Quelques éléments sur le cycle de l’hydrogène
0.1 Engouement
Les activit´es industrielles sont en ce moment consid´er´ees comme intrins`equement polluantes,
et nos confr`eres, `a la recherche de la puret´e des origines ont retrouv´e le Jardin
d’Eden dans l’hydrog`ene.
Je veux discuter de la faisabilit´e des annonces m´ediatiques sur la “civilisation Hydrog`
ene”. Pour avoir des infromations ´el´ementaires sur ce sujet, j’appr´ecie beaucoup
le site de Anne-Sophie Corbeau, (http://www.annso.freesurf.fr/), qui donne une grande
quantit´e d’informations. En g´en´eral avec le web, on est malheureusement noy´e sous les informations,
et peu de synth`eses existent qui ne soient pas des plaidoyers “pro-domo”. Les
informations que l’on obtient sur ce sujet sont souvent le fait de sp´ecialistes qui d´efendent
souvent leur fromage, et les sceptiques ne peuvent s’exprimer sans risquer de mettre en
cause leur gagne-pain. Je n’ai trouv´e de papiers contradictoires qu’en Anglais.
Il me semble bien entendu que l’hydrog`ene ne peut ˆetre utile qu’au transport et `a la
transformation de l’´energie, et pas comme source d’´energie. Je veux essayer donc `a travers
les cycles propos´es de regarder les avantages compar´es de l’hydrog`ene et de l’´electrict´e
“traditionnelle”. Je vais regarder ce cycle `a l’envers, en partant du domaine o`u beaucoup
d’efforts semblent faits, celui de l’automobile. Pour la mˆeme raison que les travaux sur
les batteries, c’est un domaine o`u le remplacement des hydrocarbures paraˆıt urgent.
Pour effectuer des comparaisons, il convient de donner `a la fois des id´ees de rendement
thermique (thermodynamique) et des id´ees de prix. Une erreur courante est en effet de
croire qu’avec une politique suffisammment volontariste, on peut faire n’importe quoi.
Je ne puis ´etudier le foisonnement de proc´ed´es propos´es, je prends ceux qui semblent
ˆetre les plus e´erieux.
0.2 Un exemple: utiliser l’hydrog`ene dans les automobiles
Il s’agit ici (`a part BMW) de l’utilisation de la Pile a Combustible (PAC) pour obtenir
de l’´electricit´e qui anime la voiture. C’est la pile “PEMFC” qui suscite de l’int´erˆet. Ces
piles sont tr`es ch`eres. Il y a trois contributions ´equivalentes a leur prix ´elev´e:
-Les membranes perm´eables (Nafion)
-Les ´electrodes: elles restent tr`es ch`eres, mˆeme si on a reduit la quantit´e de Platine
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n´ecessaire
-Les plaques bipolaires
On parle d’un prix de 2000 Euros par kilowatt. Si on veut une voiture capable de
donner 25 Kw (33 CV?), ¸ca repr´esente 50000 Euros.
Il faut rajouter a cela le prix des r´eservoirs a hydrog`ene (il faut `a peu pr`es 5 Kg de H2
pour couvrir 500 Km, et 150 Kg de r´eservoir `a 700 bars). Comme on ne peut attendre
que la PAC atteigne sa temp´erature de fonctionnement (70 C), il faut une bonne batterie
pour d´emarrer..
Ce qui fait que l’on estime `a 100000 Euros un vehicule propos´e par Audi. C’est une
assez grosse voiture de type “germanique”. Bien entendu, on nous annonce des r´eductions
de prix, par innovations...qui arrivent peu. Il faudrait r´eduire les prix d’un facteur 10.
On est tr`es loin du compte.
Pour les rendements, la PAC depasse difficilement 50%, et, compte tenu des autres
pertes, le rendement r´eel de la conversion est de 40%. Evidemment, en ajoutant une
batterie, on va r´ecup´erer l’´energie de freinage, voire de descente, mais c’est la batterie qui
permet cela, pas l’hydrog`ene.
