Production décentralisée d’électricité renouvelable. Micro-réseaux urbains et réseau électrique intelligent
p. 151-164
Texte intégral
Introduction
1Le maintien de la sûreté des grands réseaux d’énergie électrique pose actuellement de plus en plus de problèmes en raison de la profonde mutation (libération du marché, réseaux intelligents, accroissement des interconnexions,…) subie par ce système concomitant à des nouvelles contraintes environnementales et économiques. Le recours à une production d’électricité décentralisée (PED), sur la base des énergies renouvelables, s’est imposé de plus en plus dans la dernière décennie.
2D’une manière générale, la PED est basée sur des systèmes qui peuvent être classés comme suit :
- système connecté au réseau et injection de puissance totale et permanente ;
- système isolé ou autonome, un substitut à la connexion au réseau électrique ;
- micro-réseau, qui est un système sécurisé capable de fonctionner de façon autonome et aussi connecté au réseau public.
3Les tarifs privilégiés d’achat d’énergie renouvelable et l’encouragement politique font que la PED se développe de manière significative. En raison des conditions d’achat d’énergie, le système connecté au réseau est proposé dans la plupart des applications de PED existantes. Cependant, le caractère intermittent et aléatoire des énergies renouvelables reste un problème pour leur intégration dans le réseau public : fluctuations de tension et/ou de fréquence, pollution harmonique, gestion difficile des charges,… (Hassaine, et al., 2014 ; Yang, 2016).
4Afin d’augmenter leur niveau d’intégration et obtenir un réseau électrique robuste, le réseau électrique intelligent pourrait, dans l’avenir, résoudre des problèmes de pics de consommation, de gestion optimale d’énergie et de maîtrise de la demande. Ce réseau est conçu principalement pour assurer l’échange d’informations sur les besoins du réseau et sa disponibilité et aider à l’équilibrage des puissances en évitant une injection indésirable et en réalisant le lissage des charges pendant les heures de pointe. Concernant les services de régulations techniques du réseau public1, pour une meilleure décentralisation de la production, les micro-réseaux semblent avoir une place importante (Hatziargyriou, 2014 ; Dragicevic, et al., 2014a).
5Un micro-réseau comporte des sources renouvelables et traditionnelles, des systèmes de stockage d’énergie et des charges réglables/délestables. Un contrôleur du micro-réseau permet la connexion avec le réseau électrique intelligent et assure le contrôle de la tension, du flux d’énergie, le partage ou le délestage des charges pendant l’îlotage, et prend en compte les contraintes du réseau transmises par un bus de communication.
6À l’échelle urbaine, un micro-réseau intégré au bâtiment peut devenir une réponse à ces difficultés techniques. Dans l’hypothèse que l’électricité renouvelable produite localement est consommée où, quand et dans la forme dont elle est produite, avec un réseau public vu comme un appoint sécurisé, ce micro-réseau devient une solution pour l’autoalimentation des bâtiments et l’injection contrôlée du surplus d’électricité (Salomonsson, Sannino, 2007). Dans ce contexte, l’objectif est d’étudier, de concevoir et de développer un système de gestion intelligente d’énergie électrique qui optimise les transferts de puissance au sein d’un micro-réseau, s’adapte aux conditions imposées par le réseau public grâce à la communication possible avec le futur réseau intelligent et tient compte des contraintes diverses afin de minimiser la consommation d’énergie en provenance du réseau public (Dragicevic, et al., 2014b). Le contrôleur associé au micro-réseau traite les stratégies de contrôle de la production et la gestion de la demande d’énergie pour parvenir à une production-consommation locale optimisée, en mode sécurisé, avec une injection de l’excès de production tout en tenant compte des vulnérabilités du réseau public (Sechilariu, 2017). L’application principale est représentée par les bâtiments tertiaires équipés en énergies renouvelables et en stockage.
7Cette section présente un système de gestion intelligente d’énergie électrique qui optimise les transferts de puissance au sein du micro-réseau, s’adapte aux conditions imposées par le réseau public grâce à la communication possible avec le réseau intelligent, et tient compte des contraintes diverses afin de minimiser la consommation d’énergie en provenance du réseau public.
1. Intérêt et problématique de la production décentralisée
8Cette section introduit la production d’électricité renouvelable et les micro-réseaux urbains afin de situer le système de gestion intelligente d’énergie électrique dans le contexte scientifique actuel.
