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F&E-Roadmap Geothermie in Österreich

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3.1 Oberflächennahe Geothermie

P15

Bei der oberflächennahen Geothermie wird Wärme- oder Kühlenergie mit Hilfe von Erdwärmesonden, Flächenkollektoren oder in Form von direkter thermischer Grundwassernutzung aus den oberen Erd- und Gesteinsschichten gewonnen. Der Untergrund wird dabei bis zu einer Tiefe von ca. 400 Metern und Temperaturen von bis zu 25 °C genutzt. Erdwärmesonden und -kollektoren sind Rohrsysteme mit zirkulierendem Wasser, über die dem Boden Wärme entzogen oder zugeführt werden kann. Gekoppelt mit einer Wärmepumpenanlage wird diese zur Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser oder auch zur Kühlung von Gebäuden verwendet. Die thermische Nutzung des Grundwassers mittels Brunnenanlagen ist unter der Voraussetzung, dass ein oberflächennaher, ergiebiger Grundwasserkörper vorhanden ist (abseits von Grundwasserschutzgebieten) ebenfalls möglich. Erdwärme kann so dazu beitragen, fossile Energieträger bei der Wärme- und Kälteversorgung zu ersetzen.

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P16

Der aktuelle Stand der Forschung und der Forschungs- und Innovationsbedarf für das Anwendungsfeld „Oberflächennahe Geothermie“ werden im Folgenden mit Erläuterungen dargestellt. Bitte kommentieren und bewerten Sie: Werden die Potenziale und Themen entsprechend richtig adressiert? Wo sollte die österreichische FTI-Politik Schwerpunkte und Prioritäten setzen?

P17

Ziel 1.1: Effizientes, umweltschonendes und leistungsfähiges Bohren im urbanen Raum

Die Errichtung von Bohrungen für Erdwärmesonden und Brunnenanlagen stellt ein wesentliches Erfolgskriterium für ein breite Anwendung der oberflächennahen Geothermie in urbanen Räumen dar. Die Herausforderungen liegen im leistungsfähigen Bohren mit Zieltiefen über 100 Meter in beengten Räumen (z.B. Innenhöfen) sowie in einer hohen AnrainerInnen-Akzeptanz des Bohrbetriebs, der sich, je nach Größe der Geothermienutzung, über mehrere Tage bis Wochen erstrecken kann. Aus diesem Grund werden emissionsarme (Abgase, Lärm) aber dennoch leistungsfähige Bohrgeräte benötigt, die auch in beengten Räumen eingesetzt werden können.

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P18

Ziel 1.2: Forcierung der Anwendung der Geothermie in Bestandsgebäuden

Geothermische Systeme sind in vielen Neubauprojekten schon Standard. Geothermie eignet sich allerdings auch für die Umrüstung von Bestandsgebäuden und auch von historischer und/oder denkmalgeschützter Bausubstanz. Der Stand der Technik und Best-Practice-Beispiele - mit speziellem Fokus auf den dicht verbauten urbanen Raum - sollen einem breiten Stakeholder-Kreis zugänglich gemacht werden, um Potenziale aufzuzeigen und die Sichtbarkeit zu erhöhen. Die erfolgreiche Anwendung der Geothermie in Bestandsgebäuden ist eng mit Sanierungsmaßnahmen verbunden. Besonderes Augenmerk soll auf ökonomische Synergiepotenziale zwischen grundlegenden Renovierungen und der Integration der Geothermie von der Errichtung des Absorbers bis hin zum Klimatisierungskonzept im Gebäude gelegt werden.

