MOD 3. Renovables 2

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PROYECTO MONTE VERDE RESERVADO - TUNJA, BOYACÁ Jennifer Astrid Capera y Jorge Alejandro Noreña Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca Especialización Edificación Sostenible Facultad de Ingeniería y Arquitectura – Seminario de Sostenibilidad Actividad 8,5 – Cálculo de Alternativas Energéticas A partir de la información suministrada del proyecto de vivienda de interés social Monte Verde localizado en la ciudad de Tunja, se desarrollaron los conceptos referentes al uso y eficiencia de alternativas energéticas no convencionales; con base en lo anterior se plantean dos propuestas de generación de energía correspondientes a la implementación de aerogeneradores eólicos y paneles fotovoltaicos, obteniendo así los resultados para el establecimiento de un marco comparativo de las dos tecnologías, pudiendo así generar criterios de selección de la opción de mayor viabilidad técnica y económica tanto para el proyecto como para el constructor.

En este sentido, el análisis a realizar verificará la disponibilidad, uso e implementación de este tipo de generación de energías no convencional en el país usando como referencia el documento de INTEGRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES EN VIVIENDAS DE BOGOTÁ COLOMBIA (Ballen Zamora, Perea Duque, Serrano Santiago, García & Camargo García, 2018a), así como el documento EDIFICIOS DE ENERGÍA CASI NULA UTILIZANDO RECURSOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA (SOLAR, EÓLICA Y BIOMASA) Y MICROREDES INTELIGENTES (López Rodríguez et al., 2018)

De acuerdo con el primer artículo anteriormente referido se evidencia la situación actual de los proyectos de vivienda en la ciudad de Bogotá y el proceso de transición a nuevas formas de habitar el territorio, de correlacionarnos con el mundo y los ecosistemas. Es así como surge la imperiosa necesidad de implementar una normativa clara y específica para los proyectos de orden sostenible, haciendo que dichas iniciativas dejen de ser un simple “lujo” o “novedad”, y se conviertan en la forma más común de construir dentro del territorio nacional, para de esta forma iniciar con la reducción en la demanda de energías convencionales y combustibles fósiles derivados del carbono al menos desde el ámbito de las edificaciones.

Es así como en nuestro panorama actual se requiere, de una iniciativa de orden gubernamental que incentive el desarrollo de una industria nacional de tecnologías no convencionales y paralelamente una estrategia de celeridad en la implementación de políticas públicas para evitar que ocurra lo sucedido con la Ley 1715 del 2014 que demoró 4 años en terminar de ser reglamentada con el Decreto 570 de 2018 brindando así viabilidad a los proyectos de más respetuosos de la naturaleza en el territorio nacional. Sólo así será posible implementar de


manera extensiva la sostenibilidad dentro de los proyectos de construcción para dar cumplimiento a los objetivos de la Agenda 2030 en Colombia.

Por otra parte resultó evidente la oportunidad presente en descentralizar el acceso a la energía, su respectiva producción y distribución en los centros urbanos ya que, las enormes infraestructuras de producción, almacenamiento y transporte de fuentes de energía convencionales redundan en millonarias inversiones, así como pérdidas significativas por transporte hasta su destino final de utilización (por tanto resulta crítico que en la inmensa mayoría de los casos, las centrales hidroeléctricas, nucleares, mareomotrices o eólicas se encuentren a muchos kilómetros de la distancia final de destino). Es así como surge el concepto de las llamadas “islas” (zonas capaces de autosostenerse, bien sea por falta de conectividad, o por el deseo individual de producir la energía que se consuma), las cuales suelen proveerse de varios tipos de sistemas en simultáneo.

Lo anterior sirve como marco de referencia para la formulación y diversificación de estrategias que funcionen de manera conjunta la cual se sintoniza con los preceptos de las edificaciones “Net Zero” o “EEN” (Edificios de Energía casi Nula) que propenden por tener autonomía en su operación sin la necesidad de depender de la red pública, reduciendo casi en su totalidad las emisiones por consumo energético. También es posible (bajo esta metodología) la implementación de “Microredes” que sean capaces de autoabastecerse y dar solución a la demanda energética de una agrupación pequeña de edificaciones. Por esta razón, la diversificación de estrategias para el suministro energético resulta vital para reducir el factor de incertidumbre en tanto a las caídas energéticas, cortes o apagones por agentes externos. Es así como López Rodríguez, Ayuga Tellez, Juncá Ubierna, Soriano Baeza y García Sanz Calcedo (2018) presentan un esquema de producción energética distribuida que ejemplifica de manera sencilla cómo realizar dicho proceso:

