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About this book

Dieses Lehrbuch führt in die Grundlagen der Energie- und Kraftwerkstechnik ein. Obwohl dabei vorrangig technisch-naturwissenschaftliche Aspekte im Mittelpunkt stehen, werden auch Fragestellungen der Ökologie und Ökonomie angemessen berücksichtigt. Es orientiert sich am heutigen Stand der Technik, bezieht aber auch künftige Entwicklungen mit ein.

Behandelt werden:

• die Energiewandlung in Wärmekraftwerken

• die Nutzung von Wind- und Sonnenenergie

• die Konversion der Stromversorgung im Zuge der Energiewende

Das Buch liefert im Detail eine Übersicht über verfügbare Energiequellen (fossil, regenerativ, nuklear), behandelt die Prinzipien der Umwandlung von Primärenergie in Elektrizität, stellt mögliche Umweltbelastungen sowie Verfahren zu ihrer Vermeidung dar und gibt zusätzlich eine Übersicht über erreichbare Wirkungsgrade, Anlagenverfügbarkeit und Kosten.

Es wendet sich hauptsächlich an Studenten und in der Praxis tätige Ingenieure, ist aber auch für technisch und naturwissenschaftlich gebildete Laien gedacht. Sie sollen befähigt werden, Möglichkeiten der Nutzung verschiedener Energiequellen zu beurteilen, den notwendigen Aufwand abzuschätzen sowie damit eventuell verbundene Risiken abzuschätzen.

Für die 7. Auflage wurde das Buch aktualisiert und ergänzt sowie ein Kapitel über die Energiewende angefügt.

Table of Contents

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

Chapter 1. Einführung

Zusammenfassung
Die modernen Gesellschaften leben nicht von der Natur, sondern von ihrer Umwelt. Unter naturnahen Bedingungen könnte nur ein kleiner Teil der heute lebenden Menschen ein Auskommen finden. Erst durch die Entwicklung der Techniken zur Nutzbarmachung fossiler und anderer Energiequellen war es möglich, die Grenzen für menschliches Leben auf der Erde so weit hinauszuschieben, dass die Voraussetzung für ein weiteres Wachstum der Wirtschaft und des Wohlstandes für eine zunehmende Weltbevölkerung geschaffen wurde.
Die Einrichtung der Kraftwerke zur Erzeugung und der Verbundnetze zur Verteilung des erzeugten Stroms zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts war eine Voraussetzung für die steile Entwicklung der Wirtschaft in den frühen Industrieländern. Mit dem Verbundnetz konnten drei Forderungen, die wir an Energiesysteme stellen, sicher erfüllt werden:
1.
Sicherung der quantitativen Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage
 
2.
Lieferung der vom Verbraucher benötigten Energie am gewünschten Ort
 
3.
Bereitstellung zur gewünschten Zeit
 
Karl Strauss

Chapter 2. Energiequellen

Zusammenfassung
Die Erde ist ein effektiver chemischer Reaktor, der Energierohstoffe von bemerkenswerter Vielfalt und in erstaunlicher Reinheit hervorgebracht hat. Dank dieser Vielfalt steht uns im Prinzip Energie langfristig zur Verfügung. Bei den Energiequellen gibt es jedoch erhebliche Unterschiede bzgl. Ergiebigkeit, Verfügbarkeit, Kosten und der Risiken für die Umwelt. Am weitesten entwickelt sind die Techniken zur Nutzung fossiler Energiequellen. Neben der voraussehbaren Erschöpfung ihrer einfach zu erschließenden Ressourcen haben in der jüngeren Vergangenheit sichtbar gewordene Umweltschädigungen, die insbesondere durch die Nutzung der Kohle hervorgerufen wurden, dazu geführt, dass mit großem Einsatz Techniken zur Nutzung nuklearer und regenerativer Energiequellen entwickelt wurden. Trotzdem werden wir bis weit in dieses Jahrhundert hinein nicht auf die Nutzung der fossilen Energiequellen verzichten können. Deshalb werden hier zunächst die technischen Möglichkeiten zur optimalen Nutzung fossiler Brennstoffenergie behandelt.
Karl Strauss

