カーボンニュートラル５
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# カーボンニュートラルと蓄電池技術
## 0. エグゼクティブサマリー
| 視点 | 主要メッセージ |
|---|---|
| 脱炭素ドライバ | 再エネ比率50%超のシステムでは、蓄電池が「周波数慣性」「需給調整」「ブラックスタート」を担う不可欠なアセットになる。 |
| 需給ギャップ | 国内のPV出力変動は晴天・曇天切り替わりで±30%/分、夕方には需要ピークとの位相ずれが2-4時間発生。蓄電池はこの「時間ずれ」「ランプ制御」の主担当。 |
| 産業政策 | 経産省「蓄電池産業戦略」(2022)は2030年までに自動車用150 GWh、定置用25 GWhの国内供給体制を要求し、材料調達・リサイクルを含むバリューチェーンを国家戦略化。 |
| 技術トレンド | LFPによる定置 ESS、SiC/GaN PCS、高速EMS、NaS/フローによる長時間貯蔵、全固体・水素キャリアによる季節間貯蔵が並行的に進展。 |
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## 1. 政策・市場コンテキスト
1. **国内ロードマップ**
- グリーン成長戦略：2030年温室効果ガス46%削減、2050年カーボンニュートラル。
- 系統規制：2024年改定 OCCTO ガイドラインで出力制御・周波数維持に蓄電池活用を明示。
- FIT/FIP移行：FIP案件では市場価格とプレミアム差が直接収益に響くため、蓄電池でピーク時間帯へシフトする価値が高まる。
2. **世界需要**
- BNEF 2024 見通し：グリッド用蓄電池は2030年に累積2.3 TWh、EV向けセル需要は6 TWh。
- 原材料：2024年スポット価格は Li 炭酸塩14,000 USD/t、LFP カソードは120 USD/kWh レベルまで低下。サプライチェーンの地域分散が課題。
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## 2. 電力品質とシステム数式
### 2.1 品質指標
| 指標 | 要求仕様（日本） | 備考 |
|---|---|---|
| 電圧 | 100 V系: 101±6 V / 200 V系: 201±20 V | 電気事業法 |
| 周波数 | 50/60 Hz、通常偏差 ±0.1 Hz | 緊急時 ±0.2 Hz |
| 電圧変動式 | $$\Delta V = \frac{P \times R + Q \times X}{V}$$ | 抵抗 R、リアクタンス X |
| 周波数応答 | $$\frac{df}{dt} = \frac{\Delta P}{2 H f_0}$$ | H: 系統慣性定数 (5-10 s) |
蓄電池は P および Q の双方向制御により電圧/周波数制御を担う。IEEE Std 2800 や 1547-2020 で要求されるグリッドフォーミング制御では、仮想同期発電機 (VSG) に基づく θ−ω ループと電圧制御ループを組み合わせ、慣性模擬パラメータ H\_{\text{virt}} を 2-6 s として設定する。蓄電池 PCS では瞬時値制御 (1-5 ms) とエネルギー管理 (分〜時間) を階層化する EMS が不可欠で、AGC/EDC へは周波数 droop を 2-4% 帯域で提供する。
$$
R_f = \frac{\Delta f}{\Delta P}
$$
### 2.2 周波数安定度とモデル化
- **スイング方程式拡張**：複数 BESS を含む弱系統では以下の式を解いて仮想慣性の効果を評価する。
$$
M_{\text{eff}}\frac{d\omega}{dt} + D_{\text{eff}}\omega = \Delta P - P_{\text{BESS}}
$$
仮想慣性は次式で定義する。
$$
M_{\text{eff}} = \frac{2H_{\text{virt}} S_{\text{base}}}{\omega_0}
$$
- **小信号安定度**：PCS の PLL・dq制御を線形化し、状態行列の固有値配置で減衰率 ζ > 0.2 を確保する。特に 1500 V DC リンクでは LCL フィルタと AC 系統インピーダンスの相互作用が 200-400 Hz 帯で不安定モードを誘発しうるため、アクティブダンピング又はヒステリシス制御を適用する。
