Panneaux ou modules photovoltaïques

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1 Le Solaire : des technologies multiplies dans un marché en forte croissance Le Solaire : pour produire quelle énergie? L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement à travers l'atmosphère. Grâce à divers procédés, l énergie solaire peut être transformée en une autre forme d'énergie utile, notamment : en chaleur (solaire thermique), exprimée en kilowatt thermique (kwth), en électricité (solaire photovoltaïque), exprimée en kilowatt électrique (kw). L'expression «énergie solaire» est employée pour désigner l'électricité ou la chaleur obtenue à partir du soleil. Ressource Énergie Solaire Solaire Thermique Capteurs Solaire Electrique Panneaux ou modules photovoltaïques Chaleur (Eau Chaude Sanitaire) Usages énergétiques Électricité Le solaire, mythe ou réalité pour la production électrique? Toutes les 40 minutes, la Terre reçoit du Soleil assez d énergie pour alimenter durant un an les besoins en énergie de ses occupants. Il faudrait selon les calculs de l Agence Internationale de l Energie (AIE) un carré de panneaux solaires photovoltaïques de 300 km de coté, placé dans un désert pour produire les 46 térawattheures (TWh) d électricité nécessaires à l humanité par jour et dans la foulée se débarrasser de tous les ennuis liés aux émissions de CO2 dues aux combustibles fossiles, aux déchets polluants, aux dangers inhérents au nucléaire, aux sautes de vente de l éolien, et au manque de surfaces cultivables pour les biocarburants. La solution étant trouvée, qu attend-on alors pour le construire, ce salvateur carré solaire? Parce que ce n est pas réaliste : Côté finances d abord : même à 50 euros le m2 de panneau (coût de production idéal pour concurrencer les énergies fossiles, le prix actuel étant six fois plus élevé), une centrale PV de km2 coûterait 4500 milliards d euros, stockage (car le soleil est éteint la nuit) et foncier (1/6 de la surface de l hexagone), non compris. Mais quand bien même l humanité accepterait de se cotiser pour son salut énergétique, une bonne partie de l énergie serait forcément perdue en chaleur tout au long des milliers de kilomètres de 1/9

2 lignes à haute tension avant d arriver à destination. Et c est sans compter les problèmes politiques engendrés par une telle concentration! Imaginez les pressions que subirait un pays placé à l extrémité du pipeline solaire intenable. Ceci étant, certains industriels européens y réfléchissent activement depuis 2009 en imaginant des projets transméditerranée. A échéance plus proche, le Maroc vient de lancer une consultation pour une centrale solaire à construire près de Ouarzazate de 250 MW, pour des besoins nationaux. La solution étant trouvée, qu attend-on alors pour le construire, ce salvateur carré solaire? Parce que ce n est pas réaliste : Côté finances d abord : même à 50 euros le m2 de panneau (coût de production idéal pour concurrencer les énergies fossiles, le prix actuel étant six fois plus élevé), une centrale PV de km2 coûterait 4500 milliards d euros, stockage (car le soleil est éteint la nuit) et foncier (1/6 de la surface de l hexagone), non compris. Mais quand bien même l humanité accepterait de se cotiser pour son salut énergétique, une bonne partie de l énergie serait forcément perdue en chaleur tout au long des milliers de kilomètres de lignes à haute tension avant d arriver à destination. Et c est sans compter les problèmes politiques engendrés par une telle concentration! Imaginez les pressions que subirait un pays placé à l extrémité du pipeline solaire intenable. Ceci étant, certains industriels européens y réfléchissent activement depuis 2009 en imaginant des projets transméditerranée. A échéance plus proche, le Maroc vient de lancer une consultation pour une centrale solaire à construire près de Ouarzazate de 250 MW, pour des besoins nationaux. Alors, pas réaliste le solaire? Si l on réunit toutes les conditions optimales, tirer le meilleur des ressources locales, décentraliser au mieux la production, trouver les bonnes solutions pour abaisser les coûts, il n est pas déraisonnable de penser que le soleil pourrait fournir dès 2030, une part du mix énergétique équivalente au nucléaire aujourd hui, soit 16% environ, avant de passer peut être à 50%, 20 ans plus tard. Mais pour cela, de nombreux défis sont à relever! 1 er défi : La capacité à délivrer en permanence de grosses puissances, à l instar des centaines de mégawatts (MW) d une centrale thermique ou nucléaire, c'est-à-dire transformant la lumière en chaleur avant conversion en électricité. De telles installations géantes (de l ordre de 25 km2) construites dans des déserts, là où le soleil donne son maximum, vont offrir des puissances considérables : en 2013 naîtra en Californie un parc solaire offrant 1300 MW, soit l équivalent d un réacteur nucléaire. 2 ème défi : La capacité à stocker l énergie sous forme de sels fondus (nitrate de sodium et de potassium) dans d énormes cuves pour continuer à tourner la nuit ou par temps nuageux. Dans une centrale solaire thermique, le soleil chauffe un fluide, lequel transmet sa chaleur à un circuit de vapeur, exactement comme une centrale thermique classique- nucléaire ou charbon. Le stockage d une partie de la chaleur dans des cuves de sels fondus caloporteurs permet de produire de la vapeur même la nuit. En cas de ciel couvert, la combinaison de l activité réduite du panneau solaire et de la chaleur stockée assure la production. Certes, on n est pas encore à une capacité 24h/24h mais une usine expérimentée en Espagne atteint d ores et déjà 8 heures de stockage. Et la recherche avance à grand pas. Le national Research Energy Laboratory (NREL) américain travaille sur des «nanoclusters», particules de 50 à 500 atomes dont les caractéristiques thermiques sont plus attractives. Ils permettraient de stocker deux à trois fois, peut être même cinq fois plus de chaleur du volume actuel autorisé par les sels fondus. 3 ème défi : l acheminement de l électricité avec le moins de déperdition possible. Une partie de l électricité produite est en effet perdue sur le réseau sous forme de chaleur, par effet joule, lié à la résistance du métal conducteur des câbles. Ces pertes admissibles à l échelle de la France, où l acheminement se fait sur des centaines de kilomètres, deviendraient inacceptables sur des milliers de kilomètres. 2/9