Chapter 3. Umwandlung von Wärme in Arbeit

Zusammenfassung
Die Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert ging der Entdeckung der Gesetze der Thermodynamik voraus, die der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit zugrunde liegen und die für alle Energiewandlungen gelten. Die Thermodynamik sollte ursprünglich die Leistung von Dampfmaschinen verbessern und damit den Fortgang der industriellen Revolution sichern. Mit der Zeit kamen weitere Energieformen hinzu und ihr Anwendungsbereich erweiterte sich auf die Umwandlung der Energie in ihre verschiedensten Formen. Die Anwendung der Thermodynamik wird hier soweit dargestellt, wie es zum Verständnis der in modernen Kraftwerken ablaufenden Prozesse erforderlich ist.
Karl Strauss

Nutzung fossiler Brennstoffe

Frontmatter

Chapter 4. Dampfkraftwerke

Zusammenfassung
In Deutschland waren im Jahr 2015 fossil gefeuerte Dampfkraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 75GW betriebsbereit, die rund 65% des Strombedarfs deckten und immer dann Strom produzierten, wenn bei einer Windflaute die Windturbinen sich nicht drehten und die Solarzellen bei bedecktem Himmel nur wenig Strom lieferten.
Charakteristisch für die Entwicklung der Kohleverstromung seit 1975 ist die Automatisierung der Anlagen, die Ausrüstung der kohlegefeuerten Kraftwerke mit Anlagen zur SOX und NOX Rückhaltung sowie die Vergrößerung der Blockleistung bis auf 1.200 MW, die zu günstigeren Gestehungskosten für den Strom führten.
Wichtigste Aufgaben bei der Weiterentwicklung der kohlegefeuerten Wärmekraftwerke sind neben der Verbesserung des Wirkungsgrades und der Entwicklung von Verfahren zur CO2-Rückhaltung die Verkürzung der Startzeit und die Verbesserung des Laständerungsverhaltens.
Karl Strauss

Chapter 5. Grundlagen der Verbrennungstechnik

Zusammenfassung
Die Nutzung fossiler Energie beginnt mit der Verbrennung. Bei der Verbrennung handelt es sich um die Hochtemperatur-Oxidation eines Brennstoffes, bei der im Wesentlichen Kohlenstoff und Wasserstoff, die in verschiedener Form in den kommerziellen Brennstoffen enthalten sind, mit dem Sauerstoff der Luft exotherm reagieren. Deshalb werden die Grundlagen der Verbrennung soweit dargestellt, wie sie für die Berechnung der Verbrennungsluft- und Rauchgasströme, der Rauchgaszusammensetzung und der Energiebilanzen erforderlich sind. Die Kenntnis dieser Daten ist notwendig, um die Kraftwerkskomponenten zu dimensionieren.
Die Verbrennung ist eine unserer ältesten Techniken. Obwohl sie schon lange ein Schwerpunkt der Anwendungsforschung ist, sind noch immer Fragen offen; so die Koppelung des Reaktionsablaufs mit den Strömungsvorgängen in laminaren und turbulenten Flammen und die Entstehung von Schadgasen. Bei den Kraftwerksfeuerungen hat in jüngerer Zeit die Forschung besonders zu den Fragen der NOX-Entstehung wichtige Beiträge geliefert.
Karl Strauss

Chapter 6. Feuerungssysteme und -anlagen

Zusammenfassung
Für die Verfeuerung von festen Brennstoffen werden Rost-, Staub- und Wirbelschichtfeuerungen eingesetzt. Die Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen Bauarten hinsichtlich der darstellbaren Leistung und der Eigenschaften der zur Verbrennung kommenden Brennstoffe überschneiden sich teilweise, so dass jeweils die Vor- und Nachteile der einzelnen Systeme gegeneinander abzuwägen sind. Aufbauend auf Betriebserfahrungen wurden alle drei Feuerungssysteme fortlaufend weiterentwickelt und weitgehend automatisiert.
Bei den kohlegefeuerten Großkraftwerken kommt fast ausschließlich die Kohlenstaubfeuerung zur Anwendung. Der Grund dafür besteht darin, dass ein Kohlenstaub/Luftgemisch „wie ein Gas“ brennt und Staubfeuerungen leicht gezündet und geregelt werden können. Kennzeichnend für die Staubfeuerung ist die Brennstoffaufbereitung außerhalb der Brennkammer. Der Brennstoff wird gemahlen, getrocknet und zusammen mit der Verbrennungsluft mit sogenannten Wirbel- oder Strahlbrennern in die Brennkammer eingebracht. Zur Feuerungsanlage gehören die Anlagen zur Brennstoffaufbereitung, die Gebläse zur Förderung der Verbrennungsluft und der Rauchgase, die Vorwärmer der Verbrennungsluft und die Vorrichtungen zur Feuerraumentaschung.
Karl Strauss

