Chroniques du réchauffement climatique

Le 16 décembre dernier, Nathalie Kosciusko-Morizet, l'actuelle ministre de l'écologie, a annoncé une série de mesure visant à réduire la consommation d'énergie et à améliorer l'efficacité énergétique. Parmi les mesures proposées, une a particulièrement retenu l'attention par son aspect symbolique, l'obligation pour les commerces d'éteindre leurs enseignes lumineuses entre 1h et 6h du matin, mesure qui entrera en vigueur le 1er juillet 2012. Au-delà de l'aspect symbolique (personne n'a jamais prouvé, et pour cause, qu'éclairer la nuit les enseignes lumineuses faisait vendre le lendemain, a fortiori entre 1h et 6h du matin), on peut s'interroger sur l'impact réel d'une telle mesure.

 

Selon le communiqué de presse du ministère de l'écologie, "le parc d’enseignes lumineuses représente une puissance installée de près de 750 MW, la moitié de celle d’un EPR (...) une économie d'électricité équivalente à la consommation annuelle de 260.000 ménages français"

 

Si l'on ne va pas plus loin que les mots, tout dans ce communiqué est vrai : 750 MW représente bien la moitié d'un réacteur EPR, et la consommation des enseignes lumineuses correspond bien à celle de 260 000 ménages. Tout est-il si simple ?

Tout le problème vient du fait que ce communiqué mélange allègrement puissance et énergie. En effet, si les ménages et les enseignes consomment la même énergie, cette consommation n'a pas lieu au même moment. Pour le comprendre, il suffit de s'intéresser au schéma suivant. Il s'agit des statistiques de RTE, l'entreprise publique chargée du réseau de distribution d'électricité en France, qui montre la consommation d'électricité un jour au hasard de décembre dernier (le mercredi 14, précisément) quart d'heure par quart d'heure, mais en terme de puissance électrique. Rappelons que l'on passe simplement de la puissance à l'énergie en multipliant la puissance par le temps durant lequel elle est consommée. (le mois de décembre ayant été particulièrement doux en France, la consommation est nettement moins élevée qu'à l'habitude, mais ça ne change rien à l'explication.)

 

Ce que l'on constate sur cette figure, c'est que comme l'on pouvait s'en douter, la consommation d'électricité est très nettement plus élevée la journée que la nuit, avec un pic de consommation entre 18h et 20h quand les gens font tourner leur chauffage électrique à fond... Ainsi le 14 décembre dernier, le pic de consommation a été de 77 GW (plutôt faible par rapport à un mois de décembre "normal" où ce pic est généralement au dessus de 90 GW).

ça c'était pour le maximum de consommation. Regardons maintenant ce qui se passe entre 1h et 6h du matin, puisqu'il s'agit du créneau horaire concerné par la mesure. Sur ce créneau, la consommation d'électricité a été en permanence inférieure à 60 GW (là encore, elle aurait été plus élevée un mois de décembre "normal", mais serait restée très inférieure à celle observée la journée). Une chose est sûr, éteindre les enseignes lumineuses la nuit ne réduira pas la consommation la journée.

 

Puisque nous sommes dans les statistiques, le site de RTE donnent également la répartition de la production par filière, là encore quart d'heure par quart d'heure. Si l'on regarde ces statistiques, on s'aperçoit que la production "de nuit" est issue pour sa quasi totalité du nucléaire, et un peu de l'éolien (le vent souffle autant la nuit que le jour). à 19h, la production nucléaire n'est que légèrement supérieure (on n'arrête pas ou ne démarre pas une centrale nucléaire d'une heure à l'autre), toute la différence est due à l'hydraulique (on peut choisir quand on ouvre les vannes des barrages)...et aux centrales à charbon (2,7 GW), à gaz (2,2 GW) et au fioul (350 MW). En conséquence, les émissions de CO₂ estimées sont environ deux fois plus élevées à 19h qu'à 3h du matin. (un jour de décembre "normal", la tendance est exactement la même, mais avec très nettement plus de gaz, de charbon et de fioul mis en oeuvre à 19h).