3 La solution existe pourtant, c est le courant continu à très haute tension qui laisse entrevoir des autoroutes de l énergie, apportant le soleil du Maghreb aux mégapoles d Europe du Nord. Si cette logique de production centralisée a le mérite de répondre aux besoins de puissance, elle ne suffit pourtant pas : reporter totalement la production d énergie sur quelques pays ensoleillés est difficilement acceptable politiquement, alors que tous les pays s efforcent d acquérir un minimum d autonomie énergétique. La logique du solaire est fondamentalement décentralisée, puisque le soleil éclaire toute chose, pourquoi ne pas le puiser là où il est? Reste à savoir comment 4 ème défi : la réduction des coûts Jusqu à présent, les panneaux photovoltaïques étaient trop chers (de 3 à 5 $/W au mieux, alors que le seuil de compétitivité avec les sources nucléaires ou fossiles se situe à 1$/W) et pas assez productifs : ils ne convertissent au mieux que 20% de la lumière solaire en électricité. Et les cellules à couches minces de type CIS (cuivre indium sélénium) ne démarreront leur carrière qu avec un rendement de 8% à un prix < 1 /W. Depuis 30 ans, chaque doublement de surface de panneaux solaires produite dans le monde (en gros tous les 3 ans) a engendré une chute des prix de 20%. Par ailleurs, aujourd hui bon marché, les énergies fossiles vont se trouver prises en étau entre les inévitables taxes sur les émissions de CO2 et la montée des cours, liée à la pénurie de l offre et à l instabilité politique. Au premier signe de reprise de la croissance, il y a fort à parier que les prix des énergies fossiles flamberont à nouveau. L énergie solaire ne souffre elle d aucun de ces handicaps. En dépit de tous ces atouts, une question subsiste : Alors que la part du solaire est actuellement très marginale, comment pourrait-il devenir un remplaçant crédible aux énergies fossiles d ici quelques décennies? La part du solaire est aujourd hui de 0,1% et ne fournirait en 2030 que 1,25% de l énergie électrique. Pour croitre rapidement, le solaire peut compter sur la progression géométrique, la surface des panneaux installés augmente au moins de 30% par an depuis la fin des années Depuis 2008, la puissance photovoltaïque mondiale est de l ordre de 10 GW, soit l équivalent d une malheureuse dizaine de centrales nucléaires ou thermiques. Mais il suffit que ces chiffres se maintiennent pour qu avec 1000 GW en 2030, le soleil dépasse l atome en puissance installée. Peut-on réellement sortir le solaire de sa niche? Certaines études l imaginent sérieusement mais en envisageant un coup de rein politique. On estime possible de pouvoir produire 70% de l électricité américaine en Il en couterait au contribuable 300 milliards de dollars à mettre sur la table avant Dépense considérable mais réalisable si l on met une taxe de 10% sur le prix de l électricité d origine fossile. Technologiques, économiques, industriels, politiques, tous les éléments sont réunis pour donner au soleil la place majeure dans le mix énergétique planétaire bien avant Mais il reste une ombre à ce tableau : la crise qui pèse sur les capacités de financement des Etats et sur le crédit. Les 10 années à venir vont être critiques. Tant que la parité des prix n est pas atteinte avec le nucléaire, des soutiens publics à un niveau relativement élevé sont indispensables, et c est là que l on peut avoir des craintes. En 2008, par exemple le gouvernement espagnol a brusquement réduit ses aides provoquant un krach dans la filière. Si les capteurs bon marché sont annoncés, le solaire reste vulnérable faute de masse critique. Le solaire quelle technologie pour l avenir et pour quel usage? L atout du solaire thermique : La puissance électrique nécessaire pour alimenter une ville comme Paris représenterait plus de 90km² de capteurs solaires photovoltaïques. D où l incapacité des technologies photovoltaïques à répondre massivement aux besoins. Mais l arrivée de centrales transformant la lumière non pas en électricité mais en chaleur (plusieurs centaines de degrés) risquent bien de changer la donne, des installations produisant des centaines de mégawatt, soit aussi bien que des centrales à charbon. 3/9