Chapter 7. Dampferzeuger

Zusammenfassung
Im Dampferzeuger wird die in der Feuerung entbundene Energie des Brennstoffes an das Arbeitsmittel übertragen und aus Wasser Dampf mit vorgegebenen Werten für Druck und Temperatur erzeugt. Der Dampferzeuger ist ein aus einem komplexen Rohrsystem bestehender Wärmeaustauscher, welches vom Arbeitsmittel ein- oder mehrmals durchströmt wird. Wegen der Schwankungsbreite des Heizwertes des Naturprodukts Kohle
ist das Wärmeangebot durch die Feuerung zeitlichen Schwankungen unterworfen. Da bei der dem Kessel nachgeschalteten Turbine nur geringe Schwankungen des Dampfzustandes zulässig sind, muss der Ausgleich zwischen dem fluktuierenden Energieangebot aus der Feuerung und dem geforderten stetigen Energiestrom zur Turbine vom Dampferzeuger sichergestellt werden. Um diesen Ausgleich leisten zu können, werden die Dampferzeuger auch als Energiespeicher konzipiert und nach statischen und dynamischen Kriterien dimensioniert.
Zur Erfüllung aller Anforderungen wurden verschiedene Typen von Dampferzeugersystemen entwickelt. Für den Einsatz in Großkraftwerken hat sich der von den Firmen Siemens und Sulzer entwickelte Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger weltweit durchgesetzt.
Karl Strauss

Chapter 8. Dampfturbinen

Zusammenfassung
Die Dampfturbine ist die leistungsstärkste und anpassungsfähigste Wärmekraftmaschine der Energiewirtschaft. Sie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und große Zuverlässigkeit aus. Die Entwicklung der thermischen Turbomaschinen und auch der zugehörigen Generatoren ist so weit fortgeschritten, dass diese weder leistungsbegrenzend sind noch ihr Wirkungsgrad wesentlich verbessert werden kann. Bei großen
Maschinen werden heute Wirkungsgrade von bis zu 94% erreicht. Eine Anhebung um einen Prozentpunkt wäre möglich, ist aber mit hohem technischem und finanziellem Aufwand verbunden.
Um den Lastanforderungen des Verteilernetzes nachzukommen, ist eine fortlaufende Anpassung der Turbinen- und der Dampferzeugerleistung erforderlich. Für das Zusammenspiel dieser beiden Komponenten haben sich zwei Regelungskonzepte etabliert: Festdruckbetrieb mit Düsengruppenregelung und Gleitdruckbetrieb mit Drosselregelung. Der Gleitdruck ist die teileschonendere Betriebsart, da bei dem in Teillast abgesenkten Druck bei einigen Teilen die Materialfestigkeit nicht voll beansprucht wird. Der Vorteil der Festdruckregelung ist die Möglichkeit schneller Laständerungen zur Frequenzstützung mittels des Energiespeichers Dampferzeuger.
Karl Strauss

Chapter 9. Kühlsystem

Zusammenfassung
Dampfkraftwerke haben einen geschlossenen Dampf-Wasserkreislauf. Zur Schließung des Kreislaufs muss der aus der Turbine austretende Dampf niedergeschlagen werden. Die dabei in dem der Turbine nachgeschalteten Kondensator anfallende Kondensationswärme muss an die Umgebung abgegeben werden. Als Wärmesenken sind die Luft der Atmosphäre sowie das Wasser von Flüssen, Seen oder Meerwasser verfügbar.
Bei fast allen Großkraftwerken erfolgt die Wärmeabgabe an die Umgebung in so genannten Rückkühlanlagen, deren Gestaltung sich hauptsächlich nach der zur Verfügung stehenden Wärmesenke richtet. Die für Großkraftwerke zur Wahl stehenden Möglichkeiten werden skizziert.
Karl Strauss

