Auto elettrica

automobile con motore elettrico che utilizza come fonte di energia primaria l'energia chimica immagazzinata in una o più batterie ricaricabili

L'auto elettrica è un'automobile con motore elettrico che utilizza come fonte di energia primaria l'energia chimica immagazzinata in un "serbatoio" energetico costituito da una o più batterie ricaricabili e resa disponibile da queste al motore sotto forma di energia elettrica.

Tesla Model 3, l'auto elettrica della Tesla Motors in vendita a partire dalla fine 2017.

Come svantaggi si ha una limitata autonomia tra le ricariche, il tempo di ricarica e la scarsa durata della carica delle batterie, anche se con l'avanzare della ricerca nuovi tipi di batterie ricaricabili e nuove tecnologie ne hanno incrementato l'autonomia e la vita utile, riducendone contemporaneamente il tempo di ricarica.[1]

Storia

 
Camille Jenatzy a bordo del prototipo da record La Jamais Contente, nel 1899
 
Thomas Alva Edison sulla sua Studebaker Electric nel 1903

Comparsi i primi prototipi nella prima metà dell'Ottocento, la storia dell'auto elettrica ha registrato alcuni progressi tecnologici in parte comuni rispetto alla generale evoluzione del settore automobilistico e in parte derivati dalla peculiarità della presenza a bordo delle batterie come serbatoio di energia.

Oltre ai veicoli elettrici "puri" esistono i veicoli ibiridi, che nell'ambito di un unico sistema di propulsione montano due differenti motori. I veicoli ibridi più diffusi sono quelli che combinano un motore elettrico e un motore a combustione interna.

  Lo stesso argomento in dettaglio: Veicolo ibrido.

Batterie

 
Prototipo di accumulatore litio-polimero ideato nel 2005 dalla Lockheed-Martin per la NASA, con una capacità erogabile di 50 W·h/kg. I prototipi più avanzati (al 2017) forniscono 265 W·h/kg con la possibilità di migliaia di cicli di ricarica.

Le batterie ricaricabili utilizzate nei più diffusi veicoli elettrici si basano sul litio (le litio-ione, le Li-ion polimero, le litio-ferro-fosfato). In passato si utilizzavano l'accumulatore piombo-acido ("inondate" e VRLA), il NiCd e il tipo a NiMH.

Tra le batterie più promettenti in via di sviluppo vi sono le batterie al litio-titanio (titanato di litio e litio-diossido di titanio)[2][3] ed eventualmente nuove varianti della pila zinco-aria (che però non possono essere ricaricate in modo semplice).

Le batterie sono tipicamente il componente più costoso dei BEV (Battery electric vehicle). Sebbene il costo di fabbricazione della batteria sia elevato, l'aumento della loro produzione porta a un sensibile abbassamento dei costi nel momento in cui la produzione dei BEV raggiungerà valori che si avvicinano al numero dei veicoli a combustione interna commercializzati al giorno d'oggi.

A partire dalla fine degli anni novanta, lo sviluppo di nuove tecnologie per le batterie è stato pilotato dalla impetuosa crescita della domanda di computer portatili e di telefoni cellulari, con la richiesta da parte dei consumatori di schermi più larghi e più luminosi e di batterie di durata più lunga; ciò ha pilotato la ricerca e lo sviluppo in quel settore. Il mercato dei BEV ha utilizzato i progressi ottenuti in quel settore. Se il mercato dei BEV dovesse crescere esso contribuirà alla ricerca e allo sviluppo di nuove tecnologie relative alle batterie.

Durata delle batterie

 
Raffronto elaborato dall'EPA dei principali modelli in commercio nel 2016 e fino a marzo 2017, più la prossima Tesla Model 3.[4][5]

Le autovetture elettriche hanno un'autonomia che varia di molto. I modelli equipaggiati con batterie al litio consentono autonomie tipicamente dell'ordine di 400–500 km[6], mentre gli ultimi modelli in commercio arrivano 600 km.[1]

La autonomia di un'auto elettrica può essere aumentata utilizzando un sistema di ricarica automatica in fase di frenata (che recupera una media del 15% dell'energia impiegata in un medio percorso) e in caso di rallentamento o discesa.