- **マルチタイムスケール EMS**：分単位の再エネ予測誤差は ARIMA や LSTM を用いた確率予測で評価し、蓄電池エネルギー制約を以下で表す。
$$
E_{\text{min}} \leq \int P_{\text{BESS}} dt \leq E_{\text{max}}
$$
この制約を満たす形で MPC を解き、日内市場／容量市場の入札（5-15 分粒度）と周波数調整（1-2 秒粒度）を別々の最適化問題として扱う。
---
## 3. システムアーキテクチャ
### 3.1 定置用（ユーティリティ/産業/住宅）
1. **ユーティリティ規模 (MWh〜GWh)**
- 目的：周波数調整、容量市場応札、再エネ出力平滑化。
- 構成：PCS (SiC 3L NPC) + DC/DC + EMS（AGC/需給制御） + SCADA 連携。
- 運用：AGC参加で ±1%/20 s の応答、FCAS 等外国市場では 1 s 以内のレスポンスが要件。
2. **C&I/マイクログリッド**
- 目的：ピークカット、自家消費率向上、BCP。
- HEMS/ CEMS と連携し、PV+蓄電池+負荷制御を統合。
- 日本の FIP/PPA では「発電事業者所有」または「オンサイト第三者所有モデル」が増加。
3. **住宅用**
- 5-15 kWh クラス、DC/AC ハイブリッド PCS。
- 太陽光の「卒FIT」対策として自家消費率 30→70% への改善が典型 KPI。
#### Mermaid 図：定置 BESS の信号・電力フロー
```mermaid
graph LR
PV["PV/風力"] --> PCS["PCS (SiC 3L NPC)"]
BESS["蓄電池ラック"] --> DCDC["DC/DC モジュール"] --> PCS
PCS <--> Grid["系統"]
EMS["EMS/AGC"] -->|Setpoint| PCS
EMS -->|充放電指示| DCDC
EMS <--> SCADA["SCADA/監視"]
EMS -->|需要予測| Load["需要家/C&I"]
Load -->|計測データ| EMS
PV --> EMS
```
### 3.2 モビリティ
| 用途 | 主電池化学 | 重要指標 |
|---|---|---|
| BEV | NCM/NCA/LFP | エネ密度 150-300 Wh/kg、800 V 駆動、急速充電2-4C |
| HEV | NiMH/Li-ion | 高入出力、10-20 C レベルの瞬時放電 |
| eVTOL/航空 | 高 Ni 系、固体電池研究 | 高比出力・安全性 |
---
## 4. 技術分類と比較
| カテゴリ | 代表方式 | エネルギー密度 | ラウンドトリップ効率 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 位置エネルギー | 揚水 | 0.1 kWh/m³ | 70-80% | 長時間・GW級 |
| 運動エネルギー | フライホイール | 10-80 kWh/m³ | 85-95% | 数秒〜数分の高応答 |
| 熱・空気 | CAES/CSP+蓄熱 | 2-6 kWh/m³ | 50-70% | マルチ時間帯 |
| 電気化学 | 鉛、NiMH、Li-ion、NaS、フロー | 15-700 kWh/m³ | 60-95% | 定置/モビリティ |
| 電気二重層/ハイブリッド | EDLC、Li-C | 1-5 Wh/kg (容量) | >95% | パルス補償 |
---
## 5. 電気化学ストレージの詳細
### 5.1 主要化学系
| 化学系 | 体積エネ密度 (kWh/m³) | 典型寿命 (cycle) | 温度範囲 | 主な長所/短所 |
|---|---|---|---|---|
| 鉛蓄電池 | 50-100 | 1-2k | -20〜50℃ | 低コスト・成熟 / 重量大・環境負荷 |
| NiMH | 140-300 | 1-3k | -30〜60℃ | 高入出力 / 自己放電大 |
| Li-ion (NCM/NCA) | 250-700 | 2-4k | -20〜55℃ | 高エネ密度 / コスト、熱管理 |
| Li-ion (LFP) | 200-500 | 4-8k | -20〜60℃ | 熱安定・長寿命 / 低温特性 |
| NaS | 350-400 | 4-5k | 300-350℃ | 長時間放電 / 高温運転が必要 |