Chapter 10. Speisewasserversorgung

Zusammenfassung
Wasser ist ein außergewöhnlicher Stoff, anomal in beinahe all seinen chemisch/physikalischen Eigenschaften und damit die vielleicht komplexeste unter all den uns vertrauten Substanzen. Ursache dafür ist der molekulare Aufbau aus zwei leichten Wasserstoffatomen und einem schweren Sauerstoffatom. Das dominierende Sauerstoffatom zieht die Elektronen der Wasserstoffatome an sich, so dass es zu einer ungewöhnlich starken Polarität des Wassermoleküls kommt. Wegen dieser elektrischen Eigenschaft und seinem chemischen Aufbau ist Wasser zur Lösung einer Vielzahl anorganischer Substanzen, von Gasen und einiger organischer Substanzen geeignet. Im Zuge des natürlichen Wasser-Kreislaufs (Verdunstung → Wolken → Niederschlag→ Flüsse → Meer) werden zahlreiche Stoffe, gelöste und ungelöste, vom Wasser aufgenommen, so dass Rohwasser vor einer Verwendung aufbereitet werden muss. Für den störungsfreien Betrieb der Kraftwerksanlagen kommt der Aufbereitung des Speisewassers große Bedeutung zu. In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Problemstellung gegeben und ergänzend werden auch die Apparate zur Vorwärmung des Speisewassers vorgestellt.
Karl Strauss

Chapter 11. Rauchgasreinigung

Zusammenfassung
Die kohlegefeuerten Kraftwerke sind durch die Einrichtung von Anlagen zur Abscheidung des Flugstaubes und der Schadgase (SOx. NOx) aus den Rauchgasen sind die Kraftwerke umweltfreundlicher geworden. Die beim Betrieb eines modernen Kohlekraftwerks bewirkten Immissionen an Staub und Schadgasen sind durch diese Maßnahmen so gering geworden, dass sie messtechnisch praktisch nicht mehr erfassbar sind; auch die Immissionen in der Umgebung betragen in der Regel nur noch weniger als ein Prozent der zulässigen Werte.
Bei einem mit allen Einrichtungen für den Umweltschutz nach dem Stand der Technik ausgerüsteten Kraftwerk beträgt der Investitionsbedarf für den Umweltschutz rund 30% der Gesamtinvestition.
Karl Strauss

Chapter 12. Dynamik der MW-Erzeugung in Dampfkraftwerken

Zusammenfassung
Die Stromerzeugung in einem Dampfkraftwerk kann in einen schnell ablaufenden Vorgang der MW-Erzeugung und in einen vergleichsweise langsam ablaufenden Vorgang der Temperaturbildung aufgeteilt werden. Für beide Vorgänge lassen sich einfache, lineare Modelle entwickeln, die das dynamische Verhalten mit Hilfe weniger Parameter abbilden. Die Modelle können verwendet werden, um die Leistungsdynamik eines Kraftwerksblocks bei Laständerungen und Störfällen zu studieren. Mit ihrer Hilfe kann weiter eine Optimierung bei der Auslegung thermisch hochbeanspruchter Komponenten erreicht und das Betriebsverhalten verbessert werden.
Der Wert dieser Modelle besteht darin, dass ein unmittelbarer Zugang zu der komplexen Kessel- und Kraftwerksdynamik und den damit verbundenen physikalischen Vorgängen gewonnen werden kann.
Karl Strauss

Chapter 13. Die letzte Herausforderung für kohlegefeuerte Kraftwerke: CO2–Sequestrierung

