Acceso Energía Especial 13

OMBUDSMAN

ENERGÍA MÉXICO Edición especial mensual No. 13 | Noviembre de 2018

• El costo real de usar la leña en la cocina • Estufas eléctricas para la cocción de alimentos

Eficiencia y competencia de la energía en la cocina

Sobre el autor

Ing. Adrián Morales Ríos Ingeniero Químico Industrial por la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas del Instituto Politécnico Nacional. Sus líneas de especialidad se orientan al área química en general, con particular énfasis en la prospección del sector petroquímico.

Ha formado parte de diversos proyectos de investigación en los que ha colaborado con instituciones como el Instituto Politécnico Nacional, el Centro de Investigación en Química Aplicada, el Instituto Mexicano del Petróleo y el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey.

Adicionalmente, se ha desempeñado en el sector privado, participando en desarrollos dedicados a la producción de lubricantes industriales, así como la vinculación con la Organización No Gubernamental, Ombudsman Energía México, donde contribuye con diferentes actividades referentes al sector energético mexicano.

ACCESO ENERGÍA. EDICIÓN MENSUAL. Año 2, No 13. Noviembre 2018, es una publicación mensual editada por Ombudsman Energía México, A.C., calle Río Rhin, 77, Piso 2, Oficina 2, Col. Cuauhtémoc, Alcaldía Cuauhtémoc, C.P. 06500,Tel. (55) 5566 1987 contacto@oem.org.mx. www.oem.org.mx. Editor responsable: Edgar López Satow. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo:“en trámite”, otorgado por el Instituto Nacional de Derecho de Autor, ISSN: “en trámite”. Responsable de la última actualización de este número, Diseño Web María Fernanda Ortiz León. Calle Río Rhin, 77, Piso 2, Oficina 2, Col. Cuauhtémoc, Alcaldía Cuauhtémoc, C.P. 06500. Fecha de última modificación 15 de noviembre de 2018.

Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura de Ombudsman Energía México, A.C. Queda prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización de Ombudsman Energía México, A.C. Acceso Energía Edición especial mensual No. 13 | Noviembre de 2018

Eficiencia y competencia de la energía El tema del cambio climático y las consecuencias que produce en la vida de los seres humanos ha generado una consciencia a nivel mundial sobre el uso de la energía. La tendencia hacia el aprovechamiento de energías limpias es cada vez más clara y los cambios en los patrones de consumo se han hecho presentes en el mundo.

El desarrollo del auto eléctrico es una clara muestra de las prospecciones que se tienen, su crecimiento se ha intensificado y cada día es mayor su rendimiento. Pero no es el único ámbito, hoy en día, podemos encontrar en las viviendas calentadores térmicosolares, paneles fotovoltaicos para abastecer el consumo del hogar y, también, en la cocción de los alimentos por medio de estufas eléctricas.

Las estufas eléctricas no son un concepto nuevo, su desarrollo y primeros usos se remontan a finales del siglo 1.Cálculo general XIX y principios del siglo XX. Sin embargo, no han sido tan populares en comparación con los costos de la leña, el carbón o el gas. En los últimos años, ha crecido la eficiencia de las estufas eléctricas y sus ventajas en términos de Esta comparación de competitividad entre tecnologías para la cocina debe iniciar con la selección de una unidad de disminución de riesgos a la salud y accidentes. medición estándar para las diferentes fuentes energéticas Sin embargo, entre las dudas más frecuentes, se cuestiona si a comparar. Este proceso de medición permitirá vincular el rendimiento de la electricidad en el hogar en realidad es los conceptos abstractos, como unidades de calor, con factible o si, comparado con los costos de cocinar con leña, indicadores empíricos como lo es el uso de la energía en gas LP y gas natural es competitivo o si las externalidades a los procesos de preparación de alimentos en las cocinas. corto y largo plazo tienen efectos que sobrepasen sus ventajas. La pregunta, en este contexto, es ¿el uso de Con esto en mente, diseñamos un instrumento de una estufa eléctrica como reemplazo de los equipos medición básico para el registro de los datos cuantitativos convencionales es competitivo en la cocina? Para dar partiendo de la pregunta: ¿Cuánta energía es necesaria respuesta a esta pregunta, se compararán las estufas para llevar a un litro de agua a temperatura ambiente eléctricas frente al uso de la leña y las estufas convencionales hasta su temperatura de ebullición? Para ello se realizará un cálculo general de poder calorífico, eficiencias y precios que utilizan gas LP y gas natural. para comparar las diferentes fuentes de energía en las cocinas.

