Brennstoffzelle Gewicht: Wie es die Effizienz von E-Fahrzeugen beeinflusst

Autor: E-Mobil Magazin Redaktion

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Kategorie: Alternative Antriebe

Zusammenfassung: Das Gewicht beeinflusst Fahrwiderstand, Wasserstoffverbrauch und Reichweite; belastbare Simcenter-Modelle berücksichtigen daher Masseverteilung, Lastfälle, Temperatur und Fahrprofil.

Gewicht als Eingangsgröße der Energieeffizienz-Simulation

Das Gewicht ist in einer Energieeffizienz-Simulation keine feste Randnotiz, sondern eine zentrale Eingangsgröße. Für ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug wird zunächst die fahrfertige Gesamtmasse erfasst. Dazu zählen unter anderem Karosserie, Brennstoffzellen-System, Wasserstoffspeicher, Elektromotor, Leistungselektronik, Kühlsystem, Wasserstoff sowie Insassen und Zuladung.

Entscheidend ist nicht nur die Summe der Kilogramm. Auch die Verteilung der Masse beeinflusst das Ergebnis. Ein hoch montierter Tank verändert etwa den Schwerpunkt. Eine ungleichmäßige Achslast kann das Fahrverhalten und damit den Energiebedarf bei Kurven, Bremsungen und Beschleunigungen verändern. Für eine belastbare Berechnung braucht das Modell deshalb neben der Gesamtmasse auch Angaben zu Achslast, Schwerpunkt und Trägheitsmoment.

In der Fahrwiderstandsgleichung wirkt die Masse direkt auf den Rollwiderstand und die benötigte Beschleunigungskraft. Bei einer Steigung kommt die Hangabtriebskraft hinzu:

FSteigung = m · g · sin(α)

Dabei steht m für die Fahrzeugmasse, g für die Erdbeschleunigung und α für den Steigungswinkel. Schon kleine Masseänderungen können sich auf bergigen Strecken deutlich stärker bemerkbar machen als auf einer ebenen Autobahn.

Für die Simulation sollte das Gewicht nicht als einzelner Wert hinterlegt werden. Sinnvoller sind mehrere Lastfälle:

So lässt sich erkennen, ob ein Effizienzvorteil nur im Normfall besteht oder auch im Alltag erhalten bleibt. Eine Sensitivitätsanalyse variiert die Masse zum Beispiel um 50 oder 100 Kilogramm und misst, wie stark sich Wasserstoffverbrauch, elektrische Antriebsarbeit und Reichweite verändern. Dadurch wird sichtbar, ob eine leichtere Bauweise den Aufwand für Material, Kosten oder Sicherheit tatsächlich rechtfertigt.

Wichtig bleibt die Trennung zwischen zusätzlicher Systemmasse und der daraus entstehenden Folgeenergie. Mehr Gewicht erhöht zunächst den Fahrwiderstand. Bei einer Bergfahrt steigt außerdem die Lageenergie. Beim Bremsen kann ein Teil davon über Rekuperation zurückgewonnen werden, jedoch nicht vollständig: Ladeverluste, begrenzte Rekuperationsleistung und Reibungsbremsen mindern den Rückgewinn.

Ein realistisches Simulationsmodell verknüpft das Gewicht daher mit Fahrprofil, Steigung, Geschwindigkeit, Außentemperatur und Beladungszustand. Erst diese Kombination zeigt, wie stark das Gewicht der Brennstoffzelle und ihrer Nebenaggregate die reale Effizienz beeinflusst.

Simcenter-Modell für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge

Ein Simcenter-Modell bildet das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug als gekoppeltes Gesamtsystem ab. Es verbindet Fahrwiderstände mit Wasserstoffzufuhr, Brennstoffzellenleistung, Batterie, Elektromotor und Nebenverbrauchern. Dadurch entsteht ein digitales Abbild des Energieflusses vom Wasserstofftank bis zu den Rädern.

Für die Gewichtsanalyse wird die Fahrzeugmasse als veränderlicher Modellparameter angelegt. Die Simulation kann damit prüfen, wie sich zusätzliche Kilogramm an verschiedenen Stellen auswirken. Ein schwererer Tank, ein größeres Kühlsystem und eine stärkere Pufferbatterie erscheinen nicht nur in der Gesamtmasse; ihre Leistungsanforderungen werden den jeweiligen Betriebszuständen zugeordnet.