4 Leur principe est simple. Des rangées de miroirs «cylindro-paraboliques» concentrent la lumière sur un tube dans lequel circule une huile synthétique. Portée à 390 l huile transfère sa chaleur via un échangeur, à un circuit de vapeur sous pression laquelle fait tourner une turbine. Le tout permet de convertir 16% de l énergie solaire en électricité. Pourquoi n a-t-on pas multiplié ces installations? Parce que le coût de fabrication (miroirs, huile,..) les rend entre 0,10 et 0,16 $ du kw, peu compétitives avec les centrales classiques. Ensuite parce qu il faut du soleil, énormément de soleil, pour obtenir une durée de fonctionnement suffisante afin de rentabiliser les installations. Si les régions propices ne manquent pas, il s agit souvent de déserts éloignés des centres industriels, alors que le pétrole ou le nucléaire peuvent faire mieux et sur place. Coût, production, stockage longtemps rédhibitoires, ces handicaps sont en passe d être surmontés. Tout d abord en perfectionnant les techniques de captage. Un industriel israélien prépare des miroirs à bas prix en faisant appel à des matériaux plus légers et plus efficaces, sur des structures simplifiées. La température monterait alors jusqu à 700 C, la pression de vapeur serait doublée et des points de rendement gagnés. D autres systèmes de type tours captant la lumière solaire comme des miroirs sont à l étude ou des solutions autres qui visent le même but, diviser par quatre le prix du kw. Le défi du haut rendement du panneau photovoltaïque Pour relever le défi économique de l énergie solaire photovoltaïque, celle qui consiste à transformer la lumière en électricité, on peut fabriquer des cellules beaucoup moins chères mais moins productives, c est la voie des cellules plastiques mais il y a une autre voie pour atteindre la parité économique avec les énergies nucléaires et fossiles, c est celle d améliorer les rendements. Le silicium peu efficace : Aujourd hui, les meilleurs capteurs commercialisés ne parviennent qu à convertir 20% des rayons solaires en courant. L enjeu des cellules à haut rendement est d atteindre des rendements de conversion supérieurs de 30% au tarif de 1$/w. Pour y parvenir, pas question d utiliser les classiques cellules en silicium qui équipent aujourd hui 98% des capteurs. En effet elles n absorbent la lumière que dans une longueur d onde située dans le proche infrarouge et tout ce qui est au-delà est perdu car non absorbé par le matériau. Au mieux, le silicium ne permet guère de dépasser les 30%. Pour remédier à ce défaut et exploiter un maximum de photons, des chercheurs d une université américaine ont eu l idée de superposer plusieurs couches de semi-conducteurs (que les physiciens appellent «jonction P-N», chacune optimisée pour interagir avec des photons d une énergie donnée. Les premiers capteurs deux jonctions ont un rendement de conversion de lumière en électricité d environ 16%. La recherche est elle déjà bien au-delà, 41,1% de rendement pour un capteur tri jonctions. Reste le Graal : atteindre 1$/W. Les cellules multi jonctions n ont pas vocation de concurrencer les cellules à jonction unique de type organique ou couches minces déjà bon marché et qui se répandront là où la surface est disponible et à bon prix (dans des centrales, par exemple). Mais le coût d un système photovoltaïque ne se limite pas au seul prix des cellules. Il faut en effet entourer ces dernières d un support, de systèmes électronique ou de connexion au réseau. Autant d éléments dont le coût est fixe. Les cellules multi jonctions seront donc intéressantes pour des systèmes de production décentralisée, de taille limitée comme le toit des maisons. Le défi du coût. Le watt solaire coûte de 3 à 7 fois plus cher que le watt fossile ou nucléaire, ce qui empêche un vrai décollage du marché ou forçant les pouvoirs publics à financer la filière. Mais cette époque sera bientôt révolue, car de nouvelles cellules réalisent désormais le tour de force de ramener le watt solaire à son seuil de compétitivité avec les autres sources électriques, soit 1$/W. 4/9

