„Urcharge“ macht E-Mobilität zukunftsfit

Das Forschungsprojekt „Urcharge“ klärte grundlegende Fragen zur Mobilität der Zukunft. Basis dafür war die innovative LINZ AG-Ladelösung „WallBOX CitySolution“. Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „Zero Emission Mobility“ durchgeführt.

Selbst die Einschränkungen aufgrund des Coronavirus konnten dieses wichtige E-mobile Projekt nicht stoppen. Der Ausbau der umweltfreundlichen E-Mobilität stellt auf dem Weg hin zu mehr Nachhaltigkeit einen entscheidenden Faktor dar: Will Österreich seine Klimaziele bis 2030 erreichen, so müsste etwa bis dahin ein E-Auto-Anteil von rund 27 Prozent unter allen angemeldeten Pkw erreicht werden. Doch welche Infrastruktur ist beispielsweise in Linz nötig, um dieses Ziel erreichen zu können? Wird das Stromnetz dieser Mehrbelastung standhalten? Laden tatsächlich alle gleichzeitig? Und wie kann der Leistungsbedarf optimiert werden?

Diese grundlegenden Fragen wurden im Forschungsprojekt „Urcharge“, also „Urbanes Laden“, das von der Technischen Universität Wien geleitet und von der LINZ AG initiiert wurde, geklärt. Gemeinsam mit dem Hersteller für E-Mobilitäts-Ladelösungen KEBA AG, ETA (Beratung zum Thema Umweltmanagement) sowie der Linzer Wohnungsgenossenschaft NEUE HEIMAT OÖ wurden Forschung, Entwicklung und Tests zur Optimierung von Ladeinfrastruktur im großen Wohnbau durchgeführt.

Endbericht des Projekts "Urcharge"

Das Projekt mit einer 2,5-jährigen Laufzeit von 1. Februar 2019 bis 1. Juni 2021 bestach mit seiner Ganzheitlichkeit und umfasste folgende Arbeitspakete:

Das Projektmanagement der TU Wien war verantwortlich für die gemeinsame Definition des Gesamtkonzepts, die Förderantragsstellung und das Monitoring des Projektfortschritts. Während der gesamten Laufzeit wurde der Projektfortschritt kontinuierlich zur zeitgerechten Realisierung der Projektziele überwacht. Dazu gehörten auch die Koordination der Arbeitspakete und Schnittstellen sowie das Risikomanagement und die Kommunikation mit der Fördergeberin FFG. Die Partner hatten intern einen detaillierten Projekt- und Arbeitsplan, der an den Zeitplan der übergeordneten Ziele angepasst war

Die Forschungsarbeit der TU Wien analysierte in einem Optimierungsmodell Fragestellungen zur Veränderung der Stromnachfrage in Gebäuden durch den wachsenden Anteil an E-Autos und zeigte Herausforderungen auf. Es wurden Lösungsansätze betrachtet, die die Stromnachfrage der E-Autos verschieben würde, um eine Ausweitung der Lastspitzen zu vermeiden. Daraus wurden ökonomische sowie ökologische Folgen bewertet.

In diesem Modell, einem Abbild der Realität, herrschten vereinfachte Rahmenbedingungen, unter denen aber zukunftsweisende, allgemeingültige Erkenntnisse generiert werden konnten. Zudem lässt ein Modell zu, weiter zu blicken als im realisierbaren Feldtest. Es wurde beispielsweise eine Verbreitung der E-Mobilität von bis zu 100 Prozent betrachtet, während in der Demophase 50 % umgesetzt werden konnten. Außerdem ging aus dem Modellumfeld der Vorteil voller Information über den kommenden Ladebedarf der E-Autos hervor. Bei jährlicher im Vergleich zu täglicher Information über den Ladebedarf konnte die Auslegung/Dimensionierung der Ladeleistung im Modell mehr als halbiert werden.

Die Forschungsarbeit zeigte zum einen, dass modellierte Fahr- und Ladeprofile mit Informationen aus nationalen Mobilitätserhebungen die Realität in der Demophase gut abbilden konnten. Zudem konnte effizientes privates Lastmanagement im Modell eine Erhöhung der bestehenden Haushaltslastspitzen vermeiden, durch eine Verschiebung der Ladevorgänge in die Nacht.

