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Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE
Jeudi 10 décembre 2015
Cogénération et micro-cogénération.
Vers une production d'énergie plus responsable :
Projet « Smart micro cogen »
Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE
Projet financé par
Contexte
Lux creative 10/12/2015
Le réseau électrique d'aujourd'hui est face à des défis majeurs : le besoin d’assurer une source d’énergie
continue et sans cesse croissante, malgré la production d'électricité de sources d'énergie renouvelables
intermittentes et l’arrivée en fin de vie d’un grand nombre de centrales de production d’électricité.
A cela s’ajoute l'urgence de moderniser les réseaux de transport et de distribution électriques européens.
Une solution économique à ces problèmes est l’intégration de nouvelles technologies pour la production
de l’électricité au niveau basse tension, notamment par des systèmes de micro-cogénération (μCHP), qui
produisent simultanément de la chaleur et de l’électricité. Mais pour optimiser la production des
systèmes de micro-cogénération, il est essentiel de les intégrer aux réseaux intelligents, qui permettent
une gestion optimisée de la demande et de l’offre d’énergie.
Objectif
L'objectif de cette étude est d'identifier des solutions pour l'intégration des μCHP dans les smart grids. La
première phase du projet comprend la définition des bâtiments cibles dans le résidentiel et le petit
tertiaire. L'objectif final est de définir des lignes directrices permettant la gestion des systèmes de micro-
cogénération intégrés aux smart grids, en s’appuyant sur des critères techniques, économiques et
environnementaux.
Smart Grid
Problématique des smart grids :
Lux creative 10/12/2015
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Consommation électrique
Profil de consommation journalière :
Lux creative 10/12/2015
Demande de base -> facile à gérer
1. La « flexibilité »
Pics de consommation -> difficile à gérer
Solutions possibles :
Source : projet Flexipac
2. Injection aux « bons moments » => la cogénération
Avantage de la cogénération : technologie commandable et contrôlable
Micro cogénération
Définitions :
Cogénération (selon l’ASHRAE):
Production simultanée d’électricité ou d’énergie mécanique et d’énergie thermique
utile à partir d’une seule source d’énergie comme le pétrole, le charbon ou le gaz
naturel. Dans certains cas, la source d’énergie peut être le soleil, la géothermie, la
biomasse ou un autre type d’énergie renouvelable
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Cogénération couvrant des puissances électriques < 50 kWe selon la directive du
Parlement européen 2004/8/CE, mais certains auteurs limitent cette puissance à 15
kWe, voire 10 kWe
« CHP » :
Co-Heating and Power
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Moteur à
Combustion
Interne (MCI)
Dénomination
anglaise
« ICE » (Internal
Combustion Engine)
ηe
ηg
25-35 %
80-90 %
+ - Technologie la plus mâture et la
moins chère
- Technologie, robuste et fiable
- Durée de vie élevée
- - Maintenance régulière
- Performance à charge partielle
Autres technologies : Micro turbine à gaz – Cycle de Rankine Organique (ORC) …
Lux creative 10/12/2015
Stirling
Stirling
12-25 %
~ 90 %
- Combustion continue bien contrôlée,
faibles émissions
- Coûts de maintenance inférieurs
- Bonne performance à charge
partielle
- Faible niveau de bruit et de vibration
- Faible rendement électrique
- Coût d'investissement élevé
Pile à combustible
(PAC)
« FC » (Fuel Cell)
25–40 %
85-95 %
- Rendement électrique
élevé
- Faibles émissions
- Très peu d'expérience en
micro-cogénération, R&D
- Coût d'investissement élevé
Solutions techniques de micro cogénération
Lux creative 10/12/2015
Résidentiel unifamilial
 1 kWe
Secteur résidentiel
 5 kWe
Petit tertiaire
 10 kWe
Tertiaire
> 100 kWe
Gamme de puissance en fonction du secteur :
Whispergen
(Vaillant)
« Hybris Power »
