原标题:碳中和目标下,我国为什么还要发展天然气?
本文来自微信公众号:中国工程院(ID:CAE-Engineering),将优先发表于中国工程院学报2021年第6期《中国工程科学》,作者:刘鹤等。原标题:《碳大丰,碳中和约束下我国天然气发展战略研究,头图来自:远景中国
一、简介
碳达峰和碳中和是国家重大战略,旨在通过能源系统转型促进经济社会高质量发展,推动能源系统从化石能源向可再生能源转型发展。目前,我国能源结构具有以煤为主、能源体系规模大、转型时间短、转型成本高的特点。同时,能源转型需要解决可再生能源的多尺度性、波动性和不确定性带来的能源安全和稳定供应问题。 ,迫切需要探索一条能源转型发展的可行路径。
天然气是一种低碳化石能源,发展基础坚实,发展潜力巨大。在供给侧和消费侧各领域具有独特的比较优势;它在现场减排和城市环境污染治理方面也发挥着重要作用,也可以为储能、高渗透绿氢、碳捕获、利用和储存等颠覆性技术突破以及能源的平稳过渡争取时间。系统。
因此,有必要明确天然气在实现碳达峰和碳中和目标不同阶段的作用,充分发挥天然气清洁、低碳、高效、稳定的独特优势。对于我国天然气工业的高质量发展,碳达峰和碳中和目标的顺利实现具有重要意义。
国内外机构相继开展了我国碳中和路线图研究,分析我国碳中和发展路径,预测能源需求。根据这些机构的预测结果,到2060年,我国化石能源消费将占一次能源消费的7%~30%; 3%~16%。不同机构对化石能源特别是天然气未来发展的研究结论存在显着差异,反映出对碳峰值、碳中和转型路径以及天然气在转型路径中的作用的认识存在明显差异。
对此,本文系统研究天然气的发展基础和供需双方的机遇和优势,分析发展制约因素,在科学认识碳达峰和碳中和发展阶段的基础上,提出天然气发展建议。 、发展挑战和发展原则。为进一步凝聚共识,明确天然气发展现状,为国家制定碳峰和碳中和发展路径提供基础参考。
(1) 碳峰化和碳中和是两个阶段组成的有机整体
碳峰化和碳中和两个阶段的总体发展方向是相同的,但也存在一定的差异。
① 不同的发展阶段。碳达峰是碳中和的必要阶段和前提,而碳中和是碳达峰的最终目标和逆向约束。
②发展基础不同。碳调峰是指在能源消费增长和非水可再生能源大规模引入的背景下,高碳化石能源逐步调峰和控碳的过程;碳中和是指化石能源设施在能源消耗达到峰值时逐步退役。在非化石能源加速增长的背景下。
③发展重点不同。 2030年前,重点抓好碳控制,为可再生能源的成熟发展争取时间; 2030年后,着力建设可再生能源体系,推动能源结构发生革命性变革。综合来看,既不能将两个阶段分开来制定能源转型路径,也不能将两个阶段弱化合并为一个阶段;到2030年实现碳达峰目标是我国近期能源转型发展的重点。
能源转型的本质是各领域能源结构的升级优化、能源供需体系和海量基础设施的升级改造。目前,我国是世界上最大的能源消费国,能源消费量将继续增长。化石能源占比很高。化石能源基础设施庞大而新。能源转型发展任务多、时间短、成本高。挑战。
一、能源系统规模大、减排任务重
我国拥有世界上最大的能源生产、转换、传输、分配和供应系统。 2020年能源生产总量为4.08×109吨标准煤,能源消费总量为4.98×109吨标准煤,约占全球能源消费总量的25%。 ;火电、水电、风电、光伏装机量居世界第一。我国仍处于工业化后期,短期内能源需求将继续增长。国内外多家机构的预测结果显示,我国能源消费总量将在2035年前后达到峰值(约5.7×109 tce)。
在碳排放方面,美国的历史峰值为5.7×109 t,欧盟为4.4×109 t,而我国的碳排放峰值可能在2030年前超过1.04×1010 t。可以看出,我国能源结构优化调整和碳减排任务艰巨而艰巨。
2.能量转换时间短
欧盟国家在1990年代已达到碳峰值,美国、日本、韩国等国也在2010年前后达到碳峰值;根据全球2050年净零排放目标,碳达到峰值和碳中和的时间间隔多为40~70年,平均周期为50年左右。我国从碳达峰到碳中和的时间间隔只有30年。在经济持续发展、能源消费持续增长的条件下,推动实现碳达峰和碳中和目标将面临发展和减排的双重压力。