Besonders nützlich ist die zeitabhängige Modellierung. Ein Fahrzyklus liefert Geschwindigkeit, Beschleunigung, Steigung und Bremsphasen. Daraus berechnet das Modell den Radbedarf. Anschließend wird verfolgt, wie viel Leistung der Elektromotor abruft, welchen Anteil die Batterie puffert und welche elektrische Leistung die Brennstoffzelle bereitstellen muss.

Das Modell sollte zudem thermische Zustände abbilden. Temperatur beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, den Wirkungsgrad der Nebenaggregate und die verfügbare Rekuperationsleistung. Bei kaltem Start kann der Energiebedarf deshalb deutlich anders ausfallen als bei betriebswarmem System. Ein Bauteil, das Masse spart, darf nicht durch höhere Wärmeverluste oder längere Aufwärmzeiten einen Teil des Vorteils wieder verlieren.

Ein sinnvoller Simulationsablauf umfasst mehrere Ebenen:

Für belastbare Ergebnisse braucht das Simcenter-Modell reale oder validierte Kennwerte. Dazu gehören Wirkungsgradkarten, Druckverluste, maximale Stromstärken, Batteriegrenzen und das Verhalten der Rekuperation. Fehlen diese Daten, kann die Simulation zwar Trends zeigen, aber keine verlässliche Serienprognose liefern.

Der größte Mehrwert liegt in Variantenstudien. Entwickler können etwa eine leichtere Brennstoffzelle mit einem größeren Wasserstofftank oder einer stärkeren Batterie vergleichen. Entscheidend ist die Bilanz des gesamten Systems, nicht allein die Masse des einzelnen Bauteils.

Einfluss verschiedener Gewichtsfaktoren auf die Effizienz von Brennstoffzellenfahrzeugen

Gewichtsfaktor Auswirkung auf den Energiebedarf Besonders relevant bei Mögliche Gegenmaßnahmen
Schwereres Brennstoffzellensystem Erhöht Rollwiderstand und Beschleunigungsenergie; zusätzliche Nebenaggregate können den Strombedarf steigern. Stadtverkehr, häufigem Anfahren und hoher Zuladung Leichtere Stack- und Kühlsysteme sowie bedarfsgerechte Auslegung
Wasserstofftank und Schutzstrukturen Erhöhen die Gesamtmasse dauerhaft; der Wasserstoff selbst verändert das Gewicht vergleichsweise gering. Bergstrecken und wechselnden Geschwindigkeiten Optimierte Tankbauweise und Vermeidung von Überdimensionierung
Pufferbatterie Erhöht zunächst die Fahrzeugmasse, kann aber Lastspitzen abfangen und Rekuperationsenergie speichern. Stop-and-go-Verkehr und häufigem Bremsen Speichergröße an Fahrprofil und Rekuperationsbedarf anpassen
Zusätzliche Zuladung Steigert Rollwiderstand, Beschleunigungsarbeit und Energiebedarf bei Steigungen. Nutzfahrzeugen, Bussen und voll beladenen Fahrzeugen Lastfälle getrennt simulieren und Zuladung effizient verteilen
Ungünstige Massenverteilung Kann Achslasten, Schwerpunkt, Fahrverhalten und indirekt den Energiebedarf beeinflussen. Kurven, Bremsungen und dynamischer Fahrweise Optimierte Positionierung von Tank, Batterie und Brennstoffzellensystem
Mehr Masse bei Steigungen Erhöht die erforderliche Lageenergie gemäß FSteigung = m · g · sin(α). Hügeligen und bergigen Strecken Gewicht reduzieren und Streckenprofil in die Betriebsplanung einbeziehen
Mehr Masse bei Rekuperation Es steht zwar mehr Bewegungs- und Lageenergie zur Rückgewinnung bereit, diese kann aber wegen Lade- und Leistungsgrenzen nicht vollständig gespeichert werden. Gefällestrecken und starkem Stadtverkehr Batterie, Motor und Rekuperationsregelung aufeinander abstimmen
Leichtbau Reduziert Beschleunigungsenergie, Rollwiderstand und Verbrauch; Folgemassen für Sicherheit oder Kühlung müssen berücksichtigt werden. Allen Fahrprofilen, besonders bei häufigen Geschwindigkeitswechseln Systemische Massenbilanz statt isolierter Bauteiloptimierung

Masse von Brennstoffzelle, Wasserstofftank und Antrieb

Die Systemmasse eines Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs entsteht aus mehreren Baugruppen. Für eine faire Bewertung müssen sie getrennt erfasst werden, denn jede Baugruppe bringt eigene Leistungsanforderungen und konstruktive Grenzen mit.

