替代能源真的能替代石油吗?我国石油需求有何影响

作者:牛犁、王柏苍、闫敏、靳烨 文章来源:石油科技论坛 点击数:63 发布时间:2018-04-10
我国能源发展“十三五”规划提出,要着力推动能源生产利用方式变革,优化能源供给结构,提高能源利用效率,建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系,这是能源改革发展的重大历史使命!
替代能源真的能替代石油吗?我国石油需求有何影响

流程工业

我国经济发展进入新常态,抓住能源供需宽松的有利时机,加快替代能源发展将成为能源结构调整优化的必然选择,此举将对以石油为代表的传统能源发展产生重要影响。深入研究未来替代能源发展趋势、对石油需求影响及应对措施, 对石油企业可持续发展具有重要意义。

为建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系,加快替代能源发展成为能源结构调整优化的必然选择,这将对以石油为代表的传统能源发展产生重要影响。近年来,我国替代能源发展迅速,开发总量、新增容量、新增投资、消费占比等多个指标位居世界前列甚至第一。

本文跟踪研究了非常规油气勘探开采技术、建筑节能环保技术、储能技术、小型核裂变技术、能源互联网 + 技术的最新进展,研判展望了国内外替代能源关键前沿技术中长期发展趋势, 具体分析了车用燃气、新能源汽车、生物质燃料、煤基液体燃料等替代能源的发展阶段以及对石油需求的影响,并定量测算了这些主要品种在 2020年、2030年、2050 年对石油的替代率。

建议我国石油企业应围绕能源革命积极调整公司发展战略,优化业务板块和布局,增强创新能力,构建“互联网 + 能源”发展框架,积极参与国际能源合作,以实现公司提质增效和可持续发展。

能源行业前沿技术发展趋势

近年来,主要能源大国均出台了一系列法律法规、战略计划和政策措施,采取行动加快能源科技创新:

(1)美国发布了《全面能源战略》等战略计划,将“科学与能源”确立为第一战略主题,提出形成从基础研究到最终市场解决方案的完整能源科技创新链条,强调加快发展低碳技术,已陆续出台了提高能效、发展太阳能、四代和小型模块化核能等清洁电力新计划。

(2) 日本出台了《面向 2030 年能源环境创新战略》等战略计划,提出了能源保障、环境、经济效益和安全并举的方针,继续支持发展核能,推进节能和可再生能源, 发展新储能技术,发展整体煤气化联合循环(IGCC)、整体煤气化燃料电池循环等先进煤炭利用技术。

(3) 欧盟制订了《2050能源技术路线图》等战略计划,突出可再生能源在能源供应中的主体地位,提出了智能电网、碳捕集与封存、核聚变及能源效率等方向的发展思路,启动了欧洲核聚变联合研究计划。

纵观全球能源技术发展动态和主要大国推动能源科技创新的举措,可以得到以下启示:

一是能源技术创新进入高度活跃期,新兴能源技术正以前所未有的速度加快迭代,对世界能源格局和经济发展将产生重大而深远的影响。

二是绿色低碳是能源技术创新的主要方向,集中在传统化石能源清洁高效利用、新能源大规模开发利用、核能安全利用、能源互联网和大规模储能以及先进能源装备及关键材料等重点领域。

三是世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口,制定各种政策措施抢占发展制高点,增强国家竞争力和保持领先地位。

所谓能源行业前沿技术,这里主要指的是用于替代能源开发利用的技术。当前影响能源行业格局并已经崭露头角的关键前沿技术主要有非常规油气勘探开采技术、建筑节能环保技术、储能技术、小型核裂变技术、能源互联网+ 技术。本文将从上述这5项技术维度出发, 跟踪研究国内外能源行业前沿技术发展趋势。

国外发展

1.1外发展情国况

1.1.1非常规油气勘探开采技术

经过 40 多年的探索发展,以水平钻井和水力压裂技术为代表的先进技术突破了常规开采技术中的传统地质理念,推动了非常规油气资源的勘探开采。新技术的运用,使得全球油气工业发展由陆地向超深水、由中浅层向超深层、由常规向非常规超致密油气延伸