因此,在距离碳达峰目标不到10年的情况下,迫切需要统筹短期和中长期发展,把握好“十四五”的窗口期和关键期,建立短期见顶和中长期中和目标。坚实的基础。
3.能源转型成本高
据测算,我国实现碳达峰和碳中和的总投资约136-300万亿元,占到2030年全球实现净零排放总投资成本的1/3。能源转型成本为高的。在充分引入社会资本、最大限度发挥市场调节机制推动可再生能源发展的同时,也要妥善解决化石能源基础设施搁浅造成的成本浪费。
例如,欧洲、美国、日本等国家和地区的燃煤发电机组平均使用寿命在40年左右,目前正处于大规模退役阶段。煤炭发展周期符合低碳转型趋势;由于我国工业发展起步较晚,燃煤电厂的平均运行寿命仅为12年,煤电厂“一刀切”的退出机制将带来巨额资产搁浅费用。
为此,在实现碳达峰和碳中和目标的过程中,既要防止以实际问题为借口而拖延转型,又要防止无视现实的轻率转型。中和行动,妥善处理发展与减排、短期和长期的关系,兼顾不同能源品种在不同阶段、不同领域、不同地区的发展需求,探索能源转型路径的最优方案在整体因地制宜改造的背景下。
1. 不以牺牲能源安全为代价
未来很长一段时间,化石能源仍将是我国能源供应的主体。鉴于现阶段我国能源消费持续增长,油气对外依存度高,可再生能源缺乏早期开发,能源转型过程中的能源安全。隐患逐渐显现。煤炭方面,受全球政策和投资限制,产能锐减、价格快速上涨,直接导致我国多地出现“停电”危机。
在石油和天然气方面,我国对外依存度分别高达70%和40%。在碳达峰、碳中和的背景下,我国石油进口配额不断收紧,叠加国际油气价格波动加剧等因素,国内油气供应面临严峻挑战。在可再生能源方面,全球极端气候事件频发,风能和太阳能供应的不稳定性和缺陷逐渐显现。因此,我国能源转型短期内需要坚持“先立后破”的原则,优先稳定化石能源供应;中长期来看,大力发展可再生能源,逐步摆脱对进口能源的过度依赖,实现清洁、低碳、安全、自主的能源,支持我国经济社会发展。
2. 不以显着增加能源成本为代价
在能源转型过程中,要以降低成本作为推动非化石能源替代化石能源的内在动力。从能源供应的完全成本角度,考虑可再生能源发展的规模和步伐,整合可再生能源和化石能源的成本优势。 .相关模拟结果表明,可再生能源的消费成本会随着渗透率的增加而增加;当渗透率为30%时,消费成本占我国平均售电价格的17%左右。消费成本占比将高达30%。因此,我国发展可再生能源还应充分考虑储能调峰技术的成熟度和发展规模,避免出现用电成本和终端成本急剧上升的情况。
3. 不以牺牲能源效率为代价
国际能源署(IEA)的一项研究发现,从2020年到2070年,能源效率提升的累计碳减排贡献率约为40%。 2020年我国单位国内生产总值能耗约为0.49吨标准煤/万元,是世界平均水平的1.4倍,是发达国家的2.1倍。提高能效是我国实现碳达峰和碳中和的重要支撑和引领方向。
三、我国天然气的发展机遇和优势
(一)具备跨越式发展的资源和基础设施
一、世界天然气供应充足
世界天然气储量极其丰富,特别是随着页岩气革命的到来,天然气资源开发水平有了很大提高。世界天然气资源量、储量及产量比例见表1。2019年全球剩余常规和非常规天然气可采资源量为8.03×1014 m3,2020年剩余探明可采储量为1.881×1014 m3 ;按照2020年产量估算(3.85×1011 m3),全球天然气储量与产量之比为48.8,仍保持在较高水平,资源储量可持续发展。
近年来,随着液化天然气(LNG)基础设施的不断发展,全球LNG出口国已超过50个,LNG贸易量持续快速增长;近十年的年均增长率为6.8%,远高于管道气。 1.8%的增长率。 2020年LNG贸易量将达到4.879×1011 m3,占世界天然气贸易总量的51.9%,首次超过管道气。未来全球天然气产量将以年均1.4%的速度增长,预计2040年产量将达到5.4×1012 m3。世界天然气资源储量充足,产量持续增长,天然气基础设施的不断完善,都为我国利用海外天然气资源奠定了良好的基础。