DeDietrich
MEC (microgen) Infinia (STC)
P électrique : 1kWe
P thermique : 7 kWth
14 900 (machine)
P électrique : 1kWe
P thermique : 5.3kWth
13000 (machine)
P électrique : 1kWe
P thermique : 3-24kWth
P électrique : 1kWe
P thermique : 4-40kWth
EcoWill 1.0
(Honda)
EcoPOWER 1.0
(Vaillant )
Proenvis 2.0 Kirsch 1.9
P électrique : 1,2kWe
P thermique : 3kWth
15700 (machine)
7600 installation
P électrique : 1kWe
P thermique : 2,5kWth
16 000 euros (machine)
23 000 (machine +
installation)
P électrique : 1,3 - 2kWe
P thermique : 3-5,5kWth
16 800 euros
P électrique : 1,9kWe
P thermique : 9kWth
10900 euros (machine)
Solutions techniques de « nano cogénération »
Lux creative 10/12/2015
Maison unifamiliale
~ 1 kWe
Moteur à combustion interne :
Moteur à combustion externe :
Liste non exhaustive
Solutions techniques de « nano cogénération »
Lux creative 10/12/2015
Maison unifamiliale
~ 1 kWe
Hexis CFCL CERES POWER VAILLANT
P électrique 1 kWe
P thermique 1.98 kWth
P électrique 1.5kWe
P thermique 600Wth
25000 euros
P électrique 1kWe P électrique 1kWe
P thermique 1.7kWth
KYOCERA AISIN SEIKI JX ENEOS TOPSOE
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P électrique 1.5kWe
P thermique 600Wth
P électrique 1kWe P électrique 1kWe
P thermique 1.7kWth
Pile à combustible
Solutions « nano » cogénération actuellement disponibles en Belgique : Aucune
Liste non exhaustive
Autre projet en cours sur la cogénération : ene.field
Lux creative 10/12/2015
Projet européen:
• 9 fabricants, 4 énergéticiens, 26 partenaires, 12 pays
• Projet lancé en 2012 pour une durée de 5 ans
Objectifs :
• Déployer jusqu’à 1000 piles à combustible
• Evaluer les performances saisonnières d’un système pile à combustible
• Préparer la filière : bureaux d’études, commerciaux et installateurs
Logapower FC10
Testée dans le bâtiment NeoBuild - Luxembourg
P électrique 700 We
P thermique 700 Wth
+ chaudière 14/24 kWth
Exemple :
Smart Micro Cogen : Simulations
LE PROJET SMART MICRO COGEN : Etude du potentiel de la cogénération dans le parc
immobilier wallon existant
Projet « exploratoire » avec de nombreuse possibilités de simulations
• Technologie cogénération : MCI, stirling, PAC, …
• Dimensionnement de la cogénération
• Stockage de la chaleur ou de l’électricité
• Pilotage de la cogénération
• …
PRÉSENTATION DES RÉSULTATS POUR LES CAS SUIVANTS :
Cas de base. Chaudière
Cas 1. Pilotage « chaleur »
Cas 2. Pilotage « smart grid »
Cas 3. Pilotage « chaleur » & stockage batterie
Comparaison de 2 technologies de cogénération : MCI & Moteur stirling
Lux creative 10/12/2015
MCI = Moteur à combustion interne
PAC = Pile à combustible
Hypothèses de travail :
• Modélisation dynamique à l’aide du logiciel TRNSYS
• Modélisation du bâtiment, climat, cogénération, scénario, système, contrôle …
• Bâtiments : 4 bâtiments résidentiels représentatifs du parc de bâtiments existants
• Cogénération : MCI – Stirling – PAC
Simulations
Cas 1. Pilotage « chaleur »
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000l
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
Lux creative 10/12/2015
Analyse journée type :
ECS = Eau chaude sanitaire
CHP = Co-heating and power
Simulations
Cas 2. Pilotage « smart grid »
NRV : « Net Regulation Volume »
Différence entre la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la hausse et la somme des
volumes de toutes les actions de réglage à la baisse demandées par Elia.
Données disponibles sur le site Elia : http://www.elia.be/fr/grid-data/balancing/desequilibre-actuel-du-systeme
=> Valeur utilisée dans les simulations pour définir « l’état du réseau »
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment (valorisation chaleur obligatoire)
& réseau à besoin d’aide
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000l
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
Lux creative 10/12/2015
ECS = Eau chaude sanitaire
Comment déterminer quand le réseau à besoin d’injection ?
