Un guide pour comprendre les technologies alimentées à l'hydrogène

August 9, 2024
technologie alimentée à l'hydrogène

Alors que les préoccupations mondiales concernant le changement climatique et la pollution environnementale s'intensifient, la recherche de sources d'énergie durables et respectueuses de l'environnement s'est intensifiée. Une alternative de ce type est le moteur à hydrogène, qui utilise l'hydrogène comme source de carburant propre pour générer de l'énergie. Cet article explore le concept des moteurs à hydrogène, leurs types, avantages, défis et applications.

Types de moteurs à hydrogène

Il existe deux principaux types de moteurs à hydrogène : les moteurs à combustion interne à l'hydrogène (HICE) et les moteurs à pile à combustible à hydrogène. Chaque type présente des caractéristiques et des applications uniques.

Moteurs à Combustion Interne à Hydrogène (MCIH)

Les moteurs à combustion interne à hydrogène fonctionnent de manière similaire aux moteurs à essence ou diesel traditionnels. Cependant, au lieu d'utiliser des combustibles fossiles, ils brûlent de l'hydrogène pour produire de l'énergie. Ces moteurs peuvent être adaptés à partir de moteurs à combustion interne existants, ce qui en fait une option attrayante pour passer à une source d'énergie plus propre.

Moteurs à pile à combustible à hydrogène

Les moteurs à pile à combustible à hydrogène utilisent des piles à combustible pour convertir l'hydrogène et l'oxygène en électricité, qui alimente ensuite un moteur électrique. Contrairement aux moteurs à combustion interne à hydrogène, les moteurs à pile à combustible ne nécessitent pas de combustion, ce qui les rend plus efficaces et respectueux de l'environnement.

Comment fonctionnent les moteurs à hydrogène

Le fonctionnement des moteurs à hydrogène varie en fonction du type de moteur utilisé.

Processus de combustion de l'hydrogène

Dans un moteur à combustion interne à hydrogène, l'hydrogène est mélangé à l'air et comprimé dans les cylindres du moteur. Une bougie d'allumage enflamme ensuite le mélange, provoquant une explosion contrôlée qui génère une puissance mécanique. Cette puissance est utilisée pour entraîner les pistons du moteur et finalement propulser le véhicule ou l'appareil.

Processus des piles à combustible à hydrogène

Dans un moteur à pile à combustible à hydrogène, l'hydrogène et l'oxygène sont introduits dans la pile à combustible, où une réaction électrochimique se produit. Cette réaction produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. L'électricité ainsi générée alimente le moteur électrique, tandis que l'eau et la chaleur sont expulsées en tant que sous-produits inoffensifs.

Avantages des moteurs à hydrogène

Les moteurs à hydrogène offrent plusieurs avantages par rapport aux moteurs à combustion interne conventionnels, notamment :

  1. Réduction des émissions de gaz à effet de serre : Étant donné que les moteurs à hydrogène produisent de l'eau et de la chaleur comme principaux sous-produits, ils émettent beaucoup moins de gaz à effet de serre que les moteurs fonctionnant aux combustibles fossiles.
  2. Amélioration de l'efficacité énergétique : Les moteurs à hydrogène, en particulier les moteurs à pile à combustible, ont des rendements de conversion d'énergie plus élevés que les moteurs à combustion interne, ce qui se traduit par de meilleures performances globales et une consommation de carburant réduite.
  3. Source de carburant renouvelable : L'hydrogène peut être produit à partir de différentes sources renouvelables, telles que l'électrolyse de l'eau, ce qui en fait une option énergétique durable.

Défis et Limitations

Malgré leurs avantages, les moteurs à hydrogène sont confrontés à certains défis et limitations, notamment :

  1. Coûts élevés : Le développement et la production de moteurs à hydrogène peuvent être coûteux, en particulier pour les moteurs à piles à combustible qui nécessitent des matériaux coûteux tels que le platine comme catalyseurs.
  2. Infrastructure limitée : Les stations de ravitaillement en hydrogène sont rares par rapport aux stations-service traditionnelles, ce qui rend plus difficile l'adoption généralisée des moteurs à hydrogène.
  3. Stockage et transport : Le stockage et le transport de l'hydrogène présentent des obstacles importants en raison de sa faible densité énergétique et de la nécessité de contenants haute pression ou de stockage cryogénique.