表 1 世界天然气资源、储量和产量比例

注:剩余可采资源量来自IEA 2018年底公布的数据;剩余探明可采储量和产量来自 BP p.l.c. 发布的 2020 年数据。
二、我国天然气勘探开发方兴未艾
我国天然气资源丰富,勘探开发程度低,开发潜力大。据相关测算,我国常规气、页岩气和煤层气技术可采资源量分别为3.33×1013 m3、1.285×1013 m3和1.25×1013 m3,合计5.865×1013 m3。截至2019年底,全国常规气、页岩气和煤层气技术可采储量分别为7.69×1012 m3、4.334×1011 m3和3.285×1011 m3,探明率为23%和3.4 %, 分别。 , 2.6%,处于勘探初期。
2000年以来,我国天然气工业迎来了大发展。常规天然气和非常规天然气同时开发。先后发现苏里格、安岳、克拉苏、涪陵、普光等28个地质储量超过1000亿立方米的大型气田。新增探明地质储量连续18年超过5×1011 m3(见图1);建成鄂尔多斯、四川、塔里木、南海四大气区,天然气产量从2000年的2.44×1010 m3增加到2020年的1.888×100 m。1011 m3(见图2),年均产量增长率为 10.8%。综合资源基础、勘探发现和生产特征预测,通过超非海洋、海陆相结合等措施,预计2035年我国天然气产量将达到3.0×1011立方米,天然气开发仍有潜力巨大。

图1 我国新增探明天然气储量构成(2000-2020年)

3. 不断发展的天然气基础设施
天然气基础设施是天然气快速发展的重要基础。自2000年西气东输工程开工建设以来,我国已建成东西纵贯南北、内外贯通的基础设施网络。以中亚、中俄、中缅跨国管道为主体的天然气管网体系,形成了西气东输、北气南输、东气东输四大天然气进口供应格局。缅甸天然气和海气登陆。 “国内天然气管网结构。
到2020年底,国内天然气长输管道总里程1.1×104公里,城市燃气管网7.0×104公里。已建成的22座沿海LNG接收站,接收能力为8.8×107 t/a。 27座储气库库容1.61×1010 m3,调峰能力1.02×1010 m3。综合来看,天然气基础设施建设支持我国天然气进口量超过1.4×1011立方米,天然气消费量达到3.28×1011立方米。
(二)重点地区天然气利用比较优势明显
我国天然气消费量增长较快,消费量从2000年的2.45×1010立方米增加到2020年的3.28×1011立方米,在能源消费结构中的比重从2.2%上升到8.4%。我国主要用气行业为工业、居民、电力和交通,分别占2019年消费量的38%、17%、16%和7%。在碳达峰和碳中和的约束下,世界天然气供应充足,在发电、交通、城市燃气、工业等重点领域的天然气消费和利用具有明显的比较优势。
1、发电
与燃煤发电(煤电)相比,燃气发电(气电)清洁、低碳、灵活、高效。
①与煤电相比,气电在环保方面具有明显优势。天然气燃烧和利用过程中的CO2和氮氧化物排放量比煤炭分别减少44%和50%,无粉尘颗粒和SO2排放。
②调峰气电机组具有启停快、爬坡率快、调节性能好等优点。煤电冷启动需要5小时,而调峰气电机组满负荷启动只需9-10分钟;调峰式燃气发电机组不仅可以改善间歇性和随机性可再生能源大规模接入带来的电网安全问题,还可以解决大电网深度调峰过程中能源效率降低、排放增加等问题。规模化燃煤机组。
③天然气发电效率高,热电联产能源利用率可达80%,远超过普通发电机组的30%。截至2020年10月,我国燃气电厂主要有热电联产和调峰(调峰)两种机组装机。装机容量及地域分布见图3;总装机容量为 97 吉瓦,包括调峰机组。 39.5 GW(占41%),年发电用天然气5.71×1010 m3。随着大气污染治理的不断推进和可再生能源的大规模介入,电力调峰需求不断增加,以调峰电厂为主的燃气发电有望迎来大发展。

2. 交通