Le singole batterie sono di solito raggruppate in grandi gruppi a varia tensione e capacità per ottenere l'energia richiesta. La durata delle batterie dovrebbe essere considerata quando si calcola il costo di investimento, dato che le batterie si consumano e devono essere sostituite. Il decadimento delle batterie dipende da numerosi fattori, anche se si stanno progettando batterie che durano di più dello stesso veicolo.

Ricarica

Le batterie delle vetture elettriche devono essere ricaricate periodicamente (vedi anche Sostituzione delle batterie, più sotto). Le auto elettriche solitamente vengono caricate dalla rete elettrica. In questo caso l'energia è generata da una varietà di risorse come il carbone, l'energia idroelettrica, l'olio combustibile, il gas naturale, altre fonti rinnovabili o, infine, nei paesi in cui è previsto l'uso, l'energia nucleare.

La maggior parte delle auto elettriche (es. Nissan Leaf, Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3) possono essere ricaricate all'80% della loro capacità in 30 minuti.

Le Tesla Model S e Tesla Model X possono essere caricate con l'ultima stazione DC a ricarica rapida da 135 kW commercializzata dalla Tesla, fornendo 85 kWh (sufficienti per percorrere mediamente 290 km) in circa 30 minuti.

La velocità di ricarica domestica è limitata dalla potenza disponibile, vincolata a contratti che vanno da 1,5nbsp;KW (negli USA, Canada, Giappone, e paesi con tensione 110 Volt) fino a 3-6 kW (in paesi con corrente a 240 Volt).

 
Tesla Supercharger station a Tejon Ranch, California.

Sistemi per la ricarica veloce

La Toyota dal 2011 è al lavoro per mettere a punto una nuova generazione di accumulatori agli ioni di litio ricaricabili in 7 minuti.[7]

Ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore stanno studiando una batteria gel di diossido di titanio; nel 2014 hanno presentato un prototipo si carica fino al 70% in due minuti.[3]

A molte persone non è comunque indispensabile una ricarica veloce perché a una certa ora della giornata dispongono di sufficiente tempo (da 6 a 8 ore), di giorno nel parcheggio del luogo di lavoro, oppure di notte nel parcheggio di casa.

Alimentazione da colonnine di ricarica

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Colonnine di ricarica a Roma nel 2016.

L'alimentazione di corrente dalla "colonnina" all'auto può avvenire in due modi:

  • Per via "conduttiva", in pratica una presa di corrente più o meno normale, che attraverso un trasformatore e un raddrizzatore fornisce alla batteria l'energia necessaria alla ricarica.
  • Per via "induttiva", in cui l'avvolgimento primario (adeguatamente protetto) viene inserito in una fessura del veicolo, dove si accoppia con l'avvolgimento secondario. Con una connessione di questo tipo si elimina il rischio di folgorazione dal momento che non vi sono parti accessibili sotto tensione.

Se questo sistema funziona a impulsi ad alta frequenza può trasmettere enormi quantità di energia in pochi istanti (esistono sistemi simili in applicazioni di macchine industriali).

Un sistema che nasconda gli elettrodi può rendere il sistema conduttivo sicuro quasi come quello induttivo. Il sistema conduttivo tende a essere meno costoso e anche molto più efficiente per la presenza di una minore quantità di componenti.

Sostituzione delle batterie

 
Sostituzione delle batterie nel modello Zotye M300 EV.

Un'alternativa alla ricarica (e ai suoi lunghi tempi) è quella di sostituire rapidamente le batterie di accumulatori scarichi con altre già cariche. Queste batterie modulari dalla dimensione standard, spesso dal un peso ridotto a 20–40 kg e alloggiate in un doppio fondo sotto l'abitacolo, tra le ruote, oppure sotto il bagagliaio) possono scorrere ed essere rapidamente sostituite dal personale della stazione di servizio oppure da sistemi robotizzati, impiegando poche decine di secondi. Tuttavia il costo totale di tale operazione si rivela molto antieconomico rispetto alla più semplice ricarica.

A seconda del tipo di batterie ricevute, si procederà a ricaricarle in modi diversi. La pila zinco-aria (che non può essere ricaricata in modo semplice), deve essere portata in un centro industriale (più o meno grande, forse in futuro portatile) e "rigenerata" con un procedimento elettro-chimico.