 

Maintenant que nous avons vu ces chiffres, réfléchissons un peu : que se passera-t-il si nous éteignons toutes les enseignes entre 1h et 6h du matin. Sur ce créneau horaire la production est principalement nucléaire, et un peu éolienne. Comme on ne va tout de même pas supprimer des éoliennes, nous pouvons donc supprimer un vieux réacteur nucléaire (750 MW c'est à peu près la puissance des plus vieux). Mais si nous arrêtons ce réacteur, il ne produira pas à 19h, heure où la demande n'aura pas changée. Comme la production hydroélectrique est à son maximum en France, à l'heure actuelle la seule possibilité de fournir ces 750 MW manquant est... des centrales thermiques à gaz, charbon ou fioul ! On arriverait donc à la situation paradoxale où diminuer la consommation d'électricité pourrait entraîner une hausse des émissions de gaz à effet de serre !!

 

Est-ce que cela signifie que cette mesure ne sert à rien et qu'il faut laisser les enseignes lumineuses éclairées ?

 

évidemment non ! Ce raisonnement simple (mais tout à fait rigoureux au demeurant) montre simplement que cette mesure seule est non seulement inutile mais potentiellement néfaste si elle n'est pas accompagnée ! Dès lors quelles sont les solutions ? Elles sont de plusieurs type. Le nucléaire est une énergie de "base", mais nous avons également besoin d'autres sources de production pour les "pointes". Le problème vient ici soit du fort décalage de consommation entre la base et les pointes, soit de la manière de produire l'électricité lors de ces pointes. On peut (et doit !) donc jouer sur plusieurs leviers.

• le plus évident, mais qui est à long terme : développer de nouveau systèmes de stockages de l'électricité performants et à grande échelle, pour utiliser pendant les pointes de consommation l'électricité produite durant les creux (stockage chimique, ...).
• développer des moyens production d'électricité plus propres que le gaz, le charbon et le fioul et pouvant répondre à la demande aux heures de pointes (biomasse, ...)
• atténuer la différence d'amplitude creux-pointes ... notamment en arrêtant de promouvoir le chauffage électrique !
• atténuer la différence d'amplitude creux-pointes... en consommant plus aux heures creuses ! Le raisonnement est principalement basé sur le fait que si nous éteignons les enseignes lumineuses nous pouvons produire moins la nuit... mais nous pouvons également utiliser cette production "libérée" pour des applications de type rechargement de batteries de véhicules électriques.

Les possibilités de sortir de ce paradoxe qui ferait qu'à une diminution de notre consommation d'électricité correspondrait une hausse des émissions de gaz à effet de serre ne manque pas. Mais il faut que nos gouvernants aient la volonté politique d'aller au-delà des mesures symboliques, qui ont l'avantage de la quasi-gratuité, pour proposer des mesures d'accompagnement plus ambitieuses.

 

 

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Depuis le début du Salon de l'automobile ce week-end, les média n'arrêtent pas de parler de voitures électriques, qui sembleraient être les vedettes du salon. On ne peut que se réjouir de voir enfin une alternative possible aux moteurs à combustion, fortement émetteurs de CO₂ (n'oublions pas que les transports individuels représentent à peu près 1/6 des émissions mondiales de gaz à effet de serre), mise au centre du débat. Cependant, à trop présenter la voiture électrique comme LA solution miracle, qui serait disponible pour tous très rapidement, les journalistes risquent de créer un fort sentiment de déception si cette solution n'est pas au rendez-vous, ce qui est encore loin d'être certain à l'heure actuelle. Le but de cet article n'est pas de dénigrer cette technologie, dont on peut espérer qu'elle puisse contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique, mais de tempérer un peu l'enthousiasme pour éviter les désillusions.

 

 

photo : Tesla Roadster (fogcat5, CC-BY-SA 2.0)

 

Je ne parlerai pas des problèmes d'autonomie, qui finiront pas se régler d'eux-même (actuellement l'autonomie d'un véhicule automobile "de série" est de l'ordre de 50 à 100 km, suivant les accessoires utilisés, tandis que la distance moyenne parcourue en une semaine par un automobiliste est d'un peu moins de 40 km). Pour la vitesse maximum, ce n'en est déjà plus un, la Tesla Roadster de la photo a une vitesse de pointe de plus de 200 km/h. Le prix finira également par le plus être un problème du fait de l'augmentation certaine à moyen terme du prix du pétrole et donc des carburants. Mais il y a deux autres difficultés majeures à résoudre, donc le grand public est peut-être moins conscient :