Fuente:(López Rodríguez, Ayuga Tellez, Juncá Ubierna, Soriano Baeza & García Sanz Calcedo, 2018)


El ejemplo presenta un esquema en el que coexisten diversos recursos de generación de energía, que alimentan un pequeño núcleo de regulación centralizado el cual equilibra las cargas de todos equipos y los redistribuye de manera homogénea, (o con diferentes niveles de intensidad dependiendo del requerimiento), hacia baterías de almacenamiento y acumuladores, o en su defecto retornarlos a la red eléctrica local por medio de un contador bidireccional (el cual permite generar el balance entre consumo y generación).

Finalmente establece la diferencia entre los diferentes esquemas en los que se dividen la mayoría de microrredes al rededor del mundo las cuales se enumeran a continuación: ●

Microred fuera de la red: Islas y sitios remotos donde el servicio público no alcanza a suplir las necesidades.

Microredes del campus: Son aquellas que se encuentran conectadas al suministro público pero que, en caso de cortes, pueden suplir su demanda temporalmente por autogeneración de energía.

Microredes comunitarias: Son redes integradas de servicio público que solventan la demanda de una comunidad o agrupación de edificaciones (son aquellas que por sus características no pueden detener su funcionamiento como centros de operación, hospitales, penitenciarías... etc)

Microredes de energía del distrito: Aquella que proporciona energía para múltiples edificaciones y/o dependencias de una pequeña agrupación.

Nanogrids: Son aquellas unidades independientes (edificaciones o dominios de consumo energético) que tienen la “capacidad de operar de manera independiente” sin la necesidad de depender del servicio público. Por tanto, son aquellas que requieren de un mejor ejercicio de cuantificación de cargas, flujos y demandas para garantizar una óptima calidad en el servicio.

Lo anterior resulta pertinente pues el presente caso de estudio para la ciudad de Tunja se sintoniza principalmente con los preceptos de las”Microredes de Campus” y las “Nanogrids”, pues propenderá por generar su propia autonomía energética (en la mayor medida posible) manteniendo su conexión con las redes públicas de la ciudad, sin desconocer que, los elevados costos de implementación que pueden redundar en sólo dar respuesta a la demanda una pequeña porción del total requerida (bien sea el cumplimiento de la RES 549/2015 y al consumo de zonas comunes).


1

Objetivo 1. Determinar la propuesta más adecuada de energía alternativa no convencional para el proyecto VIS, conforme los criterios técnicos y económicos. 2. Evaluar el ahorro energético de la propuesta seleccionada de acuerdo con la Resolución 549-2015 para proyectos de vivienda VIS en climas fríos. 3. Determinar el tiempo del retorno de la inversión

2 2.1

Definición de las características de la ubicación del proyecto Ubicación del proyecto:

El proyecto, se encuentra ubicado en el Municipio de Tunja, Boyacá en la zona de clasificación bioclimática “Clima Frío”. 2.2

Características climáticas A partir de la información de las condiciones climáticas de la zona y con base en el atlas

de Radiación Solar y de viento del IDEAM, se determinó la velocidad del viento y la radiación solar media incidente en la ciudad de Tunja.

Ilustración 1ATLAS virtual IDEAM, velocidad del viento y radiación solar del Municipio de Tunja, Boyacá.

Fuente: (IDEAM, s.f.)

De acuerdo con la información de la Ilustración 2, se determinó que para la zona del proyecto se tiene una incidencia de viento promedio de entre 4-5 m/s y una radiación solar promedio de 4.5-5 KWh/m2, siendo estas variables climáticas óptimas para el potencial de aprovechamiento energético.

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Cálculo de la Demanda Energética del Proyecto Se realizó una cuantificación de la demanda energética del proyecto, para un área total

construida de 13.309 m2 de acuerdo a los planos constructivos, a partir de esta información se realizó el cálculo de la demanda energética diaria y mensual; se tomó como referencia de cálculo un apartamento tipo de 58.30m2, obteniendo así el estimativo del consumo de energía total para


el proyecto, que corresponde a 36.710,96 Kwh/mes, y el respectivo consumo para dar cumplimiento al 10% de acuerdo con la resolución 549 de 2015 correspondiente a 44.664,85 Kwh/año.