天然气在交通运输领域具有显着的经济和环境优势。 1升汽油和1立方米天然气的热值基本相同。国际油价60美元/桶时,国内汽油零售价约为7元/L,而天然气加气价仅为3.5~5.0元/m3,是天然气汽车的燃料。成本是燃油车的50%~70%。与汽油车相比,天然气汽车尾气中CO、CO2、氮氧化物的排放量显着降低,颗粒悬浮物、氧化铅等有害物质可零排放(见表2)。
此外,天然气汽车在长途客货运输特别是寒冷地区的应用中,具有电动汽车无法比拟的优势,可与电动汽车共同推动交通领域能源革命的实现。截至2019年底,我国天然气汽车保有量超过760万辆,其中出租车、城市公交车等压缩天然气(CNG)汽车超过700万辆,LNG重型卡车超过60万辆。大约有6,000个CNG加气站。 ,拥有约3900座LNG加气站,建成全球最大的交通天然气市场;交通运输领域天然气消耗量为3.63×1010 m3,成品油消耗量等量替代物约为2.96×107 t。
目前,天然气汽车占全国汽车保有量的比例不到3%。随着天然气基础设施的完善,在经济和环境因素的推动下,天然气汽车将为我国交通运输业的低碳转型做出重大贡献。
表 2 不同燃料的污染物排放量

注:以汽油污染物排放为参考标准,设定为1(100%);其他燃料的污染物排放以汽油为基础。
3、城市气田
近年来,随着我国城镇化进程的加快和大气污染防治政策的助力,城市燃气需求持续增长。特别是《大气污染防治行动计划》、《能源发展“十三五”规划》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》、2017年京津冀大气污染防治工作周边地区重点“煤改气” 随着《防控工作方案》《北方地区冬季清洁供暖规划(2017-2021年)》《关于加快推进天然气利用方面,城市用气量保持较快增长,由2010年的3.6×1010 m3,到2020年为6.41×1010 m3(不含交通用气)。
到2019年底,我国城镇化水平达到60.6%,使用天然气人口3.9亿人,占全国总人口的28%和城镇人口的43%。预计到2035年,我国城镇化率将达到72%。如果超过70%的城市人口使用天然气,则预计城市天然气消费量将翻一番。
4、工业领域
天然气广泛应用于工业领域。我国鼓励工业领域“煤改气”,限制天然气化工发展。在工业领域,天然气主要用于冶金、陶瓷、玻璃加工、食品加工、印染、造纸等行业的工业窑炉,以及生产蒸汽或热水的工业锅炉,以替代煤、气和石油产品。天然气纯度高,杂质少,易于控制温度,保证产品质量;天然气储运方便,无需脱硫和废物处理工序,大大降低了设备维护、人员、车辆和环保相关成本。工业用天然气消费量快速增长,从 2010 年的 1.95×1010 m3 增长到 2020 年的 1.29×1011 m3。
随着“煤改气”政策的不断推进和更严格的环保政策的实施,工业燃料领域的天然气消费量将逐步增加。在化学工业中,天然气主要用于生产氮肥(合成氨)和甲醇,其次是生产乙炔、氢氰酸、甲醛、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷、炭黑和提取氦。目前我国天然气化工不具备竞争优势,采取限制化学气使用的政策,因此化学气消费规模保持稳定,2020年天然气消费量约为3.0×1010 m3 .
(一)天然气终端价格偏高,价格比较优势不突出
天然气在发电和化工领域的低价优势已成为制约天然气发展的关键因素。天然气在常规发电领域的竞争力较弱。燃气电厂70%以上的发电成本来源于燃料成本,天然气价格已成为燃气电厂效益的决定性因素。 2019年我国沿海省份和京津地区燃气电厂的天然气平均采购成本约为2~2.5元/m3,旺季可高达3元/m3。据测算,我国气电平均成本为0.5~0.6元/kW·h,比燃煤电厂平均成本高0.23~0.31元/kW·h。 2020年,受新型冠状病毒肺炎疫情和天然气供应市场过剩的影响,全球天然气价格有所下降,燃气电厂成本也降至0.3~0.5元/kW·h,但仍高于燃煤电厂的电价成本。 .
