor: Teresa Duarte Equipa 1M01_1: Monitor: Daniel Almeida Estudantes: Ana de Assis Duarte up201608439@fe.up.pt Daniela Ferreira Fernandes up201603215@fe.up.pt Mariana Resende Pereira Coimbra Soares up201403840@fe.up.pt Patrícia Margarida Corvo Carvalheira up201603146@fe.up.pt Rui Manuel Corveiro Rodrigues up201603244@fe.up.pt Energia hídrica e eólica: o fundamental 1 /26
Resumo O presente trabalho foi realizado no âmbito da unidade curricular: Projeto Feup, tendo o objetivo de fomentar a sinergia no trabalho em grupo e melhorar as capacidades na realização de documentos e apresentações de caráter formal. Por outro lado, este relatório permite dar a conhecer as fontes de energia renováveis, contextualizando-as na história, assim como explicar o seu funcionamento, dando especial atenção à energia hídrica e eólica e por fim elucidar sobre o uso das mesmas em Portugal e na Europa. Os gráficos, bem como imagens e texto expostos neste trabalho transmitem uma ideia mais clara sobre o modo como surgiram e evoluíram ao longo dos tempos de modo a atingirem a situação atual de rentabilidade; tal como os mecanismos de funcionamento das estruturas principais de conversão de energia, como geradores hidroelétricos e aerogeradores; e, por fim, através de uma contextualização estatística, a situação atual das fontes de energia renováveis (também relacionando a produção das energias hídrica e eólica) em Portugal e na Europa. A partir deste trabalho é possível concluir que cada vez mais as energias renováveis são cruciais na construção de um futuro mais sustentável e verde. Palavras-Chave Energias renováveis; Energia hídrica; Energia hidroelétrica; Energia eólica; Aerogerador; Revolução industrial; Crise de petróleo. Energia hídrica e eólica: o fundamental 2 /26
Agradecimentos Agradecemos a oportunidade que nos foi dada através da unidade curricular Projeto FEUP de desenvolver certas áreas como a comunicação e de nos integrarmos e conhecermos melhor. A nossa equipa agradece também à professora Teresa Margarida Duarte e ao monitor Daniel Almeida pelo auxílio na realização deste projeto, bem como pela orientação e supervisão. Agradecemos ainda aos professores que, através de palestras, nos transmitiram informações úteis não só para realizar este relatório mas para aplicarmos nas nossas futuras vidas como engenheiros e seres humanos. Energia hídrica e eólica: o fundamental 3 /26
Índice Lista de figuras e de gráficos 5 1. Introdução 6 2. Contexto Histórico das Fontes de Energia Renováveis 7 2.1 Evolução da Oferta e da Procura das Energias Renováveis 8 3. Energia hídrica 8 3.1 Obtenção de energia hidroelétrica 9 3.2. Potência obtida 9 3.3. Barragens 10 3.4. Grande hídrica e PCH 10 3.5. A importância do desenvolvimento da energia hidroelétrica 11 4. Energia Eólica 12 4.1 Aerogeradores 12 5. Vantagens dos Recursos Renováveis 16 5.1 Vantagens e Desvantagens: Energia Hídrica 16 5.2 Vantagens e Desvantagens: Energia Eólica 17 6. Dados e Estatísticas sobre o uso de Energias Renováveis 18 6.1. Em Portugal 18 6.1.1 Curiosidade 20 6.2 Na Europa 21 6.3 No mundo 23 7. Conclusões 24 Referências bibliográficas 25 Energia hídrica e eólica: o fundamental 4 /26
LISTA DE FIGURAS E DE GRÁFICOS Lista de figuras Figura 1- Constituição de um gerador hidrelétrico....10 Figura 2- Exemplo de um aerogerador de eixo vertical..........12 Figura 3- Funcionamento de um aerogerador de eixo vertical....13 Figura 4- Constituição de um aerogerador de eixo horizontal....13 Lista de gráficos Gráfico 1- Distribuição das energias renováveis em Portugal....16 Gráfico 2- Evolução da potência instalada em Portugal.17 Gráfico 3- Evolução da potência instalada em Portugal no caso da energia eólica...17 Gráfico 4- Evolução da potência instalada em Portugal no caso da energia hídrica...18 Gráfico 5- Crescimento da energia eólica instalada em países da Europa...19 Gráfico 6- Contribuição de energias renováveis para a procura de energia de países da Europa...20 Gráfico 7- Contribuição de energias renováveis para a produção de eletricidade em países da Europa...20 Gráfico 8- Capacidade mundial de Energia Hídrica, 2015..21 Gráfico 9- Capacidade mundial de Energia Eólica, 2015 21 Energia hídrica e eólica: o fundamental 5 /26