Ilustración 1 Cálculos de la energía requerida para el proyecto Fuente: Elaboración propia

4 4.1

Propuestas para la generación de energía no convencional Implementación de aerogeneradores eólicos De acuerdo con el documento de la UPME, la energía eólica, es hoy una fuente moderna

de obtención de energía; a pesar de que Colombia no se encuentra entre los países más destacados por su uso dentro de Latinoamérica, este panorama ha ido cambiando conforme el avanza tiempo y su respectivo desarrollo tecnológico, pues se ha evidenciado el potencial eólico en varias regiones del País, sobre todo en la región norte.

Las regiones como la Guajira y la Costa Caribe presentan las velocidades más predominantes de vientos en el territorio, sin embargo, el departamento de Boyacá presenta un potencial eólico de 1.000 MW, lo cual representa varias ventajas, sumadas al estado de avance de la tecnología asociada con la generación eólica y su reducción de costos en términos de kWh generado. Lo anterior reviste especial importancia pues significa que puede ser aprovechado este recurso inagotable que se encuentra disponible en la región de implantación del proyecto, y el cual pese a su costo, al no contar con un proveedor nacional, representa una buena alternativa para la generación de energía necesaria para suplir la demanda energética de las áreas comunes del proyecto. (UPME, 2015) La primera propuesta, toma como referente al aerogenerador Wind13+ de la compañía española Bornay, el cual cuenta con acreditaciones tales como 91/368/CEE y UNE-EN-61400-2 y su respectiva ficha de autodeclaración ambiental de producto (ver anexo 01).


Ilustración 2 aerogenerador Wind13+ de la compañía española Bornay

Fuente: (BORNAY, s.f.)

A continuación, se presentan las variables y ecuaciones necesarias para el predimensionamiento de los aerogeneradores, su cálculo se relaciona a continuación:

Ilustración 3 Cálculos de Potencia eólica útil, energía producida y número de aerogeneradores requeridos Fuente: Elaboración propia

A partir de los cálculos descritos en la Ilustración 3, se obtiene que, para suplir en un 100% la demanda energética requerida para el proyecto habría que implementar un total de 96 unidades de aerogeneradores, sin embargo, para dar cumplimiento a los requisitos mínimos de la normatividad vigente colombiana de acuerdo con la Resolución 549/2015 con un total de reducción de 10% del consumo energético, se requeriría la instalación y puesta en funcionamiento de 10 unidades de aerogeneradores; así mismo para dar cobertura a la demanda de únicamente las zonas comunes correspondientes a un 13.6% del total de área construida habría que implementar 13 unidades.


Conforme al número de unidades calculadas y requeridas para cumplir con la reducción de la demanda energética, se deben considerar los siguientes costos asociados en el siguiente cuadro:

RESUMEN DE COSTOS DEMANDA PARA SOLVENTAR DEMANDA 100% DEMANDA 10% RES 549/2015 DEMANDA 13,6% CONSUMO ZONAS COMUNES

AEROGENERADORES PRECIO ($ COP) 9,610.786.589 976.943.970,7 1.328.643.800

Tabla 1 Resumen costos de las unidades de aerogeneradores Fuente: Elaboración propia

4.1.1

Esquema Gráfico de Instalación Aerogeneradores Se plantea la implementación de los aerogeneradores aprovechando la cubierta de una

única torre (torre1 etapa 1) y orientándolos hacia el sur, favoreciendo los vientos predominantes del 37% según la rosa de vientos de la ciudad.

Ilustración 4 Implantación de las unidades de aerogeneradores sobre la cubierta de las torres. Fuente: Elaboración propia sobre planimetría del proyecto

Si bien las torres se disponen de tal forma que aprovechan en su sentido longitudinal la incidencia del sol, desfavorecen la incidencia de los vientos pues sus caras más cortas y herméticas son las que reciben el mayor impacto del viento, por tanto, no es la disposición más idónea para los aerogeneradores.