目前,非常规油气勘探开采获得的突破主要源自“三大科技创新”,它们分别是地质理论创新(纳米孔喉系统“连续型”油气聚集)、核心技术创新(水平井体积压裂“人造渗透率”)、开发模式创新(多井平台式“工厂化”低成本开采)。

美洲是发展煤层气、致密油气、页岩油气等非常规油气的代表。其中又以美国的先进勘探开采技术独步全球。美国通过长期的技术攻关和大量的勘探开发工作,首先突破了传统资源地质和成藏理论,先后成功开发了致密油气、煤层气、页岩油气。

目前页岩气开采技术主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及最新的同步压裂技术,这些技术正不断提高页岩气井的产量,促进了美国页岩气开发的快速发展。

加拿大是目前世界上唯一实现油砂商业化开采的国家,并且是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探与商业开发的国家。究其原因,接壤美国的地缘优势使成熟技术可以快速转移到加拿大。

1.1.2建筑节能环保技术

在工业、建筑、交通三大传统高能耗领域,建筑能耗所占比重不断上升,建筑节能已成为节能研究和实践领域的核心课题。

建筑节能强调在建筑中提高能源利用效率,用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。因受到新材料的研发、经济性、人们对房屋建筑功能的观念转变缓慢等制约, 建筑节能情况改善的空间不会太大,但是建筑节能环保技术将更加成熟,处在蓄势待发状态。前沿技术具体涵盖发电建筑技术、节能住宅技术等。

建筑的主体部件包括墙体、屋面、门窗,因此常用的建筑节能途径也集中在这 3 个部位:

(1)墙体节能主要是指在墙体中增加保温隔热层,通过减少墙体内外热能传递而达到室内冬暖夏凉的效果,主要有外墙自保温、外墙内保温、外墙外保温 3 种形式。

(2)屋面节能主要是通过对屋面结构的保温隔热处理达到降低室内建筑能耗的目的,其技术手段针对不同地区也有所区别,主要有架空平屋面、倒置式屋面、平改坡、种植屋面、蓄水屋面等。

(3)门窗节能主要是加强门窗的保温隔热性能,注重窗户的遮阳措施,提高门窗的气密性。

目前欧、美、日等地的建筑节能环保项目技术领先,具代表性的有德国建成全球首座藻类发电建筑,日本首创利用室内环境振动发电节能新技术、大和房建公司第二代节能住宅,美国纳米涂层“智能窗”,瑞典的“吸管摩天大楼”等 。

1.1.3储能前沿技术

随着风能、太阳能等可再生能源和智能电网的迅速崛起,储能技术成为万众瞩目的焦点。大规模储能技术被认为是支撑可再生能源普及的战略性技术,得到各国政府和企业界的高度关注。

储能技术按照储存介质进行分类,可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。根据目前储能技术应用的成熟度,可以将储能技术从 3级到 0级分为 4 个不同层次。3 级为已经商业化的技术,如抽水蓄能、铅酸电池储能等。2 级为进入示范阶段或已部分商业化的技术,包括压缩空气储能、锂离子电池、钠基电池、铅碳电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、超导储能、飞轮储能、超级电容器、储热和(或)储冷、熔融盐储热等,这些技术均已完成研发并开始产业示范。

对于能量密度较低但功率密度较高的超导储能、飞轮储能、超级电容器,在电网用先进大容量储能方面可以起到辅助作用,配合其他能量型储能技术使用。1 级为技术原理通过验证但尚处于实验室研发阶段的技术,如锂液流电池、锂浆料电池、金属基电池等新型储能电池。

此类新型储能技术在研发之初就立足于低成本、长寿命、大容量的技术要求,起点较高,发展十分迅速,具有较大的商业潜力。0 级为新概念储能技术。未来会出现的一些新型储能技术,其技术原理尚未得到验证,属于原创技术,应该予以高度关注。储能前沿技术目前大部分研发资源集中投入在电化学储能,特别是电动汽车电池 等领域。

1.1.4 小型核裂变前沿技术

经过 60 多年的建设与发展,世界核能利用技术日臻成熟,已经与火电、水电一起构成世界电力供应的三大支柱。目前的核电站大多为装机容量较大的反应堆,有些甚至达到了 175×104kW 的单机容量,大型堆核电站一次性投入成本高、建造周期长,且难以适应小型电网的需求,而小型反应堆恰好可以解决这一问题,全球掀起了模块式小型核电机组的开发热潮,其最大特点是一体化、模块化、安全性能高及多用途。

