>Power-i<
neue Perspektiven für die Eigensicherheit
von Dr. Udo Gerlach, Dr.-Ing. Ulrich Johannsmeyer und Thomas Uehlken
"Power-i" - neue Perspektiven für die Eigensicherheit (315 kB)
In der Prozessautomation kommt der Zündschutzart Eigensicherheit ›i‹ wegen der zahlreichen Vorteile – wie weltweite Akzeptanz, einfache Anforderungen an Gehäuse und die Möglichkeit, bei Wartungsarbeiten oder Umbauten ohne Heißarbeitserlaubnis zu arbeiten – große Bedeutung zu. Allerdings schränkt der zulässige geringe Wirkleistungsumsatz von nur ca. 2W (für Gruppe IIC nach IEC 60079-11) die industrielle Anwendungsvielfalt der Eigensicherheit stark ein. Bei höherem Leistungsbedarf muss, obwohl vielfach klare Nachteile entstehen, auf andere Zündschutzarten ausgewichen werden. Mit dem innovativen Energieversorgungskonzept ›Power-i‹ lässt sich eine deutliche Wirkleistungserhöhung bei gleichzeitiger Wahrung aller Vorteile der Eigensicherheit erreichen.
- Tabelle 1: Mit ›Power-i‹ zurzeit erreichbare Wirkleistungswerte
Die Idee von >Power-i<
Die Zündschutzart Eigensicherheit ›i‹ beruht, auf der Begrenzung von elektrischer Energie innerhalb von Betriebsmitteln und Verbindungsleitungen. Dabei sind sowohl die eingespeiste Leistung als auch die Möglichkeit der Energiespeicherung im eigensicheren Stromkreis auf ein Niveau zu begrenzen, bei dem eine Zündung weder durch Funkenbildung noch durch Erwärmung möglich ist. Im Störungsfall, z.B. beim Auftreten eines Funkens, ist die in den Funken übertragbare Energie neben den Werten für Strom und Spannung der Quelle stark abhängig von der Funkendauer, die wiederum maßgeblich vom verwendeten Kontaktmechanismus abhängt. So ist bei Untersuchungen am Funkenprüfgerät nach IEC 60079-11 die Funkendauer sehr unterschiedlich – diese schwankt von wenigen µs bis ca. 2ms. Der Grundansatz von ›Power-i‹ beruht auf einer definierten Begrenzung (d.h. Verkürzung) der sonst (d.h. ohne ›Power-i‹) stark schwankenden Funkendauer. Dadurch lassen sich die Versorgungswerte für Strom und Spannung deutlich erhöhen. Bei ›Power-i‹ muss ein Störzustand im elektrischen System bereits im Moment des Entstehens erkannt werden und eine sofortige Überführung in einen sicheren Zustand erfolgen. Dieses muss durch sicherheitstechnisch zu bewertende Überwachungs- und Abschalteinrichtungen so schnell geschehen, dass ein kritischer Zustand erst gar nicht entstehen kann.
Vorteile der >Power-i<-Technologie
Der Hauptvorteil der ›Power-i‹-Technologie besteht darin, dass eine wesentlich höhere eigensicher umsetzbare Wirkleistung im explosionsgefährdeten Bereich zur Verfügung steht. Damit können u.a. bei deutlich höheren Leistungen in eigensicheren Stromkreisen Wartungsarbeiten und Umbauten im laufenden Betrieb ohne Heißarbeitserlaubnisschein durchgeführt werden. Ebenso lassen sich in vielen Applikationen andere aufwendig zu realisierende und somit teure Zündschutzarten wie Erhöhte Sicherheit ›e‹ oder Druckfeste Kapselung ›d‹ durch ›Power-i‹ ersetzen. Dadurch eröffnen sich für die Zündschutzart Eigensicherheit in vielen Bereichen – besonders in der Prozessindustrie – neuartige Perspektiven. Als Beispiele seien genannt: Waagen, Beleuchtungssysteme, Ventilansteuerungen und Feldbusse, wie FOUNDATION Feldbus H1 oder PROFIBUS PA. Diese Technologie lässt sich gut in existierende und neue Technologien integrieren und eröffnet dem Anlagenbauer und -betreiber auch eine Vereinfachung bereits bestehender Applikationen. Eine konkrete Ausführungsform dieser Art dynamisch reagierender Energieversorgungen ist die DART®-Technologie (DART: Dynamic Arc Recognition and Termination), der viele Jahre intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vorausgingen. Die damit erreichbaren deutlich höheren Wirkleistungswerte sind in Tabelle 1 dargestellt.