5 Ces cellules ne sont pas en silicium, matériau rigide et coûteux mais en plastique souple et fabriquées à la chaine et en masse. Il ne s agit évidemment pas de n importe quelle sorte de plastique. Ces plastiques sont des semi-conducteurs, isolants ou conducteurs selon la tension appliquée. Les cellules ressemblent à un film souple qu il est possible d appliquer sur tous les supports qu ils soient plans (murs, fenêtres, toitures, ) ou courbes (carrosserie, engins électroniques, vêtements, ). Leur principe de fonctionnement épouse celui de toutes les cellules solaires. Mais la cellule en polymère diffère des cellules classiques en semi conducteur type silicium par la surface importante de la jonction PN. Ainsi le rendement de la cellule est amélioré et compense la faible sensibilité des polymères à la lumière. Pas au point d égaler le rendement des cellules standard à base de silicium, soit 15 à 17% environ. Un handicap, certes, mais bien compensé par le prix, cinq fois moins cher, le Power Plastic permet pour une même puissance installée, une économie de 40%. Le secret de cette nouvelle compétitivité ne réside pas dans le matériau mais plutôt dans la fabrication empruntée à l imprimerie. Le plastique circule sous des rotatives qui déposent couche après couche les constituants des capteurs. En plaçant ce plastique transparent entre deux vitres, la durée de vie du produit aujourd hui jugée insuffisante (de l ordre de 5 ans) grimperait à 20 ans environ, assez pour entrer dans la construction des bâtiments. Et ce n est pas tout car la recherche investigue sur l amélioration des performances afin de multiplier par trois le rendement actuel des cellules. On parle par ailleurs de peintures solaires inspirées du même principe de fabrication des cellules plastiques. De quoi ainsi transformer toutes les façades, tous les objets en capteurs ainsi le soleil entre de plain-pied dans la réalité. Le solaire au présent : le choix d une solution selon son besoin Le solaire thermique Un capteur solaire thermique est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur. Il existe deux types de capteurs solaires thermiques : les capteurs à eau qui utilisent un liquide (eau et antigel) comme fluide caloporteur, les capteurs à air qui utilisent l'air comme fluide caloporteur Les capteurs thermiques basse températures (<100 C) sont utilisés dans le processus de production d'eau chaude. Les capteurs haute température (>100 C) sont utilisés pour la production de vapeur ou de froid par absorption. Il existe 3 principaux types de capteurs : les capteurs souples : de l eau circule dans des tuyaux collecteurs, les capteurs plans vitrés : de l eau circule dans des tubes de cuivre placés dans une boîte vitrée, les capteurs à tubes sous vide : de l eau circule à l intérieur d un double tube sous vide; le vide procure ainsi une isolation presque parfaite. Capteur souple Capteur plan vitré Capteur sous vide 5/9