1.1. Réseau électrique traditionnel versus intelligent
9Les fluctuations de puissance, tant de la demande d’énergie que celles de la production d’énergie, même de l’ordre de quelques minutes, induisent un effort de réglage complémentaire provoquant la mise en route des unités de production supplémentaire à base d’énergie primaire carbonée (gaz, pétrole, charbon). Ceci est accentué par le fait que les sources renouvelables de la PED, difficilement prévisibles et très fluctuantes, ne participent pas aux services de régulations techniques du réseau public et se comportent comme des générateurs passifs du point de vue électrique. Ainsi, l’augmentation des systèmes de PED raccordés au réseau public, sans possibilité de contrôle, pourrait accroître la vulnérabilité du réseau national. La croissance des systèmes de PED pourrait être freinée en particulier par la capacité du réseau national concernant l’injection en temps réel. Ainsi, de nombreux travaux de recherche sont menés sur l’intégration des sources de PED au réseau public, sur le développement de nouvelles stratégies de supervision et de contrôle en gestion d’énergie, et sur les solutions de raccordement au réseau liées aux dispositifs d’électronique de puissance (Meng, et al., 2015 ; Karlsson, Svensson, 2003).
10D’autre part, le stockage d’énergie se présente comme une solution parfaite pour l’intégration des sources de PED, mais il a des limites en fonction des technologies disponibles, du coût du cycle de vie et de l’impact environnemental. Pour une centrale de PED de très grande puissance, la station hydroélectrique de pompage-turbinage est la forme la plus rentable pour stocker l’énergie disponible. Cependant, les coûts d’investissement et l’existence obligatoire d’un terrain approprié ne peuvent pas généraliser cette solution. Des progrès récents font de la technologie de l’hydrogène2 une alternative au pompage-turbinage. En revanche, pour les sources de PED de petite puissance, et souvent intégrées aux bâtiments producteurs d’énergie renouvelable, il n’y a pas beaucoup d’innovation pour surmonter le manque de contrôle des systèmes raccordés au réseau public. En raison de leur performance relativement satisfaisante et de leur faible coût, les batteries plomb-acide sont souvent utilisées pour l’intégration des sources de PED de petites puissances. Toutefois, l’utilisation de cette capacité de stockage doit être limitée, car l’empreinte environnementale induite est significative3.
11Quant aux stratégies et moyens de gestion de puissances, l’information sur les besoins en énergie et sur la disponibilité du réseau est un facteur très important. Ceci pourrait aider à l’équilibrage de la puissance en évitant une injection indésirable et/ou en réalisant un délestage partiel des charges pendant les heures critiques. C’est ainsi que le concept de réseau intelligent4 est né ces dernières années. Un réseau intelligent pourrait être facilement défini comme le système de distribution d’électricité intégré avec la technologie de communication et d’information, qui transporte, transforme et distribue la puissance de façon efficace depuis les producteurs et jusqu’aux consommateurs.
12Ce système global représente un ensemble de réseaux électriques qui emploient un monitoring innovant et intelligent, contrôlent la transmission des informations et sont équipés de technologies d’auto-cicatrisation. Le but est d’offrir de meilleurs services aux producteurs et distributeurs d’électricité, des choix flexibles pour les utilisateurs finaux, de la fiabilité et de la sécurité d’alimentation. Par ailleurs, le marché de l’électricité deviendra plus réactif et le traitement des tarifs variables dans le temps serait possible (Elsied, et al., 2016). Parce que le réseau intelligent est un réseau très complexe, avec non-linéarité, hasard, flux de puissances bidirectionnel et flux de communication bidirectionnel, un travail significatif de recherche doit encore être fait. Malgré le développement des technologies de dispositifs intelligents et des divers protocoles de communication, superviser l’état de l’ensemble du réseau public, du producteur à l’utilisateur final, et traiter des données à très grande échelle en temps réel, reste un problème ouvert.