“La tendencia hacia el aprovechamiento de energías limpias es cada vez más clara y los cambios en los patrones de consumo se han hecho presentes en el mundo”

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Para comenzar, es necesario recordar la ecuación termodinámica que nos dicta lo siguiente:

“Para poder comparar la competitividad de las diferentes fuentes de energía utilizadas para la preparación de alimentos en la cocina es necesario conocer los datos de poder calorífico de cada una de las sustancias”

Donde: Q = Energía para realizar el proceso m = Masa de la sustancia a ser calentada Ce = Calor específico de la sustancia a ser calentada Tf = Temperatura final de la sustancia, Ti = Temperatura inicial de la sustancia Esta ecuación nos describe justamente la energía necesaria para que un cuerpo cambie su temperatura, para este caso la temperatura final (Tf) será el punto de ebullición y la temperatura inicial (Ti) la temperatura ambiente. Para el desarrollo del problema, utilizaremos los valores del agua a las condiciones de la Ciudad de México.

Un litro de agua en la Ciudad de México tiene las siguientes propiedades: V = Volumen = 1L p = densidad = 997 kg/m3 Ce = 4,180 j/kg·K = 1cal/g·°C Tebullición = 368.15 K = 95 °C Tambiente = 298.15 K = 25 °C Sustituyendo la información anterior en la ecuación termodinámica, tenemos que:

Aplicando esta ecuación, obtenemos el valor de la energía en joules que, con ayuda de las equivalencias transformamos a esta cifra a kJ, kcal, BTU y kWh, esto debido a que serán las unidades que utilizaremos en los siguientes cálculos, donde: Q= 291.7 kJ Q= 69.72 kcal Q= 276.5 BTU Q= 0.0810 kWh Ahora bien, para poder comparar la competitividad de las diferentes fuentes de energía utilizadas para la preparación de alimentos en la cocina es necesario conocer los datos de poder calorífico de cada una de las sustancias, sus eficiencias, así como de los precios de adquisición y asociados para cada unidad de energía utilizada para hervir un litro de agua.

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2. Leña Históricamente la biomasa ha sido una de las fuentes de energía más accesible a las civilizaciones y la leña representa una parte importante de la participación energética mundial.

En México, particularmente, la leña juega un papel importante dentro del consumo y producción de energéticos primarios. De acuerdo con las series estadísticas de la Secretaría de Energía, la cantidad de leña producida en el país se ha mantenido prácticamente constante.

Tomando como ejemplo el año 2016, último año reportado, el consumo de leña con fines energéticos, fue de 252 PJ, cifra que representó el 3.3% del total de energéticos primarios producidos en México ese año. Dicha cantidad parece no ser significativa, sin embargo, cuando la comparamos con las magnitudes de otros energéticos como la energía solar o la eólica, podemos observar el impacto que representa, ya que la energía producida por estos medios solo representó el 0.1% y 0.5% del total de energéticos primarios respectivamente.

En ese año, la leña constituyó el cuarto energético primario más producido en México, solo después del petróleo, el gas natural y el carbón mineral.

Toda la leña producida fue consumida en el sector residencial y representa el 25% del consumo doméstico total.

De ahí la importancia de esta fuente de energía para la generación de calor interior, calentamiento de agua doméstica y el uso en la cocina.

La biomasa, al igual que otras fuentes de energía, tiene una capacidad calorífica diferente dependiendo de su tipo. En la tabla 1, podemos observar los poderes caloríficos de diferentes tipos de madera utilizadas como leña.

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Tabla 1. Poder calorífico de diferentes tipos de madera.