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P19

Ziel 1.3: Thermische Nutzung urbaner Flächen - Gehwege, Straßen, (Park)plätze - zur Gewinnung von solarer Überschusswärme mittels Flachkollektoren und geothermischer saisonaler Speicherung

Eine breite Anwendung der oberflächennahen Geothermie in städtischen Bestandsgebäuden in multivalenten Niedertemperatur Wärme- und Kältenetzen ist möglich, wenn alle verfügbaren Freiflächen für die Errichtung von Absorberanlagen genutzt werden. Hierzu zählen insbesondere Verkehrsflächen (Straßen, Gehsteige) sowie Grünflächen im öffentlichen Eigentum. Neben der Schaffung von planerischen und rechtlichen Instrumenten zur Nutzbarmachung öffentlicher Flächen für die Errichtung von Absorberanlagen soll technologische Forschung helfen, neue Integrationsmöglichkeiten der oberflächennahen Geothermie in öffentliche Flächen (z.B. Absorber in versiegelten Flächen) zu erschließen und eine kostengünstige thermische Nutzung zu ermöglichen. Hier sind auch die zu erwartenden Synergieeffekte zur Bekämpfung von urbanen Wärmeinseln hervorzuheben, zumal thermisch aktivierte Flächen zur umweltfreundlichen Kühlung von Stadtgebieten bei gleichzeitiger Wiederverwertung der Abwärme beitragen.

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P20

Ziel 1.4: Integration von Geothermie in multivalenten Wärme- und Kälteanwendungen und Anergienetzen, Verbesserung der Sektorkopplung

Die oberflächennahe Geothermie besitzt eine hohe Integrations- und Kopplungsfähigkeit mit anderen Erneuerbaren im Niedertemperaturbereich. Multivalente Niedertemperatur-Anwendungen tragen entscheidend zur Steigerung der Energieeffizienz geothermischer Anwendungen bei, wenn diese die Aufgaben zur Grundlastversorgung und Speicherung volatiler Erneuerbarer übernehmen. In Österreich entstanden in den letzten Jahren erste Pilotanlagen zu geothermisch unterstützten Niedertemperatur-Wärme- und Kältenetzen (“Anergienetzen”). Effizienzmonitoring von Bestandsanlagen und verbesserte Systemsimulation (sowohl thermisch als auch hydraulisch) von multivalenten, speicherunterstützten Wärme- und Kälteanwendungen im Leistungsbereich über 50 kW können entscheidend zur technologischen Weiterentwicklung von geothermisch unterstützten, dekarbonisierten, multivalenten Wärme- und Kälteanwendungen beitragen. Durch den Einsatz von Wärmepumpen als “Moderatoren multivalenter Anwendungen” soll zudem die Ankoppelung zum Elektrizitätssektor erfolgen. Die vorhandene Gasinfrastruktur sowie mobile Einrichtungen können zudem die Spitzenlastabdeckung und Versorgungssicherheit multivalenter Konzepte durch umweltfreundliches grünes Gas erhöhen.

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P21

Ziel 1.5: Innovative und verbesserte Auslegungs- und Planungstools für geschlossene Kollektorsysteme

Für oberflächennahe Geothermiesysteme, insbesondere im Einfamilienhausbereich, gibt es standardisierte Auslegungstools, die Standardsysteme und -geometrien wie z.B. Erdwärmesonden relativ zuverlässig und genau berechnen können. Allerdings gibt es für Geothermieanwendungen, die gerade auch für die Umrüstung im urbanen Raum interessanten wären, keine oder nur sehr vereinfachende Auslegungstools, was den Einsatz und die genaue Konfiguration einschränken. Forschung auf diesem Gebiet würde die Einsatzmöglichkeiten von maßgeschneiderten bzw. Spezialkollektoren oder Kombinationen ermöglichen. Besonderer Fokus soll hierbei auf getaktet betriebene Systeme (Heizen und Kühlen), Großanlagen über 50 kW Spitzenleistung, auf advektive Phänomene infolge von fließendem Grundwasser sowie auf nachbarschaftliche Beeinflussung gelegt werden. Des Weiteren werden verbesserte Schnittstellen zu Auslegetools im Bereich der Gebäudesimulation benötigt.