Applications des moteurs à hydrogène

Les moteurs à hydrogène sont mis en œuvre dans différents secteurs, notamment :

Transport

Les constructeurs automobiles explorent de plus en plus les moteurs à hydrogène pour les véhicules, tels que les voitures particulières, les bus et les camions. Des entreprises comme Toyota, Hyundai et Honda ont lancé des véhicules fonctionnant à l'hydrogène, tandis que d'autres continuent de développer de nouveaux modèles.

Production d'énergie stationnaire

Les moteurs à hydrogène peuvent également être utilisés pour la production d'énergie stationnaire, offrant une alimentation de secours aux bâtiments ou aux endroits isolés. Ils proposent une solution énergétique propre, fiable et efficace, notamment dans les régions où l'accès à l'électricité du réseau est limité.

Aéronautique et aviation

Les industries aérospatiales et de l'aviation étudient les moteurs à hydrogène comme une alternative aux moteurs à réaction conventionnels. Plusieurs entreprises développent des avions propulsés à l'hydrogène, dans le but de réduire les émissions et d'augmenter l'efficacité des voyages aériens.

Perspectives futures et développements

La demande en sources d'énergie propres et durables devrait augmenter et les moteurs à hydrogène joueront probablement un rôle important. Les efforts continus de recherche et développement visent à améliorer l'efficacité, la rentabilité et l'infrastructure des moteurs à hydrogène, afin de les rendre plus accessibles et répandus.

Conclusion

Les moteurs à hydrogène offrent une alternative prometteuse aux moteurs à combustion interne traditionnels, avec le potentiel de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux combustibles fossiles. Bien que des défis subsistent, les avancées continues dans la technologie des moteurs à hydrogène et dans les infrastructures pourraient ouvrir la voie à un avenir plus durable et respectueux de l'environnement.

Comprendre le fonctionnement d'un moteur à hydrogène
Comprendre le fonctionnement d'un moteur à hydrogène

Que se passe-t-il sous le capot d'un véhicule à hydrogène ? Bien que de nombreuses personnes utilisent le terme "moteur à hydrogène", en réalité, les véhicules à hydrogène utilisent des moteurs électriques alimentés par de l'hydrogène. Les camions, voitures, tracteurs à hydrogène et autres sont en effet des véhicules électriques ou plus précisément des véhicules électriques à pile à combustible (FCEV).

Cependant, contrairement à la voiture électrique "classique" (qui devrait vraiment être appelée voiture électrique à batterie ou VE à batterie) - dont l'électricité est stockée dans la batterie pendant la charge - la "voiture électrique à hydrogène" génère sa propre électricité en utilisant une pile à combustible à hydrogène.

Pour utiliser un véhicule à hydrogène, l'utilisateur doit remplir le réservoir d'hydrogène plutôt que de recharger la batterie.

Il existe deux types de technologie de moteurs à hydrogène :

  • Le VEH (véhicule électrique à hydrogène) : un véhicule électrique avec un moteur électrique alimenté par une pile à combustible - la plupart des véhicules à hydrogène disponibles aujourd'hui utilisent cette technologie.
  • L'ICE (Internal Combustion Engine) : Un véhicule avec un moteur à combustion interne à hydrogène. Cette technologie, qui n'est pas encore sur le marché, est en phase de recherche et développement et intéresse des constructeurs tels que Toyota, Porsche et MAN. Ce type de moteur conserverait une grande partie du système de fonctionnement actuel du moteur et nécessiterait un minimum d'ajustements aux véhicules.

Qu'est-ce qui définit la puissance d'un moteur à hydrogène ?

Les Véhicules à Pile à Combustible (VPC) ont plusieurs paramètres de conception qui définissent la puissance d'un véhicule :

  • Capacité de la batterie (en kWh)
  • Puissance de la pile à combustible (en kW)
  • Capacité de stockage d'hydrogène (en kg)
  • Puissance totale du moteur en (kW)

En fonction de l'objectif du véhicule, les fabricants conçoivent différentes configurations de ces quatre éléments.