Tipo de leña

Capacidad calorífica en 1 Kg KCal

KJoule

KWh

Picea

3,900

16,250

4.5

Pino

3,800

15,800

4.4

Abedul

3,750

15,500

4.3

Roble

3,600

15,100

4.2

Haya

3,450

14,400

4.0

En México, en 2016, el consumo de leña con fines energéticos fue de 252 PJ y representó el 25% del consumo doméstico Para calcular la cantidad necesaria de leña para poder hervir un litro de agua, debemos tomar en cuenta la eficiencia que presenta el uso de leña en un hornillas y estufas de leña. Esto porque la quema de leña de pino no convierte y transmite la energía al 100%.

De acuerdo con estudios realizados en Latinoamérica, la eficiencia ronda en 10%, valor que varía de acuerdo con las condiciones de la madera, el tipo de horno o estufa utilizados, la cantidad de fogones, entre otras. Tomando en cuenta estas consideraciones la cantidad de leña se calcula de la siguiente manera.

Ahora bien, de acuerdo con el reporte de “Precios de productos forestales maderables” emitido en el 2017 por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y la Comisión Nacional Forestal (CONAFOR), el costo promedio de leña de pino es de alrededor de 1.04 pesos por kilogramo.

Con dicha información procedemos a calcular el costo por hervir un litro de agua.

Es importante mencionar que, a pesar de que podemos extraer un costo de referencia para el uso de la leña en los hogares, la mayoría de los hogares que dependen de su uso y que utilizan esta fuente de energía como un consumible habitual, obtienen la leña de la recolección, por lo que el costo de consumo en el corto plazo es nulo.

ponerla a secar; segundo, cuando esto representa una labor se generan mercados informales que incentivan la tala ilegal, aunque puede representa un costo más bajo al usuario, pero uno más alto al medio ambiente.

Un tercer costo es el que deriva de las repercusiones que presenta su uso en lo hogares, principalmente aquellos No obstante, es posible introducir costos indirectos con poca ventilación donde se presenta la contaminación adicionales a corto, mediano y largo plazo. El primero de aire interior que genera riesgos a la salud tales como es un costo de oportunidad pues se requiere dedicar infecciones respiratorias, bronquitis, trastornos perinatales, un tiempo a recolectar leña y, en el mejor de los casos, cáncer e incluso la muerte.

“Aunque los costos de la leña podrían parecer nulos en el corto plazo, los costos indirectos en el mediano y largo plazo son considerables”

3. Gas LP El gas LP, conocido formalmente como gas licuado de petróleo, es un energético secundario obtenido a partir del procesamiento del gas natural y de la refinación del petróleo crudo. Es una mezcla gaseosa que se conforma principalmente de propano y butano con composiciones que van desde 60/40 a 90/10 respectivamente. Esta mezcla gaseosa es licuada, es decir, es comprimida hasta ser líquida, lo cual facilita su transporte y distribución.

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En México, el gas LP es el quinto energético secundario más consumido, con más del 8.6% del total, donde más del 70% fueron consumidos en el sector residencial, comercial y público. Consecuentemente, la mayor parte de las cocinas mexicanas utilizan esta fuente de energía en composición 60/40 y se pueden aplicar las mismas fórmulas que en el caso de la leña.

No obstante, para realizar el cálculo y conocer cuanto gas LP en composición 60/40 se requiere para pasar un litro de agua a temperatura ambiente hasta su punto de ebullición, requerimos conocer el poder calorífico de éste.

En la tabla 2, se puede observar que el poder calorífico del gas LP es de 25,980 BTU por litro aproximadamente.

Tabla 2. Poder calorífico del gas LP Gas LP 60/40 Composición 60% Propano (C3H8) 40% Butano (C4H10) Conversiones L = Litro de gas LP m3 = Metros cúbicos de gas LP Características físicas 1 m3 de gas LP = 3.66 L de gas LP 1 L de gas LP = 25,980 BTU 1 m3 de gas LP = 95,086 BTU Eficiencia de combustión En quemador = 89% - 96% Entonces, procedemos al cálculo de la cantidad necesaria de gas LP para poder hervir un litro de agua. Al igual que con la leña, necesitamos considerar la eficiencia de combustión que se tiene en un quemador, de acuerdo con la tabla 2 la eficiencia puede ir de los 89 a los 96% dependiendo de la carburación del quemador. Para este ejercicio tomaremos el valor de 89%, considerando que la mayoría de los hogares no carburan sus estufas.