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P22

Ziel 1.6: Integratives thermisches Untergrundmanagement in urbanen Gebieten inkl. verbesserte Tools zur Bewertung von thermischen Summationseffekten für Behörden und Planer

Infolge der zunehmenden Dichte an Geothermieanlagen nehmen nachbarschaftliche Beeinflussungen von Anlagen in urbanen Gebieten zu. In einigen europäischen Städten wie Zürich und Stockholm mit einer traditionell sehr intensiven Anwendung der oberflächennahen Geothermie müssen mittlerweile in manchen Gebieten Regenerationsmaßnahmen gesetzt werden, um Leistungsverluste infolge der nachbarschaftlichen Beeinflussung zu mitigieren. Aus diesem Grund sollten bisher angewendete, dem Prinzip von “First Come First Served” folgende Verwaltungskonzepte sukzessive durch “integrative Bewirtschaftungskonzepte” ersetzt werden. Diese beruhen auf einer möglichst genauen Kenntnis des thermischen und hydraulischen Zustands von urbanen Grundwässern und resultierender Summationseffekte sowie daraus abzuleitenden, adaptiven Bewirtschaftungsstrategien. Zur Erreichung dieses Ziels werden kostengünstige, aber dennoch robuste Planungsinstrumente für Behörden, eine deutlich verbesserte Datenlage, insbesondere durch ein kostengünstiges Umweltmonitoring sowie den Bedürfnissen angepasste rechtliche Instrumente benötigt, um integratives thermisches Untergrundmanagement zu ermöglichen.

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P23

Ziel 1.7: Verbesserung des Zugangs zu Daten und e-Government-Lösungen

Ein umfangreicher, niederschwelliger Zugang zu Untergrunddaten in einem modernen IKT-Rahmen ist ein entscheidendes Erfolgskriterium für einen breiten Ausbau der geothermischen Anwendung. In Österreich existieren bereits für einige Bundesländer und Regionen Web basierte Informationsportale zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie. Diese Portale wurden jedoch bislang nur in begrenztem Umfang aufeinander abgestimmt und harmonisiert und sind zudem noch nicht mit effizienten e-Government Lösungen verknüpft. In anderen Bereichen, wie etwa dem elektronischen Wasserbuch konnte bereits eine österreichweite Harmonisierung elektronischer Behördenregister erzielt werden. Die Schaffung einheitlicher IT-Lösungen für Bundesländer-spezifische Informationsportale zur oberflächennahen Geothermie, kombiniert mit elektronischen behördlichen Genehmigungs- und Überwachungsprozessen reduziert sowohl informatorische als auch regulatorische Barrieren und liefert die Grundlage für zeitsparende und effiziente Verfahren, sowohl für AntragestellerInnen als auch für BehördenvertreterInnen. E-Government-Dienstleistungen erhöhen zudem die Verfahrensresilienz in dem zu erwarteten starken Anstieg von Genehmigungsanträgen bei einem signifikanten Ausbau der oberflächennahen Geothermie in Österreich bei einer gleichzeitig gewährleisteten hohen Qualität des Daten- und Informationsaustausches zwischen AnlagenbetreiberInnen und Behörden. Genehmigungs- und Überwachungsdaten aus E-Government Verfahren stellen zukünftig wichtige Datenquellen zur Aktualisierung von Informationsportalen unter Maßgabe des Datenschutzes dar (z.B. in Form von anonymisierten Fachdatenbanken und aktualisierten Zustandskarten).

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P24

Ziel 1.8: Gewährleistung von sozialer Inklusion beim Einsatz von Geothermie im Neubau sowie beim Umstieg auf Geothermie im Bestand