Zusammenfassung
Bei kohlegefeuerten Dampfkraftwerken kann der Wirkungsgrad durch Anhebung der Frischdampftemperatur auf 750oC und des Frischdampfdrucks auf 350 bar auf ca. 50% gesteigert werden. Gegenüber dem gegenwärtigen Durchschnitt der europäischen Kohlekraftwerke würde sich dadurch die CO2-Emission von 930g/ kWh auf 780g/kWh vermindern. Eine darüber hinaus gehende Reduktion der CO2-Emissionen durch eine weitergehende Optimierung des Dampfkreislaufes und einer damit einhergehenden Verbesserung des Wirkungsgrades ist auf absehbare Zeit nicht zu erwarten. Zur Erreichung einer Reduktion auf Werte um 100~g/kWh müssen deshalb Verfahren zur CO2Abscheidung und Sequestrierung entwickelt und angewandt werden.
Die Abtrennung des CO2 aus den Rauchgasen kohlegefeuerter Kraftwerke ist mit hohen energetischen Kosten technisch möglich; allerdings liegen dafür zur Zeit (2015) keine Erfahrungen im großtechnischen Maßstab oder in großen Pilotanlagen vor.
Karl Strauss

Chapter 14. Nutzung fossiler Brennstoffe in Gas– und Dampfturbinenkraftwerken

Zusammenfassung
Die Kombination des Gasturbinen- mit dem Wasserdampfprozess ergibt im Vergleich zum Dampfprozess eine Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades um 5 bis 10%. Die Nutzung von Kohle ist dabei mit zwei unterschiedlichen Anlagentypen möglich:
• durch Integration einer Kohlevergasungsanlage und
• durch Verwendung einer druckbefeuerten Brennkammer.
Zur optimalen Ausschöpfung des Wirkungsgradpotentials ist für beide Typen noch die Heißgasentstaubung für den großtechnischen Einsatz zu entwickeln. Wenn auch bei der Druckfeuerung noch grundsätzliche Forschungsarbeiten zu leisten sind, besteht kein Zweifel an der Eignung von Gasturbinen für den Einsatz in kohlegefeuerten Kombikraftwerken. Aufgrund der Wirkungsgradverbesserung ergibt sich eine bedeutende Verminderung der Umweltbelastung. Für mit Erdgas gefeuerte Anlagen sind die Gas-Dampfturbinenkraftwerke Stand der Technik.
Bei den besten Anlagen werden Wirkungsgrade von 60% erreicht. Durch eine zeitliche Entkoppelung des Verdichter- und Turbinenbetriebs und Zwischenspeicherung der verdichteten Luft kann mit dem Gasturbinenprozess eine Energiespeicherung durchgeführt werden. Den Energiespeichern kommt im Zuge des Ausbaus der Nutzung regenerativer Energiequellen große Bedeutung zu.
Karl Strauss

Chapter 15. Alternative Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe

Zusammenfassung
Die Brennstoffzelle bietet die Möglichkeit, chemische Energie fossiler Brennstoffe auf direktem Weg in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei werden Energiedichten erreicht, die über denen von elektrischen Batteriespeichersystemen liegen. Aus diesem Grund werden Brennstoffzellen in der Raumfahrt eingesetzt. Auch deshalb, weil dort die technischen Anforderungen hinsichtlich einer kompakten Bauweise und bei hoher Zuverlässigkeit gegenüber den Investitions- und Betriebskosten wichtiger sind.
Neben den Brennstoffzellen wird noch die Energiewandlung mit magnetohydrodynamischen Prozessen skizziert.
Karl Strauss

Nutzung nuklearer und regenerativer Energien

Frontmatter

Chapter 16. Kernspaltung

Zusammenfassung
Mit der Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Straßmann, dass sich Atomkerne des Urans bei der Bestrahlung mit Neutronen in zwei etwa gleichgroße Kerne aufspalten, wurde 1938 am damaligen Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie die Möglichkeit für die Anwendung der Kernspaltung zur Freisetzung von Energie aufgezeigt. Aufbauend darauf hat Enrico Fermi 1942 in Chicago mit dem Nachweis, dass Kernspaltungs-Kettenreaktionen möglich sind, die Grundlagen für den Bau von Kernreaktoren gelegt. Die technische Entwicklung der Reaktoren zur Verwendung als Energiequelle für thermische Kraftwerke erfolgte dann in den 1950er Jahren im US amerikanischen Argonne National Laboratory. Die dort entwickelten Ideen wurden von den damals im Kraftwerksbau führenden Gesellschaften Westinghouse und General Elektric in kommerziell nutzbare Anlagen umgesetzt. In Erwartung des Energieüberflusses in einem vor der Tür stehenden Atomzeitalter wurden in der Öffentlichkeit Wohlstandsfantasien und in der Wirtschaft große Geschäftserwartungen geweckt.
In diesem Abschnitt wird die Nutzung der Kernspaltung für Kraftwerksprozesse in ihren Grundzügen dargestellt.
Karl Strauss