- Bild 1: Arbeitsbereich von ›Power-i‹ im ohmschen Kennlinienfeld der IEC 60079-11: 2006 (Figure A.1) für U = 24V DC (Punkt 1: ›konventionell‹ eigensicherer Grenzwert; Punkt 2: Normalbetrag = störungsfreier ›Power-i‹- Arbeitsbereich; Punkt 3: eigensicherer Bereich)
>Power-i< und die >konventionelle< Eigensicherheit
Wie vereinbart sich die ›Power-i‹-Technologie mit der konventionellen Eigensicherheit? Dies soll am Beispiel des Anhangs A der IEC 60079-11 Figure A.1 erklärt werden (Bild 1). Bei Vorgabe der Versorgungsspannung von U = 24V DC und unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors SF = 1,5 sind hier in der Explosionsgruppe IIC für den Strom I = 174mA zulässig. Daraus lässt sich bei Leistungsanpassung die umsetzbare eigensichere Wirkleistung zu P = 1,04W ermitteln. Die exakte Festlegung des höchstzulässigen Stromwertes bei ›Power-i‹ hängt von den dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems – bestehend aus Quelle, Leitung und Verbraucher – ab. So sind mit ›Power-i‹, wie Tabelle 1 für z.B. U = 24V DC zeigt, unter bestimmten Bedingungen 22W eigensicher verfügbar.
Wirkungsweise von >Power-i<
Bei der ›konventionellen‹ eigensicheren Betrachtungsweise kann ein Funke im ohmschen Kreis während der gesamten Funkendauer Zündenergie aus der Quelle beziehen. Eine Begrenzung dieser Energie erfolgt hier ausschließlich durch die statische Begrenzung des maximalen Stromflusses in der Quelle und durch die Funkendauer, bedingt durch die Bewegung des Kontaktmechanismus.
Wie bereits zuvor beschrieben, basiert ›Power-i‹ auf einer schnellen Störfallerkennung in Verbindung mit einer Schnellabschaltung – noch bevor ein sicherheitskritischer Zustand überhaupt entstehen kann. Dadurch sind die signifikant höheren Anschlusswerte gegenüber der zurzeit gültigen Norm IEC-60079-11 möglich. Diese höheren Werte sind allein durch die wirkungsvolle Begrenzung der Funkenenergie möglich. Ausgenutzt wird hierbei die Tatsache, dass in ohmschen Kreisen jeglicher sicherheitstechnisch kritische Zustand (Funken) unmittelbar mit einer – wenn auch geringen – Stromänderung (siehe Bild 7 ›Initial-Sprung‹) verbunden ist. Diese muss durch dynamisch wirkende Stromsensoren sicher detektiert werden und die unmittelbare Überführung in einen sicheren Zustand bewirken. Während die Zündfähigkeit ›klassischer‹ Funken in einem ohmschen Stromkreis maßgeblich durch die sehr variable Funkendauer bestimmt wird, basiert ›Power-i‹ auf einer definierten Verkürzung der Funkendauer. Diese ist systemabhängig und ergibt sich aus der berechenbaren Abschaltzeit des Gesamtsystems – d.h. aus der Hardware-Aktionszeit und der doppelten maximalen Leitungslaufzeit.