Except´e le probl`eme du poids (on r´ecuperera `a peu pres 500 Wh/Kg de r´eservoir sur
la propulsion avec l’hydrog`ene, alors que les batteries au Lithium ne d´epassent gu`ere 150
Wh/Kg), il semble que les batteries au Lithium soient plus prometteuses (voir “promesses
de la voiture ´electrique”, sur ce site), surtout dans notre pays o`u les voitures sont plutˆot
moins puissantes.
Pour livrer rapidement de l’hydrog`ene `a 700 bars, le mieux semble ˆetre d’avoir des
stations stockant celui-ci vers 750 bars et de remplir le r´eservoir par une d´edente adiabatique.
0.3 L’hydrog`ene pour transporter l’´energie
La seule m´ethode raisonnable, c’est le gazoduc avec le gaz comprim´e vers 200 bars.
L’hydrog`ene est suffisamment diff´erent du m´ethane pour qu’on ne puisse envisager d’utiliser
le r´eseau existant pour son transport: il vehicule pour le mˆeme volume et la mˆeme pression
un quart (29 %) de l’´energie. On trouve des suggestions ridicules: substituer progressivement
l’hydrog`ene au m´ethane dans les gazoducs, en changeant peu `a peu les concentrations.
Evidemment, cela n´ecessiterait de changer continuement les brˆuleurs...`a l’inverse
de mon jeune temps: pour brˆuler du gaz `a l’eau (H2+CO), il faut 4 fois moins d’air que
pour brˆuler du CH4, et il faut multiplier la capacit´e des gazoducs (par 4 pour une simple
substitution, par 10 dans la “civilisation de l’hydrog`ene”).
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Il faut un autre r´eseau, et le premier probl`eme est le prix. On trouve d´ej`a sur le
web des calculs ´economiques pour savoir si on doit transformer le gaz naturel (CH4) en
´electricit´e pr`es du lieu de production ou pr`es du lieu de consommation. Transporter le
gaz en gazoduc coˆute de l’argent, si bien que les compagnies parlent du “prix fronti`ere”,
et que les centrales au gaz pr´evues en France sont pens´ees au Nord-Est, `a l’entr´ee du gaz
(essentiellement Russe). On trouve des ´etudes qui montrent que sur longues distances, le
plus ´economique est le transport de l’´energie sous forme de Haute tension CONTINUE.
Il est alors ´evident que cela est encore plus vrai avec l’hydrog`ene, qui v´ehicule quatre fois
moins d’´energie dans le mˆeme gazoduc. Ce ne sont pas que des calculs, il y a par exemple
une ligne de 800 Km `a 600 KV continu entre un barrage au Paraguay et les centres de
consommation au Br´esil, et on pense en faire une de 2400 Km de l’Amazonie `a la r´egion
de Rio. Il semble donc que le transport d’´energie soit plus bien plus ´economique avec
l’´electricit´e qu’avec des gazoducs transportant de l’hydrog`ene.
Pour ce qui est du rendement, on peut penser que le gaz est sans concurrent: un
pays perd entre 4 et 8 % dans les lignes ´electriques. Pour le gaz, on a besoin d’une
recompression. Par exemple, les gazoducs fonctionnent sous forte pression (souvent autour
de 70 bars), le gaz va `a 20 Km/h, et on a besoin de le recomprimer tous les 150 km. Pour
le recomprimer, on a des moteurs aliment´es au gaz naturel. L’´energie n´ecessaire pour
150 km repr´esente `a peu pr`es 0.3% de l’´energie vehicul´ee. Avec l’hydrog`ene, cela ferait
1.2%. Comme la compression a besoin d’´energie m´ecanique, elle est soumise aussi au
probl`eme du rendement de la transformation de l’´energie chimique de l’hydrog`ene en
´energie m´ecanique: autour de 50%! On peut affiner cette discussion, mais il faut se
rendre compte qu’il est redhibitoire de transporter de l’hydrog`ene sur 2500 Km en termes
d’efficacit´e ´energ´etique: on va perdre la moiti´e de l’´energie transport´ee. Les ´etudes de
lignes HT continu tablent sur des pertes de 10-20 %.