13En réponse à cette problématique globale, des travaux de recherche récents impliquent la connaissance des messages transmis par le réseau de communication d’un réseau intelligent (Wang, Sechilariu, Locment, 2012). Dans (Lagorse, Paire, Miraoui, 2010) les auteurs proposent une gestion d’énergie, située à un haut niveau hiérarchique dans l’architecture du réseau public, à l’aide d’une approche basée sur les systèmes multi-agent. Ils valident cette supervision pour une application d’une PED hybride associant sources renouvelables et conventionnelles. D’autres études, comme (Lu, et al., 2010), proposent une gestion locale d’énergie basée sur le suivi en temps réel des modes de fonctionnement des sources de PED.
1.2. Micro-réseaux urbains et réseau électrique intelligent
14Un micro-réseau représente une agrégation de charges contrôlables5, sources renouvelables et traditionnelles, systèmes de stockage d’énergie et une connexion au réseau public. En organisant une série de micro-réseaux connectés au réseau public grâce à un contrôleur d’interface adéquat, l’équilibrage de l’offre et de la demande du système électrique devient davantage un problème local plutôt qu’une question à l’échelle régionale. Il n’y a pas encore de topologie standard pour un réseau électrique intelligent. Une possible évolution de la topologie du réseau intelligent, qui intègre le bus de communication bidirectionnel avec ses routeurs appropriés, pourrait être vue comme illustré sur la figure 1.
Figure 1. Topologie du réseau électrique intelligent.

Sechilariu, Locment, 2016.
15Cette topologie du réseau intelligent présente trois niveaux :
- micro-réseau : capable de maintenir l’équilibre des puissances et d’échanger l’énergie avec d’autres micro-réseaux et aussi avec le réseau électrique traditionnel par l’intermédiaire d’un contrôleur d’interface spécifique qui peut échanger des données ;
- réseau à échelle urbaine : un ensemble de micro-réseaux combinés avec le réseau électrique traditionnel, vu comme un système global capable d’échanger la puissance et des données grâce à une interface spécifique située au point de couplage commun (PCC) ;
- réseau public à grande échelle : nombreux micro-réseaux ayant une gestion et un contrôle d’énergie intégrés permettant de transformer le réseau électrique traditionnel en un réseau intelligent.
16D’après des travaux récents (Sechilariu, Locment, 2016), un micro-réseau représente une forme de production d’énergie locale, souvent multi-source, et fonctionne soit connecté au réseau public, soit en mode autonome. Il doit fournir suffisamment d’énergie de façon continue à une partie importante de sa charge interne. L’aspect système connecté au réseau permet de recevoir une puissance du réseau public ou d’injecter la puissance produite en excès (Sechilariu, et al., 2014). L’aspect autonome est représenté par une production d’énergie destinée à l’autoalimentation, voir une mutualisation de l’énergie produite avec d’autres micro-réseaux urbains (Sechilariu, Locment, Wang, 2015). Son contrôleur de puissance propose et traite des stratégies optimisées de contrôle de la production et la gestion de la demande d’énergie.
2. Micro-réseau urbain
17Les zones urbaines présentent un grand potentiel pour le développement de micro-réseaux basés sur des sources photovoltaïques (PV) et cela grâce aux toitures des bâtiments. Par ailleurs, il est bien connu qu’une partie importante de la consommation mondiale d’énergie est affectée aux bâtiments en milieu urbain. Les bâtiments tertiaires, dont la consommation est réalisée principalement pendant la journée, consomment une large part de cette énergie. C’est aussi pendant la journée que, d’une part, les générateurs PV produisent, et d’autre part, la demande en puissance atteint un des deux grands pics de puissance du réseau public. Comme beaucoup de sources PV sont associées ou intégrées aux bâtiments, il est essentiel de restructurer leur utilisation et d’améliorer leur performance par des stratégies innovantes de gestion d’énergie. De plus, une production locale, à travers un micro-réseau, peut être mieux dimensionnée pour correspondre à la puissance nécessaire aux utilisateurs finaux qui, à leur tour, peuvent plus facilement accepter un délestage partiel des charges.
2.1. Micro-réseau intégré au bâtiment
18À l’échelle urbaine, un micro-réseau intégré au bâtiment peut être une solution pour l’alimentation même du bâtiment, des véhicules électriques et pour assurer l’interaction avec le réseau public (Sechilariu, Locment, Wang, 2013). Ce micro-réseau contrôlé est vu comme le dernier nœud actif producteur-consommateur du réseau électrique national. Le système permet une autoalimentation de la charge interne du micro-réseau et l’injection d’une partie de la production vers le réseau public. Face à l’impératif d’intégration au réseau public des sources PV de petite puissance et en tenant compte de l’avènement que représente l’arrivée du réseau intelligent, en zone urbaine, le concept de micro-réseau appliqué à un bâtiment producteur-consommateur a été peu exploré jusqu’à présent.