1. INTRODUÇÃO Vive-se, atualmente, um crescimento exponencial da degradação do meio ambiente em grande parte devido ao consumo de combustíveis fósseis. Como alternativa existem fontes de energia ditas limpas, como a hídrica e a eólica, sobre as quais este trabalho se debruça. Recorrendo a variados métodos de pesquisa foi possível verificar que este tipo de energias são cada vez mais rentáveis e que num futuro não muito longínquo poderão até ser as mais utilizadas em todo o mundo. Este trabalho apresentará, então, uma visão geral sobre a história de ambas as energias bem como dados e factos sobre a sua situação atual. Será ainda explicado o funcionamento dos mecanismos de obtenção da energia hídrica, que resulta do movimento das águas, podendo ser hidroelétrica; e da energia eólica, resultante da energia do vento. Energia hídrica e eólica: o fundamental 6 /26
2. CONTEXTO HISTÓRICO DAS FONTES DE ENERGIA RENOVÁVEIS Com a evolução tecnológica e o desenvolvimento da civilização surge a necessidade de procurar novas fontes de energia, e por isso, também novas formas de as explorar. Antes da Revolução Industrial, séc. XVIII, existam já energias renováveis, contudo estas eram exploradas com recurso a tecnologias rudimentares. Assim, com a 1ª Revolução Industrial, o carvão passa a ser a fonte de energia primordial, associado à máquina a vapor. Mais tarde, já na 2ª Revolução Industrial, são descobertos os princípios da termodinâmica, o uso de petróleo e gás natural é proliferado devido à sua abundância e ao seu baixo custo e ocorre uma dramática evolução no ramo dos transportes. Em meados do séc. XX, com a 2ª Guerra Mundial, inicia-se a exploração da energia atómica e, posteriormente, nas últimas décadas do séc. XX, tanto os avanços na informática como na robótica dão origem à 3ª Revolução Industrial. Nos dias de hoje, a importância das fontes de energia renováveis que são exploradas com recurso a tecnologias sofisticadas faz prever uma reestruturação da exploração energética, tornando-a mais sustentável [1]. Nesta nota é importante referir o conceito de sustentabilidade. Apesar de este ser um conceito abrangente, é possível definir duas linhas guias para o seu significado, no contexto do trabalho em questão: 1. uso sustentável de recursos que resultam da exploração de pessoas e ecossistemas; 2. desenvolvimento económico sustentável, sem comprometer a disponibilidade dos recursos existentes para gerações futuras [15]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 7 /26
2.1 Evolução da Oferta e da Procura das Energias Renováveis A procura das energias renováveis evoluiu ao longo do tempo, acompanhando a evolução tecnológica da civilização. Na última década, as fontes de energia renováveis adquiriram um papel de grande relevância a nível nacional, maioritariamente graças ao aumento do número de centrais eólicas e de pequenas centrais hídricas em território português. Em Portugal, desde 2000, tem-se verificado um desenvolvimento contínuo da tecnologia eólica, graças a uma aposta estratégica da política europeia e nacional. Estas políticas têm por objectivo a valorização da exploração dos recursos endógenos e renováveis com uma maior diversificação das fontes, assim como uma melhoria da segurança de abastecimento, redução da dependência energética e redução do impacte ambiental do sistema electroprodutor. Em 2015, a energia eólica transforma-se num recurso essencial no contexto das várias fontes de produção de energia elétrica, com o propósito de tornar a produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável preponderante face à mesma produção a partir de combustíveis fósseis. Assim, passados 15 anos, a eletricidade gerada à custa de uma fonte eólica correspondeu a 23% da procura do país [1]. 3. ENERGIA HÍDRICA A energia hídrica é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. O aproveitamento deste tipo de energia é uma prática já muito antiga, utilizada, por exemplo, nos moinhos de água, nos quais a energia hídrica era convertida em energia mecânica. Foi no séc. XX que a energia hídrica começou a ser usada para a produção de energia eléctrica [2]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 8 /26