Nel 2011 l'azienda Better Place lanciò sul mercato il primo sistema moderno di sostituzione delle batterie per i veicoli elettrici per privati, ma entrò in crisi finanziaria e fallì nel maggio 2013.[8][9][10][11]

La Tesla Model S è progettata per permettere lo scambio di batterie.[12] Nel giugno 2013 la Tesla ha annunciato che sta sviluppando delle "stazioni di supercarica" per permettere lo scambio batterie in 90 e secondo, ovvero la metà del tempo comunemente impiegato per rifornire di benzina un'auto tradizionale.[13][14]

Efficienza energetica

I veicoli elettrici hanno complessivamente una maggiore efficienza energetica rispetto a quasi tutti i motori a combustione interna. A causa soprattutto dei limiti imposti dal rendimento del Teorema di Carnot, il motore a benzina ha una efficienza energetica attorno al 28%, un diesel si avvicina al 40%[15]. Un motore elettrico a induzione in corrente alternata, non essendo un motore termico, non è soggetto ai limiti del teorema di Carnot e raggiunge un'efficienza del 90%[16]. Per rendere equo e corretto il paragone tra i due tipi di propulsione energetica occorre però considerare l'intero ciclo di produzione e utilizzo dell'energia in gioco visto che l'energia elettrica è una fonte di energia secondaria ottenuta in massima parte a partire da fonti fossili. Il rendimento del 90% del motore elettrico va infatti scalato di un fattore di circa 0,6 dovuto all'efficienza di conversione dall'energia contenuta nella fonte primaria (l'idrocarburo) in energia elettrica considerando le centrali elettriche più efficienti, ovvero quelle a ciclo combinato;[17][18] si ottiene così un valore di efficienza totale nel ciclo di produzione/utilizzazione elettrico pari a circa 50%, che va ulteriormente scalato di un fattore dovuto alle perdite di efficienza nel trasporto dell'elettricità lungo la rete elettrica di trasmissione e distribuzione e di un fattore di efficienza di accumulo dell'energia elettrica nelle batterie di ricarica. Analogamente, per benzina e diesel andrebbe anche considerata l'energia spesa nella raffinazione e nel trasporto (che spesso avviene su gomma, comportando un ulteriore consumo di energia a bassa efficienza) del carburante utilizzato.

In termini di consumi le vetture elettriche tipicamente consumano da 0,15 a 0,25 kWh/km.[19][20][21] Una vettura con motore a combustione interna consuma invece più di 0,5 kWh/km.[19]

Se si considera il sistema globale, includendo l'efficienza energetica del processo di produzione e della distribuzione al punto di rifornimento, il calcolo risulta complesso a causa della grande diversità delle fonti prime.

La resistenza aerodinamica (Cx) ha una grande importanza nel determinare l'efficienza energetica, particolarmente alle alte velocità già partendo dai 40 km/h e le vetture elettriche, necessitando di un minor raffreddamento, hanno pertanto feritoie sulla carrozzeria di minor o nullo impatto aerodinamico con l'aria.

Bisogna inoltre tenere conto del fatto che il motore elettrico è dotato di prestazioni superiori alle velocità variabili, condizione di utilizzo tipica di qualunque veicolo, e non consuma nei casi di fermo/stop. Si ritiene per questo che i maggiori vantaggi in termini di efficienza dell'auto elettrica rispetto alle auto a combustione interna si avrebbero con l'uso urbano del mezzo (uniti a sistemi di recupero dell'energia cinetica dissipata in frenata tipo KERS) laddove i motori a combustione perdono significativamente in efficienza nelle frequenti fasi di accelerazione e nelle soste a motore acceso, ed è per questo che soluzioni "ibride", altamente flessibili in base alla tipologia di traffico, appaiano le più praticabili ed effettivamente attualmente le più diffuse nel mercato dell'auto elettrica.

Il prezzo delle auto elettriche in vendita è ancora abbastanzo alto in confronto ai pari vetture a motore a scoppio, per i motivi suddetti.