 

 

• La production d'électricité

Commençons par une lapalissade : une voiture électrique, ça roule à l'électricité. Le problème c'est que l'électricité on ne la ramasse pas sur le bord de la route, il faut la produire. Petit calcul simple d'ordre de grandeur au niveau français :

 

- une voiture "moyenne" a besoin d'environ 30 kWh pour parcourir 100 km (à condition de ne pas trop faire tourner climatisation et autres systèmes gourmands en énergie). Chaque automobiliste français parcours en moyenne autour de 13 000 km par an et aura donc besoin de 3,9 MWh.

 

- il y a en France environ 600 voitures pour 1000 habitants, soit autour de 36 millions.

 

→ l'énergie totale nécessaire sur un an pour faire rouler toute ces voitures serait de l'ordre de 140 000 GWh.

 

En supposant 15% de perte entre la recharge de la batterie et le réseau électrique, il va donc falloir produire 165 000 GWh d'électricité. Un réacteur nucléaire produit environ 8 000 GWh d'électricité par an, il va donc nous en falloir 20. Ou 40 grosses centrales à gaz ou charbon, ou quelques milliers d'éoliennes off-shore, ou quelques dizaines de km² de panneaux solaire. ça juste pour la France, pour passer à l'échelle de la planète, on peut à la louche multiplier tout ça par 25 à 30. Tout ça évidemment en supposant que la charge des batteries est bien répartie sur 24h.

 

Ce que je veux dire par ce petit calcul n'est pas que c'est impossible, mais qu'il est complètement déraisonnable de faire dès à présent la promotion des voitures électriques sans réfléchir très sérieusement à la manière de les alimenter. (ou de se servir un peu moins de véhicules individuels, mais c'est une autre histoire).

 

• Les matériaux utilisés dans les batteries

A priori aujourd'hui, la technologie la plus souvent choisie pour les batteries des voitures électriques est la technologie lithium-ion. Une batterie lithium-ion a une durée de vie en cyclage (charges et décharges successives) d'environ 1 millier de cycles. Il faut donc pour l'instant compter sur 3 batteries sur la durée de vie de la voiture. Disons 2 batteries en espérant des progrès dans leur fiabilité. Il faudra donc à terme 2 fois plus de batteries que de voiture. En nous plaçant à l'échelle française, 72 millions de batteries dans les voitures, et 4 millions vendues par an.

 

Si l'on s'en tient à la batterie lithium-ion, une batterie pour une voiture électrique nécessite de l'ordre de 9kg de lithium (chiffres du département américain à l'énergie, donc pour une voiture américaine. On peut supposer que ce chiffre serait plus faible pour une voiture de taille européenne, mais c'est un ordre de grandeur. La production de 4 millions de batteries par an nécessiterait donc 36 000 tonnes de lithium, et les 72 millions de batteries utilisées dans les voitures représenteraient 648 000 tonnes de lithium. et tout ça uniquement pour la France (sinon on peut aussi multiplier par 25 pour avoir une idée pour le monde entier).

 

A l'heure actuelle, la production mondiale de lithum est de 15 000 tonnes par an. gloups. il va donc falloir augmenter sérieusement tout ça. Sachant que les réserves mondiales exploitables de lithium (il y a énormément de lithium sur terre, mais pas une faible part seulement est exploitable) sont estimées à 11 millions de tonne par l'US Geological Survey. Pour la France tout va bien, mais il en faudrait 16 millions pour faire toutes les voitures à l'électricité à l'échelle mondiale. Il va donc falloir une sérieuse diminution de la quantité de lithium par batterie (difficile à atteindre) et une bonne filière de recyclage. Ou une autre technologie.

 

J'ai pris ici l'exemple du lithium, mais ce n'est pas le seul élément nécessaire dont la production mondiale ou les ressources sont limitées. Là encore, mon objectif ici n'est pas de dénigrer cette technologie, mais de montrer que nous en sommes encore à un stade ou une activité de recherche intense et nécessaire, et pas vraiment à un développement grand public. Qui espérons le toutefois arrivera un jour.