3.1 Obtenção de energia hidroelétrica Para obter energia hidroelétrica, a energia das partículas de água tem de ser convertida em energia eléctrica. Esta conversão é feita em centrais hidroelétricas onde a água passa por turbinas, movimentando as pás e criando um movimento rotativo no eixo da turbina. Este movimento provoca a rotação dos ímans no extremo oposto do eixo que, colocados dentro de uma bobina, geram, por indução eletromagnética, uma corrente elétrica (figura 1). Figura 1- constituição de um gerador hidroelétrico. (http://www.infoescola.com/energia/usina-hidreletrica/ ) 3.2. Potência obtida A quantidade de energia produzida depende da energia cinética da água que movimenta as turbinas. Como a energia potencial da água em repouso é convertida em energia cinética quando esta se encontra em movimento, quanto maior for a altura e quantidade de água a montante da central hidroelétrica, maior vai ser a sua capacidade para produzir energia [3]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 9 /26
3.3. Barragens De forma a possibilitar uma maior produção de energia, a maioria das centrais elétricas possui uma barragem, que provoca a acumulação da água no reservatório. Para produzir eletricidade, as comportas da barragem são abertas e a água é conduzida por um circuito hidráulico até à central. Devido à força da gravidade, a água adquire velocidade e a energia potencial que continha armazenada em repouso é convertida em energia cinética. O movimento da água faz girar as turbinas produzindo eletricidade através de geradores. Existem, contudo, centrais que não possuem albufeira as centrais a fio de água. Estas centrais aproveitam o fluxo natural do rio, quando este corre [4]. 3.4. Grande hídrica e PCH As centrais hidroelétricas podem também ser classificadas conforme a sua potência instalada. Uma central hidroeléctrica com uma potência instalada de até 10 MW é considerada uma pequena central hídrica (PCH), enquanto as grandes centrais hídricas ultrapassam sempre esse valor. Geralmente, as PCHs são centrais a fio de água. Este tipo de aproveitamento de energia hídrica, apesar de ser mais caro, resulta num menor impacto ambiental em relação à grande hídrica [5]. Por outro lado, a construção de barragens associada à grande hídrica permite a regularização do caudal do rio e o abastecimento de água. A obtenção de energia nas grandes centrais não só é mais rentável, como permite um controlo facilitado dos níveis de produção de energia. Energia hídrica e eólica: o fundamental 10 /26
3.5. A importância do desenvolvimento da energia hidroelétrica De um modo geral, o aproveitamento da energia hídrica, nomeadamente com o recurso a barragens, é um método de obtenção de energia elétrica que apresenta grande rentabilidade e fiabilidade. E, apesar de apresentar inúmeras vantagens, também é possui algumas desvantagens, destacando-se o impacto a nível ambiental. Contudo, é importante referir que o recente avanço tecnológico e científico permitiu o desenvolvimento de novos modelos de turbinas e centrais elétricas mais rentáveis e menos prejudiciais para o ambiente. Ainda assim, é importante que este processo de obtenção de energia continue a ser estudado e aperfeiçoado de modo a diminuir os impactos ainda existentes e a aumentar o aproveitamento e rendimento desta fonte de energia. Energia hídrica e eólica: o fundamental 11 /26
4. ENERGIA EÓLICA A energia eólica consiste na transformação da energia cinética do vento em energia útil, como energia mecânica (utilizando moinhos) ou elétrica (utilizando aerogeradores). 4.1 Aerogeradores O que é um aerogerador? Um aerogerador é um equipamento que utiliza a energia cinética do vento, convertendo-a em energia elétrica. Tipos de aerogerador e tipo de rotor Existem diversos tipos de aerogeradores, sendo que o tipo de aerogerador depende do tipo de rotor que este possui. Assim sendo, existem dois tipos básicos de rotores eólicos: de eixo vertical de eixo horizontal Aerogeradores com Rotor de eixo vertical: Nos aerogeradores com rotor de eixo vertical o gerador não gira de acordo com a direção do vento. Neste tipo de aerogeradores, o rotor gira enquanto o gerador fica fixo. No entanto, o seu desempenho é inferior ao dos aerogeradores de eixo horizontal (ver figura 2). Figura 2- exemplo de um aerogerador de eixo vertical (https://pt.wikipedia.org/wiki/aerogerador) Energia hídrica e eólica: o fundamental 12 /26