Pour utiliser cet hydrog`ene pour les voitures, il faut le comprimer `a 700 bars. Si on fait
une compression adiabatique `a partir de la pression ambiante, on a besoin d’`a peu pr`es 40
MJ/Kg de H2, pour 140 MJ/Kg d’´energie stock´ee. On diminue cela `a 25-30 MJ/KG en
faisant des compressions semi-isothermes “multi-´etages”. C’est pour cela qu’il faut tenir
de l’hydrog`ene comprim´e vers 750 bars `a la disposition des voitures: il faut ´eviter d’avoir
`a le comprimer brutalement (cad adiabatiquement) car cela consomme trop d’´energie.
Cette compression est aussi m´ecanique et est aussi soumise au rendement de 50%.
Je ne parle pas du prix et du rendement de la liqu´efaction: c’est terrifiant! Je remarque
ici que ce n’est pas parce qu’on sait faire tout cela que c’est utilisable: il ne suffit pas
par exemple, comme cela se voit sur les sites des promoteurs de l’hydrog`ene, de dire qu’il
existe d´ej`a sur une r´egion un r´eseau industriel de distribution du gaz hydrog`ene pour que
cela soit extensible aux besoins “grand public”. De mˆeme, on sait ´evidemment liqu´efier
l’hydrog`ene...
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0.4 Obtenir l’hydrog`ene
Il y a beaucoup de m´ethodes envisag´ees. Je regarde les plus accessibles, je discute plus
tard les projets bas´es sur le solaire ou sur des r´eacteurs `a haute temp´eruature.
0.4.1 L’´electrolyse de l’eau
C’est un moyen simple et assez peu coˆuteux. Les cellules d’´electrolyse industrielles ont
´et´e am´elior´ees pour diminuer la “surtension hydrog`ene” et ont des rendements de l’ordre
de 65-70 %. Evidemment, il faut prendre en compte dans ce proc´ed´e le rendement de
fabrication de l’´electricit´e qui varie de 34 % dans les centrales nucl´eaires `a 55 % dans
une centrale moderne au gaz (je ne suis pas sˆur qu’il en ait d´ej`a beaucoup en service..).
Actuellement, pour des raisons de rendement (et de prix!), cette m´ethode est marginale.
0.4.2 Le reformage avec du fossille
La m´ethode la plus utilis´ee est la r´eaction qu’on peut r´esumer par:
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
Il semble qu’on r´ecup`ere 70 % de l’´energie initiale. Pour l’avenir, cependant, il semble
probable qu’un cycle de l’hydrog`ene peut valoriser le charbon par la r´eaction:
C + 2H2O → CO2 + 2H2
On r´ecup`ere`a peu pr`es 60 % de l’´energie dans ce type de r´eaction. Bien entendu, ces deux
r´eactions sont bien plus compliqu´ees, il faut des catalyseurs, et en plus, il faut pr´evoir
de r´ecup´erer et s´equestrer le CO2, ce qui ajouterait 15 % de pertes. Un gros probl‘eme
technique est que les PAC pour autos exigent un H2 compl‘etement d´epourvu de d´eriv´es
carbon´es qui empoisonnent les catalyseurs (ie CO2, CO, CH4... `a ´eliminer)
0.4.3 Les prix
Le prix de revient du MWh de l’hydrog`ene par ´electrolyse s’estime `a partir du MWh
´electrique: 50 Euros/MWh. Pour le reformage, on trouve des estimations sur les sites US,
qui datent un peu: le prix du gaz a tripl´e depuis 5 ans sur le march´e Nord-Americain:
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-17 US$ par MWh pour le gaz (doit ˆetre presque tripl´e maintenant)
-34 US$ par MWh pour le charbon
-53 US$ par MWh pour le p´etrole (mais l`a aussi, grosse augmentation)
Donc, aujourd’hui, le charbon serait le plus rentable (peut-etre pas en Europe: le gaz
y semble moins cher pour l’instant). Reste bien sˆur `a s´equestrer le CO2.
L’utilisation du charbon et de la s´equestration du CO2 semble ˆetre un objectif des
Am´ericains. Ils ont des r´eseves ´enormes de charbon. On remarquera qu’ils peuvent aussi
bien produire de l’´electricit´e par cette m´ethode. Une information `a ce propos est due `a
H. Nifenecker, dans le dernier numero du bulletin de la Soci´et´e Fran¸caise de Physique.
0.5 L’hydrog`ene comme moyen de stocker l’´energie
Un gros probl`eme de l’´electricit´e est qu’on ne la stocke pas.