小型核裂变技术前沿主要是第四代核电技术和小型核裂变堆技术,前者正在由美国牵头研究,后者主要是指小型先进模块化多用途反应堆,已经开始商业化应用,美、俄、中、韩位于小堆研发前列。

1.1.5能源互联网 + 前沿技术

能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态,具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。在全球新一轮科技革命和产业变革中,互联网理念、先进信息技术与能源产业深度融合,正在推动能源互联网新技术、新模式和新业态的兴起。

能源互联网 + 前沿技术涉及输电、变电、配电、用电领域及电网调度,具体而言,涵盖新型直流输电、无线输电、光纤输电、电力电子器件的应用、智能机器人巡检系统、配电网柔性输电技术、用电监控技术物联网、大电网智能运行控制技术、大型可再生能源及分布式能源接入控制技术等。能源互联网 + 技术的大规模应用依赖于能源供应端的清洁能源替代和能源消费端的电能替代。

1.2能源行业前沿技术中长期发展趋势研判
预计 2030 年以前,可能出现以下情况:

▲ 一是非常规油气技术开发利用技术将得到普及应用,可极大补充常规油气资源量;

▲二是小型核裂变技术的安全性、经济性、环境相容性不断提高,技术将更加成熟,会成为分布式能源的重要组成部分;

▲三是建筑节能环保技术有望快速积累,更多的建筑节能项目将得到开发使用;

▲四是能源互联网+ 技术仍将处在前期布局阶段;

▲五是储能技术还难以在商业应用上实现大规模推广。

展望 2050年,上述五大前沿技术将实现较大突破,成为技术成熟、理论充分、投资可行的应用技术,并继续向更高精尖的技术领域探索迈进。非常规油气技术将基本成熟,小型核裂变技术将普及利用,储能技术实现重大突破,建筑节能环保技术快速铺开,能源互联网 + 技术广泛使用。

1.3 我国情况

1.3.1 我国能源科技发展形势

近年来,我国能源科技创新能力和技术装备自主化水平显著提升,建设了一批具有国际先进水平的重大能源技术示范工程。

一是初步掌握了页岩气、致密油等勘探开发关键装备技术,煤层气实现规模化勘探开发,3000m深水半潜式钻井船等装备实现自主化, 复杂地形和难采地区油气勘探开发部分技术达到国际先进水平,千万吨炼油技术达到国际先进水平,大型天然气液化、长输管道电驱压缩机组等成套设备实现自主化。

二是煤矿绿色安全开采技术水平进一步提升, 大型煤炭气化、液化、热解等煤炭深加工技术已实现产业化,低阶煤分级分质利用正在进行工业化示范。

三是超超临界火电技术广泛应用,投运机组数量位居世界首位,大型 IGCC、CO2 封存工程示范和 700℃ 超超临界燃煤发电技术攻关顺利推进,大型水电、1000kV特高压交流和 ±800kV特高压直流技术及成套设备达到世界领先水平,智能电网和多种储能技术快速发展。

四是基本掌握了 AP1000 核岛设计技术和关键设备材料制造技术,采用“华龙一号”自主三代技术的首堆示范项目开工建设,首座高温气冷堆技术商业化核电站示范工程建设进展顺利,核级数字化仪控系统实现自主化。

五是陆上风电技术达到世界先进水平, 海上风电技术攻关及示范有序推进,光伏发电实现规模化发展,光热发电技术示范进展顺利,纤维素乙醇关键技术取得重要突破。

1.3.2 我国能源技术发展重点方向

▲一是能源安全技术。通过技术创新,加快化石能源勘探开发和高效利用,大力发展新能源和可再生能源,构建多元化能源技术体系。

▲二是清洁能源技术。大幅减少能源生产过程污染排放,提供更清洁的能源产品,加强能源伴生资源综合利用,构建清洁、循环的能源技术体系。

▲三是低碳能源技术。在可再生领域,重点发展更高效率、更低成本、更灵活的风能、太阳能利用技术, 生物质能、地热能、海洋能利用技术,可再生能源制氢、供热等技术。在核能领域,重点发展三代、四代核电,先进核燃料及循环利用,小型堆等技术,探索研发可控核聚变技术。在二氧化碳封存利用领域,重点发展驱油驱气、微藻制油等技术。