La mayoría de las cocinas mexicanas utilizan gas LP Por su facilidad de transportar tiene cobertura en todo el país, pero, cabe destacar que, los precios del Gas LP varían por región geográfica y ha sido uno de los mercados más difíciles de regular por las altas concentraciones entre las empresas que participan y que constituyen un oligopolio, lo que produce distorsiones de precio que terminan afectando a los consumidores. Por otro lado, se debe considerar que al ser más pesado que aire, las fugas de este combustible traen consigo la posibilidad de accidentes de alto riesgo.

4. Gas Natural El gas natural es una mezcla gaseosa compuesta por varios hidrocarburos. Sin embargo, el gas natural comercial es un energético secundario compuesto prácticamente en su El siguiente paso es determinar su costo. Conforme con la totalidad por metano que se conoce también, de acuerdo información presente en el sitio electrónico de la Comisión con la nomenclatura popularizada por PEMEX, como gas Reguladora de Energía (CRE), el precio del gas LP en la seco. En México, el gas natural es el cuarto energético Ciudad de México ronda en los $11.95 pesos por litro. Por secundario más consumido, solo después de las gasolinas, el diésel y la electricidad, y es uno de principales insumos lo cual, el costo por hervir un litro de agua sería: de los sectores transporte e industrial.

En 2016, el consumo de gas seco fue mayor a 700 PJ, no obstante, tan solo el 7% de este consumo fue requerido por el sector residencial, comercial y público. Conforme OMBUDSMAN ENERGÍA MÉXICO, AC.

a datos publicados por la Prospectiva de Gas Natural de la Secretaría de Energía (SENER), en el 2016 se tuvo una cobertura de tan solo 3.3 millones de usuarios a lo largo del país, de los cuales, la mayoría se encuentran en el norte.

Esto se debe principalmente a la falta de infraestructura para el transporte del gas natural y distribución de has natural.

El precio final del Gas Natural en México tiene tres componentes: el precio de la molécula del gas, la distribución y el servicio. La Comisión Reguladora de Energía en su sitio electrónico reporta los índices de referencia de precios de Gas Natural por cada región tarifaria. En la tabla 4 se reflejan los últimos valores de precios de este energético utilizando la Región V como referencia, la cual corresponde a la región donde se ubica la Ciudad de México. Para tener Para realizar el cálculo de nuestro instrumento de medición el resultado más apegado a la realidad, se utilizará el valor necesitamos el poder calorífico del gas natural para del precio de agosto (último dato reportado), así como la realizar el cálculo de cuantas unidades de este combustible paridad cambiaría de esa fecha. se requieren para pasar un litro de agua a temperatura Tabla 4. Índices de Referencia de Precios de ambiente hasta su punto de ebullición. En la tabla 3, se Gas Natural Region V (2018) puede observar que el poder calorífico del gas natural es de 35,500 BTU por m3.

Mes Índice Índice (USD/ Tipo de (MXN/GJ) MMBTU) cambio Tabla 3. Poder calorífico del gas natural Junio $73.5393 $4.1345 $18.8089 Julio $83.2018 $4.3220 $20.3105 Gas Natural Agosto $80.2310 $4.4279 $19.1171 Composición 100% Metano (CH4) Conversiones ft3 = Pie cúbico de gas natural m3 = Metros cúbicos de gas natural Características físicas 1 m3 de gas natural = 35.31 ft3 1 ft3 de gas natural = 1,000 BTU/ft3 1 m3 de gas natural = 35,310 BTU/m3 Eficiencia de combustión En quemador = 90% - 97% Entonces, procedemos al cálculo de la cantidad necesaria de gas natural para poder hervir un litro de agua. Al igual que con el gas LP, necesitamos considerar la eficiencia de combustión que se tiene en un quemador. De acuerdo con la tabla 3, la eficiencia puede ir de los 90 a los 97% dependiendo de la carburación del quemador. Para este ejercicio tomaremos el valor de 90%, considerando que la mayoría de los hogares no carburan sus estufas.