- Bild 2: Prinzipschaltung einer Ausführungsform der ›Power-i‹-Energieversorgung
>Power-i<-Engergieversorgung
Das zuvor beschriebene Verhalten lässt sich beispielsweise mit dem Hardware-Konzept nach Bild 2 realisieren. Die hier dargestellte Energieversorgung enthält Komparatoren zur Erkennung von Stromsprüngen (+di/dt-Detector für Schließfunken und –di/dt-Detector für Öffnungsfunken) und Überlastzuständen (I-Detector), konventionelle eigensichere Begrenzungseinrichtungen sowie einen elektronischen Schalter S1. Der Innenwiderstand RStart gewährleistet bei geöffnetem Schalter S1, dass nur ein ›kleiner‹ eigensicherer Strom auf Basis der IEC 60079-11: 2006 in den Lastkreis fließen kann. Das prinzipielle Verhalten soll am Beispiel des U-I-Ausgangs-Kennlinienfeldes einer ›Power-i‹-Quelle nach Bild 2 verdeutlicht werden (siehe Bilder 3 und 4). Die Bilder 3 und 4 zeigen jeweils zwei unterschiedliche Kennlinienbereiche: die ›i‹-Kennlinie (blau) mit dem Anfahr- und Rückkehrbereich und die ›Power-i‹-Kennlinie (rot) mit dem Normal- oder Arbeitsbereich.
- ›i‹-Kennlinie: (Schalter S1 = offen, Bild 2). Diese befindet sich komplett im eigensicheren Bereich der Kennlinienscharen der IEC 60079-11:2006 Annex A. Der Verlauf dieser Kennlinie wird durch den linear begrenzenden Ausgangswiderstand RStart festgelegt. Die Ausgangsspannung muss in Abhängigkeit von der Last einen vorgegebenen Schwellwert Uthres erreichen (Punkt 3 bei Rthres), sonst kann der Übergang in den Bereich der ›Power-i‹-Kennlinie nicht erfolgen.
- ›Power-i‹-Kennlinie: (Schalter S1 = geschlossen). Nur nach Überschreitung des Schwellwertes Uthres erfolgt der ›langsame‹ Übergang vom Bereich der ›i‹-Kennlinie in den ›Power-i‹-Bereich. ›Langsamer‹ Übergang bedeutet hierbei, dass die Stromänderung di/dt unterhalb der Auslöseschwelle der dynamischen Abschaltung liegt. Der ›Power-i‹-Bereich ist der Betriebsbereich, der die maximale Ausgangsleistung (im Punkt 4) ermöglicht. Dieser Bereich liegt in der Regel deutlich oberhalb der ›i‹-Kennlinie (und somit auch außerhalb der in der IEC 60079-11: 2007 Annex A spezifizierten Werte).
- Störfall: Wird in diesem Betriebsbereich auf Grund von Störungen (z.B. Funken) eine Stromänderung di/dt detektiert, die oberhalb der Auslöseschwelle der dynamischen Abschaltung liegt (Bild 4), führt dies durch das sofortige Öffnen des elektronischen Schalters S1 unmittelbar und sehr schnell zur Rückkehr in den ›klassisch‹ eigensicheren Bereich der ›i‹-Kennlinie.
Während der Übergang von der ›i‹-Kennlinie zur ›Power-i‹-Kennlinie – also das ›Anfahren‹ – langsam, d.h. im ms-Bereich erfolgen kann, muss der umgekehrte Weg, also die Reaktion im Störfall – das Abschalten – im Bereich von wenigen µs erfolgen.