▲四是智慧能源技术。重点发展分布式能源、电力储能、工业节能、建筑节能、交通节能、智能电网、能源互联网等技术。

▲五是能源技术装备。重点发展特种金属功能材料、高性能结构材料、特种无机非金属材料、先进复合材料、高温超导材料、石墨烯等关键材料,以及非常规油气开采装备、海上能源开发利用平台、大型原油和液化天然气船舶、核能关键设备、燃气轮机、智能电网用输变电及用户端设备、大功率电力电子器件、大型空分、大型压缩机、特种用途的泵、阀等关键装备。

我国替代能源

我国替代能源发展现状

我国虽然在替代能源的研发上起步比较晚,但是成长十分迅速,替代能源的开发总量、新增容量、新增投资、消费占比等多个指标位居世界前列甚至世界第一,超越美国、德国等传统替代能源生产、消费大国。以车用燃气(CNG、LNG)、生物质能燃料(燃料乙醇、 生物柴油等)、煤基液体燃料(煤制油、燃料甲醇等)、电动力及核能等为代表的替代能源已经进入不同发展阶段,呈现出各具特色的发展道路。

我国替代能源供给能力增长迅速,截至 2015 年底,发电容量、风能发电容量、太阳能热水器容量等指标位居世界第一,我国可再生能源消费总量已达6270×104t  油当量,占世界比重达17.2%;核能消费总量达 3860×104t 油当量,占世界核能消费总量的 6.6%。

在可再生能源中,太阳能和风能的消费总量世界占比分别达 15.5% 和 22%,地热能、潮汐能等消费总量的世界占比也达 10.2%。新增投资占世界比重明显扩大,2005—2015 年,我国在可再生能源发电和燃料利用领域的新增投资从 83 亿美元快速增长到 1029 亿美元, 年均增速达 28.6%(表 1、表 2)。

总体来说,作为新型可再生能源,风能和太阳能增长在最近 10 年来成长最快,在可再生能源中占比迅速提高;生物质能、地热能等总体平稳增长,占比提升相对略缓。

我国替代能源主要品种发展现状是:

(1)车用燃气。全国目前已形成较为成熟的天然气主干管网,车用天然气已经在 2014 年成为仅次于工业用气和居民用气的第三大用气方,CNG 汽车和 LNG 汽车的发展都十分迅猛。

(2)生物质替代燃料。我国生物质燃料发展迅速, 燃料乙醇产量位居世界第三。但受原料供应、销售市场、政策扶持的限制,国内生物柴油的产能利用率仅为 25% 左右,用于交通行业的生物柴油规模较小,占柴油消费总量的比重较低。

(3)电动车。原材料方面,新能源汽车发展所需的锂金属、镍金属、稀土等资源储量丰富;电池系统方面,镍氢电池面临淘汰,铅酸电池凭借保有量还有一定市场,锂电池已经成为新能源汽车电池主流,石墨烯电池仍处于探索阶段;整车产品方面,纯电动和插电式混合动力汽车生产已经初具规模;配套设施方面,新能源充电站、充电桩规模有待提高。

(4)煤基替代燃料。我国煤制油项目技术和经济性逐渐得到验证,产品进入零售终端,主要煤制油项目实现盈利。燃料甲醇生产能力突破 1000×104t/a,甲醇汽油年消费量为 1100×104t 左右,但加注甲醇汽油的站点数量较少,影响了使用推广。

(5)核能。我国自主研发的三代核电技术“华龙一号”通过国际原子能机构的通用核安全审评,国内首堆和国外首堆相继开工,标志着该技术的先进性、成熟性、经济性已得到广泛认同。我国自主研发的大型压水堆 CAP1400 和小型多功能堆 ACP100 等核电技术研发进展顺利,具备工程实施条件。

