Meerwasserentsalzung - Nachhaltigkeit erforschen

Universität Karlsruhe (TH)
Interfakultatives Institut für Entrepreneurship
Seminararbeit zu
„Nachhaltig – Herausforderung für
Wissenschaft und Entrepreneurship“
Thema der Arbeit
„Meerwasserentsalzung“
Verfasser: Benjamin Tobias Obergföll
Waghäusel, 16.04.2010
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INHALTSVERZEICHNIS
1. Einführung .......................................................................................... 3
1.1 Wasser – ein kostbares Gut ................................................................................................ 3
1.2 steigender Wasserbedarf in der Zukunft ............................................................................ 4
1.3 Meerwasserentsalzung als Lösung? .................................................................................... 5
2. Verfahrenstechniken zur Meerwasserentsalzung ................................ 7
2.2 solare Verdunstungsanlagen ............................................................................................... 7
2.3 Umkehrosmose (reverse osmosis) ...................................................................................... 8
2.4 Mehrstufige Entspannungsverdampfung ........................................................................... 9
2.5 Gefrierverfahren ............................................................................................................... 10
2.6 Elektrodialyse .................................................................................................................... 10
3. Energieversorgung .............................................................................12
4. Meerwasserentsalzungsanlage bei Iraklia ..........................................14
5. Fazit und Ausblick ..............................................................................16
Quellenverzeichnis ................................................................................18
Eidesstattliche Erklärung .......................................................................19
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1. EINFÜHRUNG
1.1 WASSER – EIN KOSTBARES GUT
Die Erde wird auch der „blaue Planet“ genannt. Trotzdem haben ca. 1 Milliarde
Menschen keinen Zugang zu sauberem Wasser und 4 Millionen Menschen
sterben jährlich deswegen. Das Problem ist, dass nur ca. 3% der gesamten
Wassermenge Süßwasser ist und davon ist nur ein Bruchteil zugänglich und
damit nutzbar (siehe Abb.1).
Abb.1 Quelle: http://de.wikipedia.org
Ein weiteres Problem ist die ungleiche Verteilung des verfügbaren Süßwassers.
Es gibt Regionen mit Wasserüberschuss und Regionen mir Wassermangel.
Dies hat klimatische (zu geringe natürliche Niederschlagsmengen), als auch
technische Gründe (Abwasseraufbereitung).
Selbst in Europa kommt es zu Trinkwassermangel. So
versiegten z.B. im
Frühjahr 2008 in Barcelona die Wasserspiegel wegen akuter Knappheit, der
Brunnen vor der Kathedrale Sagrada Familia wurde stillgelegt und es musste
frisches Wasser mittels Tanker aus Marseille herbeigeschafft werden.
Aber besonders Afrika und Asien leiden unter Wasserknappheit. Abbildung 2
gibt einen Überblick über die Regionen, in denen die Bevölkerung keinen
Zugang zu sauberem Trinkwasser hat.
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Abb.2 Quelle: www.wasserkonflikt.de
1.2 STEIGENDER WASSERBEDARF IN DER ZUKUNFT
Laut Prognosen werden bis 2050 ca. 9 Milliarden Menschen auf der Erde leben.
In Abbildung 3 sieht man die Tendenz, wie der Wasserbedarf innerhalb der
letzten 100 Jahre zugenommen hat, untergliedert nach Sektoren (Municipal =
Kommune/Stadt, Industrial = Industrie, Agriculture = Landwirtschaft).
Abb.3 Quelle: www.wasserkonflikt.de
Von 1950 bis 2000 hat sich die Weltbevölkerung von 3 auf 6 Milliarden
Menschen erhöht, was zu Folge hatte, dass auch der Wasserbedarf um ca.
350% gestiegen ist. Wie soll also der Bedarf für 9 Milliarden Menschen gedeckt
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werden? Die Tatsache, dass das Bevölkerungswachstum hauptsächlich in
Afrika und Asien stattfindet, also in Regionen in denen heute schon starker
Wassermangel herrscht, wird die Situation zusätzlich verschärfen. Abbildung 4
zeigt eine Prognose für 2050 auf.