 

 

articles liés :

 

Demain l'hydrogène ?

 

 

 

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Un peu de science aujourd'hui suite à la lecture d'un article de chimie récent...

La plupart des patrons des grandes entreprises automobiles "vendent" régulièrement l'hydrogène comme le carburant du futur (ce qui me fait penser qu'il faudrait que j'écrive une série d'article sur ce sujet sur lequel je donne quand même un cours...).

L'un des problèmes majeurs qui fait que nous n'avons pas encore tous des voitures à hydrogène dans nos garages (il y en a d'autre) est constitué par la production de ce gaz. En effet l'hydrogène, ou plutôt le dihydrogène H₂ pour être rigoureux, n'existe quasiment pas sur terre, et il doit être fabriqué, les deux sources possibles les plus abondantes étant les hydrocarbures et l'eau.

A l'heure actuelle, la majeure partie de la production mondiale d'hydrogène se fait à partir d'hydrocarbures, ce qui outre le fait de nécessité une quantité d'énergie importante, produit des quantités non moins importantes de CO₂ ce qui limite fortement le potentiel de cette technologie dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre et le réchauffement climatique. Mais alors, pourquoi ne pas le produire à partir d'eau ? oui, pourquoi ?

Et bien la réponse est à la fois technologique et économique. Pour produire du dihydrogène à partir d'eau, il faut effectuer une électrolyse (pour les non-chimistes, il faut casser la molécule d'eau en la soumettant à une tension électrique). Mais cette électrolyse de l'eau a le mauvais goût de devoir être catalysée par le platine (grosso modo pour les non-chimistes, ça signifie que pas de platine = pas d'électrolyse, ou alors très très (mais alors très) lente). Et le platine a le mauvais goût à son tour d'être horriblement cher (1 200 € l'once de 28g à l'heure où j'écris cet article) et plutôt rare, avec une production mondiale de 150 à 200 tonnes pas an... Donc on oublie les voitures à hydrogène tant qu'une autre solution n'a pas été trouvée.

Et hop, voilà toute trouvée ma transition vers ce dont je voulais parler : dans un article récent paru dans Science (résumé), une équipe de chercheurs français du CEA et de l'Université de Grenoble annonce qu'ils ont mis au point un catalyseur à base de nickel (à la fois beaucoup plus abondant et moins cher que le platine) pour l'électrolyse de l'eau. Ce catalyseur, la nickel bidiphosphine, imite une enzyme naturelle. Une fois déposé sur des nanotubes de carbone, il permet d'obtenir une électrolyse de l'eau... sans platine. Certes le rendement annoncé par les auteurs est à peu près 100 fois plus faible que ce qui se fait habituellement avec du platine. Mais c'est la première fois qu'un catalyseur sans platine est mis au point et qui fonctionne dans des conditions réelles d'utilisation. A priori une avancée majeure dans le domaine, qui pourrait contribuer à lever l'un des verrous à l'avènement de cette technologie.


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Troisième volet de la série d'articles sur le solaire thermique. Après les systèmes individuels, aujourd'hui les centrales solaires.

Comme nous l'avons vu dans le premier article sur la place du solaire thermique dans le monde, une petite partie des installations solaires thermiques sont utilisées non seulement pour produire de la chaleur, mais également de l'électricité en convertissant une partie de cette chaleur (c'est le cas par exemple à la centrale Solar Two, dans le désert Mojave, photo à droite).
Globalement, la part du solaire thermique dans la production mondiale d'électricité est faible, mais il s'agit d'un domaine en plein essor avec de nombreux projets en cours de développement dans de nombreux pays (voir à titre d'illustration les paragraphes "en construction" et "annoncées").

Historiquement, la première "vraie" centrale solaire a été construite aux USA, dans le désert Mojave (Nevada), photo ci-dessus. Baptisée Solar One, il s'agissait d'un prototype du Département Américain de l'Energie destiné à prouver la viabilité du solaire thermique en production d'électricité. Nous allons nous servir de cette centrale comme "étude de cas" pour comprendre le fonctionnement des centrales solaires. Le principe de fonctionnement de la centrale est schématisé ci-dessous.