Chapter 17. Kernfusion

Zusammenfassung
Die Kernfusion ist so faszinierend, weil es sich um eine unerschöpfliche Energiequelle handelt, mit deren erfolgreicher Entwicklung das Problem der Energieversorgung für alle Zeiten gelöst wäre. Denn die für den Prozess erforderlichen Grundstoffe sind auf der Erde in großer Menge und gleichmäßiger Verteilung vorhanden.
Nachdem schon seit Jahrzehnten an der zivilen Nutzung der Kernfusion geforscht wird, arbeiten seit 2006 die Europäischen Union, Japan, die USA, Russland sowie China, Indien und Süd-Korea im Rahmen des Projekts ITER gemeinsam daran, einen Fusionsreaktor zu entwickeln.
Der ITER wird in Südfrankreich gebaut, die erste Inbetriebsetzung war ursprünglich für 2018 geplant. Ziel ist es zu zeigen, dass es physikalisch und technisch möglich ist, durch Kernverschmelzung Energie zu gewinnen. Hier wird der Stand des Projekts dargestellt.
Karl Strauss

Chapter 18. Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Zusammenfassung
Der größte Teil der von der Erde absorbierten Sonnenstrahlung ist am Prozess von Verdampfung und Kondensation des Wasserdampfes in unserer Atmosphäre beteiligt. Ein Teil dieser Energie wird in die Energie der Winde umgewandelt. Auf diese Weise treibt die Sonne unseren Wasserkreislauf und die Winde, aus denen wir Nutzenergie mit Techniken gewinnen können, die sich bewährt haben und in diesem Kapitel dargestellt werden.
Die Nutzung der Wasserkraft ist in ihren verschiedenen Formen gut entwickelt und deckt gegenwärtig rund 16% der weltweiten Stromerzeugung. Im Unterschied dazu hat man bei der Nutzung der Windenergie mit Großanlagen neueren Datums weniger Erfahrung; sie trägt mit nur etwa 3% zur Stromerzeugung bei. Noch jüngeren Datums ist die Ernte der Sonnenenergie mit Photovoltaik-Zellen, die trotzdem weltweit bereits einen Beitrag von rund 0,9% an der Stromerzeugung haben.
Karl Strauss

Zukunftsperspektiven

Frontmatter

Chapter 19. Konversion der Stromerzeugung

Zusammenfassung
Die vom Deutschen Bundestag 2011 beschlossene Energiewende, die bezahlbaren Strom aus regenerativen Energiequellen für eines der größten Industrieländer der Erde liefern soll, verlangt, dass Energiewandler zur Nutzung der Wind- und Sonnenenergie aufgebaut und zusätzlich Anlagen errichtet werden, die geernteten, aber nicht unmittelbar gebrauchten Strom speichern und die gespeicherte Energie wieder als Strom ins Netz einspeisen, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Die Errichtung von Energiespeichern mit einer Kapazität in der Größenordnung von 1 bis 3 TWh ist die zentrale Aufgabe für die Umsetzung der Energiewende.
Diese ist kein Weg zurück zur Natur, sie ist eher das größte Industrieprojekt Deutschlands. Mit dem Umbau unserer Energieversorgung sind massive Eingriffe in die Natur verbunden, die bereits auf halbem Weg ihrer Umsetzung deutlich sichtbar sind, denn der Strom, der durch Einrichtung von Wind- und Solarparks und durch das Anlegen von Mais- und Rapsfeldern für Biogasanlagen gewonnen wird, führt zu einem deutlich sichtbaren Umbau der Landschaft hin zu einem „Industriepark“.
Karl Strauss

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