Abb.4
1.3 MEERWASSERENTSALZUNG ALS LÖSUNG?
Mit den Ozeanen hat man im Prinzip unbegrenzte Wasservorräte. Diese
machen 97% des kompletten Wasservorrats aus. Man muss sie nur nutzbar
machen: durch die Entsalzung von Meerwasser. Wie es geht ist ja altbekannt
und es wird heute schon in großem Umfang umgesetzt.
Abb.5 Quelle: www.dme-ev.de
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So gibt es inzwischen weltweit über 13.000 Meerwasserentsalzungsanlagen,
die täglich ca. 50 Milliarden Liter Trinkwasser produzieren. „Das würde reichen,
um die Hälfte der EU-Bürger zu versorgen. Ganze Städte und Länder beziehen
ihr Trinkwasser heute aus dem Meer, in manchen Regionen würde die
Wasserversorgung ohne Entsalzungsanlagen zusammenbrechen.“1)
Spanien könnte z.B. ohne die Anlagen ihre Anbaugebiete nicht mehr
bewässern und am Persischen Golf fällt über Jahre überhaupt kein Regen. Fast
das gesamte verwendete Wasser kommt dort von Entsalzungsanlagen. Ein
luxuriöses Leben wie in Dubai wäre ohne sie nicht möglich.
Abbildung 6 zeigt die Anlagenkapazitäten der Anlagen und deren weltweite
Verteilung.
Abb.6 Quelle: www.dme-ev.de
Die folgenden Kapitel beschäftigen sich nun damit, wie die Entsalzung in den
heutigen Anlagen abläuft und inwieweit die Meerwasserentsalzung eine Lösung
für die Wasserknappheit ist.
1) Zitat aus dem Artikel „Quelle an der Küste“ vom 28.08. aus der süddeutschen Zeitung
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2. VERFAHRENSTECHNIKEN ZUR MEERWASSERENTSALZUNG
2.1 HISTORISCHE ENTWICKLUNG
Die Idee, aus Meerwasser Süßwasser herzustellen, ist schon so alt wie die
Geschichtsschreibung selbst. Man stellte einfach einen mit Meerwasser
gefüllten Behälter in die Sonne und versuchte das Kondensat aufzufangen. Mit
der Zeit wurde damit hauptsächlich versucht, Trinkwasser auf Schiffen und
Inseln zu gewinnen. Während des zweiten Weltkrieges hat man sogar Einheiten
von Schiffen und Flugzeugen mit einer aufblasbaren Destillationsanlage
ausgestattet. Seit einigen Jahrzenten wird die Meerwasserentsalzung auch für
die Süßwasserversorgung im Inland eingesetzt.
Mit der Zeit wurden dabei immer neuere Verfahren entwickelt die in den
folgenden Kapiteln vorgestellt werden.
2.2 SOLARE VERDUNSTUNGSANLAGEN
Die Anlagen an sich sehen aus wie Gewächshäuser und wurden schon Ende
des 19. Jahrhunderts eingesetzt. Das Verfahren beruht noch auf dem Prinzip,
durch Sonneneinstrahlung Meerwasser verdampfen zu lassen. Danach
kondensiert der Wasserdampf auf der Innenseite einer kühleren Abdeckung
und wird in Auffangrinnen gesammelt.
Abb.7 Quelle: Solarenergieunterstütze Meerwasserentsalzung
Im Laufe der Jahre wurden die Anlagen immer weiter entwickelt. Aber es ist
immer noch eine relativ große Fläche notwendig, um große Süßwassermengen
herzustellen. Damit steigt auch die notwendige Energie, die gebraucht wird, um
die Anlage mit Salzwasser zu versorgen.