19La figure 2 présente un micro-réseau adapté aux bâtiments équipés en sources PV. Il comporte également un stockage électrochimique, un stockage électrostatique (supercondensateurs), un groupe électrogène et une connexion au réseau public. C’est un micro-réseau de type courant continu (CC) auquel un contrôleur y est associé ; il intègre des interfaces de communication avec le réseau intelligent et avec des bases de données.
Figure 2. Micro-réseau intégré au bâtiment.

Sechilariu, Locment, 2016.
20Le contrôleur du micro-réseau est conçu et développé comme un système intelligent pour la gestion d’énergie. Ce système extrait des puissances maximales en provenance des sources PV et gère le transfert de puissance vers la charge (bâtiment ou véhicule électrique), tout en tenant compte des vulnérabilités du réseau public et des éléments de stockage à disposition. L’objectif est de parvenir à une production-consommation locale optimisée, en mode sécurisé, avec possibilité d’injecter le surplus de production, ayant comme application les bâtiments tertiaires basse consommation électrique. Cette interface entre le réseau intelligent et le micro-réseau intégré au bâtiment offre des stratégies qui garantissent simultanément un équilibrage local des puissances, une optimisation locale des flux de puissance et une réponse aux problèmes du réseau public.
21Le micro-réseau est proposé avec un bus commun CC pour une intégration efficace d’autres sources renouvelables et du stockage, pour l’absence de synchronisation de phase et parce que seule la tension doit être stabilisée. De plus, compte tenu du bus CC et des charges CC directement connectées, la performance globale est améliorée en supprimant plusieurs étages de conversion d’énergie. Il est aussi à noter qu’une distribution CC peut utiliser les câbles électriques existants avec le même transfert de puissance que dans la distribution de type courant alternatif (Patterson, 2012). Quant aux dispositifs de protection, actuellement un choix est possible : entre le disjoncteur statique et le disjoncteur hybride, conformément à la spécification des temps de coupure, des perturbations sur le bus,… Autre avantage, du point de vue du réseau public, le facteur de puissance peut être contrôlé à la valeur unitaire.
22En ce qui concerne le bâtiment tertiaire, il est possible d’alimenter directement en CC de nombreux équipements (éclairage, ventilation, circulateurs dans les réseaux de fluides, matériel informatique et audio-visuel…) ainsi qu’un véhicule électrique (Locment, Sechilariu, 2015).
23Le principal problème scientifique réside dans la difficulté d’optimisation globale liée aux risques de décalage entre prévision, planification et réalité d’exploitation, d’une part, et la nécessité de prendre en compte des critères, des contraintes et des exigences du réseau public, d’autre part.
2.2. Communication et gestion d’énergie
24Le contrôleur d’un micro-réseau doit fournir l’interface nécessaire entre le réseau public et les charges en vue d’une gestion optimale de l’alimentation. Cette interface de communication et de gestion d’énergie doit tenir compte des informations concernant la disponibilité du réseau public et les tarifs dynamiques, doit informer le réseau intelligent des intentions d’injection et de demande d’énergie, doit répondre à la demande de l’utilisateur final en fonction de toutes les contraintes physiques et techniques et doit permettre un fonctionnement correspondant au meilleur coût d’énergie tant pour le réseau public que pour l’utilisateur final. La figure 3 illustre le principe de conception d’une interface de gestion d’énergie en fonction des données principales qui doivent être échangées entre le micro-réseau et le réseau public.
Figure 3. Interface de communication et de gestion d’énergie.

Sechilariu, Locment, 2016.
25Pour les micro-réseaux urbains plusieurs stratégies d’exploitation sont développées en fonction des sources qui constituent le micro-réseau, e.g. sources PV et éoliennes, stockage, raccordement au réseau public, micro-turbine ou groupe électrogène, et des charges, e.g. installations électriques et bornes de recharge de véhicules électriques. La figure 4 présente les principales stratégies possibles.