我国替代能源对石油需求的影响

1、我国替代能源中长期发展趋势

我国替代能源对石油的替代量将呈上升趋势。分阶段看,2020 年前,能源替代主要以煤化工替代石油为主。由于电动汽车技术尚未成熟,电池寿命、续航里程、充电便利性等问题依然没有得到解决,天然气汽车和电动汽车发展相对较慢。

我国对以粮食为主的燃料乙醇不再给予补贴,导致生物质液体燃料发展缓慢。2020—2030 年间,随着天然气汽车的推广、电动汽车技术取得突破、生物质液体燃料的规模化生产以及煤化工行业的激烈竞争,我国替代能源对石油的替代量将呈进一步上升态势。

2030—2050 年,由于天然气管网建设日趋完善,天然气汽车不断普及,但受到电动汽车竞争,所占比重将有所下降,电能在 2035 年左右将超过天然气成为主要的车用替代燃料;纤维素制燃料乙醇技术和工程微藻技术或将取得技术性突破, 生产成本明显降低,生物质液体燃料占替代能源比重将显著提升。随着我国对环境要求的日益提高,煤化工占总替代能源的比重将有所下降(图 1、图 2)。

2、“十三五”及中长期我国石油需求测算

考虑影响我国石油需求变化的经济发展水平、城镇化率、产业结构变化、人口因素、汽车保有量、非石油能源发展、节能技术应用以及国家政策、能源价格机制等关键因素,预测我国石油消费规模将在 2029 年前后达到峰值,约为7.05×108t。

在达到峰值阶段之前,我国石油需求的增加主要受到汽车保有量快速增加以及对烯烃产品需求强劲的影响,此阶段内替代能源的发展并没有抵消石油需求增长的势头。在达到峰值后,石油消费将处于下降态势,这一方面是由于我国汽车保有量达到饱和状态,对石油的需求已趋于稳定,另一方面是由于我国替代能源的快速发展导致大部分石油需求被替代。

3、替代能源发展对石油需求的影响

3.1 车用燃气发展对石油需求的影响

电动汽车充电问题一直困扰着行业快速发展,电动汽车充电站大多局限于电动公交汽车或内部集团用车,还没有建成真正面向不同用户的充电站服务网络。因此,车用替代燃料在短期内仍以天然气为主。中长期看,随着电动汽车技术的不断突破使成本逐渐下降, 充电便利性不断提高,智能电网建设也将进一步促进电动汽车发展,电力将取代天然气成为车用替代燃料的主要能源。利用 Bass模型测算我国天然气汽车保有量,2020 年、2030 年和 2050 年天然气汽车对石油的替代率分别为 2.5%、4% 和 6.5% 左右(图 3)。

3.2 新能源汽车发展对石油需求的影响

从短期看,我国已经进入汽车社会,大城市的增购换购潮、三四线城市潜力的激活,会释放巨大的消费需求;各大城市陆续实施限牌限行政策也将刺激新能源车消费;政府推动新能源客车对传统客车的替代以及新能源出租车和轨道交通的快速发展等因素将导致我国新能源汽车迎来一轮快速发展期。

但是,供电能力偏弱导致较短的续航里程,制约了纯电动车发展;电动汽车生产成本较高,缺乏市场竞争优势。从长期看, 随着电动汽车电池技术和储电性能的提升、配套基础设施日臻完善及汽车分享技术的实现,新能源汽车的发展将迈上新台阶(图 4)。

经测算,我国在 2020年、2030 年和 2050 年电动汽车对石油的替代率分别为1.5%、3.5% 和 13% 左右(图 5)。

3.3 生物质液体燃料发展对石油需求的影响

预计在 2030 年之前,得益于边际土地利用、本木油料资源运用、非粮作物和纤维素制乙醇发展,我国生物柴油和燃料乙醇产量将以每年 10% 的速度增长。

2030—2050 年,由于天然气汽车和电动汽车的发展, 工程微藻尚未实现商业化的发展以及边际土地利用的有限性,我国生物柴油和燃料乙醇产量增速将有所放缓,预计年均增长 5% 左右。