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2.3 UMKEHROSMOSE (REVERSE OSMOSIS)
Unter Osmose versteht man die Diffusion von Flüssigkeiten durch eine
semipermeable Membran. Die Membran trennt dabei zwei unterschiedlich
konzentrierte Lösungen und lässt nur das Wasser, aber keine Salze, Keime,…
durch. Das Wasser diffundiert nun zur Lösung höherer Konzentration, bis ein
osmotisches Gleichgewicht hergestellt ist. Dabei bilden sich unterschiedliche
Volumen aus und es entsteht eine Druckdifferenz, der sogenannte „osmotischer
Druck“. Wird auf die Seite mit der konzentrierten Lösung ein Druck angelegt,
der größer ist als der osmotische Druck, so diffundiert das Wasser in
umgekehrte (reverse) Richtung durch die Membran.
Abb.7 Quelle: Wasseraufbereitung Kap.IV Meerwasserentsalzung
Je höher die Salzkonzentration auf der einen Seite, desto größer ist auch der
osmotische Druck, der überwindet werden muss. Somit muss das Konzentrat
stetig abgeführt werden, damit der Prozess nicht zum stehen kommt bzw. die
notwendige Energie nicht zu hoch wird.
In der Regel werden immer Vorreinigungsanlagen vorgeschaltet, da eine
Flockung, Filtration und Enthärtung des Meerwassers notwendig ist. Sonst wäre
die Membran zu vielen schädigenden und blockierenden Substanzen
ausgesetzt. Bei den schädigenden Substanzen (Bakterien, Laugen, Säuren,…)
würde zusätzlich noch die Gefahr bestehen, dass die Membran verändert wird,
was einen erhöhten Schlupf zur Folge hätte.
Als weiteren Schutz werden auch immer mehrere Membrane hintereinander
geschaltet.
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2.4 MEHRSTUFIGE ENTSPANNUNGSVERDAMPFUNG
Bei der mehrstufigen Entspannungsverdampfung handelt es sich um ein
thermisches Verfahren. Es wird mit „MSF“ (Multi Stage Flash Evaporation)
Während bei kleineren Anlagen gerne das Umkehrosmose Verfahren
eingesetzt wird, wird für Großanlagen fast nur noch die mehrstufige
Entspannungsverdampfung angewandt.
Eine Anlage besteht im Prinzip aus 3 Hauptteilen:
- Enderhitzer (Heizzone)
- Wärmerückgewinnungszone (Entspannungszone)
- Rückkühlzone
Abb.8 Quelle: Wasseraufbereitung Kap.IV Meerwasserentsalzung
Das Meerwasser (die Sole) wird durch Rohre über die Wärmerückgewinnungszone (wirkt hier als Kondensator) in den Enderhitzer geleitet. Hier wird das
Meerwasser auf über 100°C erwärmt und fließt wieder zurück in die erste
Kammer der Wärmerückgewinnungszone. Hier verdampft (entspannt) ein Teil
des Meerwassers aufgrund eines niedrigeren Drucks, kondensiert an den
oberen Rohren und wird in einer Rinne als Süßwasser aufgefangen.
Das verbleibende Meerwasser durchläuft die weiteren Kammern, wobei sich der
Druck stufenweise weiter vermindert und somit mehr Süßwasser hergestellt
wird.
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Das zum Schluss stark mit Salz angereicherte Meerwasser gelangt danach in
die Rückkühlzone. Hier wird es mit Hilfe von kaltem Meerwasser abgekühlt, mit
frischem Meerwasser vermischt, aufbereitet und gelangt wieder in den
Kreislauf. Der Überschuss an konzentriertem Salz wird ins Meer zurückgeführt.
Das auf diese Weise hergestellte Süßwasser muss danach noch weiter
behandelt werden, da ist für eine direkte Verwendung als Trinkwasser zu
salzarm wäre.
2.5 GEFRIERVERFAHREN
Durch Gefrieren von Meerwasser bilden sich reine, mineralienfreie Eiskristalle.