Sicherheitskonzept Die allgemeine Voraussetzung für eine Zündung besteht in der Überschreitung einer definierten Zündtemperatur in einem Initialvolumen des Gas-Luft-Gemisches. Dazu ist das Erreichen einer bestimmten Energiedichte in diesem Initialvolumen erforderlich. Da sich die Energiedichte aus dem Leistungseintrag in einer bestimmten Zeit ergibt, lässt sich ableiten, dass dem Faktor ›Zeit‹ fundamentale Bedeutung bei einer Entzündung zukommt. Durch gezielte Beeinflussung dieses Faktors kann das Zündverhalten stark beeinflusst werden. Dieser Umstand findet in der Norm IEC 60079-11: 2006 keine Berücksichtigung. Grundlagenuntersuchungen der PTB haben gezeigt, dass sich durch eine definierte Beeinflussung dieses Faktors deutlich höhere ›eigensichere‹ Grenzwerte erzielen lassen. Zur Optimierung ist hierbei allerdings die sicherheitstechnische Bewertung der drei wesentlichen Komponenten des Gesamtsystems – Quelle, Leitung und Verbraucher – notwendig. Die Minimalkonfiguration zeigt Bild 5. Grundsätzlich darf die Information über eine sicherheitsrelevante Störung unter keinen Umständen weder durch die Leitung noch durch die Verbraucher dahingehend negativ beeinflusst werden, dass eine Detektion mit nachfolgender Reaktion der Quelle nicht mehr gewährleistet ist. Die wesentlichsten Eigenschaften der Komponenten eines ›Power-i‹-Systems sind:
Dieses erforderliche ›definierte‹ Verbraucherverhalten lässt sich für eine große Anzahl von Verbrauchern durch eine sogenannte Eingangsbeschaltung zur Lastentkopplung realisieren. Eine mögliche Form dieser Lastentkopplung in Verbindung mit einer nahezu beliebigen Last zeigt Bild 6, wobei hier nur die sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllt werden. Funktionelle Anforderungen müssen davon getrennt eingehalten werden. |
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Bild 3: Ausgangskennlinienfeld einer ›Power-i‹-Quelle bei Lastaufschaltung | |
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Bild 4: Ausgangskennlinienfeld einer ›Power-i‹-Quelle im Störungsfall |
- Bild 5: Konfiguration eines Eigensicherheitssystems
Sicherheitsrelevante Parameter
Vor der Bewertung des Zündverhaltens von ›Power-i‹-Stromkreisen soll zunächst der typische Verlauf eines Öffnungsfunkens in einem ohmschen Stromkreis (Basis: IEC 60079-11: 2006 Annex A) analysiert werden. Bild 7 zeigt dafür beispielhaft den realen zeitlichen Verlauf von Spannung, Strom und Leistung eines Funkens. Diese Arten von Öffnungsfunken sind – ohne Betrachtung der verwendeten Versorgungsspannung und des verwendeten Versorgungsstromes – durch folgende zündrelevante Parameter charakterisiert:
- Initialsprung: jeder dieser Funken beginnt ursächlich mit einem Initialsprung; hier steigt die Funkenspannung in weniger als 100ns von 0V auf den Wert der Funkenverlustspannung von ca. 10V; daraus resultiert der gleichzeitige Abfall des Funkenstromes (der Wert für die Funkenverlustspannung gilt für die Kontaktpaarung des Funkenprüfgerätes mit Wolfram-Cadmium; für andere Kontaktpaarungen liegt dieser Wert in der Regel höher);
- Verlauf der Funkenspannung während der Funkendauer: Dieser ist maßgeblich für den wirksamen Zündenergieeintrag. Nur Spannungswerte oberhalb der Funkenverlustspannung von ca. 10V liefern einen Beitrag zur wirksamen Zündenergie und sind somit zündwirksam
- Funkendauer: Diese kann bei dieser Art Öffnungsfunken von ca. 20µs bis ca. 2ms variieren.
- Bild 6: Beispiel für einen Verbraucher mit integrierter Lastentkopplung
Die in der IEC 60079-11: 2006 im Annex A aufgeführten zulässigen Maximalwerte ergeben sich unter diesen Randbedingungen. Da die stark variierende Funkendauer unmittelbar mit der Möglichkeit eines stark variierenden Energieeintrages in den Funken verbunden ist, muss dem bei der Festlegung der zulassungsfähigen Maximalwerte Rechnung getragen werden. Das führt zu den im Vergleich zu ›Power-i‹ ziemlich kleinen eigensicheren Grenzwerten. Genau hier setzt die sicherheitstechnische Grundidee des ›Power-i‹-Konzeptes an. Unmittelbar nach der Detektion eines Funkens erfolgt die sichere Trennung des Lastkreises von der Energieversorgung. Damit wird dem Funken die für eine Zündung erforderliche Energiezufuhr entzogen. Übliche Hardware-Abschaltzeiten der ›Power-i‹-Quellen liegen unterhalb von 2µs. Für die sicherheitstechnische Betrachtung muss allerdings die Bewertung der maximalen systemabhängigen ›Power-i‹-Reaktionszeit herangezogen werden. Sie ist gleichzusetzen mit der maximalen Abschaltdauer des Systems. Diese ergibt sich aus der Summe der Hardware-Abschaltzeit (z.B. 2µs) und der (doppelten) maximalen Leitungslaufzeit – zuzüglich möglicherweise verbraucherbedingter Verzögerungen. Die maximale Abschaltzeit ist somit im Voraus berechenbar. Beispielsweise ergibt sich für ein System nach Bild 5 mit einer 1000m langen Leitung (maximale Leitungslaufzeit hierbei ca. 6µs) die maximale ›Power-i‹-Abschaltzeit von ca. 15µs (2µs + 6µs + 6µs + 1µs). Im Gegensatz zu konventionell gespeisten DC-Kreisen, bei denen die Funkendauer variabel ist, wird hierbei eine Funkendauer von mehr als 15µs definitiv ausgeschlossen. Dies ermöglicht – unter Beibehaltung der gleichen Zündwahrscheinlichkeit wie bei der konventionellen Betrachtung – deutlich höhere zulässige Grenzwerte. Bild 8 verdeutlicht diese Zusammenhänge an Hand eines realen Plots. In diesem Beispiel beträgt die verkürzte Funkendauer 13,8µs.