Für das Simcenter-Modell empfiehlt sich eine Massentabelle mit Baugruppen und Unterbaugruppen. Neben dem Nennwert sollten Unsicherheiten hinterlegt werden. Früh in der Entwicklung reichen oft Bandbreiten, zum Beispiel für Tankschutz, Kühlkreislauf oder Hochvoltverkabelung. Später werden diese Annahmen durch Messwerte und Konstruktionsdaten ersetzt.

Ein entscheidender Punkt ist die Vermeidung von Doppelzählungen. Wird die Masse des Brennstoffzellensystems bereits als vollständiges Modul eingetragen, dürfen Verdichter, Kühler und Leitungen nicht noch einmal separat addiert werden. Dasselbe gilt für Tankventile, Halterungen und Crashstrukturen.

Die Bauteilmasse beeinflusst zudem die Auslegung anderer Systeme. Mehr Tankgewicht kann eine stärkere Tragstruktur verlangen. Ein größerer Stack benötigt eventuell mehr Kühlleistung. Dadurch entsteht eine Massenrückkopplung, die einfache Excel-Summen schnell zu optimistisch wirken lässt.

Für Variantenvergleiche sind daher mindestens drei Kennwerte sinnvoll:

Erst diese Kennwerte zeigen, ob ein schwereres Bauteil einen echten Systemvorteil bringt. Ein größerer Tank kann etwa mehr Reichweite ermöglichen, während ein größerer Stack kurze Lastspitzen besser abdeckt. Welche Lösung günstiger ist, hängt vom Einsatzzweck ab: Stadtverkehr, Fernstrecke und Nutzfahrzeugbetrieb stellen deutlich andere Anforderungen.

Einfluss des Fahrzeuggewichts auf Verbrauch und Reichweite

Das Fahrzeuggewicht beeinflusst den Wasserstoffverbrauch nicht in jedem Fahrzustand gleich stark. Im Stadtverkehr wirkt sich zusätzliche Masse vor allem durch häufiges Anfahren und Abbremsen aus. Auf einer ebenen Strecke mit konstantem Tempo fällt ihr Einfluss geringer aus, weil dann vor allem Luftwiderstand und Nebenverbraucher den Energiebedarf bestimmen.

Für die Reichweite zählt daher nicht nur der Verbrauch pro Kilometer, sondern auch das Streckenprofil. Ein schwereres Fahrzeug verliert auf kurvigen, hügeligen oder stark wechselnden Routen eher Reichweite als auf einer gleichmäßigen Ebene. Die Simulation sollte deshalb mehrere Zyklen vergleichen, statt einen einzigen Durchschnittswert als allgemeingültig zu behandeln.

Eine nützliche Auswertung trennt den Mehrverbrauch in einzelne Ursachen:

Der Zusammenhang ist deshalb nicht linear über die gesamte Reichweite. Wird ein Fahrzeug um 100 Kilogramm schwerer, steigt der Verbrauch nicht automatisch um einen festen Prozentsatz. Bei niedriger Geschwindigkeit kann der Masseneffekt dominieren. Bei höherem Tempo verschiebt sich das Verhältnis zugunsten des Luftwiderstands.

Auch die Reichweitenanzeige kann durch das Gewicht beeinflusst werden. Ein Modell, das nur einen Mittelwert aus vergangenen Fahrten nutzt, reagiert verzögert auf zusätzliche Zuladung. Eine vorausschauende Berechnung sollte dagegen Streckenhöhe, Verkehrsfluss, Außentemperatur und Beladungszustand einbeziehen.