Diese müssen dann von der Sole getrennt und gereinigt werden. Dazu ist
wieder eine erhebliche Menge an Süßwasser notwendig, so dass sich das
Verfahren nur für die Aufbereitung von Brackwasser, aber nicht zur
Trinkwasserherstellung lohnt, obwohl es rein energetisch günstiger ist, als das
Verdampfen und Rekondensieren von Wasser.
2.6 ELEKTRODIALYSE
Hierbei handelt es sich um ein spezielles Ionenaustauschverfahren. Das
Meerwasser fließt dabei durch mehrere Elektrodialysezellen. Jede Zelle besteht
aus einer Reihe von Kammern, welche abwechselnd durch kationen- und
anionendurchlässige
Membrane
gebildet
werden.
In
den
jeweiligen
Endkammern befinden sich Elektroden. Sobald eine Gleichspannung angelegt
wird, werden die Ionen von der jeweiligen Elektrode angezogen, passieren die
für sie durchlässige Membran, werden dann aber an der nächsten Membran
gestoppt. Somit enthält am Ende jede 2.Kammer salzfreies Wasser bzw. ein mit
Salze angereichertes Konzentrat. Der schematische Aufbau einer Zelle wird in
der folgenden Abbildung dargestellt.
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Abb.8 Quelle: Wasseraufbereitung Kap.IV Meerwasserentsalzung
Die Elektrodialyse ist aufgrund der hohen Anforderungen an die Membranen
nur bei sehr niedrigen Salzgehalten wirtschaftlich, da sie sonst zu schnell
verstopfen würden. Aus diesem Grund wird es in der Praxis nur für
Brackwasser eingesetzt.
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3. ENERGIEVERSORGUNG
Wie unter Kapitel 2.4 schon erwähnt, wird für Großanlagen nur noch
mehrstufige Verdampfung angewandt. Mit diesem Verfahren schaffen es die
neusten Anlagen täglich ca. 500 Millionen Liter Trinkwasser herzustellen. Leider
hat
dieses
Verfahren
einen
erheblichen
Nachteil:
es
ist
ungeheuer
energieintensiv. Gerade die älteren Anlagen benötigen für einen Kubikmeter
entsalztes Wasser ca. 70 Kilowattstunden Energie. Dies führt dazu, dass zu
einer Meerwasserentsalzungsanlage meist noch ein Kraftwerk dazu gebaut
wird, welches die für die Verdampfung benötigte Energie bereitstellt.
Im Nahen Osten, wo sich ein Großteil der heutigen Entsalzungsanlagen
befindet, werden diese Kraftwerke nur mit Gas oder Öl angetrieben.
Dies bedeutet, dass die knappe Ressource Wasser durch eine andere knappe
(fossile) Ressource ersetzt wird. Außerdem erzeugen diese Kraftwerke
zusätzlich Unmengen an Treibhausgasen, die wiederum die Atmosphäre und
damit den Wasserkreislauf belasten. Dass dieser Weg keine Lösung für die
Wasserknappheit der Zukunft ist, sollte jedem klar sein.
Ein Ausweg wäre, bessere Verfahren einzusetzen. So ist z.B. die Umkehrosmose viel energiesparender und moderner, da das Wasser zur Entsalzung
nicht erhitzt werden muss, sondern nur unter Druck durch eine Membran
gepresst wird.
Einen neuen Ansatz zur Entsalzung haben inzwischen kürzlich SiemensForscher in Singapur entwickelt, die Elektro-Deionisation. Es handelt es um
kein
neues
Verfahren,
sondern
einfach
um
die
Kombination
von
Umkehrosmose und Elektrodialyse. Dabei wird nicht das Wasser, sondern das
Salz unter der Wirkung eines elektrischen Feldes durch eine Membran
gedrückt. Diese Methode benötigt nur die Hälfte der Energie moderner
Umkehrosmoseverfahren und kann damit einen Kubikmeter Wasser mit nur ca.
1,5 Kilowattstunden produzieren.