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Respecto a los otros dos costos y comercialización, éstos son tarifas reguladas por la citada Comisión. De acuerdo con las tarifas autorizadas para la zona geográfica de la Ciudad de México, el cargo de distribución es de $107.83 pesos por GJ; mientras que el de servicio es de 47.99 pesos al mes. Se realizan los cálculos considerando un consumo promedio de 30 m3 al mes, para determinar el precio por metro cúbico.

Con la cantidad de energía que se requiere para hervir el agua en m3 y el costo del gas natural nivelado en m3 es posible determinar el costo de pasar 1 litro de agua a temperatura ambiente hasta su punto de ebullición:

El gas natural es un combustible muy eficiente pero no se encuentra disponible en todo el país por sus altos costos de infraestructura. Es por ello que el modelo para incrementar la cobertura en México ha dependido de las inversiones de las empresas comercializadoras y que se recupera por medio de tarifas reguladas establecidas por la Comisión Reguladora de Energía. Aunque el costo de la molécula es muy bajo en comparación con otros combustibles, es por los costos en las tarifas que este combustible pierde competitividad.

“El gas natural es un combustible muy eficiente pero no se encuentra disponible en todo el país por sus altos costos de infraestructura” OMBUDSMAN ENERGÍA MÉXICO, AC.

5. Electricidad La electricidad se ha convertido en la forma de entrega de energía predilecta estandarizando productos y procesos que requerían otras fuentes de energía a la practicidad del uso de la electricidad, tales como autos, hornos y estufas. Se posiciona solo después de las gasolinas y el diésel dentro de los energéticos secundarios más consumidos a nivel nacional. En 2016, representó casi el 19% del consumo energético final con 936 PJ. Cabe destacar que tan solo un tercio de la electricidad fue destinada al sector residencial, comercial y público, ya que el mayor consumidor de este servicio es el sector industrial.

La gran ventaja de la electricidad frente a otras fuentes de energía es su cobertura ya que en nuestro país el 99.7% de la población tiene acceso a electricidad, lo cual ha favorecido la transición hacia el uso de este energético.

Continuando con el ejercicio planteado, observaremos si el uso de energía eléctrica en la cocina es algo conveniente, comparado con las otras fuentes analizadas.

En la tabla 5, podemos observar los requerimientos eléctricos de una estufa de inducción típica, lo que nos permite inferir la cantidad de energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de una estufa comercial promedio en el mercado.

Tabla 5. Requerimientos eléctricos de una estufa de inducción Característica Tensión (60hz) Carga máxima Consumo eléctrico Quemadores Rango

Modelo 1 Modelo 2 220V 240V 8kW 9.5kW 36 Amps 39.6 Amps 5 5 120-2200 W 120-2500 W

ser al alza a la par que se eliminan progresivamente los subsidios, o a la baja si empiezan a introducirse eficiencias y otros efectos positivos de la competencia.

Otro elemento que considerar es el precio utilizado, ya que se basa en la tarifa doméstica que no ha cambiado desde antes de la reforma energética y que tiene un tope que va de los 37.5 kWh al mes y los 150 kWh dependiendo de la región y las temporadas de verano. Después de pasar esos consumos básicos los precios incrementan hasta llegar a la temida tarifa doméstica de alto consumo (DAC), por lo que un mal uso de este tipo de aplicaciones puede ocasionar que el precio sea más alto.

Para el caso del experimento, utilizaremos el valor de 2,200 W del modelo 1 en el quemador que utiliza mayor potencia para hervir el agua. Con base en este dato, Tampoco se considera que la generación distribuida y el podemos calcular el tiempo que tardaríamos en hervir el almacenamiento pueden hacer atractivo a este tipo de litro de agua. enseres domésticos en un futuro, o el cambio tecnológico que podría aumentar la eficiencia de las cocinas eléctricas y mejorar los precios en comparación con los otros combustibles.

Conclusiones Este cálculo solo es necesario para conocer el tiempo que le tomaría a esta estufa el hervir un litro de agua.

Dependiendo de la estufa que se utilizara, el tiempo de hervor es lo que variaría, ya que en realidad la cantidad de energía que requiere el litro de agua es la misma.