Les rayons du soleil se réfléchissent sur des miroirs (pour Solar One, 1818 miroirs de 40 m² chacun). Ces miroirs, ou héliostats, sont mobiles ce qui leur permet de suivre la course du soleil en permanence (photo de gauche). Ces miroirs permettent de concentrer tous les rayons lumineux sur une tour (photo de droite) recouverte d'un matériau absorbant.

Sous l'effet du rayonnement, le matériau absorbant va chauffer fortement, et la chaleur va être transmise à un fluide caloporteur à haute température de fonctionnement.




Ajouté en 1995 (la centrale s'appelle alors Solar Two), les deux réservoirs contiennent un mélange de nitrate de sodium et de nitrate de potassium, et vont permettre de stocker la chaleur sur quelques heures de manière à "lisser" la production (figure de droite) de manière à adapter production et consommation.

Pour produire l'électricité, la chaleur est utilisée pour chauffer de la vapeur d'eau qui circule dans des turbines, comme dans une centrale thermique "classique".

En fonctionnement, Solar Two permettait de produire 10 MW électriques.





D'autres géométries que les systèmes à tour et héliostats existent également, notamment des systèmes utilisant des miroirs cylindriques qui focalisent le rayonnement solaire sur un circuit dans lequel circule le fluide caloporteur (photo ci-dessous à droite, détail de la centrale de Kramers Juncion, Californie, photo de gauche), mais leur principe global de fonctionnement est sensiblement le même.





















Le rendement global de ces centrales solaires thermiques (puissance électrique fournie au réseau rapportée à la puissance reçue du soleil) est d'environ 15%. La surface utilisée au sol peut sembler très importante (voir photos), mais rapportée à la puissance électrique produite, elle est du même ordre de grandeur que celle d'une centrale thermique classique ou d'une centrale nucléaire. Evidemment, ces centrales sont destinées à être raccordées au réseau électrique au même titre que des centrales classiques.



Il existe également des collecteurs solaires avec des miroirs paraboliques (photo de gauche au dessus). Là encore il s'agit d'un miroir mobile qui va pouvoir suivre la course du soleil au cours de la journée. Mais contrairement aux centrales précédentes, il ne s'agit pas ici d'un nombre important de miroir qui vont envoyer les rayons du soleil en un même point : chaque miroir focalise le rayonnement sur un absorbeur différent. Celui-ci va chauffer, mais là pas question d'utiliser la chaleur pour autre chose que pour faire de l'électricité, contrairement là-encore aux autres centrales qui peuvent permettre de produire de l'eau chaude pour des utilisations collectives.

L'électricité est ici produite par l'intermédiaire d'un moteur de Stirling (dessin de droite). Dans un moteur de ce type, deux pistons sont reliés à un même jeu d'engrenages. Sous l'effet du rayonnement qui chauffe l'absorbeur, un gaz chauffe, et en se dilatant il entraîne un piston moteur qui fait tourner les engrenages (et produit de l'électricité, comme dans une turbine). En tournant, les engrenages entraînent un piston de déplacement, qui force le gaz à se déplacer vers la partie froide du système. Le gaz diminue de volume, ce qui entraîne un déplacement inverse du piston moteur, qui fait à nouveau tourner les engrenages. Le piston de déplacement se déplace de nouveau, forçant le gaz à se mouvoir vers la partie chaude où il peut à nouveau se dilater, et un nouveau cycle recommence.

Le rendement global d'un miroir parabolique couplé à un moteur de Stirling est de l'ordre de 18% (un peu supérieur à celui des centrales), mais pour un prix plus élevé. Leur principal avantage est qu'ils permettent de produire des puissances électriques plus faibles (de l'ordre de 10 à 25 kW contre des dizaines ou centaines de MW pour des centrales) ce qui les rend très intéressants pour des applications sans connexion au réseau, par exemple pour l'alimentation de hameaux isolés.

A l'heure actuelle, le coût du kilowattheure électrique produit par des centrales solaires est de l'ordre de 0,15 à 0,18 € (en prenant comme région type le sud de l'Espagne, pour l'ensoleillement). C'est un coût plus élevé que l'éolien, mais inférieur à celui du solaire photovoltaïque. Des expertises indépendantes ont été publiées qui montrent qu'avec une production de masse, le ce coût devrait être réduit à 0,05-0,07 €/kWh à l'horizon 2015-2020, soit un coût de revient relativement comparable à ceux des systèmes de production "classiques".