Für den Vergleich eignet sich die Kennzahl Wasserstoffverbrauch je 100 Kilometer. Zusätzlich sollte die Simulation den Verbrauch je Höhenmeter und je Beschleunigungsereignis ausweisen. Diese Werte zeigen, ob die Reichweitenverluste tatsächlich von der Masse stammen oder durch andere Betriebsbedingungen entstehen.

Eine höhere Masse muss nicht grundsätzlich zu einer schlechteren Gesamtlösung führen. Ein zusätzlicher Energiespeicher kann Lastspitzen abfangen, eine robuste Konstruktion die Lebensdauer verlängern. Entscheidend ist die Systembilanz über den geplanten Einsatz.

Energiebedarf bei Beschleunigung, Steigung und konstantem Tempo

Für die Bewertung des Energiebedarfs muss die Simulation die drei Fahrzustände getrennt betrachten. Bei der Beschleunigung steigt die benötigte Radleistung kurzzeitig stark an. Entscheidend ist dabei die zeitliche Auflösung des Modells: Ein grober Mittelwert kann Lastspitzen überdecken und dadurch die Auslegung von Brennstoffzelle, Batterie und Inverter verfälschen.

Die erforderliche Bewegungsenergie lässt sich näherungsweise mit E = ½ · m · v2 beschreiben. Die Geschwindigkeit geht dabei quadratisch ein. Wird das Tempo verdoppelt, vervierfacht sich die ideale Bewegungsenergie für denselben Beschleunigungsvorgang. In der Praxis kommen Antriebs-, Umrichter- und Lagerverluste hinzu. Die Simulation sollte deshalb sowohl die mechanische Radarbeit als auch die elektrische Aufnahme ausweisen.

Bei einer Steigung wird die Höhendifferenz zur zusätzlichen Energiesenke. Ein Fahrzeug mit 2.000 Kilogramm benötigt für 100 Höhenmeter theoretisch rund 0,545 Kilowattstunden Lageenergie, bevor Verluste berücksichtigt werden. Dieser Wert steigt proportional mit der Masse. Die Rückfahrt bergab liefert nicht automatisch denselben Betrag zurück: Rekuperationsgrenzen, Wirkungsgrad und verfügbare Speicherkapazität begrenzen die Rückgewinnung.

Der Zustand konstantes Tempo zeigt ein anderes Muster. Hier entfällt der Beschleunigungsanteil. Bei höherer Geschwindigkeit wächst jedoch der Luftwiderstand stark, während die zusätzliche Masse vor allem über den Rollwiderstand wirkt. Ein sauberer Modellvergleich sollte die Beiträge getrennt ausgeben:

Für die Brennstoffzelle ist außerdem die Dynamik der Leistungsanforderung relevant. Häufige Lastwechsel können die Betriebsführung erschweren. Die Pufferbatterie übernimmt dann kurzfristig Leistung, während der Stack langsamer auf einen neuen Sollwert reagiert. Das verändert den Wasserstoffverbrauch, selbst wenn die mittlere Fahrleistung gleich bleibt.

Eine gute Auswertung verwendet daher nicht nur den Gesamtverbrauch. Sie prüft auch den Anteil der Zeit, in der das System nahe seinem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. So wird sichtbar, ob ein höheres Gewicht lediglich mehr Radarbeit verursacht oder zusätzlich zu ungünstigen Betriebszuständen der Brennstoffzelle führt.

Simulation verschiedener Gewichts- und Antriebsszenarien

Eine belastbare Gewichtsbewertung entsteht erst durch den Vergleich mehrerer Fahrzeugvarianten. Im Simcenter-Modell wird dafür jeweils nur eine klar definierte Größe verändert, während Fahrprofil, Reifen, Wetter und Regelstrategie gleich bleiben. So lässt sich erkennen, welcher Effekt tatsächlich aus der Masse oder aus einer geänderten Antriebsauslegung stammt.

Geeignet sind zum Beispiel drei Massenstufen: ein Basisfahrzeug, eine Leichtbauvariante und eine Version mit zusätzlicher Tank- oder Batteriekapazität. Jede Variante erhält dieselben Randbedingungen. Ausgewertet werden nicht nur Wasserstoffverbrauch und Reichweite, sondern auch Stackauslastung, Batteriestrom, thermische Last und die Zahl kritischer Betriebsereignisse.