| フロー (V-Redox 等) | 15-25 | 10k+ | 0〜40℃ | 容量無限拡張 / エネ密度低 |
| Fe-Air | 100-150 | 1-2k | 0〜40℃ | 安価材料 / 充電効率と酸素管理 |
### 5.2 代表的数式
1. **鉛蓄電池起電力**
$$
E = E^\circ_{\text{正}} - E^\circ_{\text{負}} = 1.69 - (-0.36) = 2.05\,\text{V}
$$
$$
OCV = E^\circ + \frac{RT}{nF}\ln(a_{\mathrm{H_2SO_4}})
$$
2. **Li-ion Shepherd モデル**
$$
V = E_0 - K\frac{Q}{Q - It} + A e^{-B It} - R I
$$
- E₀: 開回路電圧、K: 分極定数、Q: 公称容量、A/B: 拡散過渡項、R: 内部抵抗。
- ECM（R₀ + R₁ ∥ C₁）と組み合わせて BMS の状態推定を行う。
3. **SOC/SOH 推定**
- クーロン計数：
$$
SOC(t) = SOC_0 + \frac{1}{Q_{\text{nom}}}\int I(t)\,dt
$$
- カルマンフィルタ：
$$
\hat{x}_{k|k} = \hat{x}_{k|k-1} + K_k\left(y_k - h(\hat{x}_{k|k-1})\right)
$$
- 劣化モデル：
$$
SOH(n) = SOH_0 - \alpha n^\beta
$$
（α: DOD・温度依存）
### 5.3 BMS/EMS の専門トピック
- **安全設計**：セル温度・電圧監視、セルバランシング、短絡検知、熱暴走伝播解析（CFD/実機）。
- **最適制御**：MPC（Model Predictive Control）でコスト最小化を解く。
$$
J = \sum_t C_{\text{grid}} P_{\text{grid}} + C_{\text{deg}} \Delta SOH
$$
- **デジタルツイン**：等価回路 + 物理モデル（ECM + P2D）をクラウド上で推定し、異常検知やRUL推定 (Remaining Useful Life) に活用。
### 5.4 作成プロトコルと基礎理論
#### 鉛蓄電池
1. **極板格子設計**：Sb 2-4% もしくは Ca 合金で格子を鋳造し、面積 A と活物質厚 d から容量を逆算する。
$$
C = A d \rho_{\text{PbO}_2} n F
$$
2. **ペースト調合**：酸化鉛 (PbO)・硫酸・繊維質・膨張材を二軸ミキサで均質化し、正極は PbO₂ 生成を狙い酸性、負極は Pb を保持する弱酸性に調整。
3. **固化・化成**：70-90℃・相対湿度 >95% のエージング室で 24-72 h 固化後、希硫酸を用いた化成電流 10-20 mA/cm² で PbSO₄→Pb/PbO₂ に転換。
4. **仕上げ**：1.28 sp.gr. の硫酸電解液を充填し、セルマッチング工程で OCV 偏差 5 mV 以内になるまで均等化充電を行う。
#### NiMH
1. **水素吸蔵合金**：AB₅（LaNi₅）や AB₂（TiZrVNi）合金を溶解→急冷→水素雰囲気 10 MPa でアニールし、粒径 50-80 μm に粉砕。
2. **負極電極**：合金粉 + PTFE バインダをニッケルフォームへロールプレスし、容量は吸蔵量 H/M (質量比) から決定。
3. **正極**：Ni(OH)₂ を β→γ フェーズが生じないよう Co/Al 添加。炭酸コバルトの被覆でサイクル寿命を稼ぐ。
4. **電解液・封止**：30 wt% KOH + 少量 LiOH で導電率 600 mS/cm を確保し、ラバーダイヤフラムでガス再結合経路を設ける。
#### Li-ion（NCM/NCA）
1. **活物質合成**：共沈法で Ni:Co:Mn 比を設定し、700-800℃で焼成→表面に 2-5 nm Al₂O₃ コーティング。
2. **電極スラリー**：カソードは NMP + PVDF + カーボン、アノードは水系 SBR/CMC + 黒鉛/SiOx。固形分 60%、粘度 3-5 Pa·s に管理。
3. **コーティング／カレンダー**：ドクターブレードで Al/Cu 箔へ塗布、乾燥後に面密度 20-30 mg/cm²、空隙率 30-35% へ圧延。