Im Detail:

Die Basis für die Berechnungen im Simulationsmodell bildeten Ergebnisse aus einer Mobilitätserhebung des BMK 2013/2014: „Österreich unterwegs“. Die per Auto zurückgelegten Wegstrecken, Wegzwecke, Start und Endzeitpunkte etc. wurden herangezogen, um im Modell verschiedene „Fahrtypen“ abzubilden. Dies resultierte in einer Verteilung der Fahrten über den Tag und ergab die Verfügbarkeit der E-Autos an ihrer Ladestation mit ihrem Ladebedarf.

Das Modell erfüllte diesen Ladebedarf dann unter voller Information der jährlichen Nutzerdaten und innerhalb der Rahmenbedingungen für das Lastmanagement und verteilte die Ladeleistung dementsprechend als zentrales Lastmanagement über alle Autos.

Wir analysierten folgende Szenarien:

  1. Unkontrolliertes Laden bei Ankunft an der Station
  2. Lastverschiebung: Laden abseits der bestehenden Haushaltslastspitzen
  3. Verteilung zur Bereitstellung der minimal notwendigen Gesamt-Ladeleistung

Eine Lastverschiebung abseits der Haushaltslastspitzen in die Nacht konnte erfolgreich umgesetzt werden, da das private Laden von langen Parkzeiten über Nacht geprägt war. So wurde eine Erhöhung der Spitzen in der Stromnachfrage durch E-Mobilität vermieden (siehe Abbildung 2).

Abbildung zum unkontrollierter Ladestrombedarf bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau).

Abbildung 1 Unkontrollierter Ladestrombedarf bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Abbildung zur Lastverschiebung in die Nacht bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Abbildung 2 Lastverschiebung in die Nacht bei 10%, 50% und 100% Verbreitung der E-Mobilität mit der Haushaltslast (grau)

Da eine Betrachtung unter voller Information nicht der Realität entsprach, wurde die notwendige Gesamt-Ladeleistung auch unter täglichen Informationen berechnet. Durch diese Einschränkung der Information stieg die notwendige Ladeleistung von 440 W auf 1.300 W je E-Auto. Dies war zum einen mit Kosten verbunden, zum anderen führte eine Ausreizung dieser Ladeleistung bei 1.300 W zu eklatant höheren Spitzen im Vergleich zu 440 W.

Informationen über das Nutzerverhalten und den kommenden Verbrauch waren also ökonomisch sehr wertvoll und erhöhten die Effizienz des Lastmanagements.

Die wissenschaftlichen Publikationen zur Modellierung der Ladeprofile aus Mobilitätserhebungen und den Lastmanagement-Ansätzen sind in der Zeitschrift „Energies“ zu finden.

Der Projektpartner KEBA hatte bereits ab Februar 2019 die Basis für eine Erweiterung seiner Wallbox mit der Lastmanagement-Software gelegt. Die neue Technologie ermöglichte das Lastmanagement über alle Ladestationen in einer großen Wohnanlage. Damit sollten, für bis zu 100 % E-Mobilität, die Lastspitzen durch E-Mobilität minimiert und ein möglichst netzdienlicher Ladeprozess garantiert werden. Die Entwicklungen betrafen auch entsprechendes Management der Datenmengen, erweiterte Funktionen zur Abrechnung und die Identifikation der Nutzer/innen an der Ladestation des eigenen Parkplatzes.

Im Detail:

Bereits im Februar 2019, bevor das „Urcharge“-Konsortium seine gemeinsame Arbeit begonnen hatte, hatte die KEBA AG begonnen, den Lastmanagement-Algorithmus auf die anstehenden Erweiterungen vorzubereiten. Die bisher statische Lastverteilung über bis zu 16 Ladestationen sollte künftig hochskalierbar sein auf eine effiziente, netzdienliche und gleichzeitig komfortable Koordination der Ladevorgänge von über 100 Wallboxen. Dies legte den technischen Grundstein für eine netzschonende Verbreitung der E-Mobilität von bis zu 30 % im Jahr 2030 und langfristig bis zu 100 % im urbanen Gebiet und großen Wohnbauten.