-> Problématique de manque de données…
Simulations
Lux creative 10/12/2015
Cas 2. Pilotage « smart grid » - Analyse journée type :
Rem : Nombre conséquent de ON/OFF au niveau de la cogénération = > usure machine plus importante
CHP = Co-heating and power
Simulation
Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie
La révolution « Tesla » :
« Avec l'envolée de ses batteries à usage domestique, la firme Tesla
amorce une révolution dans le stockage de l'électricité » Le vif l’express
« Alors qu’elle n’est même pas encore disponible à la vente, la nouvelle
batterie de foyer de Tesla est déjà en rupture de stock sur le sol
américain. Un succès qualifié de “monstrueux” par le PDG … » le soir
-> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment
-> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS
-> Ballon stockage 1000l
-> Priorité à l’autoconsommation électrique puis stockage batterie puis rejet réseau
-> ECS thermique
-> Chaudière en appoint
Lux creative 10/12/2015
ECS = Eau chaude sanitaire
Résultats
Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie : Analyse journée type :
Lux creative 10/12/2015
CHP = Co-heating and power
Résultats
Lux creative 10/12/2015
Production électrique
beaucoup plus importante
dans le cas du MCI
=> Achat électrique moindre
dans le cas du MCI
Note : Résultat à confort égal
dans le bâtiment
MCI = Moteur à combustion interne
Résultats
Lux creative 10/12/2015
Production électrique
beaucoup plus importante
dans le cas du MCI
=> Gros rejet au réseau
MCI = Moteur à combustion interne
Résultats
Lux creative 10/12/2015
MCI = Moteur à combustion interne
Résultats
Lux creative 10/12/2015
Hypothèses :
- Prix achat électricité : 0.212
euros/kWh
- Prix achat gaz : 0.053
euros/kWh
- Facture « fin d’année »
(compteur tourne à l’envers)
- Certificat vert pris en compte
(64 euros/CV) (!)
- Pas de prise en compte de
l’investissement système
cogénération
Analyse :
- Facture légèrement plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière)
- Facture identique avec ou sans batterie
- Pilotage réseau :
- Facture plus faible avec MCI
- Facture plus élevée avec moteur stirling
Analyse de la facture annuelle avec le système de facturation actuelle :
MCI = Moteur à combustion interne
Résultats
Lux creative 10/12/2015
Hypothèses :
- Prix achat électricité : 0.212
euros/kWh
- Prix vente électricité : 0.06
euros/kWh
- Prix achat gaz : 0.053
euros/kWh
- Pas de prise en compte de
l’investissement système
cogénération
Analyse :
- Facture plus basse (h/h vs annuelle) avec MCI mais plus élevée (h/h vs annuelle) avec stirling
- Facture plus basse avec MCI (vs stirling)
- L’ajout d’une batterie électrique est plus intéressante avec moteur stirling (environ 200 euros /an)
- La facture en cas de « pilotage réseau » est plus élevée (vs facture annuelle)
Analyse de la facture annuelle avec un système de facturation h/h :
MCI = Moteur à combustion interne
Lux creative 10/12/2015
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Lux creative 10/12/2015
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LUXEMBOURG CREATIVE 2015 2/2 : Production d'énergie responsable

  • 1. Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE Jeudi 10 décembre 2015 Cogénération et micro-cogénération. Vers une production d'énergie plus responsable :
  • 2. Projet « Smart micro cogen » Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE Projet financé par
  • 3. Contexte Lux creative 10/12/2015 Le réseau électrique d'aujourd'hui est face à des défis majeurs : le besoin d’assurer une source d’énergie continue et sans cesse croissante, malgré la production d'électricité de sources d'énergie renouvelables intermittentes et l’arrivée en fin de vie d’un grand nombre de centrales de production d’électricité. A cela s’ajoute l'urgence de moderniser les réseaux de transport et de distribution électriques européens. Une solution économique à ces problèmes est l’intégration de nouvelles technologies pour la production de l’électricité au niveau basse tension, notamment par des systèmes de micro-cogénération (μCHP), qui produisent simultanément de la chaleur et de l’électricité. Mais pour optimiser la production des systèmes de micro-cogénération, il est essentiel de les intégrer aux réseaux intelligents, qui permettent une gestion optimisée de la demande et de l’offre d’énergie. Objectif L'objectif de cette étude est d'identifier des solutions pour l'intégration des μCHP dans les smart grids. La première phase du projet comprend la définition des bâtiments cibles dans le résidentiel et le petit tertiaire. L'objectif final est de définir des lignes directrices permettant la gestion des systèmes de micro- cogénération intégrés aux smart grids, en s’appuyant sur des critères techniques, économiques et environnementaux.