4. **セル組立**：クリーンドライルーム (<1%RH) で積層/捲回し、電解液（1 M LiPF₆ EC:EMC:DEC 1:1:1）注液。真空封止後、温度 25-45℃ で化成プロファイル (CC/CV) を実施し SEI を生成。
##### Mermaid 図：Li-ion（NCM/NCA）製造プロセス
```mermaid
graph TD
A[原材料合成・コーティング] --> B[電極スラリー調製]
B --> C[塗工・乾燥]
C --> D[カレンダー圧延]
D --> E[電極打ち抜き・積層・巻回]
E --> F[注液・真空封止]
F --> G[化成プロファイル CC/CV]
G --> H[SEI形成・最終検査]
```
#### Li-ion（LFP）
1. **カソード粉末**：固相法で Li₂CO₃ + FePO₄ + 炭素源を 650℃ で焼成し、粒径 200 nm・炭素被覆 3 wt% を維持。
2. **導電設計**：LFP は導電率が低いため、CNT や導電カーボンを 5-7 wt% 添加し三次元導電ネットワークを構築。
3. **セル構成**：長寿命重視で DOD 80% 運用、BMS 側で 3.0-3.45 V のウィンドウ制御を前提に化成レシピを設計。
#### NaS
1. **β-Al₂O₃ 電解質**：焼結温度 1600℃、曲げ強度 300 MPa 以上を目標に等方圧加圧 (CIP) 成形。
2. **セル封止**：内筒 Na、外筒 S/Na₂Sₓ を充填し、ハーメチックシールで反応性雰囲気を遮断。
3. **運転条件**：ヒータで 300-350℃ を維持し、粘度変化に合わせて質量流束を制御する。
$$
J = -k \nabla \mu
$$
漏洩電流は 50 μA/cm² 以下で管理。
#### フロー電池（V-Redox）
1. **電解液調製**：VOSO₄ を 2-5 M H₂SO₄ に溶解し、V²⁺⇄V⁵⁺の valence window を 0-50℃ で安定化。
2. **セルスタック**：グラファイトフェルトを 400-500℃ で活性化し、イオン交換膜（Nafion NR-212）をサンドイッチ。セル面積 1 m² あたり 1-1.5 kW。
3. **システム制御**：タンク容量からエネルギーを算出し、ポンプ流量 40-80 mL/min·cm² で拡散層厚を制御。
$$
E = c V_{\text{tank}} \Delta E
$$
#### Fe-Air
1. **鉄電極**：鉄粉 + PTFE を発泡ニッケルへ圧着し、鉄量 30-40 mg/cm²。
2. **空気極**：MnO₂ 触媒を導電カーボンに担持し、疎水 PTFE 層で三相界面を形成。
3. **電解液**：6-8 M KOH + Fe²⁺ キレート剤で浸漬し、酸素管理のためバイポーラプレートにガス拡散層を一体化する。可逆反応は次式で示し、電位 0.88 V で制御する。
$$
Fe + 2OH^- \leftrightarrow Fe(OH)_2 + 2e^-
$$
#### EDLC（電気二重層キャパシタ）
1. **活性炭電極**：フェノール樹脂由来活性炭を 800-900℃ で賦活し、比表面積 >2000 m²/g の粉末を選別。PVDF バインダと導電助剤を NMP で分散し、アルミ箔へスロットダイ塗工。
2. **乾燥・圧延**：120℃ 真空炉で溶剤除去、厚さ 60-80 μm、空隙率 50% へロールプレス。
3. **セパレータ・注液**：PP/PE 多孔膜 (厚 25 μm) を挿入し、ACN + TEABF₄（1.5 M）を 60℃ 脱水処理後に真空含浸。
4. **巻回・フォーミング**：ドライルームで捲回 → アルミケース封止。初期フォーミングは CC-CV (電圧 2.7-3.0 V) でリーク電流 <0.1 mA/F を確認。
#### SMES
1. **超伝導コイル**：NbTi/Nb₃Sn ストランドをケーブルインコンジット (CICC) に加工し、エポキシ含浸で剛性を付与。設計インダクタンス L は必要エネルギーから算出する。
$$
E=\frac{1}{2}LI^2
$$
2. **クライオスタット**：真空断熱容器内に多層断熱材 (MLI) と GFRP サポートを配置し、4.2 K で液体ヘリウム循環。熱侵入 <1 W を目標。
3. **電力変換器**：双方向 DC/DC (中間直流リンク) を介して系統と接続し、クエンチ検出時は高速ダンプリレーで外部抵抗へエネルギーを逃す。
4. **保護・制御**：磁場飽和を避けるためコイル電流上昇率 dI/dt を制限し、磁場解析 (FEM) に基づき機械応力 <100 MPa で設計。