Während die Anwendung der oberflächennahen Geothermie in frei finanzierten Wohnbau sowie in kommerziellen Gebäuden aufgrund des Komfortvorteils durch Kühlung in Österreich bereits weit verbreitet ist, existieren für viele Haushalte immer noch finanzielle Hürden infolge des gegenüber anderen Technologien erhöhten Erstinvestments. Die finanziellen Vorteile der gegenüber anderen Technologien geringeren operativen Kosten können hierdurch nicht genutzt werden, wodurch die finanziellen Belastungen für einkommensschwächere Haushalte über die gesamte technologische Lebensdauer weniger effizienter Technologien gegenüber der Geothermie noch erhöht werden. Durch die Schaffung sozial gerechter Finanzierung und Geschäftsmodelle soll der Zugang zur oberflächennahen Geothermie vom Haushaltseinkommen entkoppelt werden. Verbesserte Technologien und Methoden sollen die spezifischen Errichtungskosten geothermisch unterstützter Wärme- und Kältelösungen inkl. Abgabesystem reduzieren und damit auch für den geförderten Wohnbau (sowohl für Bestandsgebäude als auch für den Neubau) zugängig gemacht werden. Niederschwellige kostengünstige Dienstleistungen (z.B. One Stop Shop, Geothermie Leasing) sollen kompakte und finanziell attraktive Lösungen für den Umstieg von Fossilen im Einfamilienhaus Sektor ermöglichen.

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P25

Ziel 1.9: Gewährleistung einer hohen Akzeptanz und technologische Sichtbarkeit von Oberflächennahen Geothermie

Die Anwendung der oberflächennahen Geothermie ist trotz langer Tradition in Österreich mit einer geringen Sichtbarkeit der Technologie gegenüber anderen erneuerbaren Wärmelösungen sowie mit Vorurteilen konfrontiert. Zur Erreichung der vorgeschlagenen Ausbauziele der oberflächennahen Geothermie bedingt eine massive Ausweitung der derzeitigen Dienstleistungen (bis zu Faktor 7 gegenüber der Ist-Situation). Durch gezielte Informations- und Schulungsmaßnahmen aller relevanten Akteure (vom Installateur-Betrieb, über ArchitektInnen bis hin zu EnergieberaterInnen und Energieversorgern) sollen Vorurteile abgebaut und Branchenfachkenntnisse verbessert werden, damit ein verstärktes technologisches Rollout zukünftig ohne lange Wartezeiten von KundInnen auf benötigte Dienstleistungen erfolgen kann. Ausbildungsmaßnahmen sollen zudem mit Informationskampagnen (Erdwärme Plaketten oder interaktive Schautafeln zur CO2 Reduktion durch Geothermie bei Gebäuden, Informationswebseiten) für die allgemeine Öffentlichkeit unterstützt werden.

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P26

Ziel 1.10: Optimierung von Systemkomponenten und Methoden in der Anwendung der oberflächennahen Geothermie

Die Effizienz und Lebensdauer von Komponenten der oberflächennahen Geothermie, wie z.B. Erdwärmesonden, Wärmetauscher, Kollektoren und Leitungen, hängen von optimalen Betriebsbedingungen und eines angepassten Designs aller Komponenten ab. Alle Komponenten sollten an die lokalen (hydro-)geologischen und gegebenenfalls hydrochemischen Bedingungen, die Art der Nutzung sowie die Betriebsbedingungen in der Anlage angepasst werden. Zu diesem Zweck sind vorbereitende Untersuchungen und Modellierungen zu Exploration sowie zur Materialwahl notwendig. Bei und nach der Errichtung sollten messtechnische Verfahren zum Monitoring der sachgerechten Errichtung sowie zur Überwachung des Betriebs eingesetzt werden.

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3.2 Tiefe Geothermie

P27

Tiefengeothermische Anlagen nutzen die Wärme aus einer Tiefe von etwa 1.500 bis 5.000 Metern mit Temperaturen von typischerweise über 60 °C. Eine Zwischenstellung nimmt die so genannte mitteltiefe Geothermie ein, die Temperaturen zwischen 30 und 60 °C nutzt. Mögliche Anwendungen sind Tiefe Erdwärmesonden inklusive Nachnutzung von Kohlenwasserstoffsonden, Tunnelgeothermie und seichter liegende Thermalwasserkörper.