Wichtig ist die Kopplung zwischen Gewicht und Antriebsregelung. Ein schwereres Fahrzeug kann bei gleicher Beschleunigungsanforderung eine höhere Motorleistung verlangen. Wird diese Leistung aus einer kleinen Pufferbatterie bezogen, steigen Stromspitzen und elektrische Verluste. Eine alternative Regelung kann den Stack früher hochfahren lassen, dafür aber häufiger außerhalb seines günstigsten Wirkungsgradbereichs arbeiten.

Für die Auswertung eignet sich eine Pareto-Betrachtung. Sie stellt konkurrierende Ziele gegenüber: niedrige Masse, geringe Betriebskosten, hohe Reichweite und ausreichende Dauerleistung. Eine Variante gilt nicht automatisch als beste, nur weil sie den niedrigsten Verbrauch erreicht; sie muss auch die Anforderungen des vorgesehenen Einsatzes erfüllen.

Zusätzlich sollte das Modell mit Streuungen rechnen. Schwankende Beladung, Alterung der Batterie, sinkende Stackleistung und unterschiedliche Außentemperaturen verändern das Ergebnis. Eine Monte-Carlo-Analyse kann zeigen, wie stabil eine Variante unter solchen Bedingungen bleibt. Das ist oft aussagekräftiger als ein einzelner Bestwert.

Die finale Entscheidung sollte auf Kennzahlen pro Einsatzfall beruhen. Für einen Fernverkehr mit wenigen Stopps kann eine andere Gewichtsverteilung sinnvoll sein als für einen Linienbus mit häufigen Lastwechseln. Die Simulation macht diesen Zielkonflikt sichtbar und verhindert, dass ein Bauteil isoliert optimiert wird.

Bewertung von Rekuperation und zusätzlicher Systemmasse

Bei der Rekuperation entscheidet nicht nur die Bremsleistung über den Energieertrag. Auch die zusätzliche Masse des elektrischen Speichers, der Leistungselektronik und der Kühleinheit verändert den Ablauf. Das Modell muss daher zwei gegenläufige Effekte erfassen: Ein schwereres Fahrzeug bietet mehr Bewegungsenergie beim Bremsen, benötigt aber zuvor mehr Energie, um diese Geschwindigkeit aufzubauen.

Für jede Bremsphase sollte die Simulation den Energiepfad separat bilanzieren. Relevant sind die mechanische Bremsarbeit, die maximal aufnehmbare Ladeleistung, der Wirkungsgrad von Motor und Inverter sowie die Verluste im Speicher. Erst der Nettoertrag am Speicher zeigt, wie viel Energie später wieder für den Antrieb zur Verfügung steht.

Die Ladegrenze ist nicht konstant. Ein kalter oder bereits stark geladener Speicher nimmt weniger Leistung auf. Auch bei niedriger Geschwindigkeit sinkt die elektrische Rückgewinnung, weil der Motor weniger Drehzahl erreicht. Das Modell sollte deshalb mit Kennfeldern für Drehzahl, Drehmoment, Temperatur und Ladezustand arbeiten, nicht mit einem pauschalen Rekuperationsgrad.

Eine zusätzliche Batterie kann Rekuperationsenergie besser aufnehmen, erhöht aber die Fahrzeugmasse. Ob sich diese Investition energetisch lohnt, hängt vom Fahrprofil ab. Auf einer flachen Strecke mit wenigen Bremsvorgängen bleibt der Rückgewinn klein. Im Stadtverkehr oder auf einer Gefällestrecke kann ein größerer Speicher dagegen einen messbaren Vorteil bieten.

Für die Bewertung sollten mindestens drei Größen verglichen werden: zurückgewonnene Energie pro Kilometer, Anteil der Bremsenergie an der gesamten Antriebsarbeit und zusätzliche Masse je Kilowattstunde nutzbarer Speicherkapazität. Eine Variante ist nur dann effizienter, wenn der Rekuperationsgewinn den Mehrbedarf durch ihr Gewicht übertrifft.

Auch Komfort und Sicherheit gehören in die Betrachtung. Eine rein elektrische Verzögerung reicht nicht in jeder Situation aus. Bei Notbremsungen, vollem Speicher oder rutschiger Fahrbahn muss die Reibbremse übernehmen. Diese Betriebsfälle verhindern, dass ein theoretisch hoher Rekuperationsertrag mit einem unrealistischen Praxiswert verwechselt wird.