Cela rend int´eressant d’utiliser l’hydrog`ene. Imaginons une ´eolienne quelque part dans
la lande d’Allemagne du Nord. S’il y a du vent, on veut stocker l’´energie: on ´electrolyse
l’eau (efficacit´e pour une petite unit´e: 50 %, on comprime l’hydrog`ene: consommation
repr´esentant 20 % de l’´energie stock´ee, puis, in fine, on r´eobtient de l’´electricit´e avec 40 %
d’efficacit´e. On a une source d’´energie d´ecentralis´ee d’efficacit´e globale: 0.5*0.8*0.4=0.16,
16 %: une merveille! Pour ˆetre vraiment d´ecentralis´e, notre propri´etaire d’´eolienne voudra
aussi ajouter une turbine `a gaz, pour si le vent vient `a manquer: efficacit´e pour de petites
unit´es: 30 % (les grosses turbines `a gaz donnent des rendements de plus de 40 %)! Portrait
complet de la g´en´eration “d´ecentralis´ee” de l’´energie! Cela aboutit `a du gaspillage.
En fait, on sait en fait tr`es bien stocker l’´electricit´e: on monte l’eau dans les barrages:
les chiffres pour 2003 en France, c’est 5.5 TWh d’´energie ´electrique pour monter de
l’eau en p´eriode creuse pour 3.9 TWh d’´energie restitu´ee en p´eriode pleine: rendement,
donc : 71 %. Evidemment, notre producteur ´eolien du Schleswig-Holstein est loin des
Alpes. Comme les transporteurs d’´electricit´e ont dˆu `a cause des pointes de production de
l’Allemagne du Nord renforcer toutes les lignes `a haute tension, on ne perdra pas trop `a
envoyer sa production dans les Alpes ou en Scandinavie pour y ˆetre stock´ee sous forme
hydraulique. Si cette production est importante, on mettra des lignes `a haute tension
continues...
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0.6 Les nouvelles m´ethodes propos´ees
0.6.1 Un projet utopique: le Sahara
Le solaire, combin´e `a l’hydrog`ene, un rˆeve...tr`es s´erieux de cabinets d’´etudes en Allemagne.
Je r´esume:
-On met des capteurs photovolta¨ıques dans le Sahara: rendement 10-15 %
-On ´electrolyse l’eau: rendement de l’ordre de 70 %, maximum
-On envoie l’hydrog`ene vers l’Europe industrielle: 2500-3000 Km de voyage, 50 % de
pertes
-On reprend cet hydrog`ene pour le chauffage (efficacit´e 80 %) ou l’´electricit´e dans des
voitures (efficacit´e 40 %) Un tel syst`eme a l’avantage d’approcher le rendement maxi de
la biomasse (inf´erieur au pour cent)!
Une production significative n´ecessaire est de 100 GW de puissance, cad 2.4 TW par
jour. Avec des rendements aussi faibles pour la fourniture d’´electricit´e (0.15*0.7*0.5*0.4=0.02,
2 %!), et en admettant que le Sahara recoit une ´energie solaire de 5 KWh/m2/jour, il
faudrait un carr´e de 150 Km de cˆot´e de cellules solaires pour r´epondre aux besoins estim
´es ci-dessus.
Le prix de l’´electricit´e solaire primaire serait actuellement de l’ordre de 150 Euros/
MWh au Sahara, mais avec les pertes dues au cycle hydrog`ene, cela est `a multiplier par
5: 750 Euros par MWh, vingt-cinq fois plus que le nucl´eaire! C’est vrai, on pense pouvoir
progresser dans les techniques photovolta¨ıques, mais ici, on est sˆurs de ne pas en voir le
d´ebut au 21 `eme si`ecle! Et, de toutes fa¸cons, on pr´ef`erera l’´electricit´e pour transporter
l’´energie ainsi g´en´er´ee.