Im Master-Slave-Netzwerk kann das Laden mit einem intelligentem Lastmanagement realisiert werden.

Wie in der Abbildung gezeigt, verteilte die Masterstation die Ladeleistung auf die einzelnen Wallboxen an den privaten Parkplätzen und konnte so die Auswirkungen auf das Stromnetz minimieren und eine effiziente, kostengünstige Auslegung der Ladekapazität ermöglichen.

Abbildung 3 Im Master-Slave-Netzwerk konnte das Laden mit einem intelligentem Lastmanagement realisiert werden.

Der Prototyp der Masterstation mit den erweiterten Lastmanagement-Funktionalitäten wurde in der Demophase auf Herz und Nieren getestet und auch weiteres Entwicklungspotenzial erkannt. Bisher blockierte ein 1-phasiges Fahrzeug alle drei Phasen und somit wertvolle Leistungsreserven für die steigende Nachfrage in den kommenden Jahrzehnten. Hier wurde ein phasengenauer Lastmanagement-Algorithmus entwickelt, welcher eine effizientere und netzschonendere Auslegung der Ladeinfrastruktur und somit langfristig Kosteneinsparungen ermöglicht.

Wie unter Punkt 4 beschrieben, zeigte die Demophase das Potenzial effizienten und intelligenten Lastmanagements auf, in dem die gesamte Ladeleistung durch die Verteilung der Ladevorgänge über die Nacht hinweg sehr gering gehalten werden konnte mit zeitweise unter 1 kW je Fahrzeug (siehe Abbildung 4 und 5). Mit Hilfe der intelligenten Algorithmen und des zentralen Lastmanagements wurde das Laden von über 100 Fahrzeugen auf engstem Raum möglich, ohne eine Netzüberlastung und folglich einen Netzausbau aufgrund der E-Mobilität herbeizuführen.

Ladevorgänge bei einer gesamten Ladeleistung von 35 kW (1,3 kW/E-Auto)

Abbildung 4 Ladevorgänge bei einer gesamten Ladeleistung von 35 kW (1,3 kW/E-Auto)

Ladevorgänge bei einer reduzierten Ladeleistung auf 25 kW (0,9 kW/E-Auto)

Abbildung 5 Ladevorgänge bei einer reduzierten Ladeleistung auf 25 kW (0,9 kW/E-Auto)

Im Rahmen einer fünfmonatigen Pilotphase von Juni bis Oktober 2020 wurde die Ladeinfrastruktur von Bewohner/innen eines großen Wohnbaus der Wohnungsgenossenschaft NEUE HEIMAT OÖ in Linz mit 51 Elektro-Autos getestet. Dies entsprach in dieser Wohnanlage bereits einem E-Auto-Anteil von etwa 50 %. Für die Bewohner/innen war dies eine spannende Erfahrung: Sie tauschten für diesen Zeitraum ihr Verbrenner-Auto gegen einen vollelektrisch betriebenen Pkw ein, der unter günstigen Konditionen vom Autohaus Sonnleitner zur Verfügung gestellt wurde. Dabei handelte es sich um einen der größten und längsten Elektromobilitätsfeldtests in Österreich. Dieser sollte grundlegende Fragen zu benötigter Infrastruktur und Ladeverhalten klären, um die E-Mobilität als entscheidenden Umweltschutz-Faktor im städtischen Bereich auch für dicht besiedelte Gebiete alltagsfit zu machen. Auch im regulatorischen Bereich wurde ein Fortschritt geschafft, der E-Autos bezüglich der baulichen Anforderungen in Garagen konventionellen Autos gleichstellt.

Die infrastrukturelle Basis für das Demonstrationsprojekt stellte die „WallBOX CitySolution“ dar. „Diese intelligente Ladelösung ist speziell für den großvolumigen Wohnbau gedacht. Wohnbauträger können damit ihre Neubauten und meist auch ihre bestehenden Objekte E-mobilitätsfit machen. Mit dieser Demophase wollten wir die derzeitigen Möglichkeiten ausreizen und unsere Komplettlösung weiterentwickeln“, sagte Gerald Mayrhofer vom E-Mobilitätsteam der LINZ AG.