Aspetti economici e ambientali

Il costo principale del possesso dei veicoli elettrici dipende principalmente dal costo delle batterie, il tipo e la capacità di esse è fondamentale nel determinare molti fattori come l'autonomia di viaggio, la velocità massima, il tempo di vita utile della batteria e il tempo di ricarica; esistono alcuni svantaggi e vantaggi dei vari tipi, probabilmente non esiste un tipo ideale per chiunque, ma alcuni sono più adatti per alcuni utilizzi.

Il costo delle batterie è molto variabile in base alla tecnologia usata e alle prestazioni offerte, da qualche migliaia di euro fino a superare il 50 % del costo totale del veicolo, rendendo molto più oneroso l'acquisto di auto elettriche rispetto a veicoli alimentati a combustibili fossili. Il costo delle batterie è comunque destinato a scendere in modo significativo con lo sviluppo della ricerca e nel caso di una futura produzione in serie.[22][23] D'altra parte sono minori i costi percentuali di riparazione post-collisione, dal momento che sono per buona parte riciclabili, e non essendo dotati di motore che brucia combustibile liquido e dei conseguenti apparati necessari al suo funzionamento, sono più affidabili e richiedono una manutenzione minima.

Come per tutti i dispositivi elettrici ed elettronici, anche i veicoli elettrici a batteria hanno il vantaggio di poter essere smantellati facilmente e riciclati per la maggior parte dei componenti dopo, ad esempio, incidenti stradali. A differenza dei componenti dei motori a benzina, che tendono a incendiarsi (specie quando i tubi rotti dell'iniezione soffiano benzina sulla marmitta catalitica o sul turbocompressore rovente), i componenti delle celle a batteria tendono a mantenersi integri e funzionanti per poter essere recuperati e riutilizzati. Dal momento che (eccetto alcuni accumulatori di tipo litio-ione) non hanno materiali infiammabili, possono essere considerati veicoli più sicuri in caso di incidente.

Nell'uso reale con percorrenze medie giornaliere ridotte i veicoli elettrici possono fare circa 150.000 km con un singolo set di batterie, che durano in media circa 10 anni, quindi grosso modo con le tecnologie attuali la durata di vita della batteria e quella dell'auto coincidono.[19]

Comparando il costo complessivo di veicoli elettrici e a combustione interna, calcolando costi di acquisto, manutenzione, alimentazione ecc., già oggi i veicoli elettrici sono competitivi, soprattutto a basse percorrenze.[24] Resta l'ostacolo dell'investimento iniziale per l'acquisto molto maggiore, che viene poi compensato da costi di alimentazione[25] e manutenzione nettamente inferiori.[26][asserzioni in contraddizione tra loro] A causa dell'alto costo delle batterie, la durata di vita dell'auto elettrica è in genere limitata a quella delle batterie.

I veicoli elettrici, in base a fonti USA, hanno dei costi operativi, considerando solo il costo dell'energia, di circa 2-3 centesimi di euro per chilometro, mentre (sempre negli USA, dove la benzina è poco o per nulla tassata) i veicoli tradizionali a benzina hanno costi operativi maggiori di più del doppio.[27] In paesi come l'Italia dove la benzina è fortemente tassata la forbice si allarga, e il costo per km è di 3-4 volte superiore.[25][26]

Le auto elettriche godono inoltre di vantaggi nella circolazione, come parcheggi riservati (con colonnine di ricarica elettriche gratuite oppure a prezzi modici), diritto a circolare sulle corsie per bus e taxi, libertà di accesso alle ZTL e immunità da ogni blocco del traffico.

Dal punto di vista del sistema economico, inquinando di meno, danneggiano meno salute dei cittadini e monumenti e questo significa meno costi per la collettività.

Impatto ambientale complessivo

Molti fattori devono essere considerati riguardo all'impatto totale sull'ambiente. Il tipo di analisi più esauriente è quella dalla catena di montaggio alla discarica. Questa analisi tende a considerare ogni tipo di consumo energetico, includendo i consumi (ed emissioni) implicati dalla produzione originale (e anche della componentistica) e le fonti di carburante e tutti i consumi (e le emissioni) durante la vita utile del veicolo includendo l'inquinamento durante la produzione delle batterie e la sua deposizione in discarica. I vari tipi e l'entità dell'inquinamento varia di molto tra i vari tipi di batteria, cosa che rende ancora più difficile fare dei confronti.