Il est de plus assez piquant de voir que ces ´etudes proviennent des mˆemes qui prˆonent
les sources d’ ´energies d´ecentralis´ees. En se rabattant sur le Sahara, on obtient une
forme futuriste de d´elocalisation ou/et de mondialisation. Ca renoue avec le pass´e: n’y
trouve-t-on pas une part de notre gaz et de notre p´etrole?
0.6.2 le cycle de l’iode, dit “de Bunsen”
La France s’est inscrite dans les collaborations internationales pour les g´en´erateurs nucl´eaires
de g´en´eration IV en axant les recherches sur les r´eacteurs haute temp´erature avec l’helium
comme fluide caloporteur.
On ´esp`ere `a la fois fonctionner en mode “surg´en´erateur” (je ne crois pas que cela soit
le cas pour le cycle HT avec Helium) et ´elever le rendement thermique vers 50 %. Dans ce
cas, il suffit d’aller vers 500-600 C. Bien entendu, il y a de gros probl`emes de mat´eriaux
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pour fonctionner avec de l’Helium `a cette temperature. Mais on envisage d’aller plus haut:
1000 C, ce qui est tr`es probl´ematique: On envisage d’´electrolyser l’eau `a ces temperatures
pour diminuer l’input ´energ´etique. Un gros travail est de plus consacr´e `a la g´en´eration
d’hydrog`ene par un cycle “Iode-Soufre” dit de “Bunsen”, et cela n´ecessite de d´epasser 950
C. L`a aussi, on voit mal comment cela pourrait jamais ˆetre rentable. Il faut en particulier
utiliser la dissociation de HI en I2 et H2 vers 400 C et 30 bars et celle de SO3 vers 900 C. Le
rendement a peu de chances de depasser 33%, et serait alors bien inferieur au rendement
´electrique d’une telle installation.
0.7 Pour conclure (provisoirement?)
Bien entendu, des r´evolutions technologiques sont possibles, mais il semble qu’il en faille
beaucoup pour qu’un jour le cycle de l’hydrog`ene puisse s’imposer, hors utilisations
sp´ecifiques, ´evidemment (spatial..).
L’hydrog`ene est inefficace dans tous les compartiments du jeu!
Pris ensemble, avec des techniques actuelles, on peut obtenir comme meilleur rendement
`a partir du gaz -sans s´equestration-, un rendement de 0.7 (reformage)* 0.7 (transport et
compression)* 0.4 (voiture)=0.20. Ce rendement est ´equivalent `a celui des moteurs actuels
en moyenne. Avec des batteries, on peut estimer: 0.55 (centrale `a turbine `a gaz)* 0.65
(r´esultat propos´e `a votre critique dans ma contribution sur la voiture ´electrique)=0.35.
Hors les batteries au Lithium atteignent des performances et des prix abordables. Elles
sont `a la base des voitures ´electriques annonc´ees (Bollor´e, Dassault). Leur application
`a des voitures plutˆot l´eg`eres devrait surtout nous faire r´efl´echir `a la course au poids et
´a la puissance dans laquelle elles semblent entrain´ees. En particulier, il est etonnant de
voir que c’est dans l’Europe du Nord, r´eput´ee la plus ´ecologique, que l’on trouve les plus
grosses voitures.
Est-il substituable au gaz et au p´etrole dans les applications “domestiques” (chauffage...)?
J’en doute fort: il me parait plus raisonnable de d´evelopper les pompes `a chaleur et le
solaire domestique.
Dans les deux grands domaines contribuant aux relˆachement de grandes quantit´es de
gaz `a effet de serre que sont l’habitat et les transports, il me semble qu’on doit plus
attendre de l’´electricit´e que de l’hydrog`ene. Il y a un domaine o`u il peut s’imposer un
jour: l’a´eronautique, o`u sa capacit´e d’emport ´energ´etique est excellente sous forme liquide
(je passe sur les probl `mes), si on manque vraiment de carburant fossile.
Si donc il faut ´evidemment faire des recherches dans ce domaine, je ne comprends pas
du tout que des scientifiques fassent une telle propagande sur ce qui ressemble beaucoup
`a un tuyau crev´e. D´eontologiquement, les besoins de trouver des cr´edits pour la recheche
n’excusent pas une telle flagornerie. Nous avons le devoir d’informer honn`etement le
public sur les choix futurs afin que nos soci´et´es puissent prendre des mesures efficaces
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contre l’effet de serre. Je trouve en particulier ´etonnant que l’hydrog`ene soit pr´esent´e
comme une solution possible `a l’effet de serre, ce qu’il ne peut ˆetre, car il n’est pas une
source d’´energie primaire.