4.2

Implementación de paneles fotovoltaicos:


Revisando la alternativa de la integración de la energía solar fotovoltaica para el proyecto se evidenció un estado de oportunidad de esta dentro del territorio nacional basados en el libro de la UPME de INTEGRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES. Allí se describe cómo el creciente aporte de alternativa en términos de “los precios reales en el mercado internacional, los costos de producción y los precios de la tecnología solar FV han decrecido de manera considerable en los últimos 10 años y más drásticamente en los últimos 4 años” (UPME, 2015). Así mismo, se evidencia que el país cuenta con “una radiación promedio de 4,5 kwh/m2/d, la cual supera el promedio mundial de 3,9 kwh/m2/d, y está muy por encima del promedio recibido en Alemania (3,0 kwh/m2/d) país que hace mayor uso de la energía FV a nivel mundial” (UPME, 2015) es así como nuestro país se posiciona favorablemente para la implementación del sistema y para este caso en particular la ciudad de Tunja, Boyacá (4,5-5 kwh/m2/d). Como segunda propuesta, se planteó el uso de paneles debido a su disponibilidad a nivel nacional, siendo una propuesta eficiente, duradera y económica, además de no representar un riesgo para las aves migratorias de la región (en comparación con la primera propuesta).

Se realizó el cálculo de acuerdo a las especificaciones técnicas del Panel Solar-GCL-GCL M6/60H-MONO CRYSTALLINE MODULE 310W de la compañía Jinko Solar, el cual cuenta con un proveedor local en Colombia, además de contar con la autodeclaración ambiental de producto y de cumplimiento de las normas (ISO9001:2008, ISO14001:2004, OHSAS18001, IEC61215 y IEC61730). (ver anexo 2)

Ilustración 5: Panel Solar-GCL-GCL M6/60H-MONO CRYSTALLINE MODULE 310W Fuente: Jinko Solar


Los cálculos realizados para esta propuesta se relacionan a continuación:

Ilustración 6 Cálculos de Potencia de salida de panel, energía producida y número de paneles por torre requeridos y potencia a la salida del generador. Fuente: Elaboración propia

Con respecto a los cálculos realizados de acuerdo con la ilustración 6, para cumplir con la demanda energética del proyecto en un 100% mediante paneles fotovoltaicos de 310W se determinó que habría que implementar un total de 1039 unidades, 104 para dar cumplimiento a los requerimientos de la Resolución 549-2015 y 185 para dar cobertura a la demanda de solo las zonas comunes, de acuerdo a lo anterior se generó la tabla de costos que se muestra a continuación:

DEMANDA A SOLVENTAR

PANELES FOTOVOLTÁICOS PRECIO ($ COP)

DEMANDA 100% DEMANDA 10% RES 549/2015 DEMANDA 13,6% CONSUMO ZONAS COMUNES

568.511.838 74.876.099,6 117.778.609,7

Tabla 2 Resumen costos de las unidades de aerogeneradores Fuente: Elaboración propia

4.2.1

Esquema Gráfico de Instalación Paneles Fotovoltaicos Para la instalación en las cubiertas de las torres, se propone colocar 15 paneles por torre,

para lo cual se consideró la orientación del sol para aprovechar el sentido longitudinal de los equipos sobre la trayectoria predominante del sol y de esta forma maximizar su potencial de


captación; así mismo se evitó colocar equipos cercanos a los dos volúmenes que alojan los medidores de gas para evitar posibles incidencias de sombra sobre los mismos, como se observa en la imagen a continuación.

Ilustración 7 Implantación de los paneles fotovoltaicos sobre la cubierta de las torres Fuente: Elaboración propia sobre planimetría del proyecto

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Análisis de la propuesta seleccionada: A partir de la estructuración de la matriz de decisión multicriterio, se establecieron

parámetros de carácter económicos, técnicos, ambientales y del entorno, con el objeto de analizar y determinar cuál es la alternativa más viable para la generación de energía no convencional, entre las siguientes propuestas: implementación de aerogeneradores eólicos e implementación de paneles fotovoltaicos.