Gaz ou hydrogène liquide ?

Ce sont les deux moyens de stocker l'hydrogène et chacun a ses avantages et ses inconvénients, selon l'objectif du véhicule. L'hydrogène liquide permet de stocker quatre fois plus d'hydrogène, mais la liquéfaction de l'hydrogène entraîne une moindre efficacité énergétique en raison de l'opération de liquéfaction supplémentaire. De plus, une fois qu'il est dans la voiture, il doit être utilisé très rapidement avant de se transformer à nouveau en gaz et de se dilater. Cela signifie qu'il doit être utilisé ou évacué ... et perdu !

Comment fonctionne exactement une pile à combustible ?

Il existe plusieurs types de piles à combustible qui convertissent le carburant en énergie. La plus courante est la pile à combustible à hydrogène, qui convertit l'hydrogène (le carburant) en électricité (l'énergie), par la réaction électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène.

Ce processus, qui se produit instantanément, alimente le moteur électrique tout en ne rejetant que de l'eau.

Techniquement, la pile à combustible utilise une réaction de « redox » pour produire de l'électricité. Elle est composée de deux électrodes : une anode d'oxydation (émettant des électrons) et une cathode de réduction (collectant les électrons), séparées par un électrolyte, qui conduit directement les ions d'une électrode à l'autre et bloque les électrons, les forçant à passer par le circuit externe de la batterie.

Le réservoir alimente en continu l'anode en hydrogène, tandis que la cathode reçoit de l'oxygène (de l'air).

La plaque d'anode provoque l'oxydation du carburant et libère des électrons, qui sont forcés par l'électrolyte chargé d'ions (qui sépare les deux électrodes) à traverser un circuit externe. Ce circuit externe fournit donc un courant électrique continu qui alimente le moteur.

Une fois réunis dans la cathode, les ions et les électrons se recombinent avec de l'oxygène. Cette combinaison provoque une réduction qui, en plus du courant électrique, génère de la chaleur et de la vapeur d'eau pure, qui s'échappe sous forme de gaz par un petit tuyau placé sous le véhicule, soit pendant la conduite, soit en appuyant sur un bouton à la fin du trajet.

  • Le réservoir alimente en continu l'anode en hydrogène, tandis que la cathode reçoit de l'oxygène (de l'air).
  • La plaque d'anode provoque l'oxydation du carburant et libère des électrons, qui sont forcés par l'électrolyte chargé d'ions (qui sépare les deux électrodes) à traverser un circuit externe. Ce circuit externe fournit donc un courant électrique continu qui alimente le moteur.
  • Une fois réunis dans la cathode, les ions et les électrons se recombinent avec de l'oxygène. Cette combinaison provoque une réduction qui, en plus du courant électrique, génère de la chaleur et de la vapeur d'eau pure, qui s'échappe sous forme de gaz par un petit tuyau placé sous le véhicule, soit pendant la conduite, soit en appuyant sur un bouton à la fin du trajet.

Le fonctionnement d'un moteur à hydrogène n'émet que de l'eau pure et est donc totalement propre, à condition que l'hydrogène utilisé comme carburant soit également complètement propre.

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Comprendre le fonctionnement d'une voiture à pile à combustible à hydrogène
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Les bases des voitures à pile à combustible à hydrogène

Les voitures à pile à combustible à hydrogène sont des véhicules électriques qui produisent de l'électricité en convertissant le gaz d'hydrogène en énergie électrique à travers une réaction chimique dans un dispositif appelé pile à combustible. Cette électricité alimente ensuite le moteur électrique, qui propulse la voiture. Le seul sous-produit de cette réaction est de la vapeur d'eau, ce qui fait des voitures à hydrogène une option de transport respectueuse de l'environnement.

Types de piles à combustible dans les voitures à hydrogène

Il existe plusieurs types de piles à combustible, mais les plus couramment utilisées dans les voitures à hydrogène sont :

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM)

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) sont le type de pile à combustible le plus couramment utilisé dans les voitures particulières. Elles fonctionnent à des températures relativement basses (environ 80°C), ce qui les rend adaptées aux démarrages rapides et leur confère une haute densité de puissance, ce qui est essentiel pour les applications automobiles.