Figure 4. Stratégies de gestion d’énergie pour un micro-réseau urbain.

Sechilariu, Locment, 2016.
26L’énergie renouvelable alimente le bâtiment et charge les véhicules électriques. Quant à son excédent, il pourrait être stocké et/ou injecté dans le réseau public. À son tour, le réseau public, si disponible, est utilisé uniquement comme complément d’alimentation en vue de la sécurité des charges. La micro-turbine fonctionne seulement si le réseau public n’est pas disponible. Les véhicules électriques, si nécessaire pour des situations critiques, peuvent alimenter le bâtiment (V2H6) et/ou fournir de l’énergie au réseau public (V2G7). Les messages reçus du réseau intelligent dictent le mode de fonctionnement du micro-réseau visant à assurer la disponibilité réelle du réseau.
27Pour atteindre les objectifs présentés une interface spécifique associée au micro-réseau urbain est présentée par la suite.
3. Interface pour le contrôle et l’optimisation des coûts énergétiques
28Afin de répondre aux objectifs de gestion intelligente d’énergie, l’interface spécifique associée au micro-réseau urbain est conçue sur la base d’une structure multicouche hiérarchisée (figure 5). L’objectif est non seulement d’équilibrer les puissances, mais aussi de gérer le délestage, l’injection, l’îlotage et le coût de l’énergie à court et à moyen terme.
29La conception de la structure multicouche fournit une plus grande flexibilité à la fois logicielle et matérielle (Sechilariu, et al., 2014). Chaque couche fonctionne de façon indépendante ; elles sont couplées par des variables bien définies. En modifiant certaines variables, la couche supérieure affecte le fonctionnement de la couche inférieure. De plus, sans changer la structure de contrôle, les stratégies de gestion d’énergie peuvent être implémentées dans un ou plusieurs microcontrôleurs afin d’exécuter un algorithme complexe.
Figure 5. Interface pour le contrôle et l’optimisation des coûts énergétiques.

Sechilariu, Locment, 2016.
30Par ailleurs, cette interface est en mesure d’échanger des métadonnées (météorologiques, planification des charges, programmes de délestage,…), des messages avec le réseau intelligent (horaires critiques, tarifs variables dans le temps, limite de puissance injectée ou disponible, exigences de marché,…) et de prendre en compte les demandes formulées par l’utilisateur final.
31La couche opérationnelle assure en temps réel l’équilibrage des puissances du micro-réseau avec le respect des contraintes imposées par les couches supérieures. La couche d’optimisation des coûts énergétiques contrôle la couche opérationnelle avec le but de fournir en permanence une alimentation au bâtiment au coût optimisé avec prise en compte des contraintes telles que celles transmises par le réseau public (limites de puissance, tarifs de l’électricité, horaire d’utilisation) et les possibilités de délestage de certains équipements du bâtiment. Il s’agit d’une optimisation avec contraintes qui est réalisée hors ligne, au niveau de la couche de gestion d’énergie. La couche prédictive concerne le calcul des prévisions de demande en énergie et de la production PV. L’interface homme-machine permet l’interaction avec les utilisateurs finaux, pour qui certains critères de gestion d’énergie pourraient être définis.
32Le micro-réseau urbain proposé optimise le coût de l’énergie et offre une bonne gestion prévisionnelle. C’est un contrôle reconfigurable et facile à mettre en œuvre. Concernant l’algorithme de contrôle, les incertitudes n’influent pas sur la qualité de l’énergie. Cependant, le coût de l’énergie devient sous-optimal. La mise en œuvre de la mise à jour des données prévisionnelles pendant le fonctionnement en temps réel et l’introduction de différentes technologies de stockage adaptées aux zones urbaines peuvent réduire davantage le coût de l’énergie.
4. Comparaison des résultats sur trois jours différents
33Trois tests expérimentaux, réalisés sur la plateforme expérimentale Micro-réseau du laboratoire AVENUES EA 7284 (Sechilariu, et al., 2014), sont utilisés pour analyser les résultats. Selon le profil de la journée météorologique, les études de cas présentent une forte puissance PV presque sans fluctuations (test 1), une puissance PV élevée avec de fortes fluctuations (test 2) et une faible puissance PV avec des fluctuations moyennes (test 3). La figure 6 résume la comparaison en coût total énergétique entre les trois tests opérés en prenant en compte un délai de fonctionnement de douze heures, soit de 8 h 00 à 20 h 00 pour chaque test. Le coût total énergétique est basé sur des tarifs énergétiques arbitraires mais qui respectent la logique suivante : les tarifs imposés au délestage de la charge et à la limitation de la source PV sont les plus grands et supérieurs aux tarifs usuels du réseau public, tandis que le coût du stockage est considéré le plus petit.