Bei der Tiefen Geothermie unterscheidet man hydrothermale Anlagen (TRL 7-9), die den Energiegehalt von warmem bis heißem Thermalwasser befördern sowie petrothermale Systeme (TRL 3-4), die Wärme aus tiefliegenden trockenen, bis kaum wasserführenden Gesteinsschichten nutzbar machen. Die Wärme aus dem tiefen Untergrund kann zur Wärmeversorgung sowie zur Erzeugung von Strom genutzt werden. Bei einem hydrothermalen System wird mithilfe einer Tiefenbohrung heißes Wasser an die Oberfläche transportiert. Die thermische Energie wird über einen Wärmetauscher z. B. an ein Fernwärmenetz abgegeben. Anschließend wird das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund zurückgeführt. Ein petrothermales System benötigt dicht gelagerte Sedimentgesteine oder Kristallingestein. Die Nutzung der Wärme des heißen Gesteins erfolgt durch Aufbrechen von vielen kleinen Klüften, um neue Fließwege für künstlich eingebrachtes Wasser zu schaffen. Das durch das neue Kluftsystem zirkulierende aufgeheizte Wasser wird anschließend über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht und über eine Injektionsbohrung wieder in das Reservoirgestein zurück transportiert.

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P28

Der aktuelle Stand der Forschung und der Forschungs- und Innovationsbedarf für das Anwendungsfeld Tiefe Geothermie“ werden im Folgenden mit Erläuterungen dargestellt. Bitte kommentieren und bewerten Sie: Werden die Potenziale und Themen entsprechend richtig adressiert? Wo sollte die österreichische FTI-Politik Schwerpunkte und Prioritäten setzen?

P29

Ziel 2.1: Verbesserung der Erfolgswahrscheinlichkeit und Reduktion des Entwicklungszeitraums von Projekten der Tiefen Geothermie

Die Entwicklungsdauer von Geothermieprojekten beträgt je nach Anlagengröße und regionalen Vorkenntnissen aus vorangegangenen Anlagen etwa 3 bis 7 Jahre. Zudem steht erst nach erfolgter Investition eines großen Anteils des benötigten Kapitals fest, ob ein Projekt die gewünschten Zielvorgaben erfüllt. Neben dem verbesserten Zugang zu verfügbaren geowissenschaftlichen Daten (siehe Ziel 2.3) bieten Investitionsabsicherungsmodelle durch öffentliche oder private Stellen, wichtige Anreize. Diese Modelle basieren auf belastbaren Methodenkatalogen und Qualitätsvorgaben an die geophysikalisch-geologische Erkundung und Prognose geothermischer Reservoireigenschaften. Innovative und robuste Methoden zur Bewertung von Prognoseunsicherheiten für unterschiedliche geologische Rahmenbedingungen stellen hierbei ein zentrales Element zur Verbesserung der Erfolgswahrscheinlichkeit von Projekten der tiefen Geothermie dar. Durch die Schaffung einheitlicher Methodenhandbücher und Beurteilungsprotokolle können zudem behördliche Bewilligungsprozesse entscheidend verkürzt werden. Damit die Geothermie mit anderen erneuerbaren Technologien in vergleichbaren Anwendungs- und Leistungsspektren auch aus zeitlicher Sicht konkurrenzfähig wird, müssen Entwicklungszeiträume um 30 bis 50 % reduziert werden. Zur Erreichung dieses Ziels sind auch regionale Portfolien anzustreben (siehe auch Ziel 2.6), d.h. dass die zukünftige Nutzung der Geothermie sich von Einzelanlagen weg hin zur systematischen Entwicklung von Reservoiren in verschiedenen Einzelanlagen oder in einem Multipletten Schema vermehrt entwickeln sollte - nach Vorbild der Kohlenwasserstoff Gewinnung.