### 5.5 診断・モデル化メトリクス
1. **インクリメンタル容量解析 (ICA)**
- 下式のスペクトルから位相変化やリチウム在庫量を推定し、NCM 系では 3.6-3.8 V のピークシフトを陰極劣化の指標とする。オンライン実装時はノイズ低減のためサボルスキー-Golay フィルタを併用し、±0.5 mV 精度の電圧計測が前提。
$$
\frac{dQ}{dV}
$$
2. **電気化学インピーダンス法 (EIS)**
- 下式モデルで Rs、charge-transfer 抵抗、Warburg インピーダンスを抽出する。定置 ESS では 10 mHz 以下でのインダクティブ挙動が PCI（Power Conversion Interference）を示唆するため、PCS 側フィルタ設計にフィードバックする。
$$
Z(j\omega) = R_s + \frac{R_{ct}}{1 + (j\omega \tau)^{\alpha}} + \frac{1}{j\omega C_{\text{dl}}} + Z_W
$$
3. **物理劣化パラメータ推定**
- P2D モデルの固相拡散係数 D_s や SEI 生成速度 k_{\text{SEI}} をバッチベイズ推定し、以下の式を寿命劣化原単位 (USD/kWh-cycle) と統合コストへ反映する。
$$
\Delta R = k_{\text{SEI}} t^{0.5}
$$
- C-Rate と温度の劣化勾配は Arrhenius 則で補正する。
$$
k = k_0 \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right)
$$
4. **セルバランシング設計指標**
- モジュール間の SoC 分散を以下の条件で抑える。
$$
\sigma_{\text{SOC}} < 1.5\%
$$
- EMS では次の目的関数を用いて MPC を構築し、サイクル寿命への寄与を定量化する。
$$
\min \sum (SOC_i - \bar{SOC})^2
$$
- そのうえでアクティブバランサ（0.5-2 A 双方向 DC/DC）と受動バランサ（50-200 mA 抵抗消費）を使い分ける。
---
## 6. 次世代・補完技術
1. **全固体電池**
- 硫化物/酸化物/ポリマー系。2025-30年にEV向けパイロット、定置用は高安全性・広温度範囲を期待。
- 粉末固相合成→メカニカルアロイ→ホットプレス（100-300 MPa, 200℃）で固体電解質を緻密化し、リチウム金属をロールボンディング添着。
- 界面抵抗低減のため LiNbO₃, Li₃PO₄ など nm オーダのバッファ層を ALD で形成。
- 代表的イオン導電率は硫化物系で 5-10 mS/cm、酸化物で 0.1-1 mS/cm が実証値。臨界電流密度は 0.5-1.5 mA/cm² が現行目安で、急速充電では 3 mA/cm² 以上を目指す。
- IEC 62933-5-3 では短絡安全試験向けに 200% SOC, 85℃ 条件が策定中で、定置 ESS への適用ロードマップを想定。
- 課題：界面抵抗、イオン導電率、量産スケール。
2. **水素キャリア（Power-to-H2-to-Power）**
- 電解効率：50-55 kWh/kg-H₂、燃料電池効率 40-60%、総合効率 24-48%。
- アルカリ/PEM/固体酸化物の各電解スタックでセル電圧 1.8-2.2 V を目安に設計し、触媒は IrO₂/NiFe-LDH 等を採用。
- 生成水素は 700 bar 圧縮または LOHC（トルエン⇄メチルシクロヘキサン）に吸蔵し、逆反応で再放出 → SOFC/PEMFC で発電。
- 季節間・長期貯蔵（週〜月単位）に適し、CCUSと統合した都市ガス置換が議論。
- ISO 14687 Type 1 (燃料電池車用) や JIS B 8243 に準拠する純度 99.97% を達成するため、PSA + 低温メタネーションによる不純物 <0.1 ppm CO を保証する必要がある。地下塩洞での貯留ではクッションガス 20-30% を確保し、漏洩分を GHG インベントリへ計上する。
##### Mermaid 図：Power-to-H₂-to-Power チェーン
```mermaid
sequenceDiagram
participant RE as 再エネ電源
participant EL as 電解装置