作为工业燃料,天然气虽然具有明显的环保优势,但作为玻璃、陶瓷、工业锅炉产生蒸汽的燃料替代品,经济性较差。天然气作为合成氨和甲醇的化工原料,与煤炭相比不具备经济优势。例如,天然气制氨的每吨成本比无烟煤高35%,天然气制甲醇的每吨成本比无烟煤高66%。
(二)天然气基础设施不完善,规模发展存在隐患
我国天然气基础设施虽然发展迅速,但仍存在一些结构性矛盾,主要体现在调峰设施滞后、调峰能力不足、管道互联互通不足、“最后一公里”壁垒等。天然气规模化发展存在一定隐患。 .目前,我国用于调峰的天然气总储量仅占天然气总消费量的7.2%,远低于国际水平(15%-20%),造成北方部分地区“气荒”冬天里。
气源不稳定推高了非重点供应地区的气价,制约了天然气的规模化应用。例如,受“气荒”和天然气价格上涨的影响,2018年上半年天然气重卡销量大幅下降。城市管道由国家石油天然气管网集团有限公司、省级天然气公司、城市燃气公司分别建设和运营。尤其是城市大工业用户直供天然气受到诸多制约因素,直接影响天然气供应安全和消费市场。
(三)价格机制未理顺,效益发展难
近年来,我国天然气先后完成了存量气与增量气、居民用气与工业用气的价格整合,初步建立了政府调控与市场调节相结合的定价机制,市场化定价范围不断扩大。 .对于燃气电厂的调峰、调峰定价等具体环节,定价机制有待进一步完善。
根据国家发改委2013年发布的《关于天然气价格的通知》,天然气电价可根据发电机类型(热电联产或调峰)而有所不同,不得超过0.35元/千瓦以上基准煤电价 h.由于天然气价格机制不灵活,不能充分发挥天然气调峰电站的优势。目前燃气调峰电站的利用率普遍低于40%,部分地区甚至低于20%,这增加了燃气调峰电站的发电成本并对其产生了制约。其规模化发展。
(四)在碳峰化和碳中和约束下,天然气发展需要加快
经过两百多年的发展,美国的天然气市场已进入全面零售竞争阶段。市场高度开放、法律法规体系健全、市场信息透明、市场定价完整、第三方准入公平,形成了明显的市场竞争优势。美国终端市场前期依靠发电和城市燃气,推动工业煤替代、交通柴油替代和后期发电比重提高,天然气大规模应用气已完成。
相比之下,我国天然气市场仍处于非竞争性市场阶段,发展较晚,资源储量有限,地质和开发条件复杂,市场活力和竞争力不足,法律法规体系有待完善。 .因此,在碳达峰和碳中和的约束下,要充分发挥天然气作为能源安全“压舱石”和电力安全“稳定器”的作用,抓住“稳油、稳油”的机遇。增加天然气,发展新能源”。深化和加快天然气产业改革步伐,合理布局天然气产业,增强供应可靠性和灵活性。
五、对我国发展天然气的建议
我国天然气产业既要满足经济社会发展对清洁能源增量的需求,推动传统高碳化石能源替代,又要适时构建新能源融合发展新格局。根据国内外天然气供需情况,天然气在重点领域的比较优势及其在碳达峰和碳中和过程中的作用,并综合考虑资源、环境、经济和安全方面,预计到2040年我国天然气需求将翻一番。高峰期(6×1011立方米以上)国内天然气产量将超过3×1011立方米,可依托国内自主生产和海外资源东北、西北、西南、近海四大战略通道,确保供应充足。
天然气具有网络化、连续供应的特点。在未来发展中,要明确顶层设计,继续推进“产、供、储、销”协同发展。共同推动扩大消费规模,保障供给充足,加强基础设施建设,优化体制机制,切实发挥天然气过渡能源“桥梁”作用,构建清洁、低碳、安全、高效的新能源体系,为我国实现碳峰和碳中和提供基础保障。
(一)加强顶层统筹,明确天然气发展方向和思路