  • 4. Smart Grid Problématique des smart grids : Lux creative 10/12/2015 Source : Gaz Electricité de Grenoble
  • 5. Consommation électrique Profil de consommation journalière : Lux creative 10/12/2015 Demande de base -> facile à gérer 1. La « flexibilité » Pics de consommation -> difficile à gérer Solutions possibles : Source : projet Flexipac 2. Injection aux « bons moments » => la cogénération Avantage de la cogénération : technologie commandable et contrôlable
  • 6. Micro cogénération Définitions : Cogénération (selon l’ASHRAE): Production simultanée d’électricité ou d’énergie mécanique et d’énergie thermique utile à partir d’une seule source d’énergie comme le pétrole, le charbon ou le gaz naturel. Dans certains cas, la source d’énergie peut être le soleil, la géothermie, la biomasse ou un autre type d’énergie renouvelable Micro-cogénération: Cogénération couvrant des puissances électriques < 50 kWe selon la directive du Parlement européen 2004/8/CE, mais certains auteurs limitent cette puissance à 15 kWe, voire 10 kWe « CHP » : Co-Heating and Power Lux creative 10/12/2015
  • 7. Technologies de micro cogénération Différentes technologies : Moteur à Combustion Interne (MCI) Dénomination anglaise « ICE » (Internal Combustion Engine) ηe ηg 25-35 % 80-90 % + - Technologie la plus mâture et la moins chère - Technologie, robuste et fiable - Durée de vie élevée - - Maintenance régulière - Performance à charge partielle Autres technologies : Micro turbine à gaz – Cycle de Rankine Organique (ORC) … Lux creative 10/12/2015 Stirling Stirling 12-25 % ~ 90 % - Combustion continue bien contrôlée, faibles émissions - Coûts de maintenance inférieurs - Bonne performance à charge partielle - Faible niveau de bruit et de vibration - Faible rendement électrique - Coût d'investissement élevé Pile à combustible (PAC) « FC » (Fuel Cell) 25–40 % 85-95 % - Rendement électrique élevé - Faibles émissions - Très peu d'expérience en micro-cogénération, R&D - Coût d'investissement élevé
  • 8. Solutions techniques de micro cogénération Lux creative 10/12/2015 Résidentiel unifamilial  1 kWe Secteur résidentiel  5 kWe Petit tertiaire  10 kWe Tertiaire > 100 kWe Gamme de puissance en fonction du secteur :
  • 9. Whispergen (Vaillant) « Hybris Power » DeDietrich MEC (microgen) Infinia (STC) P électrique : 1kWe P thermique : 7 kWth 14 900 (machine) P électrique : 1kWe P thermique : 5.3kWth 13000 (machine) P électrique : 1kWe P thermique : 3-24kWth P électrique : 1kWe P thermique : 4-40kWth EcoWill 1.0 (Honda) EcoPOWER 1.0 (Vaillant ) Proenvis 2.0 Kirsch 1.9 P électrique : 1,2kWe P thermique : 3kWth 15700 (machine) 7600 installation P électrique : 1kWe P thermique : 2,5kWth 16 000 euros (machine) 23 000 (machine + installation) P électrique : 1,3 - 2kWe P thermique : 3-5,5kWth 16 800 euros P électrique : 1,9kWe P thermique : 9kWth 10900 euros (machine) Solutions techniques de « nano cogénération » Lux creative 10/12/2015 Maison unifamiliale ~ 1 kWe Moteur à combustion interne : Moteur à combustion externe : Liste non exhaustive
  • 10. Solutions techniques de « nano cogénération » Lux creative 10/12/2015 Maison unifamiliale ~ 1 kWe Hexis CFCL CERES POWER VAILLANT P électrique 1 kWe P thermique 1.98 kWth P électrique 1.5kWe P thermique 600Wth 25000 euros P électrique 1kWe P électrique 1kWe P thermique 1.7kWth KYOCERA AISIN SEIKI JX ENEOS TOPSOE P électrique 1 kWe P thermique 1.98 kWth P électrique 1.5kWe P thermique 600Wth P électrique 1kWe P électrique 1kWe P thermique 1.7kWth Pile à combustible Solutions « nano » cogénération actuellement disponibles en Belgique : Aucune Liste non exhaustive
  • 11. Autre projet en cours sur la cogénération : ene.field Lux creative 10/12/2015 Projet européen: • 9 fabricants, 4 énergéticiens, 26 partenaires, 12 pays • Projet lancé en 2012 pour une durée de 5 ans Objectifs : • Déployer jusqu’à 1000 piles à combustible • Evaluer les performances saisonnières d’un système pile à combustible • Préparer la filière : bureaux d’études, commerciaux et installateurs Logapower FC10 Testée dans le bâtiment NeoBuild - Luxembourg P électrique 700 We P thermique 700 Wth + chaudière 14/24 kWth Exemple :