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P30

Ziel 2.2: Gewährleistung eines nachhaltigen und effizienten Betriebs von Geothermieanlagen

Die Lebensdauer einer geothermischen Anlage ergibt sich aus der Bewirtschaftungsdauer des Reservoirs (Zeitraum bis zu einem signifikanten thermischen Durchbruch in der Produktionsbohrung - Auslegezeitraum 30 bis 40 Jahre) sowie aus der Lebensdauer der untertägig eingesetzten Materialien in den Bohrungen (mindestens 30 - 50 Jahre). Die bislang vorrangig eingesetzten grundlegenden Konzepte und Materialien für die Errichtung von Tiefbohrungen basieren auf den Zielsetzungen der Kohlenwasserstoffindustrie (begrenzter Förderzeitraum). Die thermische Bewirtschaftung geothermischer Reservoire sah bislang vorrangig die Anwendung von Einzelanlagen (geothermische Dubletten) im monovalenten oder bivalenten Versorgungsbetrieb vor. Basierend auf Lebenszyklusanalysen inklusive Lebenszykluskostenbetrachtungen sollen neue Konzepte und Materialien erforscht werden, um die Lebensdauer geothermischer Anlagen, sowohl untertage als auch übertage zu verlängern, die Effizienz geothermischer Anwendungen zu steigern (z.B. in optimierten, multivalenten Einsatzschemen) und die bereits geringen unmittelbaren Umweltauswirkungen durch Berücksichtigung des Einsatzes von Ressourcen und grauer Energie weiter zu senken. Das Ziel liegt in nahezu emissionslosen langlebigen Anlagen bzw. Anlagencluster, die mehrere Generationen mit geothermischer Energie versorgen können. Dieses Ziel umfasst auch die Modernisierung bereits bestehender geothermischer Wärme- und Stromgewinnungsanlagen in Österreich, die teilweise über 20 Jahre in Betrieb sind.

Ein wichtiger Aspekt dieses Ziels umfasst auch die Gewährleistung eines sicheren Betriebs, insbesondere die Vermeidung unkontrollierter mikroseismischer Ereignisse sowie die Vermeidung von Leckagen in den Bohrungen, insbesondere wenn sich geothermische Anlagen in Ballungsräumen befinden.

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P31

Ziel 2.3: Verbesserung des Zugangs zu geowissenschaftlichen Daten über niederschwellige Informationsportale

Informatorische Barrieren sind auch für die tiefe Geothermie wichtige Investitionshemmnisse. In diesem Zusammenhang gilt hervorzuheben, dass Österreich, anders als seine deutschsprachigen Nachbarländer auf einen großen Bestand an geowissenschaftlichen Erkundungsdaten aus über 80 Jahren Kohlenwasserstoff Exploration und Förderung zurückgreifen kann. Einige europäische Staaten, wie etwa die Niederlande und Deutschland haben im Laufe der vergangenen Jahre moderne Web-Portale zu geothermischen Basisdaten aufgebaut, die zudem teilweise über interaktive Ressourcenbewertungstools verfügen. Die Schaffung eines österreichweiten Daten- und Informationsportals, gekoppelt mit interaktiven Ressourcenbewertungstools trägt wesentlich zum Abbau informatorischer Hürden bei und hilft zudem den volkswirtschaftlichen Wert von teilweise jahrzehntealten Erkundungsdaten der Kohlenwasserstoff Industrie durch Datenrecycling zu steigern. Dreidimensionale Ressourcenbewertungstools tragen zudem für eine effizientere Bewirtschaftung des tiefen Untergrunds bei und können Anwendungskonflikte vermeiden.

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P32

Ziel 2.4: Energieraumpläne der Tiefen Geothermie inkl. Gebietsmanagement (kaskadische Nutzung)

Projekte in der Tiefen Geothermie sind bisher oft für individuelle und lokale Anwendungen. In den letzten Jahren verstärkt sich der Trend zur Einbindung von Tiefen Geothermie-Ressourcen in Fernwärmenetzen, allerdings ist das Potenzial zu überregionalen Lösungen noch sehr groß. Die Entwicklung von tiefen Ressourcen zur Strom- und/oder Wärmegewinnung inklusive kaskadischer Wärmenutzung soll zukünftig in eine überregionale Wärmestrategie eingebunden und alle Stakeholder (Gemeinden, Industrie etc.) involviert werden, um Hochenthalpie-Ressourcen einem möglichst großen Abnehmerkreis zugänglich zu machen.

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