Piles à combustible alcalines

Les piles à combustible alcalines (AFC) utilisent un électrolyte alcalin et sont reconnues pour leur grande efficacité. Cependant, elles sont plus sensibles aux impuretés présentes dans le combustible à l'hydrogène et sont moins couramment utilisées dans les applications automobiles.

Piles à combustible à oxyde solide

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées (800-1000°C) et sont généralement utilisées dans les applications de production d'énergie stationnaire. Leur utilisation dans les véhicules est limitée en raison de leurs temps de démarrage lents et du besoin d'une gestion thermique importante.

Composants d'une voiture à pile à combustible à hydrogène

Les voitures à pile à combustible à hydrogène sont composées de plusieurs principaux éléments :

Pile à combustible

La pile à combustible est le cœur de la voiture à hydrogène, où l'hydrogène et l'oxygène réagissent pour produire de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. La pile est composée de plusieurs cellules individuelles connectées en série.

Stockage de l'hydrogène

L'hydrogène est stocké dans des réservoirs haute pression, généralement à 350 ou 700 bars, pour fournir une énergie suffisante pour parcourir de longues distances. Ces réservoirs sont fabriqués à partir de matériaux avancés afin d'assurer la sécurité et la durabilité.

Moteur électrique

Le moteur électrique convertit l'énergie électrique générée par la pile à combustible en énergie mécanique, qui entraîne la voiture. Les moteurs électriques des voitures à hydrogène sont similaires à ceux utilisés dans les véhicules électriques à batterie et sont connus pour leur haute efficacité et leur couple instantané.

Composants électroniques

Les composants électroniques de puissance d'une voiture à hydrogène contrôlent le flux d'électricité entre la pile à combustible, le moteur électrique et les autres composants. Ils gèrent également l'énergie générée lors du freinage régénératif et assurent une protection contre les défauts électriques.

Batterie

Une petite batterie ou supercondensateur est utilisé dans les voitures à pile à combustible à hydrogène pour stocker l'énergie de la régénération au freinage et fournir une puissance supplémentaire lors des accélérations ou des situations de forte charge. Cette batterie est beaucoup plus petite que celles utilisées dans les véhicules électriques à batterie.

Comment l'hydrogène est produit pour les voitures à pile à combustible ?

L'hydrogène peut être produit par diverses méthodes, notamment la réforme du méthane à la vapeur, l'électrolyse de l'eau et la gazéification de la biomasse. La méthode la plus courante de production d'hydrogène est la réforme du méthane à la vapeur, qui utilise le gaz naturel comme matière première principale. Cependant, ce processus génère des émissions de dioxyde de carbone. La méthode la plus écologique de production d'hydrogène est l'électrolyse, qui sépare l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide de l'électricité provenant de sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne.

Le processus de génération d'électricité dans une voiture à hydrogène

Lorsque le carburant à l'hydrogène est fourni à la pile à combustible, il est combiné avec de l'oxygène provenant de l'air. Dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), les molécules d'hydrogène passent à travers un catalyseur, qui les divise en protons et en électrons. Les protons se déplacent ensuite à travers une membrane échangeuse de protons, tandis que les électrons sont contraints de circuler à travers un circuit externe, générant de l'électricité. Les protons et les électrons se recombinent avec l'oxygène de l'autre côté de la membrane pour produire de l'eau comme seul sous-produit.

Avantages des voitures à pile à combustible à hydrogène

Les voitures à pile à combustible à hydrogène présentent plusieurs avantages par rapport aux véhicules conventionnels et aux véhicules électriques à batterie :

Zéro émission

Les voitures à hydrogène ne produisent que de la vapeur d'eau, ce qui en fait une option de transport respectueuse de l'environnement capable de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d'améliorer la qualité de l'air.

Recharge rapide

Le ravitaillement d'une voiture à hydrogène ne prend que quelques minutes, tout comme le remplissage d'un véhicule à essence, contrairement aux temps de charge plus longs nécessaires pour les véhicules électriques à batterie.