participant ST as 貯蔵/輸送 (700 bar or LOHC)
participant FC as 燃料電池/SOFC
participant Grid as 系統/需要家
RE->>EL: DC供給 (50-55 kWh/kg-H₂)
EL->>ST: 高純度水素 (ISO 14687)
ST-->>FC: 圧縮/LOHC から放出
FC->>Grid: 発電 (24-48% 総合効率)
ST->>Grid: 副用途 (産業/合成燃料)
```
3. **SMES/CAES/EDLC**
- SMES：応答ミリ秒、効率 95-98%。NbTi/Nb₃Sn ケーブルをヘリカル巻きし、4.2 K のクライオスタットで保持。クエンチ検出回路とダンプリレーが必須であり、エネルギーは次式で表す。
$$
E = \frac{1}{2}LI^2
$$
- CAES：効率 50-70%。地下洞窟をライナー施工し、多段圧縮＋再熱器＋膨張タービンで構成。油分分離・水分管理が性能を支配し、断熱圧縮エネルギーは以下で見積もる。
$$
E = \frac{P_2V_2 - P_1V_1}{\gamma-1}
$$
- EDLC：数秒以内の高出力、自己放電大だが 10^6 サイクル以上。活性炭 (比表面積 >2000 m²/g) をアルミ箔に塗工→乾燥→セパレータ（PP/PE）と積層し、ACN 系電解液を真空含浸して巻回。
---
## 7. ライフサイクル・サステナビリティ
| 項目 | 指標 | コメント |
|---|---|---|
| LCA (Li-ion) | 1,000-1,200 kg-CO₂/kW (製造) | 発電段階の削減効果を含めると正味 10-15 t-CO₂/kW を削減 |
| EPBT | 2-2.5 年 (最新 PV+蓄電池) | 2000年代の5-10年から大幅短縮 |
| リサイクル | 鉛 >99%、Li-ion 50-80%（活物質回収） | ブラックマス湿式精錬が進展、LFP も回収ルート整備中 |
| 法規制 | 2023年廃掃法改正で PV・蓄電池の適正処理義務化 | 追跡可能な回収・処理フローが必要 |
---
## 8. 動向整理：用途別アーキテクチャ
| 用途 | 代表容量 | PCS構成 | 制御指標 | 主要 KPI |
|---|---|---|---|---|
| メガソーラー + BESS | 50-200 MWh | 1500 V DC、3L-SiC PCS | EMS + AGC、無効電力制御 | ランプ率 ±10%/分、稼働率 >95% |
| 産業マイクログリッド | 0.5-5 MWh | 双方向 AC/DC + DC/DC | 需要予測 + MPC | 需要家ピーク削減 20-40%、BCP |
| 住宅 | 5-15 kWh | DCリンク + ハイブリッド PCS | HEMS連携 | 自家消費率 70% 目標、停電時 2-3kW |
| 周波数調整/慣性サービス | 50-150 MW / 30 分 | VSG対応 PCS + 高速 DC/DC | PLLレス GFM, droop 2-4% | FFR 1 s 応答、RoCoF <0.5 Hz/s |
| EV バッテリー | 60-120 kWh | 400/800 V プラットフォーム | BMS + 車載OS | 充電時間 <20分、SOH>80%/8年 |
---
## 9. 参考資料・出典
1. 経済産業省「蓄電池産業戦略」（2022）
2. OCCTO「系統運用ルール改訂資料」（2024）
3. BNEF “Energy Storage Market Outlook 2024”
4. IEA “Global EV Outlook 2024”
5. Nature Energy 2023 “Advanced Battery Technologies for Grid-Scale Storage”
6. Science 2024 “Solid-State Batteries: Current Status and Prospects”
7. IEC 62619 / JIS C8715-1 / UL1973
Collection
Citation
unjuno, “カーボンニュートラル５,” unjuno'sResearchLibrary, accessed October 8, 2026, https://archive.unjuno.org/items/show/132.
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