Eine spannende Randbedingung war, dass die Teilnehmenden bisher keineswegs E-Mobilisten oder Pioniere waren, sondern oft noch keine Berührung mit dieser Technologie hatten. Somit war kritisches Feedback zu erwarten und die Anforderungen für eine Akzeptanz konnten bestens gesammelt werden.

Im Detail:

Ziel der Demophase war es, die Ladeinfrastruktur mit dem Lastmanagementalgorithmus unter realen Bedingungen zu testen und weiteren Aufschluss über das Ladeverhalten der Nutzer/innen zu bekommen.

Folgende zentrale Fragen wurden durch die Demophase beantwortet:

  • Kann die Effizienz des Lademanagements weiter verbessert werden?
  • Wie hoch muss die verfügbare Leistung für das Laden sein, um 50 % E-Mobilität im Feldtest abzudecken?
  • Ist das Ladeverhalten wie vorab erwartet oder ergeben sich daraus neue Herausforderungen?
  • Wie oft werden die E-Autos geladen? Je konsequenter und länger sie angesteckt werden, desto mehr Spielraum bleibt dem Lastmanagement für eine Verteilung der Ladeleistung.
  • Wie verhalten sich die 3- und 1-phasigen Fahrzeuge? Kann der Ladevorgang jeweils verbessert werden?
  • Merken es die Nutzer/innen, wenn der Ladevorgang über viele Stunden verteilt wird und sind ihre Autos morgens ausreichend geladen?

Diese Erkenntnisse konnten auch mit der Methode und den Ergebnissen aus dem Modell unter Punkt 2 verglichen werden. Hier bestand ein Austausch zwischen der sehr effizienten Auslegung im Modell aufgrund der „Laborbedingungen“ mit voller Information und den Möglichkeiten, die die Realität bot.

Beispielsweise könnte eine App helfen, dass Nutzer/innen ihre künftigen Fahrtstrecken oder einen gewünschten Zeitpunkt, zu dem das Auto geladen sein soll, bekanntgeben könnten. Dies würde nicht nur für ein effizienteres Lastmanagement, sondern auch für höheren Komfort durch eine garantiert ausreichend geladene Batterie sorgen.

Auch die Kundenperspektive wurde vor, während und nach der Demophase genau beleuchtet (siehe Punkt 5.). Die Einstellung der Teilnehmenden gegenüber der E-Mobilität im Zeitverlauf, der Komfort des Ladens und der Reichweite, die Zufriedenheit mit dem Laden am eigenen Parkplatz, Verbesserungswünsche für das Laden der Zukunft und vieles mehr können so genau erörtert werden.

Die Kundenperspektive ist für die Weiterentwicklung und folglich die Akzeptanz und Verbreitung neuer Technologien essenziell. Die Kundenanforderungen für das private Laden von E-Autos wurden anhand gezielter Umfragen und Workshops im Verlauf des Projekts vor, während und nach dem Feldtest ermittelt und rechtliche Fragen und mögliche Hemmnisse beleuchtet. Die Informationen daraus boten wichtige Erkenntnisse zur Einstellung gegenüber der E-Mobilität und den ausschlaggebenden Kriterien, wie z. B. Reichweite, Verfügbarkeit von Ladestationen, Anforderungen an die technischen Funktionalitäten, Ladekomfort und -geschwindigkeit etc.

Umfrage
Beschreibung
 
Erstumfrage
Vor dem Start der Demophase um das bisherige Mobilitätsverhalten,
die Einstellung zu E-Mobilität und Ladeinfrastruktur vor der eigenen
Erfahrung im Feldtest zu erfragen
März 2020
Zwischenumfrage
Während der Demophase zum Fahrverhalten und den ersten Erfahrungen
mit der Ladeinfrastruktur und dem E-Auto.
August 2020
Fokusgruppen-Interviews
Freiwillige Teilnehmer/innen wurden zu einem Workshop eingeladen,
in dem die Anforderungen an Ladeinfrastruktur und Design im Detail diskutiert werden.
Oktober 2020
Endumfrage
Erörterung der Veränderungen in der Einstellung zur E-Mobilität,
Erfahrungen mit Ladeinfrastruktur und Lastmanagement,
Bewertung der Alltagstauglichkeit und weiteren Anforderungen
Dezember 2020

Erkenntnisse:

49 % der Teilnehmenden hatten 1 und 44 % 2 Autos. 2/3 nutzten das Auto täglich.