Ein weiterer Ausweg bzw. eine Ergänzung zu den energieärmeren Verfahren
wäre der Einsatz von erneuerbaren Energien. Für die Bereitstellung von
elektrischem Strom besteht bei erneuerbaren Energien immer noch das
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Problem
der
Speicherung.
Diese
Problematik
entfällt
aber
bei
Meerwasserentsalzungsanlagen, da nicht elektrischer Strom sondern Wasser
zu speichern ist. Somit bieten sich Wind- und Solarkraft zur Energieversorgung
regelrecht an.
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4. MEERWASSERENTSALZUNGSANLAGE BEI IRAKLIA
Auf vielen Inseln vor Griechenland kommt es während der Sommer- und
Touristenzeit immer wieder zu Wassermangel, was dazu führt, dass sie mithilfe
von Tankern mit Süßwasser versorgt werden müssen.
Im Juni 2007 wurde nun durch eine Gruppe von griechischen Unternehmen,
Hochschulen und Forschungszentren, eine schwimmende Plattform zur
Meerwasserentsalzung entwickelt. Das Besondere an der Anlage: Die Energie
für die Entsalzung kommt nur von einem Windgenerator und einem
Photovoltaiksystem.
Die Plattform kann täglich über 70 Kubikmeter Süßwasser produzieren, was
ungefähr dem Bedarf von 300 Leuten entspricht. Die Entsalzung läuft nach dem
Prinzip der Umkehrosmose ab, wobei die Herstellung ohne Chemikalien abläuft
die dann ins Meer fließen, wie es bei vielen anderen Entsalzungsanlagen der
Fall ist. Somit entstehen keine negativen Effekte für die Umwelt. Außerdem hat
die schwimmende Konstruktion noch den Vorteil, dass sie leicht transportiert
werden kann, die Störung für Inselbewohner minimiert wird und dass sie
vollständig autonom (unbesetzt) läuft.
Anfangs bestand bei den Inselbewohnern die Angst, dass das moderne
Aussehen der Anlage Touristen abschreckt, da es die Küste „verschandelt“.
Dies wird allgemein als Nachteil von Entsalzungsanlagen aufgeführt. Die
Anlage bei Iraklia hat sich aber inzwischen als Touristenmagnet entwickelt und
wird sogar gerne besucht.
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Die Gesamtkosten für die Entwicklung und Herstellung der Plattform betrugen
2,9 Millionen Euro (mit 1,3 Millionen von der EU unterstützt).
Damit ist sie nicht gerade billig, aber nach nur 3 Jahren sollen sich die Kosten
amortisiert haben, da der aufwendige Transport von Süßwasser vom Festland
entfällt. Nach den 3 Jahren ist das produzierte Süßwasser damit „kostenlos“
und wird mit einer geschätzten Anlagenlebensdauer von 20 Jahren auch noch
über lange Zeit sichergestellt.
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5. FAZIT UND AUSBLICK
In einem WWF Report Anfang 2007 hat man sich mit den Möglichkeiten und
Grenzen der Wassergewinnung aus dem Meer beschäftigt .
Martin Geiger,
Leiter des Süßwasserbereichs beim WWF Deutschland fasste die Ergebnisse
so zusammen: „Zwar lagern 95 Prozent der Wasserressourcen des Planeten in
den Weltmeeren, doch die Entsalzung ist teuer, energieaufwändig und mit
fatalen ökologischen Nebenwirkungen verbunden.“ Mit den Anlagen würden
somit nur die Probleme wachsen.
Erwähnenswert und amüsant zugleich ist die Tatsache, dass noch im gleichen
Jahr die Entsaltzungsanlage bei Iraklia fertig- und vorgestellt wurde.
Betrachtet man aber nur die Anlagen, die bis dahin im Betrieb waren, ist die
Aussage zutreffend. Die Großanlagen sind riesige Energiefresser, was mit
einem beachtlichen Ausstoß an Treibhaugasen verbunden ist.