6 Les capteurs les plus couramment utilisés sont les capteurs plans vitrés. Les capteurs sous vide, plus performants, sont aujourd hui plus chers et fragiles. Les capteurs souples ont des rendements inférieurs aux deux autres technologies, et sont utilisés pour les services estivaux (piscines extérieures). Pour des raisons de performance technique et d optimisation économique, les offres sur le marché favorisent l utilisation de capteurs plan vitrés ou sous vide. Performances et coûts du solaire thermique : La performance annuelle pour le thermique s'exprime en kwh/m2/an. Le rendement d un capteur thermique est le rapport entre la puissance absorbée et la puissance solaire reçue par le capteur. Les ratios de performance pour le solaire thermique sont plus difficiles à évaluer qu avec le solaire PV puisque l'installation dépend non seulement de l'ensoleillement, mais aussi des ballons d'eau chaude et de l'utilisation de l'ecs (intermittence)... Le rendement peut être augmenté en améliorant le rayonnement absorbé : - Amélioration du traitement de surface du verre du capteur réduction du rayonnement réfléchi par le verre. - Ajout d une deuxième vitre meilleure rétention du rayonnement qui traverse la première vitre. - Faire fonctionner le capteur à la température la plus basse possible réduction des pertes de rayonnement à l air ambiant. Le rayonnement reçu dépend non seulement de l ensoleillement mais aussi de l'angle que forment les capteurs avec le plan horizontal. Une orientation plein sud perpendiculaire au soleil de midi est l'orientation idéale. A l'équateur, on a donc des panneaux horizontaux, et dans les pays tempérés, il est conseillé de les incliner avec un angle de 40 à 60 par rapport au sol (selon la latitude). En France, cette inclinaison est typiquement autour de 45 (45 pour valorisation de l énergie solaire toute l année, 30 en période d été, 60 en période d hiver). A titre d illustration, la productivité moyenne d une installation avec capteurs plans vitrés est de : - 350kWh/an par m2 de capteur dans le nord de l'europe (exemple : Stockholm) - 750kWh/an par m2 de capteur dans le sud de l'europe (exemple : Marseille) Selon la courbe de consommation d ECS du client, le solaire thermique peut couvrir de 30 à 70% des besoins. Les différents types de capteurs engendrent différents coûts : Technologie Coût moyen du capteur ( /m 2 ) Coût d'installation ( /m 2 ) Coût total ( /m 2 ) Capteurs sous vide Capteurs plans vitrés Capteurs souples Vigilance sanitaire : L utilisation d un système de préchauffage d eau pour l ECS peut augmenter le risque sanitaire «Légionelle» : les températures des ballons de stockage solaire sont entre 30 C et 50 C, 6/9

7 températures propices au développement des légionelles, il convient donc d intégrer ce risque dans la phase de conception de l installation. En matière de maîtrise du risque Légionelle, des plans de prévention des risques sont délivrés par des installateurs spécialisés qui liste l ensemble des dispositions à prendre. Dans les installations collectives (immeubles, hôpitaux, ), des dispositions d exploitation spécifiques doivent être remises en œuvre en regard de ce risque. Le solaire photovoltaïque Un capteur solaire photovoltaïque est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la convertir en électricité. Il existe deux types d installations solaires photovoltaïques : les installations décentralisées, les centrales photovoltaïques. Les installations peuvent ou non être raccordées au réseau électrique. L électricité produite par les panneaux photovoltaïques peut avoir deux usages : Soit l autoconsommation Soit la revente au réseau Irradiation du soleil Onduleur Réseau Panneaux solaires Autoconsommation Les cellules solaires photovoltaïques transforment directement la lumière du soleil en électricité. Elles n'utilisent pas la chaleur du soleil mais son l énergie (photons). C'est l'effet photovoltaïque. Une cellule est un petit générateur de courant continu qui débite sous une tension de moins d'un volt. L'utilisation industrielle des cellules dans l'énergie photovoltaïque se fait sous la forme de panneaux (modules photovoltaïques). Un module est composé de plusieurs cellules montées en série et en parallèle pour obtenir une puissance générée plus importante. La cellule Photons Électrons trous Contact face avant Émetteur Collecteur Contact face arrière Le module photovoltaïque Verre dur forte transmission Cadre aluminium anodisé Joint silicone Cellule Boîte de jonction Courant Cellule Verre trempé EVA (Ethylene vinyl acetate) Barrière contre l humidité 7/9