Erstumfrage:

73 % der Teilnehmenden waren noch nie zuvor mit einem E-Auto gefahren und 19 % waren bereits Probe gefahren. 39 % sahen das tolle Angebot zum Testen im Projekt als Teilnahmegrund, 27 % waren skeptisch gegenüber der E-Mobilität und wollten sich ein eigenes Bild dazu machen, während sich 28 % schon lange für E-Autos interessierten und sich 3 % bald eines anschaffen wollten.

Zwischenumfrage:

15 % nutzten das E-Auto anders als das konventionelle, 34 % etwas anders (Langstrecken mit Benziner standen dem Autofahren ohne schlechtem Gewissen gegenüber). 49 % hatten auch mal das eigene Auto benutzt aufgrund der Reichweite, dem Stauraum oder der fehlenden Anhängekupplung bei den frei zur Verfügung gestellten Testmodellen. Auch durch die Corona-Krise hatte sich das Fahrverhalten bei 24 % verändert und bei weiteren 24 % etwas (hier standen weniger Wege durch Homeoffice der Vermeidung öffentlicher Verkehrsmittel gegenüber). Im Großen und Ganzen entsprachen die Fahrtwege im Feldtest allerdings dem österreichischen Durchschnitt. 44 % luden nur, wenn der Akku fast leer war und 10 % immer, wenn sie parkten.

Öffentliche Ladestationen wurden selten bis sehr selten verwendet (84 %).

Fokusgruppen-Interview:

Mit 6 Teilnehmenden wurde ein Workshop zu den bisherigen Erfahrungen, dem Ladekomfort, zum technischen Design und zum Kundenservice durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Zufriedenheit mit dem Lastmanagement, das fast nie im Batterieladestand bemerkt wurde. Die Teilnehmenden akzeptierten das zeitlich optimierte Laden über Nacht unter dem Aspekt der Akku-Schonung und des Gesamtnutzens zur Vermeidung der Netzüberlastung. Sie könnten sich vorstellen, zu einem etwas höheren Tarif auch Schnelllademöglichkeiten in der Garage zu haben und auch Informationen über ihre nächste Fahrt und den Ladebedarf über eine App bekanntzugeben.

Endumfrage:

80 % gaben in der Umfrage an, nie etwas vom Lastmanagement und einer somit längeren Ladedauer bemerkt zu haben. 72 % wären bereit, über eine App Informationen bereitzustellen, die die Lastmanagement-Effizienz steigern durch ein genaueres Erfüllen des Mindestakkustands vor der nächsten Fahrt. Die Akkureichweite war für 50 % ausreichend.

In dieser Phase wurden die Ergebnisse aller Arbeitspakete gesammelt und dokumentiert, um entsprechende Schlussfolgerungen zu ziehen. Bereits im Projektverlauf wurden vorläufige Ergebnisse präsentiert und Berichte veröffentlicht. Die Erkenntnisse sollten das Geschäftsmodell für die Ladeinfrastruktur der Zukunft formen und eine Basis für weitere Umsetzungsprojekte bieten. Zudem wurde eine Lücke in der Forschung zu Ladeinfrastruktur im großen Wohnbau geschlossen.

„Urcharge“ leistete damit einen wichtigen Beitrag zur Verbreitung der E-Mobilität am Markt und zur Reduktion von CO2-Emissionen im Verkehr.

Wie man Lademöglichkeiten in Mehrfamilien-Wohnhäusern rasch und netzschonend ausbauen kann und damit die Elektromobilität voranbringt: Erfahrungen und Erkenntnisse aus einem sechsmonatigen Großversuch mit 51 Teilnehmer/innen in Linz im Rahmen des Forschungsprojektes „Urcharge“. Unter der Moderation von Marlene Doiber (tbw research) sprach das Projektkernteam, vertreten durch die Expert/innen des Konsortiums, über die Hintergründe, Ergebnisse sowie Herausforderungen und Erfolge während des Projekts und gab einen Ausblick in die Zukunft.