Figura 3- exemplo de um aerogerador de eixo vertical ( http://www.wikiwand.com/es/rotor_savonius ) No aerogerador de eixo vertical, o vento exerce força nas pás curvilíneas criando uma rotação. A direção da força do vento não afeta o funcionamento deste tipo de turbina, ao contrário das de eixo horizontal.contudo, estes dois tipos de aerogeradores partilham o sistema de transformação da energia mecânica em energia elétrica. Aerogeradores com Rotor de eixo horizontal Os aerogeradores com rotor de eixo horizontal são os mais conhecidos e também os mais utilizados graças à sua elevada eficiência, sendo, contudo, mais caros. Os rotores de 3 pás são os mais utilizados para geração de energia elétrica em grande escala, visto serem mais eficientes. Estes apresentam também maior eficácia pela sua menor resistência ao ar. A gama de potências dos aerogeradores estende-se desde os 100 W (comprimento das pás da ordem de 1 metro) até cerca de 8 MW (comprimento das pás superior a 80 metros). Energia hídrica e eólica: o fundamental 13 /26
Como é constituído um aerogerador de eixo horizontal? A composição deste equipamento consiste em diversas partes, nomeadamente: pás, rotor, nacelle, caixa multiplicadora, torre, gerador e anemómetro (ver figura 3). Figura 4- constituição de um aerogerador de eixo horizontal (ver legenda) (http://www.neosun.com.br/?page_id=988) Pás : captam o vento, transmitindo a sua potência ao centro do rotor. Rotor : transmite o movimento de rotação das pás para o eixo de movimento lento (contém o sistema hidráulico que altera o movimento das pás para diferentes posições, melhorando o aproveitamento da força do vento). Nacelle : composto pela caixa multiplicadora, chassis, sistema de yaw, sistema de controlo eletrónico e sistema hidráulico. Caixa multiplicadora : tem a função de transformar as rotações que as pás transmitem ao eixo de baixa rotação, de modo a transmitir ao eixo de alta rotação a velocidade que o gerador precisa. Energia hídrica e eólica: o fundamental 14 /26
Torre : elemento em que estão apoiados o rotor e a nacelle à altura a que funcionam de forma mais eficaz. Gerador : converte a energia mecânica do eixo em energia eléctrica. Anemómetro : mede a intensidade, a velocidade e a direção do vento. Estes dados são importantes para o posicionamento da turbina. Como funciona um aerogerador? As pás recebem a energia cinética do vento que as faz girar. Ao girarem, fazem rodar o rotor que por sua vez transmite a rotação (multiplicada pela caixa multiplicadora) ao gerador. O gerador converte a energia mecânica recebida em energia elétrica [6]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 15 /26
5. VANTAGENS DOS RECURSOS RENOVÁVEIS É sabido que os recursos renováveis são, em termos ecológicos, mais vantajosos do que os não renováveis. Sendo utilizados de forma sustentável, isto é, de forma a conservar o recurso utilizado e assegurar a subsistência de futuras gerações, são quase infinitos. Por outro lado, os recursos não renováveis esgotam-se rapidamente, uma vez que a sua velocidade de renovação é lenta em comparação com o uso que lhe é dado. O conceito de desenvolvimento sustentável teve início em 1987, no Relatório Brundtland, que tem por base o princípio de que o ser humano deve gastar os recursos naturais de acordo com a sua capacidade de renovação. Como tal, tanto a energia hídrica como a eólica têm inúmeras vantagens face a outras alternativas, como os combustíveis fósseis (não renováveis), nomeadamente graças ao facto de terem uma elevada velocidade de renovação [7]. 