Des projets pour une puissance cumulée de plusieurs GW sont actuellement à l'étude ou en phases de début de construction, principalement en Espagne et aux USA.


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Début aujourd'hui d'une série d'articles sur le solaire thermique (une série parce qu'il y a beaucoup trop à écrire pour le faire en un seul article !).

Au fil de ces trois articles, je parlerai d'abord du contexte, avant de m'intéresser aux installations individuelles et aux installations à grande échelle de type "centrales solaires". Commençons donc d'abord par situer le contexte.

Généralement, lorsque l'on parle à quelqu'un d'énergie solaire, la première chose qui lui vient à l'esprit c'est un panneau solaire sur un toit pour produire de l'électricité. Pourtant à l'échelle mondiale, la place du solaire thermique est nettement plus importante que celle du photovoltaïque.

Tout comme le solaire photovoltaïque, le solaire thermique permet d'utiliser à notre profit une partie de l'énergie solaire reçue à la surface de la terre. Mais contrairement au premier (qui sera l'objet d'une deuxième série d'articles quand celle-ci sera terminée) pour lequel le rayonnement solaire est directement converti en électricité, dans le cas du solaire thermique l'énergie solaire va être convertie en chaleur (qui pourra ensuite éventuellement être convertie en électricité, quasi uniquement dans des centrales solaires).

Les données de la figure ci-dessous proviennent de la publication "Survey of energy ressources" du World Energy Council. Elles permettent de comparer la production globale d'énergie (chaleur et électricité) du solaire thermique à celles des autres sources d'énergies renouvelables.

Si l'on constate d'un côté qu'effectivement la production d'électricité est très faible (environ 100 fois plus faible que l'énergie éolienne, et équivalente à une seule centrale thermique de taille moyenne), elle n'est finalement "que" 3,5 fois plus faible que la production du photovoltaïque, pourtant beaucoup plus connue. Et si l'on intègre la production de chaleur (parce qu'après tout, de la chaleur issue de l'énergie solaire n'a pas besoin d'être produite d'une autre manière et "économise" donc des émissions de CO₂ au même titre que les autres énergies renouvelables), on arrive à une production à peu près deux fois inférieure à celle de l'éolien, et surtout beaucoup, beaucoup plus élevée que celle des "panneaux solaires" !

Evidemment, puisque l'on parle ici d'énergie solaire, l'intérêt du solaire thermique va être d'autant plus grand que l'on se situe dans des régions du monde très ensoleillées. Cela dit, pas besoin d'habiter au fin fond du Sahara pour que l'énergie reçue du soleil soit suffisante pour des applications. La carte ci-dessous, issue du Centre de donnée des sciences de l'atmosphère de la NASA montre l'énergie moyenne annuelle reçue par m² et par jour en chaque zone du globe.

La moyenne mondiale des de 3.86 kilowattheures par jour et par m². Soit 1400 kWh sur l'année entière. Un système de 10 m² (pas si grand que ça) avec un rendement de 10% (très pessimiste) permet donc de générer 1400 kWh d'énergie par an (soit l'équivalent de 150€ d'électricité environ).

Si l'on considère que toutes les zones pour lesquelles l'énergie reçue du soleil est supérieure à la moyenne sont intéressantes, on s'aperçoit que nous avons l'embarras du choix : tout le sud de l'Europe, la totalité des USA, de l'Amérique du Sud et de l'Amérique Centrale, toute l'Afrique, l'Asie et l'Océanie... Il n'y a guère que le nord de l'Europe, la Russie et le Canada pour lesquels le potentiel est plus faible.


Ce potentiel important explique la croissance exponentielle de l'utilisation du solaire thermique ces dernières années, comme le montre le graphique ci-contre (attention, il ne s'agit pas de la puissance installée, mais bien des nouvelles installations : on assiste donc non seulement à une augmentation de la puissance installée, mais même à une accélération de cette augmentation).


Même si cette hausse est principalement tirée par le marché des particuliers (via les chauffe-eau solaires), nous verrons dans les prochains articles que les projets de centrales thermiques de grandes tailles se multiplient également.




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