Begrüßt wurde die Runde durch Theresia Vogel, Geschäftsführerin des Klima- und Energiefonds.

Zum Video

TU Wien, Jasmine Ramsebner MSc, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Projektmanagerin:

„Als Projektleiter und Forschungspartner schätzen wir das ‚Urcharge‘-Projekt aufgrund seiner Ganzheitlichkeit, die im Bereich der Ladeinfrastruktur für den großen Wohnbau im urbanen Gebiet einzigartig ist. Eine Demonstrationsphase von fast einem halben Jahr mit 51 Teilnehmern war außerordentlich wertvoll bezüglich des realen Ladeverhaltens und für die Verifizierung unserer Forschungsergebnisse im Modell. Diese Erkenntnisse fließen in ein Konzept zum privaten, urbanen Laden, um Komfort, Leistbarkeit und dadurch Akzeptanz der E-Mobilität voranzutreiben und Zero Emission Mobility im Individualverkehr zu erreichen“.

LINZ AG, DI Erich Haider, MBA, Generaldirektor:

„Die LINZ AG bietet bereits sehr erfolgreich Ladelösungen und -produkte für die Bedarfe im öffentlichen Raum, im mehrgeschossigen Wohnbau, für zuhause und für Unternehmen an. Wir sind froh, dass wir mit dem Demonstrationsprojekt entscheidende Erkenntnisse zur Alltagstauglichkeit der E-Mobilität gewinnen und einen wichtigen Beitrag hin zu mehr Nachhaltigkeit im Straßenverkehr leisten konnten. Die LINZ AG unterstreicht damit wie auch mit ihrer modernen Busflotte und dem innovativen Mobilitätsangebot ‚tim‘ einmal mehr ihr Engagement hinsichtlich emissionsfreier Antriebe“.

KEBA AG, Ing. Mag. Gerhard Luftensteiner, Vorstandsvorsitzender:

„Ladestationen müssen vor allem eines sein: komfortabel für den Nutzer, zuverlässig und sicher. Geht es um große Wohnanlagen, wo typischerweise mehrere E-Autos gleichzeitig geladen werden, kommt eine intelligente Lastmanagementlösung zum Einsatz. Sie verteilt die Ladeleistung optimal, sodass die Elektroautos bei gleichzeitig geringer Netz- und Kostenbelastung entsprechend verfügbar sind. Unsere Stromladestation lädt also nicht nur, sondern sie ist eine hochintelligente Kommunikations- und Steuerungszentrale zwischen den Elektroautos und dem dahinterliegenden Stromnetz. KEBA nimmt mit dieser Lösung abermals eine Pionierrolle ein und leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Durchbruch der Elektromobilität“.

NEUE HEIMAT OÖ, Dir. Mag. Robert Oberleitner, Geschäftsführer:

„Das Projekt ‚Urcharge‘ gab uns die Gelegenheit, einen wesentlichen Beitrag zur Klimawende zu leisten und aktiv daran mitzuarbeiten, die gemeinnützigen Wohnbauträger hinsichtlich dem Bereich E-Mobilität zukunftsfit zu machen. Im Zuge des Projekts sammelten wir Erfahrung, die uns dabei hilft, die Anforderungen unserer Kundinnen und Kunden in der Zukunft zu erfüllen und eine gewohnt hohe Wohnqualität bieten zu können.“

ETA Umweltmanagement GmbH, Manfred Mühlberger, Geschäftsführer:

„Wir befassten uns während des Projektes mit einer detaillierten Analyse der Kundenperspektive durch die Konzeption und Auswertung von Umfragen und Workshops.“

Autohaus Sonnleitner, Max und Mag. Wolfgang Sonnleitner, Geschäftsführer:

„Ein Projekt wie dieses ist für uns die perfekte Umgebung, um die Alltagstauglichkeit unserer Elektrofahrzeuge Renault Zoe und Nissan Leaf unter Beweis zu stellen. Es bot die Möglichkeit, unterschiedliche Anwendungsfälle in vergleichbarer Umgebung über einen längeren Zeitraum zu vergleichen. All das auch noch vor der Haustüre machen zu können war einfach ideal. Wir freuen uns, dass wir dabei sein konnten.“

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