5.1 Vantagens e Desvantagens: Energia Hídrica Qual o impacto ambiental da exploração de fontes de energia hídrica? Uma vez que a fonte utilizada para produzir energia é a água, os níveis de poluição são reduzidos, podendo ser, portanto, classificada como uma fonte de energia limpa. No entanto, a construção de barragens tem também as suas desvantagens, nomeadamente o facto de provocar alterações no ecossistema. As barragens propiciam a acumulação de sedimentos a montante e ainda a erosão dos solos a jusante devido aos sedimentos que saem das turbinas. Também a vida aquática é afetada, uma vez as que barragens se impõem como uma barreira física aos seres aquáticos e a água que sai das turbinas tem uma temperatura elevada. E a nível económico? Por um lado mais positivo, o custo de manutenção de barragens é reduzido e o seu rendimento elevado. A sua existência traz uma diminuição da dependência de importações de combustíveis. Mas por outro lado, a sua construção é muito dispendiosa, sendo necessárias enormes quantidades de água para o seu funcionamento. Energia hídrica e eólica: o fundamental 16 /26
Por fim, socialmente, estes locais de aproveitamento de água para produção de energia têm as suas vantagens, entre elas a captação de água para abastecimentos urbanos, os fins lúdicos, comerciais e turísticos e a criação de postos de emprego; mas também apresenta as suas desvantagens, como a necessidade de recolocação de pessoas devido à perda de território [8]. 5.2 Vantagens e Desvantagens: Energia Eólica Tal como a energia hídrica, a energia eólica é uma energia limpa, pois a sua fonte é o vento. No entanto, também esta provoca alterações no ambiente, como a destruição de paisagens, produção de poluição sonora e ainda o impacto sobre as aves locais. Do mesmo modo que a energia hídrica, este tipo de energia diminui a dependência de combustíveis fósseis, sendo reduzido o custo de manutenção e elevado o rendimento. No entanto a exploração deste recurso pressupõe uma certa imprevisibilidade, uma vez que o vento não é constante, mas a procura de energia sim [9]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 17 /26
6. DADOS E ESTATÍSTICAS SOBRE O USO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS Em 1973, após a crise do petróleo, tornou-se necessário encontrar alternativas económicas para produção de energia. Assim, pela primeira vez, as energias renováveis começaram a ser realmente exploradas, tendo apenas sido introduzidas no mercado de forma notável em 1985. Prevê-se um crescimento na aposta nestas energias. Mas porquê? São diversos os motivos que levaram a Europa a apostar nas energias renováveis. E são estes mesmos motivos que levam a crer que no futuro estas serão desenvolvidas ainda mais. Por exemplo, a preocupação quanto à segurança na exploração de energia nuclear, os benefícios sociais e económicos (criação de novas indústrias, novos postos de trabalho ) e ainda a necessidade de nos tornarmos menos dependentes de fontes de energia fósseis, que por virem do estrangeiro são menos económicas [10]. 6.1. Em Portugal A nível nacional, as fontes de energia renovável de maior destaque são a hídrica e a eólica. Sendo a percentagem de potência instalada para utilização em todos os setores de Portugal de 50,7% e de 38,6%, respetivamente [11] (ver gráfico 1). Gráfico 1- distribuição das energias renováveis em Portugal (http://e2p.inegi.up.pt/index.asp) Energia hídrica e eólica: o fundamental 18 /26
Apesar de a energia hídrica ser a de maior potência, aquela que tem vindo a evoluir mais drasticamente ao longo dos últimos anos é a energia eólica, devido ao recente investimento que tem em conta o custo e rentabilidade desta área [11] (ver gráficos 2, 3 e 4). Gráfico 2- Evolução da potência instalada em Portugal (http://e2p.inegi.up.pt/index.asp) Gráfico 3- Evolução da potência instalada em Portugal no caso da energia eólica (http://e2p.inegi.up.pt/index.asp) Energia hídrica e eólica: o fundamental 19 /26