通过测算,我国生物质液体燃料在 2020 年、2030 年和 2050 年对石油的替代率分别为 1%、1.8% 和 4.7% 左右(图 6)。

3.4 煤基液体燃料发展对石油需求的影响
近期来看,以煤变油和煤代油为代表的煤化工将出现突破性进展。考虑到其对环境影响较大,对水资源要求较高,国家一贯采取积极谨慎的态度。

因此,“十三五”及 2030年前我国煤制油将稳步增长(图 7)。远期来看,随着对水资源消耗减少以及碳捕捉封存技术应用,煤制油将减少对环境的污染,将得到快速发展。经测算,我国煤化工在 2020 年、2030年和 2050年对石油的替代率分别为 6.8%、8.2% 和 10.6% 左右。

我国石油公司实现可持续发展的政策建议

替代能源发展将在一定程度上改变未来能源供应与需求格局,给石油公司生产经营带来前所未有的影响。展望未来,石油公司在国内外油气格局产生实质性转变的背景下,需进一步落实国家能源发展战略,牢牢掌握未来替代能源发展趋势,调整产业结构,优化战略布局,加强技术创新,实现企业提质增效和可持续发展。

1、围绕能源革命积极调整公司发展战略

一是树立新型能源消费理念。贯彻落实“低碳、绿色、节约”消费理念,重视替代能源生产体系的培育与建设。

二是完善能源供应战略。着力规划非煤能源,形成煤、油、气、核、新能源、可再生能源多轮驱动的能源供应体系战略框架。

三是重视能源技术创新。把科技创新置于发展全局的核心位置,将“核心技术全面领先”作为公司科技发展战略。

四是推进能源体制改革。大力推进混合所有制, 加快国有企业改革步伐,构建完善公司治理结构。

2、优化业务板块与布局

▲一是拓展替代能源业务规模。加强传统业务与替代能源业务的统筹结合;有选择、有重点进军新能源业务领域;积极发展交通燃油替代;提高替代能源技术开发能力。

▲二是做精做强油气核心业务。积极推进页岩气项目,加强国际合作,探索与民营企业合作路径;开展成品油质量升级行动计划,推动炼油板块加快升级等。

▲三是推进化解过剩产能。压缩部分地区、部分领域生产规模,淘汰落后工艺设备与生产线,实施设备更新和技术升级改造。

3、增强企业创新能力

一是重视常规技术开发利用。瞄准世界科技前沿和产业变革趋势,按照创新链、产业链加强系统整合布局,建设国家能源科技研发重点实验室;形成若干功能完备、相互衔接的科技创新基地。

二是推进科技研发关键项目攻关。寻求重点突破的领域加大科技创新力度,全面布局、前瞻部署,提出并牵头组织国内外非常规油气勘探开发等重大科技研发计划和工程,力争在更多能源发展战略性领域实现率先突破。

三是提升能源重大装备制造能力。加快新能源汽车设备、海洋油气开采设备等高端新产品研发和产业化进程;注重智能制造,加大装备制造信息化建设和推广应用力度;利用大数据、物联网、移动互联网等新一代信息技术对传统油气装备制造业进行改造。

4、构建“互联网+ 能源”发展框架

一是加强能源互联网基础设施建设。增强空间设施能力,联合国内通信、导航、遥感等领军企业,建设一体化能源信息网络;加快能源互联网大规模部署, 加强未来网络长期演进的战略布局和技术储备,构建集团公司乃至国家层面统一试验平台。

二是实施流程“互联网”化管理。尽快实现传统业务管理网络化运行,加强能源网络的优化建设与协同运营;实现化石能源的智能化生产与清洁化利用、互联网化交易、智慧用能及增值服务等业务。

三是利用大数据分析开发新能源。将新一代互联网技术与能源开发相结合,通过大数据、云计算等技术及时开发适应市场需求的替代能源品种;推动绿色能源的灵活自主微平衡交易,实现与个人、家庭及各类微小用能主体间的点对点实时自主交易;将能源大数据、信息通讯与工业制造技术结合,开发节能环保产品。

5、积极参与国际能源合作

稳步开拓国际能源市场,重视国际替代能源发展动向,谋求与资源国和国际大石油公司开展替代能源领域的务实合作,提高国际能源合作掌控能力。以更加开放的视角,在全球范围内吸引人才。

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