  • 12. Smart Micro Cogen : Simulations LE PROJET SMART MICRO COGEN : Etude du potentiel de la cogénération dans le parc immobilier wallon existant Projet « exploratoire » avec de nombreuse possibilités de simulations • Technologie cogénération : MCI, stirling, PAC, … • Dimensionnement de la cogénération • Stockage de la chaleur ou de l’électricité • Pilotage de la cogénération • … PRÉSENTATION DES RÉSULTATS POUR LES CAS SUIVANTS : Cas de base. Chaudière Cas 1. Pilotage « chaleur » Cas 2. Pilotage « smart grid » Cas 3. Pilotage « chaleur » & stockage batterie Comparaison de 2 technologies de cogénération : MCI & Moteur stirling Lux creative 10/12/2015 MCI = Moteur à combustion interne PAC = Pile à combustible Hypothèses de travail : • Modélisation dynamique à l’aide du logiciel TRNSYS • Modélisation du bâtiment, climat, cogénération, scénario, système, contrôle … • Bâtiments : 4 bâtiments résidentiels représentatifs du parc de bâtiments existants • Cogénération : MCI – Stirling – PAC
  • 13. Simulations Cas 1. Pilotage « chaleur » -> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000l -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint Lux creative 10/12/2015 Analyse journée type : ECS = Eau chaude sanitaire CHP = Co-heating and power
  • 14. Simulations Cas 2. Pilotage « smart grid » NRV : « Net Regulation Volume » Différence entre la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la hausse et la somme des volumes de toutes les actions de réglage à la baisse demandées par Elia. Données disponibles sur le site Elia : http://www.elia.be/fr/grid-data/balancing/desequilibre-actuel-du-systeme => Valeur utilisée dans les simulations pour définir « l’état du réseau » -> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment (valorisation chaleur obligatoire) & réseau à besoin d’aide -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000l -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint Lux creative 10/12/2015 ECS = Eau chaude sanitaire Comment déterminer quand le réseau à besoin d’injection ? -> Problématique de manque de données…
  • 15. Simulations Lux creative 10/12/2015 Cas 2. Pilotage « smart grid » - Analyse journée type : Rem : Nombre conséquent de ON/OFF au niveau de la cogénération = > usure machine plus importante CHP = Co-heating and power
  • 16. Simulation Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie La révolution « Tesla » : « Avec l'envolée de ses batteries à usage domestique, la firme Tesla amorce une révolution dans le stockage de l'électricité » Le vif l’express « Alors qu’elle n’est même pas encore disponible à la vente, la nouvelle batterie de foyer de Tesla est déjà en rupture de stock sur le sol américain. Un succès qualifié de “monstrueux” par le PDG … » le soir -> Cogénération : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le bâtiment -> Bâtiment : 30 000 kWhth – 3500 kWhe – 3000 kWhth ECS -> Ballon stockage 1000l -> Priorité à l’autoconsommation électrique puis stockage batterie puis rejet réseau -> ECS thermique -> Chaudière en appoint Lux creative 10/12/2015 ECS = Eau chaude sanitaire
  • 17. Résultats Cas 3. Pilotage « chaleur » + batterie : Analyse journée type : Lux creative 10/12/2015 CHP = Co-heating and power
  • 18. Résultats Lux creative 10/12/2015 Production électrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI => Achat électrique moindre dans le cas du MCI Note : Résultat à confort égal dans le bâtiment MCI = Moteur à combustion interne
  • 19. Résultats Lux creative 10/12/2015 Production électrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI => Gros rejet au réseau MCI = Moteur à combustion interne
  • 20. Résultats Lux creative 10/12/2015 MCI = Moteur à combustion interne
  • 21. Résultats Lux creative 10/12/2015 Hypothèses : - Prix achat électricité : 0.212 euros/kWh - Prix achat gaz : 0.053 euros/kWh - Facture « fin d’année » (compteur tourne à l’envers) - Certificat vert pris en compte (64 euros/CV) (!) - Pas de prise en compte de l’investissement système cogénération Analyse : - Facture légèrement plus basse avec un système de cogénération (vs chaudière) - Facture identique avec ou sans batterie - Pilotage réseau : - Facture plus faible avec MCI - Facture plus élevée avec moteur stirling Analyse de la facture annuelle avec le système de facturation actuelle : MCI = Moteur à combustion interne
  • 22. Résultats Lux creative 10/12/2015 Hypothèses : - Prix achat électricité : 0.212 euros/kWh - Prix vente électricité : 0.06 euros/kWh - Prix achat gaz : 0.053 euros/kWh - Pas de prise en compte de l’investissement système cogénération Analyse : - Facture plus basse (h/h vs annuelle) avec MCI mais plus élevée (h/h vs annuelle) avec stirling - Facture plus basse avec MCI (vs stirling) - L’ajout d’une batterie électrique est plus intéressante avec moteur stirling (environ 200 euros /an) - La facture en cas de « pilotage réseau » est plus élevée (vs facture annuelle) Analyse de la facture annuelle avec un système de facturation h/h : MCI = Moteur à combustion interne
  • 24. Merci pour votre attention! Lux creative 10/12/2015 Projet financé par