建议在国家碳达峰和碳中和路线图中明确天然气作为碳达峰和碳中和“桥梁”主要能源的作用和定位。按照加强国内供应基础、拓展多种供气来源、鼓励发展气电调峰和天然气汽车、大力发展储气库和管道基础设施、协调完善财税价格等总体思路政策扶持,充分发挥天然气比较优势,加快发展天然气产业。发展,为实现2030年前碳排放峰值做出贡献,为新能源关键技术成熟和新兴产业成长赢得时间和空间,为2060年前最终实现碳中和目标提供最有利的支撑。
(二)发挥比较优势,推动天然气消费跨越式发展
天然气在不同能源消费领域的比较优势存在显着差异,存在天然气跨越发展的现实需求。发挥天然气绿色低碳优势,践行绿色发展理念,以大气污染防治为依托,持续推进城市燃气和工业“煤改气”工程领域,并帮助城市和区域环境的可持续发展;价格优势,聚焦严寒地区长途货运和城市运输,积极布局LNG和CNG加气站,加快“油改气”步伐,推动交通领域快速脱碳;发挥天然气、可再生能源低碳、灵活等优势 聚焦生产基地和电力需求负荷中心,加快燃气和电力调峰规划布局,促进可再生能源规模化发展和安全保障电网输配电;发挥天然气低碳高效优势,因地制宜建设热电联产燃气电厂。促进区域高能效。
(三)合理利用国内外资源,确保天然气供应充足可靠
坚持开放条件下能源安全自主可控的理念,建设坚实的国内天然气供应基地,多元化引进海外天然气资源,实现对内对外供应充足。国内要继续加大天然气勘探开发力度,陆海并重,加强深海、非常规油气勘探开发重大科技攻关(“两深一非常规”)石油和天然气勘探和开发;建设川渝地区、鄂尔多斯盆地、新疆海域四大生产基地,力争实现国内产量3×1011立方米。
对于国际天然气资源的获取,坚持多元化理念,投资与贸易并重,陆海并重,长期合作与现货并存,做强中亚供应基础——俄罗斯,拓宽中东和东非通道,巩固西北、东北、西南地区天然气进口四大通道,依托多元化的资源来源和多元化的贸易方式,多元化进口渠道实现天然气充足可靠供应。
(四)推进基础设施建设,提高安全保障效率和水平
针对天然气消费地区季节性失衡和持续供应,按照基础设施联网、调整设施冗余的思路,加强天然气管网布局优化和输配能力建设形成内与外、陆与海、互联互通的网络。国家天然气管网。统筹LNG接收站布局,按照需求导向、适度超前的原则建设LNG接收站,避免地方投资冲动造成的低效、分散格局。提高储气库调峰能力,积极推进东北、华北、西南地区储气库群建设,按照适度冗余标准确定与消费相匹配的调峰能力。继续推进“产供储销”体系建设,加强智能化、数字化建设,通过多环节联动实现系统高效安全运行。
由于天然气中最大成分(CH4)的温室效应在100年后仍是CO2的21-28倍,因此要积极创新技术、设备和管理,明确标准和责任,确保生产、严格控制天然气在运输和使用过程中的排放或泄漏量,确保天然气的最大效率。
(五)加强促进天然气产业快速发展的政策机制建设
发挥政策机制的引导和推动作用,建立和优化与国内天然气勘探开发相适应的土地利用、海洋利用、安全环保政策,继续非常规天然气财政补贴和税收优惠。将调峰成本纳入系统成本,尽快提高反映调峰成本的调峰气价和调峰电价,推进储气库和燃气调峰电源建设布局站通过政策和市场力量。
鼓励交通领域“以气代油”、工业和气田“以气代煤”等政策。调整天然气价格形成机制,鼓励向工业园区和大用户直供天然气的政策,大幅度降低工业和发电领域的天然气价格。通过政策层面多点发力,助力天然气跨越式发展和安全稳定供应,为我国实现碳达峰和碳中和提供坚实保障。
本文来自微信公众号:中国工程院(ID:CAE-Engineering),作者:刘鹤(能源与矿业工程管理专家,中国工程院院士),梁坤,张国胜,李志新, 丁琳, 苏健, 朱世佳, 葛苏, 刘敬尧, 来源:碳达峰和碳中和约束下我国天然气发展战略研究[J].中国工程科学, 2021, 23(6): 33-42.
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