Wirkleistung in Abhängigkeit von Reaktionszeit und Leitungslänge
Bei den hier betrachteten Funken sind im Wesentlichen zwei Energieverlustarten dominant. Das ist zum einen die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches und anderseits der Wärmeverlust innerhalb der Zündquelle. Bei ›langen‹ Funken ( >50µs) sind die Wärmeverluste dominant. Um diese Verluste für eine mögliche Zündung auszugleichen, sind höhere Leistungseinträge erforderlich. Bei den hier betrachteten ›kurzen‹ Funken sind deshalb die Wärmeverluste zu vernachlässigen. Hier dominieren eindeutig die Verluste, die sich durch die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches ergeben. Bild 9 zeigt eine Kurve konstanter Funkenenergie in Abhängigkeit von der Funkenleistung bei einer Funkendauer, die maximal 20µs lang ist. Diese Kurve stellt den minimalen Energiewert dar, der – abzüglich aller energetischen Verluste – für eine Entzündung erforderlich ist. Dieser soll als ›minimale effektive Funkenenergie‹ WF-effective definiert werden (effective incendive energy). Für eine Funkendauer unter 20µs gilt der vereinfachte Ansatz:
Zündversuche der PTB mit dem Funkenprüfgerät ergaben für WF-effective einen Wert unter 10µJ für die Explosionsgruppe IIC. Jeder Punkt der Kurve in Bild 9 bildet somit ein Rechteck mit konstantem Flächeninhalt. Bezogen auf die beispielhaft dort eingetragenen Energiewerte gilt:
W1 = W2 =WF-constant
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Bild 7: Typischer Verlauf von Strom und Spannung eines Öffnungsfunkens, der von einer linear begrenzten Quelle versorgt wird (hier U = 24V und I = 280mA, Funkendauer ≈ 180µs) | Bild 8: Verkürzung der Zeitdauer eines Öffnungsfunkens durch ›Power-i‹-Versorgung (hier: 24V DC/400mA, Leitungslänge 1.000m, Funkendauer = 13,8µs) |
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Bild 9: Kurve konstanter ›effektiver Funkenenergie‹ WF-effective (Prinzipdarstellung für eine Funkendauer tF < 20µs) | Bild 10: Zündgrenzkurve: Effektive Ausgangsleistung einer ›Power-i‹-Quelle in Abhängigkeit von der System-Reaktionszeit und der Leitungslänge |
Die Abbildung zeigt deutlich, dass die erforderliche ›effektive Zündleistung‹ PF = PF-effective bei längeren Funkendauern (z.B. tF = t2 = 20µs bei P2), deutlich geringer ist als bei einer kürzeren Funkendauer (z.B. tF = t1 = 5µs bei P1). Die Erhöhung der ›effektiven Zündleistung‹ ist unmittelbar mit einer möglichen Erhöhung der elektrischen Leistungswerte verbunden! Dieser Effekt wird bei ›Power-i‹ ausgenutzt. Bild 10 zeigt, basierend auf Bild 9, die unter bestimmten Randbedingungen in einem ›Power-i‹-System erreichbare effektive Ausgangsleistung (Wirkleistung) in Abhängigkeit von der System-Reaktionszeit und der Leitungslänge. Dabei wurden durch praktische Zündversuche ermittelte Energiewerte (Sicherheitsfaktor SF = 1,5 im Gasgemisch mit Sauerstoffanteil) als Basis für ein Näherungsverfahren verwendet. Die hierbei ermittelten Grenzwerte dienten als Berechnungsgrundlage für die Kurven in Bild 10. Bei der Vorgabe der Anstiegsgeschwindigkeit der Funkenspannung von 1,2V/µs handelt es sich um einen empirisch ermittelten Maximalwert, der auf Basis zahlreicher Messungen der PTB festgelegt wurde. Kleinere Anstiegsgeschwindigkeiten sind sicherheitstechnisch unkritisch – das Auftreten höherer Werte kann bzgl. der Zündwahrscheinlichkeit als vernachlässigbar betrachtet werden. Ähnliches trifft auch auf die Leitungsfortpflanzungsgeschwindigkeit von 160m/µs zu. Hier gilt der Wert als Minimalwert, d.h. höhere Geschwindigkeiten bedeuten höhere Sicherheit, niedrigere Geschwindigkeiten bedürfen einer besonderen Betrachtung.