Por lo cual, para calcular el costo de la energía necesaria utilizaremos el dato calculado desde el principio: Q = 0.081 kWh Acorde a los datos reportados en la página de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), un consumidor básico, debe pagar 0.793 pesos por Kilowatt-hora. Consecuentemente, el precio por hervir un litro de agua sería el siguiente:

En el transcurso de este documento se desarrolló un instrumento de medición para comparar los diferentes tipos de combustibles utilizados en la cocina. Las mediciones obtenidas permiten contrastar el poder calorífico, la eficiencia y los costos de la leña de pino, el gas LP 60/40, el gas natural y la electricidad para la zona de la Ciudad de México utilizando como muestra de estudio el pasar un litro de agua a temperatura ambiente hasta su punto de ebullición. En la tabla 6 podemos ver un resumen de los resultados:

Tabla 6. Comparativa de costo de energéticos en la cocina* Fuente de energía Leña

Costo (Pesos) $0.19

Impacto ambiental Alto

Impacto a la salud Alto

Cobertura nacional Alta

Gas LP $0.14 Alto Alto Alta Gas Natural $0.069 Bajo Bajo Bajo Electricidad $0.064 Bajo Bajo Alta *Comparativo de costos basado en hervir un litro de agua en la Ciudad de México

El costo de hervir agua a través de estufas eléctricas es competitivo, además de otros beneficios asociados al uso de la electricidad. Sin embargo, deben tenerse presente un par de elementos. En primero que el Mercado Eléctrico de México se encuentra en un proceso de liberalización, por Claramente podemos observar que el uso de leña tiene lo que la estructura de costos podría cambiar. Esto podría un alto impacto ambiental y en la salud, por lo que, incluso Acceso Energía Edición especial mensual No. 13 | Noviembre de 2018

si el costo de uso fuera cero y su disponibilidad abundante, tendrá impactos en el corto, largo y mediano plazo que distorsionan la realidad del uso de la leña doméstica y que debe atenderse.

Por su parte, el costo del Gas LP es casi el doble comparado con el uso de gas natural. Electricidad. Aun siendo la opción preferida por los hogares mexicanos resulta ser más costoso y con altos impactos ambientales y altos riesgos a la salud.

Sin embargo, sigue siendo un combustible muy popular por su cobertura y facilidad de transporte, al grado que se ha implementado su venta en supermercados, estaciones de servicio y centros de Liconsa y Diconsa.

Por último, la estufa eléctrica tiene el costo más bajo,, aunque muy cercano al gas natural. La ventaja es que su uso no ocasiona emisiones directas, aunque sí indirectas en la producción de electricidad. El área de oportunidad, sin embargo, lo representa la transición a energías renovables como la generación solar y el almacenamiento. Esto podría, incluso, generar menores costos con el avance del mercado, las tecnologías de generación y nuevos modelos de estufas eléctricas más eficientes. Además de que la cobertura en el país es de casi el 100% por lo que se evita mayor gasto en infraestructura. Hay que pensar, sin embargo, que la adopción de esta tecnología requiere mayor control en los patrones de consumo y una matriz energética más limpia.

Considerando al gas natural, su costo es 50% menor al gas LP, tiene un impacto mucho menor en los riesgos a la salud y accidentes, aunque las emisiones fugitivas del metano agravan el fenómeno del cambio climático. El gran reto para el gas natural es su poca cobertura nacional y los altos costos asociados a esta cobertura, que genera monopolios naturales que suelen ser difíciles de regular.

Además, es importante considerar el hecho de que en México se importa más del 70% de este combustible.

A guisa de conclusión, se apunta que no es una decisión sencilla de tomar, ya que existen diferentes circunstancias que harán más favorable una opción sobre otra, dependiendo de las condiciones del mercado, de la zona donde se ubique la vivienda, el riesgo que conllevan ciertos energéticos, entre otras; pero claramente podemos observar que si el panorama cambia favorablemente para las energías renovables, su uso será más eficiente que el del gas LP y el gas natural.

“Podemos observar que si el panorama cambia favorablemente para las energías renovables, su uso será más eficiente que el del gas LP y el gas natural”

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Bibliografía

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