Autonomie plus longue

Les voitures à pile à combustible à hydrogène peuvent parcourir une distance de 300 à 400 miles (ou plus) avec un seul plein, ce qui les rend plus adaptées aux voyages de longue distance par rapport à la plupart des véhicules électriques à batterie. Cela équivaut à environ 483 à 644 kilomètres.

Défis auxquels font face les voitures à pile à combustible à hydrogène

Malgré leurs avantages, les voitures à pile à combustible à hydrogène rencontrent plusieurs défis :

L'infrastructure

L'infrastructure de ravitaillement en hydrogène est limitée, avec seulement quelques centaines de stations dans le monde. L'expansion du réseau de stations de ravitaillement en hydrogène sera essentielle pour l'adoption généralisée des voitures à hydrogène.

Coût

Le coût des voitures à pile à combustible à l'hydrogène est encore relativement élevé en raison des matériaux coûteux et des processus de fabrication complexes impliqués. Cependant, les avancées technologiques et les économies d'échelle pourraient contribuer à réduire les coûts à l'avenir.

Efficacité énergétique

L'efficacité énergétique globale des voitures à pile à combustible à hydrogène est inférieure à celle des véhicules électriques à batterie en raison des pertes d'énergie lors de la production d'hydrogène, de son stockage et de sa conversion en électricité dans la pile à combustible.

Marques et modèles de voitures à pile à combustible à hydrogène

Plusieurs constructeurs automobiles ont développé et commercialisé des véhicules à pile à combustible à hydrogène, notamment Toyota (Mirai), Honda (Clarity Fuel Cell), Hyundai (Nexo) et Mercedes-Benz (GLC F-CELL).

L'avenir des voitures à pile à combustible à hydrogène

L'avenir des voitures à pile à combustible à hydrogène dépendra du développement de méthodes de production d'hydrogène rentables et durables, des progrès dans la technologie des piles à combustible et de l'expansion de l'infrastructure de ravitaillement en hydrogène. En surmontant ces défis, les voitures à hydrogène pourraient jouer un rôle significatif dans la transition vers des transports plus propres et plus durables.

Conclusion

Les voitures à pile à combustible à hydrogène offrent une alternative prometteuse aux véhicules à moteur à combustion traditionnels et aux véhicules électriques à batterie, avec des avantages tels que zéro émission, ravitaillement rapide et plus grande autonomie. Cependant, des défis tels que l'infrastructure, les coûts et l'efficacité énergétique doivent être surmontés pour permettre une adoption généralisée. À mesure que la technologie progresse et que l'infrastructure de ravitaillement en hydrogène se développe, les voitures à pile à combustible à hydrogène pourraient devenir une partie essentielle de notre futur transport durable.

Les voitures à pile à combustible à hydrogène représentent une alternative prometteuse aux véhicules à moteur à combustion interne traditionnels et aux véhicules électriques à batterie, car elles combinent le meilleur des deux mondes : une longue autonomie et un ravitaillement rapide, tout en produisant zéro émission nocive. Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement des voitures à hydrogène, leurs composants, leurs avantages et leurs défis, ainsi que l'avenir de cette technologie innovante.

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Alors que le monde se tourne vers des options de transport plus vertes et durables, les voitures à hydrogène et les voitures électriques ont émergé comme des alternatives viables aux véhicules traditionnels à essence. Cet article explorera le fonctionnement des voitures à hydrogène et des voitures électriques, en discutant de leurs avantages et inconvénients, et en examinant leur impact potentiel sur l'environnement et l'avenir du transport.

Comment fonctionnent les voitures à hydrogène ?

Les voitures à hydrogène sont propulsées par des piles à combustible à hydrogène, qui génèrent de l'électricité par une réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène. L'électricité produite est utilisée pour alimenter un moteur électrique, qui fait avancer la voiture. Le seul sous-produit de ce processus est de l'eau, ce qui fait des voitures à hydrogène des véhicules zéro émission.