Gráfico 4- Evolução da potência instalada em Portugal no caso da energia hídrica (http://e2p.inegi.up.pt/index.asp) No entanto, estas fontes de energia podem servir o seu propósito em conjunto. Nas alturas em que o consumo é menor e existe uma elevada produção de energia eólica, esta pode ser usada para bombear a água nas albufeiras. Assim, esta energia não é desperdiçada, contribuindo ainda para a produção de energia hídrica. Este projeto torna a produção dessas energias mais rentável [12]. 6.1.1 Curiosidade Este ano, Portugal foi totalmente abastecido por energias renováveis durante quatro dias (de 7 a 11 de maio). Segundo a Associação Sistema Terrestre Sustentável, Não foi preciso recorrer a nenhuma fonte de produção de eletricidade não renovável, em particular à produção em centrais térmicas a carvão ou a gás natural. É notável a capacidade de produção de energias renováveis por parte do nosso país, não só para nós, mas também para toda a Europa [13]. Energia hídrica e eólica: o fundamental 20 /26
6.2 Na Europa Também na Europa as fontes de energia hídrica são as dominantes. Antes da industrialização eram já a base de fornecimento e mantiveram a sua importância mesmo depois do início da exploração de fontes de energia fósseis e nucleares. Em 1970, a energia hídrica representava 30% da procura de eletricidade da Europa. Atualmente, 31% da energia produzida na Europa é hídrica e 3% é eólica. Embora a energia eólica tenha uma contribuição pequena, nos últimos 6 a 8 anos tem vindo a aumentar drasticamente. A sua taxa de crescimento, desde 1992 é de 35%/ano e prevê-se que terá uma enorme importância no futuro. Alguns países que se destacam na produção deste tipo de energia são a Alemanha, a Espanha e a Dinamarca (pioneira nesta área) [10] (ver gráfico 5). Gráfico 5- Crescimento da energia eólica instalada em países da Europa (http://www.dlr.de/tt/portaldata/41/resources/dokumente/institut/system/publications/europe.pdf) Seguem-se alguns gráficos nos quais são comparados vários países da Europa. Aqueles em cujo desempenho na exploração de fontes de energia renováveis é melhor são a Noruega e Islândia, seguidos da Suécia [10] (ver gráficos 6 e 7). Energia hídrica e eólica: o fundamental 21 /26
Gráfico 6- Contribuição de energias renováveis para a procura de energia de países da Europa (http://www.dlr.de/tt/portaldata/41/resources/dokumente/institut/system/publications/europe.pdf ) Gráfico 7- Contribuição de energias renováveis para a produção de eletricidade em países da Europa (http://www.dlr.de/tt/portaldata/41/resources/dokumente/institut/system/publications/europe.pdf ) 6.3 No mundo A nível mundial, o país que mais se destaca em termos de capacidade hídrica é a China, Energia hídrica e eólica: o fundamental 22 /26
seguindo-se o Brasil, tal como pode ser observado no gráfico abaixo (ver gráfico 8) [14]. Gráfico 8- Capacidade mundial de Energia Hídrica, 2015 (http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2016/06/gsr_2016_full_report_ren21.pdf ) No gráfico disposto de seguida, é possível observar que, mais uma vez, a China lidera, a nível mundial, a capacidade energética produzida a partir do vento. No gráfico apresentam-se informações sobre 2014, e a adição dada em 2015 (ver gráfico 9) [14]. Gráfico 9- Capacidade mundial de Energia Eólica, 2015 (http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2016/06/gsr_2016_full_report_ren21.pdf ) 7. CONCLUSÕES Energia hídrica e eólica: o fundamental 23 /26
Num mundo onde a demanda por energia é cada vez maior, as energias de fonte renovável surgem como uma alternativa mais sustentável e limpa. Actualmente, cerca de 23% da energia produzida a nível mundial provém de fontes renováveis e, sendo os combustíveis fósseis tão poluentes e limitados, a obtenção de energia através da queima dos mesmos, a longo prazo, não é viável. Deste modo, é necessário evoluir no sentido de substituir estes métodos de obtenção de energia por energias renováveis. De facto, com a pesquisa realizada podemos observar alguns progressos neste aspecto. E, com os desenvolvimentos tecnológicos, prevê-se que as energias renováveis, nomeadamente a hídrica e a eólica, se tornem mais rentáveis e, assim, tornem possível um futuro mais verde, limpo e livre de fontes de energia poluidoras. Energia hídrica e eólica: o fundamental 24 /26
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