Il me parait douteux que l’hydrog`ene se substitue jamais `a l’´electricit´e
Je trouve ´ecologiste de d´efendre le tout-´electrique!.
0.8 Quelques sources
Le site de Anne-Sophie Corbeau: http://www.annso.freesurf.fr/
Sur le site: http://www.pacificsites.net/ dglaser/h2/General Articles/ on trouve plein
de papiers contradictoires. Lire Emory Lovins: “Twenty hydrogen mythms” (un antinucl
´eaire devenu fanatiquement pro-hydrog`ene, comme beaucoup), et surtout la r´eponse
de John Wilson: “twenty myths challenged”.
On trouve des ´etudes sur les m´ethodes de transport d’´energie sur de longues distances:
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publicati
ons/default/tech papers/17th congress/2 2 08.asp
Il y a un tr`es bon site (Suisse) contenant une bonne discussion sur le cycle de l’hydrog`ene:
www.efcf.com/reports/ C’est un site o`u l’on trouve les meilleures estimations scientifiques
des probl`emes de l’hydrog`ene. Il faut lire en particulier: “The future of hydrogen economy,
bright or bleak?” et, plus court: “The hydrogen illusion”
Ils concluent, assez justement, dans “The physics of Hydrogen economy”:
“The analysis shows that a ”Hydrogen Economy” for road transport would have a low
power-plant-to-tank efficiency and hence a low environmental quality. In particular, if the
electrical energy were generated in coal-fired power plants, the ”mine-to-tank” efficiency
might fall below 20%. Even if the hydrogen were used in fuel cells, the overall ”mine-towheel”
efficiency would become comparable to that of the steam engine era in the late
part of the 19th century.”
On peut trouver des tentatives de r´eponse `a leurs objections de la part de promoteurs
(LBST?) de l’installation de cellules solaires dans le Sahara:
www.hyweb.de/News/ LBST Comments-on-Eliasson-Bossel-Papers July2003 protected.pdf
Pour les projets francais, consulter les transparents d’expos´es:
http://www.gedeon.prd.fr/ATELIERS/27-28%2011%202003/PROGRAMME.HTM en
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particulier les expos´es introductifs:
“Les probl´ematiques H2 et les programmes `a l’international”
“le programme hydrog`ene et pile `a combustible du CEA”
Pour les projets US, il y a un excellent rapport de l’American Physical Society (APS),
l’alter ego de la SFP, qui se r´esume ainsi:
Voir: http://www.eurekalert.org/pub releases/2004-03/aps-hir030204.php
”The American Physical Society’s Panel on Public Affairs (POPA) has released a report
that analyzes the Hydrogen Initiative. President Bush proposed the initiative in his
2003 State of the Union Address. The Hydrogen Initiative envisions the competitive use
of hydrogen fuel and a hydrogen-fueled car by the year 2020.
The POPA report concluded that major scientific breakthroughs are required for the Initiative
to succeed. The most promising hydrogen-engine technologies require factors of
10 to 100 improvements in cost or performance in order to be competitive. Current production
methods are four times more expensive than gasoline. And, no material exists
to construct a hydrogen fuel tank that meets the consumer benchmarks. A new material
must be discovered.
These are very large performance gaps. Incremental improvements to existing technologies
are not sufficient to close all the gaps. Significant scientific breakthroughs are needed.
According to Peter Eisenberger, chairman of the committee that drafted the report, ”Hydrogen
storage is a potential show stopper”.
The panel made several recommendations to make success more likely. It also urged
that Congress take particular steps to hedge against the possibility that the significant
technology hurdles for the Initiative will not be met within the proposed 2020 timeline.”
On trouve le rapport complet ´ecrit de mani`ere plus diplomatique par la tr`es s´erieuse
APS sur le site:
http://www.aps.org/public affairs/index.cfm
9
Frédéric Livet
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