Comment fonctionnent les voitures électriques

Les voitures électriques sont alimentées par des batteries rechargeables qui stockent l'électricité. Ces batteries fournissent de l'énergie à un moteur électrique, qui propulse la voiture. Les voitures électriques ne produisent aucune émission d'échappement, ce qui en fait une option respectueuse de l'environnement.

Avantages des voitures à hydrogène

  1. Zéro émission directe
  2. Temps de ravitaillement rapide.
  3. Une autonomie de conduite plus longue par rapport aux voitures électriques.
  4. Poids plus léger grâce à des packs de batteries plus petits

Avantages des voitures électriques

  1. Zéro émission directe
  2. Coûts d'exploitation inférieurs en raison de moins de pièces mobiles et de coûts énergétiques réduits.
  3. Fonctionnement plus silencieux
  4. Infrastructure de recharge étendue.

Inconvénients des voitures à hydrogène

  1. Infrastructure de recharge limitée.
  2. Coûts de véhicule plus élevés en raison de la technologie coûteuse des piles à combustible.
  3. Disponibilité limitée des véhicules.

Inconvénients des voitures électriques

  1. Temps de charge plus longs.
  2. Autonomie de conduite limitée par rapport aux voitures à hydrogène.
  3. Les batteries lourdes peuvent affecter les performances du véhicule.

Impact sur l'environnement

Les voitures à hydrogène et les voitures électriques offrent tous deux des avantages environnementaux importants par rapport aux véhicules traditionnels fonctionnant à l'essence. Alors que les voitures électriques ont une empreinte carbone plus faible en raison de leur dépendance à l'électricité, les voitures à hydrogène contribuent également à un environnement plus propre en ne produisant que de l'eau comme sous-produit.

Infrastructure de recharge et de ravitaillement

Bien que les stations de recharge pour véhicules électriques soient devenues plus répandues, l'infrastructure de ravitaillement en hydrogène reste limitée. Cela pourrait changer à l'avenir avec des investissements accrus dans la technologie de l'hydrogène et son infrastructure.

Autonomie et performance

Les voitures à hydrogène offrent généralement une plus longue autonomie de conduite que les voitures électriques, ce qui en fait une option plus adaptée pour les trajets longue distance. Cependant, les voitures électriques offrent une meilleure accélération et un meilleur couple, ce qui se traduit par une expérience de conduite plus réactive.

Disponibilité des voitures et tarification

À l'heure actuelle, les voitures électriques sont plus largement disponibles et abordables que les voitures à hydrogène. Cela est dû aux coûts de production plus élevés associés à la technologie des piles à combustible à hydrogène. Cependant, à mesure que la technologie progresse et que les économies d'échelle sont réalisées, les prix des voitures à hydrogène pourraient diminuer.

Incitations gouvernementales et réglementations

Les gouvernements du monde entier offrent de plus en plus d'incitations et mettent en place des réglementations pour encourager l'adoption de voitures à hydrogène et électriques. Ces incitations peuvent comprendre des réductions d'impôts, des remises et d'autres avantages financiers, rendant ainsi la transition vers un transport plus propre plus accessible.

L'avenir des voitures à hydrogène et électriques

Les voitures à hydrogène et les voitures électriques joueront un rôle essentiel dans l'avenir des transports alors que le monde se tourne vers des options plus durables. Alors que les voitures électriques ont actuellement l'avantage en termes de disponibilité et d'infrastructure, les voitures à hydrogène ont le potentiel de devenir un acteur plus important sur le marché à mesure que la technologie progresse et que l'infrastructure se développe.

Conclusion

Les voitures à hydrogène et les voitures électriques offrent toutes deux des alternatives viables aux véhicules traditionnels fonctionnant à l'essence dans la recherche d'un transport plus durable. Alors que les voitures électriques bénéficient actuellement d'une plus grande disponibilité, de coûts plus bas et d'une infrastructure de recharge plus établie, les voitures à hydrogène ont l'avantage de proposer une plus grande autonomie de conduite et des temps de ravitaillement plus rapides. À mesure que la technologie progresse et que l'infrastructure se développe, la concurrence entre les voitures à hydrogène et les voitures électriques continuera d'évoluer, bénéficiant finalement aux consommateurs et à l'environnement.

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