Per quanto riguarda le batterie, ad esempio, nei primi modelli erano pesanti gli effetti ambientali dell'inquinamento da nichel e da cadmio prodotti dall'estrazione mineraria, dalla fabbricazione della batteria, dalla discarica con successiva ossidazione, rottura, infiltrazione e dilavamento di una batteria NiCd malamente scaricata. Ma la situazione si è risolta proibendo questo tipo di batterie.[28] Riguardo alle batterie va considerato anche la loro durata, che oggi in media è pari a quella dei veicoli.[29]

L'altra grande differenza tra i veicoli BEV e ICE[non chiaro] rispetto all'impatto ambientale consiste nel fatto che i primi utilizzano l'elettricità al posto di combustibili liquidi. Qualora l'elettricità fosse generata a partire da fonte rinnovabile ciò presenterebbe un consistente vantaggio in termini di inquinamento. In ogni caso, se l'elettricità fosse prodotta in gran parte da combustibili fossili (come è oggi), il vantaggio relativo dei veicoli elettrici resta comunque rilevante.[27] Quindi l'impatto ambientale (emissioni indirette) dipende dal mix della produzione di energia elettrica ma resta comunque più basso della emissione diretta prodotta dai veicoli con motore a combustione.[30]

Diffusione

 
Tesla Roadster, l'auto elettrica prodotta dalla Tesla Motors in vendita dal 2008.

A causa dei maggiori costi di acquisto delle auto elettriche la loro diffusione è legata alle politiche di incentivi praticate dai singoli paesi.

Il paese nel quale sono più diffusi i V.E. è la Norvegia, dove i veicoli a benzina sono pesantemente tassati, mentre i V.E. ricevono un'incentivazione economica statale in media pari a circa 20.000 euro. Questo ha permesso, assieme alle auto ibride, di raggiungere quasi il 50% delle auto immatricolate nei primi due mesi del 2017.[31]

In Italia la diffusione è ancora marginale, pari a circa 3.500 V.E. circolanti nel 2015.[32] A Milano, da maggio 2015, è attivo un servizio di car sharing che utilizza esclusivamente auto elettriche.[33]