Aber mit zunehmender Forschung und Entwicklung in Entsalzungsverfahren
und regenerative Energien steckt auch ein enormes Potential in der
Meerwasserentsalzung um zukünftigem Wassermangel zu begegnen.
Jedoch sollten Maßnahmen zur Wassereinsparung und Modernisierung nicht in
den Hintergrund treten. Oft liegt das Problem von Wassermangel nicht an der
unzureichenden
Wassermenge,
sondern
an
schlechter
Infrastruktur,
Wasseraufbereitung, Gewohnheit oder Verschwendung.
Einige Beispiel:
• In Spanien versickert knapp ein Fünftel des Trinkwassers ungenutzt im Boden
und es werden Entsalzungsanlagen zur Bewässerung der Landwirtschaft
gebaut.
• In Jordanien gehen über defekte Wasserleitungen ca. 48% Wasser verloren
und man bezieht sein Trinkwasser überwiegend aus Entsalzungsanlagen.
• In Kalifornien ist der Bau von 18 neuen Anlagen geplant, aber muss da
wirklich jeder in seinem eigenen Pool planschen?
• In Saudi-Arabien bezieht man Wasser fast nur noch aus Entsalzungsanlagen,
aber muss man da wirklich Golf spielen und Skifahren können?
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Die Seminararbeit möchte ich nun mit einem Zitat aus Georg Rüschemeyers
„Der blaue Planet hat Durst“ beenden, das mir recht gut gefallen hat und dem
ich auch nichts hinzufügen kann:
„Irgendwo im Spannungsfeld zwischen einer Ermöglichungstechnologie für
weitere Wasserverschwendung und einem modernen Wasserzauber für die
Dürregebiete der Welt wird die Boomtechnologie mit den zweistelligen
Zuwachsraten in den kommenden Jahren ihren Platz finden. Zur Lösung der
globalen Trinkwasserkrise braucht es aber mehr als entsalztes Meerwasser:
einen vernünftigen Umgang mit der begrenzten Ressource Wasser.“
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QUELLENVERZEICHNIS
Literatur
Erich Hau: Windkraftanlagen – Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit
Springer-Verlag Berlin; 4. Auflage 2008
Kapitel 16.1.4 Entsalzen von Meerwasser
Volker Janisch/Hans Drechsel: Solare Meerwasser-Entsalzung
Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit, Eschborn 1984
Kapitel 1 Geschichte
Klaus Hancke/Stefan Wilhelm: Wasseraufbereitung
Springer-Verlag Berlin; 6. Auflage 2003
Kapitel IV Meerwasserentsalzung
Manfred Künzel: Solarenergieunterstütze Meerwasserentsalzung
Reihe 3: Verfahrenstechnik; VDI-Verlag Düsseldorf 1989
Kapitel 1 Einleitung
„Presentation of the 26 finalists” (pdf – Dokument) der RegioStars Awards 2008
„Der blaue Planet hat Durst“ (pdf – Dokument) von Georg Rüschemeyer
Internet
www.dme-ev.de/language=de/203
www.monde-diplomatique.de/pm/2005/06/10/a0075.text.name,askwtakZ5.n,1
www.wwf.de/presse/details/news/bitteres_suesswasser_aus_dem_meer/
www.sueddeutsche.de/wissen/108/308056/text/
www.ana.gr/anaweb/user/showplain?maindoc=4743491&maindocimg=4742173
&service=102
http://12degreesoffreedom.blogspot.com/2008/04/greek-desalination-plantpowered-by.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Meerwasserentsalzung
Sonstige
ZDF Dokumentation
„Wenn der Strand im Meer versinkt… Klimawandel am Mittelmeer“
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EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG
Ich erkläre hiermit,
dass ich die Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe
angefertigt und alle Stellen, die wörtlich aus Veröffentlichungen genommen
sind, als solche kenntlich gemacht habe.
Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form oder auszugsweise
noch
in
keiner
anderen
Prüfungsbehörde
vorgelegt
und
auch
nicht
veröffentlicht.
Waghäusel, 16. April 2010
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