Grenzen der verfügbaren Simulationsdaten

Die Aussagekraft einer Energieeffizienz-Simulation hängt stark von der Qualität ihrer Eingabedaten ab. Fehlen Messwerte oder stammen sie aus unterschiedlichen Entwicklungsständen, entsteht eine scheinbare Genauigkeit. Das Ergebnis wirkt dann präzise, obwohl die Unsicherheit im Hintergrund groß bleibt.

Eine wichtige Grenze liegt in vereinfachten Komponentenkennfeldern. Ein idealisiertes Kennfeld kann Alterung, Fertigungstoleranzen oder schnelle Temperaturwechsel nur unzureichend abbilden. Besonders bei der Brennstoffzelle verändern Feuchte, Druck und Degradation die reale Leistungsabgabe. Ein Modell mit konstantem Wirkungsgrad überschätzt daher leicht die Effizienz über die gesamte Lebensdauer.

Auch die Messung selbst erzeugt Unsicherheiten. Sensoren für Wasserstoffdurchfluss, elektrische Leistung und Temperatur besitzen Toleranzen. Werden diese Werte ohne gemeinsame Zeitbasis zusammengeführt, können kurze Lastwechsel falsch zugeordnet werden. Für dynamische Analysen sind deshalb synchronisierte Messkanäle und eine dokumentierte Abtastrate nötig.

Ein weiterer Schwachpunkt sind unvollständige Randbedingungen. Wind, nasse Fahrbahn, Reifenluftdruck und tatsächliche Beladung verändern den Energiebedarf. Werden solche Einflüsse nicht erfasst, kann die Simulation einen niedrigeren Verbrauch ausweisen als der spätere Fahrbetrieb. Das ist kein Rechenfehler, sondern eine Folge des gewählten Szenarios.

Für eine seriöse Interpretation sollte jede Kennzahl mit einer Bandbreite und einem Gültigkeitsbereich versehen werden. Eine Reichweitenprognose von exakt 612 Kilometern suggeriert mehr Sicherheit, als die Daten meist erlauben. Eine Angabe wie 580 bis 630 Kilometer unter klar genannten Bedingungen ist fachlich ehrlicher und für Entscheidungen nützlicher.

Die Validierung erfolgt idealerweise in Stufen: zuerst an Einzelkomponenten, danach am Prüfstand und zuletzt im realen Fahrzeug. Stimmen Simulation und Messung nur in einem engen Bereich überein, darf das Modell nicht ohne Weiteres auf andere Temperaturen, Lasten oder Fahrzyklen übertragen werden.

Fazit: Gewicht gezielt simulieren und Effizienz bewerten

Das Gewicht sollte bei der Effizienzbewertung nicht als isolierter Zielwert gelten. Entscheidend ist die Systemwirkung über den gesamten Lebenszyklus: Ein leichteres Bauteil ist nur dann ein Fortschritt, wenn es keine größeren Verluste, geringere Haltbarkeit oder zusätzliche Verstärkungen an anderer Stelle verursacht.

Für eine belastbare Entscheidung werden die Ergebnisse am besten in drei Ebenen betrachtet:

Die zentrale Kennzahl ist damit nicht das niedrigste Fahrzeuggewicht, sondern der beste Kompromiss aus Effizienz und Einsatzfähigkeit. Ein Simcenter-Modell kann diesen Kompromiss sichtbar machen, indem es Varianten unter identischen Bedingungen bewertet und die Zielkonflikte offenlegt. Allgemeingültige Aussagen über eine bestimmte Fahrzeugkonfiguration sind jedoch nicht möglich, solange konkrete Messdaten, Modellparameter und validierte Simulationsläufe fehlen.

Für die Praxis sollte jede Gewichtsentscheidung mit einem klaren Prüfkriterium enden: Wie viel Energie spart die Änderung, welche Funktion verbessert sie und welche Folgemasse entsteht daraus? Erst wenn diese drei Fragen gemeinsam beantwortet sind, wird aus Leichtbau ein messbarer Effizienzgewinn – und nicht nur eine ansprechende Zahl im Datenblatt.

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