Note

  1. ^ a b Omar Abu Eideh, Tesla, arriva la maxi batteria da 100 kWh: oltre 600 km di autonomia, addio ansia da ricarica, in La Stampa, 27 agosto 2016.
  2. ^ Basteranno pochi minuti per caricare un’auto elettrica con le batterie al litio di ultima generazione, su cdcnpa.it, 16 dicembre 2014.
  3. ^ a b Massimiliano Zocchi, Con Batteria che si carica in 2 minuti: rivoluzione per le auto elettriche?, in DDay, 14 ottobre 2014.
  4. ^ Energy Efficiency & Renewable Energy, U.S. Department of Energy and U. S. Environmental Protection Agency and, Find a car - Years: 2016–2017 - Vehicle Type: Electric, su fueleconomy.gov, 24 marzo 2017. URL consultato il 26 marzo 2017.
  5. ^ David R. Baker, Tesla Model 3 reservations top 232,000, in San Francisco Chronicle, 1º aprile 2016. URL consultato il 14 settembre 2016.
  6. ^ (EN) Mitchell, T. (2003) "AC Propulsion Debuts tzero with LiIon Battery" AC Propulsion, Inc. press release at acpropulsion.com accessed 5 July 2006
  7. ^ Gabriele Amodeo, Auto elettriche: le batterie innovative Toyota si caricano in 7 minuti, in =Sicurauto, 1º Aprile 2016.
  8. ^ Better Place. The Renault Fluence ZE, su betterplace.com, Better Place, 22 ottobre 2010. URL consultato il 22 ottobre 2010 (archiviato dall'url originale il 12 settembre 2010).
  9. ^ David McCowen, The rise and fall of Better Place, su news.drive.com.au, Drive.com.au, 18 febbraio 2013. URL consultato il 14 aprile 2013.
  10. ^ John Voelcker, Better Place Electric-Car Service Files For Bankruptcy, su greencarreports.com, Green Car Reports, 26 maggio 2013. URL consultato il 26 maggio 2013.
  11. ^ Dan Primack, Exclusive: Better Place to file for bankruptcy, Fortune (magazine), 12 aprile 2012. URL consultato il 26 maggio 2013.
  12. ^ Sebastian Blanco, REPORT: Tesla Model S was designed with battery swaps in mind, 27 settembre 2009. URL consultato il 22 giugno 2013.
  13. ^ Mark Rogowsky, Tesla 90-Second Battery Swap Tech Coming This Year, in Forbes, 21 giugno 2013. URL consultato il 22 giugno 2013.
  14. ^ Tesla Motors demonstrates battery swap in the Model S, in Green Car Congress, 21 giugno 2013. URL consultato il 22 giugno 2013.
  15. ^ Daniele Scatolini, Motori a combustione interna (PDF), su uniroma2.it, Cinzio Arrighetti, Università di Roma, 2007.
  16. ^ RENDIMENTO DI UN VEICOLO, su ecomotori.net.
  17. ^ Forme di energia, conversione ed efficienza | PianetaSostenibile, su pianetasostenibile.it. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  18. ^ Efficienza di conversione energetica, su Decrescita Felice Social Network, 7 aprile 2011. URL consultato il 16 gennaio 2011.
  19. ^ a b c Luca Cassioli, Guida all'auto elettrica (pag. 14), Luca Cassioli, 1º gennaio 2012, ISBN 978-88-910-3183-9. URL consultato il 10 gennaio 2016.
  20. ^ EPA: l'autonomia della Nissan LEAF 2016 30 kWh è di 172 km, su Gruppo Acquisto Auto elettriche GAA, 21 ottobre 2015. URL consultato il 10 gennaio 2016.
  21. ^ Hybrids, Diesels, and Alternative Fuel Cars, su www.fueleconomy.gov. URL consultato il 10 gennaio 2016.
  22. ^ Batterie per auto elettriche: quanto costano veramente?, su www.veicolielettricinews.it, 9 gennaio 2016. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  23. ^ Batterie al litio, calo prezzi oltre le previsioni: siamo ai livelli previsti per il 2020, su www.qualenergia.it, 25 marzo 2015. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  24. ^ Quanto conviene oggi l'auto elettrica?, su www.qualenergia.it, 21 ottobre 2014. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  25. ^ a b Il consumo per chilometro delle auto elettriche (kWh/km) | Guidando, mobilità ecosostenibile, su www.guidando.it, 14 luglio 2011. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  26. ^ a b L'auto elettrica conviene o no? Ecco quanto costa voce per voce, su Motorlife. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  27. ^ a b Alternative Fuels Data Center: Emissions from Hybrid and Plug-In Electric Vehicles, su www.afdc.energy.gov, 22 dicembre 2015. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  28. ^ Direttiva 2006/66/CE - EUR-Lex - Europa, su eur-lex.europa.eu, 6 settembre 2006.
  29. ^ Italia e auto elettrica, un amore che non sboccia, su www.qualenergia.it, 28 ottobre 2014. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  30. ^ (EN) Van Mierlo, J., et al., "Environmental Damage Rating Analysis Tool as a Policy Instrument" 20th International Electric Vehicle Symposium and Exposition (PDF), su etecmc10.vub.ac.be, 2003. URL consultato il 16 gennaio 2016.
  31. ^ Claire Bar, Norvegia, a gennaio il sorpasso delle elettriche e ibride sulle auto tradizionali, in La Stampa, 20 marzo 2017. URL consultato il 9 gennaio 2016.
  32. ^ Strategie a confronto per la diffusione dei veicoli elettrici, su www.qualenergia.it, 7 gennaio 2016. URL consultato il 9 gennaio 2016.
  33. ^ Share'NGo - car sharing elettrico, su www.sharengo.it. URL consultato il 10 gennaio 2016.

Voci correlate

 
Un vecchio modello di Tzero in una drag race (gara di accelerazione tra due soli veicoli). Un veicolo elettrico in gara con un veicolo tradizionale: la Dodge Viper (dietro a sinistra).

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Collegamenti esterni

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