8 Il existe plusieurs types de modules PV par exemple: les modules à base de silicium (Si) (mono ou poly cristallin, amorphe) les modules à base de disélénure de cuivre-indium-gallium (CIGS) les modules à base de Tellure de Cadmium (CdTe) Les capteurs photovoltaïques cités ci-dessus sont les plus facilement accessibles sur le marché. Capteur plan Si mono ou poly-cristallin Capteur souple Si amorphe Pour des raisons de performance technique et d optimisation économique, sont favorisés l utilisation de capteurs classiques à base de silicium. Par convention internationale, on exprime la puissance d un panneau à l aide d une puissance normative, celle que peut fournir une cellule photovoltaïque sous un éclairement énergétique de 1000 watts par mètre carré, une température de 25 C du semi-conducteur, et des rayons solaires perpendiculaires à sa surface. L unité est le Watt-crête (Wc). Pour donner un ordre d'idée, 1kWc représente la puissance de 10m² de modules solaires avec une technologie courante, soit une énergie de 900 kwh/an dans le nord de l Europe et de 1400 kwh/an dans le sud de l Europe. Contexte réglementaire : l obligation d achat L obligation d achat de l électricité produite et raccordée au réseau de distribution électrique pousse la croissance de ces marchés porteurs : En Allemagne, la loi EEG de 2004 instaure un système d obligation d achat : Tarif sur 20 ans diminuant chaque année (5 à 6,5%). En 2008 à partir de 330 /MWh et jusqu à 430 /MWh pour les installations de moins de 30 kwc. En Autriche : la modification en 2006 de la loi sur la promotion des énergies renouvelables «Ökostromgesetz» introduit un nouveau système d obligation d achat : 320 /MWh pour les installations PV de plus de 10 kwc, 420 /MWh pour celles entre 5 à 10 kwc et 490 /MWh pour les installations en deçà de 5 kwc (tarifs sur 10 ans). En France : tarif d obligation d achat depuis l arrêté du 12 janvier Le prix d achat est le suivant : 314 /MWh (panneaux «au sol», avec modulation selon les départements, DOM, Corse, ), 420 /MWh (panneaux «intégrés simplifiés au bâti») et 580 ou 500 /MWh (panneaux «intégrés au bâti» suivant l usage du bâtiment). En Italie : le décret du 19 février 2007 révise le système d obligation d achat : Tarif pour le PV sur 20 ans à partir de 353 /MWh pour les installations non intégrées et au sol de plus de 20 kwc et jusqu à 480 /MWh pour les installations de 1 à 3 kwc. Tarif dégressif de 2% par an à partir de Tarif valable pour les premiers 1200 MWc et limitation de la puissance PV installée à 3000 MWc d ici /9

9 REFLEXIONS A POURSUIVRE Certains sujets mentionnés ci-dessus mériteraient des analyses complémentaires : Recherche-développement sur le photovoltaïque. Politique industrielle. Evolution de la rentabilité des investissements relatifs à l utilisation de l énergie solaire. Evolution des dispositifs publics de soutien à l énergie solaire (en Europe et hors de l Europe). Impact sur le développement des énergies renouvelables de mesures somme la taxation des émissions de CO 2. Impact du développement de l énergie solaire (et de l éolien) sur les réseaux électriques et les pointes électriques. 9/9

SOMMAIRE : Sommaire page 1. Introduction page 2. L'énergie solaire page 2. Le panneaux solaires thermiques page 3

SOMMAIRE : Sommaire page 1. Introduction page 2. L'énergie solaire page 2. Le panneaux solaires thermiques page 3 SOMMAIRE : Sommaire page 1 Introduction page 2 L'énergie solaire page 2 Le panneaux solaires thermiques page 3 Les panneaux solaires photovoltaïques page 4 Glossaire page 5 Conclusion page 7 Bibliographie

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