Sicherheitsrelevante Nachweise
Die bisher üblichen (klassischen) Bewertungsverfahren für eigensichere Stromkreise nach IEC 60079-11: 2006 sind für die Bewertung von ›Power-i‹-Stromkreisen nicht ausreichend. Folgende sicherheitsrelevanten Nachweise sind erforderlich:
- Nachweis über die maximale systemabhängige ›Power-i‹-Reaktionszeit
- Nachweis über die sichere Detektion der Stromsprünge (Pegel, Schaltzeiten u.a.). Um Interoperabilität der Produkte verschiedener Hersteller von ›Power-i‹-Quellen und -Endgeräten zu gewährleisten, ist die Definition fest vorgegebener Ein- und Abschaltpegel sowie der dazugehörigen Reaktionszeiten unumgänglich
- Nachweis über das sichere Abschalten (bzw. den Übergang in einen sicheren Zustand) im Störungsfall.
Diese Nachweise dürfen durch keine Komponente des Gesamtsystems Quelle-Leitung-Verbraucher negativ beeinträchtigt werden. Dazu wird die Erstellung möglichst einfacher Dimensionierungs- und Errichtungsbestimmungen für das Gesamtsystem angestrebt.
Internationalisierung von >Power-i<
Um die internationale Anwendung der ›Power-i‹-Technologie zu ermöglichen, ist es notwendig, ein Prüfverfahren zum sicherheitstechnischen Nachweis für derartige Stromkreise in die internationale Norm aufzunehmen, möglicherweise zunächst als ›Technische Spezifikation‹ TS. Die derzeitig gültige Norm IEC 60079-11 2006 enthält kein solches Nachweisverfahren. Deshalb wird zurzeit das von der PTB entwickelte Verfahren in den zuständigen nationalen Fachkreisen diskutiert.
"Power-i" - neue Perspektiven für die Eigensicherheit (315 kB)
Literaturhinweise | |
[1] | IEC 60079-11: 2006 Explosive atmospheres – Part 11: Equipment protection by intrinsic safety ›i‹ |
[2] | Udo Gerlach, Thomas Uehlken, Ulrich Johannsmeyer, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, Andreas Hennecke, Martin Junker, Pepperl+Fuchs: ›DART oder die neue Dimension der Eigensicherheit‹, Automatisierungstechnische Praxis atp 04/2008, S. 39–51 |
[3] | Dr. Udo Gerlach, Dr. Ulrich Johannsmeyer, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Uehlken, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, Dr. Martin Junker, Dipl.-Ing. Andreas Hennecke (MBA), Pepperl+Fuchs Mannheim; ›Deutlich mehr Power in der Eigensicherheit durch Nutzung innovativer Technologien‹, |
[4] | Dr. Udo Gerlach, Dr. Ulrich Johannsmeyer Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, Neue Perspektiven für den Explosionsschutz – Innovative Eigensichere Energiekonzepte eröffnen neue Anwendungsgebiete, CHE Manager |
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