Figure 6. Puissances photovoltaïques et comparaison des coûts énergétiques selon trois jours différents.

Sechilariu, Locment, 2016.
34Pour chaque test, le coût total énergétique est calculé pour trois cas d’étude : coût énergétique optimal estimé suivant les prévisions de puissance, coût énergétique réel (expérimental) et coût énergétique optimal pour les conditions réelles calculé après l’opération. On note que le coût énergétique réel est supérieur au coût estimé par optimisation avant l’opération. Cela est dû aux incertitudes de prévisions météorologiques. Dans le but d’une comparaison équitable, le coût total énergétique est à nouveau calculé à la fin de chaque test en fonction des conditions d’essai réelles et en utilisant même formulation du problème d’optimisation.
35Dans ce dernier cas, le coût obtenu est le coût énergétique optimal idéal. Les résultats expérimentaux montrent que le micro-réseau proposé est capable de mettre en œuvre une optimisation pendant le contrôle en temps réel et peut assurer des actions d’autocorrection selon les conditions réelles d’exploitation. Le flux de puissance peut être contrôlé pour approcher le coût optimal lorsque l’erreur de prédiction est dans certaines limites. Il est évident que l’efficacité de l’optimisation proposée dépend de la précision de la prédiction. Le délestage de la charge ainsi que la limitation de la source PV, bien qu’ils ne soient pas prévus dans l’optimisation, sont dus à un écart relativement important entre la prédiction de l’irradiation solaire et la réalité, d’une part, et les limites imposées au stockage, d’autre part.
36Étant donné ces incertitudes, il existe des différences entre l’optimisation et l’expérimentation dans les trois tests. Cependant, le coût total énergétique obtenu en conditions réelles peut être maintenu sous-optimal, donc proche du coût optimum idéal. Ainsi, on peut considérer que ces résultats valident l’efficacité et le contrôle de la gestion d’énergie proposée. L’équilibrage des puissances peut être maintenu et des contraintes rigides telles que la limite de puissance du réseau publique et la limite de la capacité de stockage sont entièrement respectées.
Conclusion
37Un système de production décentralisé d’électricité renouvelable, soit un micro-réseau urbain communicant avec le réseau électrique intelligent, a été présenté. L’approche système/performance a montré quelques réponses possibles aux questions énergétiques urbaines autour de l’autosuffisance énergétique des bâtiments, ou encore comment réaliser et gérer une mutualisation des ressources en milieu urbain.
38L’analyse des travaux met en évidence la complexité du problème global du réseau intelligent, qui, à son tour, requiert la réalisation de micro-réseaux. La difficulté de bien définir le contrôle d’un micro-réseau pour plusieurs stratégies conduit à des besoins d’approfondissement tant dans la modélisation et la commande spécifiques de ses composants que dans la conception de son interface. Un autre aspect important concerne l’optimisation sous contraintes des coûts énergétiques. Il s’agit, d’une part, de répondre aux exigences du réseau public pour toute injection ou absorption de puissance, et d’autre part, de satisfaire la charge en veillant à la stabilité de la tension du bus.
Bibliographie
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10.1049/iet-rpg.2015.0133 :Notes de bas de page
1 Réglage de la tension et de la fréquence, détection d’îlotage, délestage,…
2 Piles à combustible et électrolyseurs combinés avec des réservoirs d’hydrogène.
3 Courte durée de vie, recyclage difficile,…
4 Smart grid en langage anglophone.
5 Réglables/délestables.
6 Véhicule vers le bâtiment, soit Vehicle to Home en langage anglophone.
7 Véhicule vers le réseau public, soit Vehicle to Grid en langage anglophone.
Auteur
-
Manuela Sechilariu
ORCID : 0000-0002-7358-4671
AVENUES EA 7284. Université de Technologies de Compiègne
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