Para la definición de los criterios se determinaron los siguientes rangos y condiciones de evaluación. Criterios De Evaluación Costo consumo energía 10% <= $22.644.945

Garantía > 5 años Reciclabilidad > 50% Niveles de emisión de ruido 50-65 dβ Afectación a la migración de aves Demanda energética = 44664,85> KWH-Año Número de unidades requeridas para cumplir la Resolución 549-15

Tasa interna de retorno TIR

Alternativa 1 $ 100,471,427 3 años SI NO SI SI 10

Alternativa 2 $ 74,876,100 10 años SI NO NO SI 104

No alcanza el retorno de la inversión al año 20

45.33%

Tabla 3 Criterios de decisión matriz multicriterio. Fuente: Elaboración propia

En cuanto al criterio de costos se estableció como rango de medición el valor asociado al precio del Kw/h suministrado por la Empresa de energía de Boyacá para suplir el consumo de energía de acuerdo a la resolución 549 de 2015 que corresponde al 10% de la demanda energética del proyecto, que equivale a una demanda de 44.664,85 Kw/h-año para un costo total de $22.644.945; la garantía de los equipos se considera a partir de la información contenida en las


fichas técnicas suministradas por el fabricante teniendo como referencia que un periodo de 5 años garantiza un tiempo prudente para la detección de fallas en los generadores.

Respecto a la reciclabilidad se estableció como criterio fundamentado a partir de la capacidad de reintegración de los materiales que componen las unidades generadoras en el ciclo de vida productivo mayor a un 50%. Por otra parte, el criterio de afectación por ruido se toma como referencia a partir de los rangos máximos permitidos para zonas residenciales de acuerdo con la Resolución 627 del 2006 del MAVDT la cual sugiere 50dβ en el día y 60 dβ en horas de la noche; por lo tanto los equipos aerogeneradores de menor tamaño seleccionados para la alternativa presentan niveles de ruido de hasta 38 dβ a distancia mayores a los 500 metros y en distancias menores de 40-45 dβ, manteniéndose por debajo del rango máximo sugerido; finalmente en cuanto la afectación de las aves se determina este criterio debido a la cercanía de la zona transitoria migratoria ubicada en las reservas naturales El Malmo e Iguaque a la zona del proyecto. Por su parte se consideró como criterio de selección el número de unidades necesarias para suplir la demanda energética de acuerdo a la resolución 549 de 2015, teniendo en cuenta el costo por unidad, el transporte y el mantenimiento que se requiriere para garantizar la demanda energética de 44.664,85 Kw/h-año.

Por ultimo se considero como criterio de evaluación la Tasa Interna de Retorno TIR, en donde se contempló el uso de un crédito constructor de financiación para el 60% para la alternativa que involucra los paneles fotovoltaicos, con un Interés efectivo anual del 10% a un periodo de 5 años; para la alternativa de los aerogeneradores se contempló un crédito constructor para financiar el 60 % de la inversión con un intereses efectivo anual del 10 % a un periodo de 20 años. Como resultado de lo anterior se obtiene una TIR del 45,33% para la alternativa de paneles fotovoltaicos, lo que representa una inversión atractiva donde se tiene un flujo de caja positivo a partir del primer año, puesto que el costo asociado a la demanda energética a suplir del 10% anual haría parte de los ingresos generados bajo esta estrategia y que compensaría los egresos.


MATRIZ MULTICRITERIO

Reciclabilidad > 50%

Niveles de emisión de ruido 50-65 dβ

Afectación a la migración de aves

Demanda energética = 44664,85> KWH-Año

5%

15%

15%

15%

10%

Número de unidades requeridas para cumplir la Resolucion 549-15 10%

0%

0%

15%

15%

0%

10%

20%

5%

15%

15%

15%

10%

Costo consumo energia 10% <= $22.644.945

Garantia > 5 años

20%

Ponderación alternativa optima Alternativa 1 aerogeneradores Alternativa 2 paneles fotovoltaicos

Tasa interna de retorno TIR

Promedio ponderado

10%

100%

10%

0%

50%

0%

10%

90%

Tabla 4 Matriz multicriterio para evaluación de propuestas Fuente: Elaboración Propia

En cuanto a la alternativa de los aerogeneradores, se tiene una inversión aproximada de un 5,6% frente al presupuesto total del proyecto, para esta alternativa en un periodo de 20 años no se recupera la inversión inicial y se presenta un flujo de caja negativo lo que hace inviable desde el punto de vista financiero esta opción.

RESUMEN DE COSTOS INVERSION % AHORRO POR APTO PANELES FOTOVOLTÁICOS COP 100% ahorro $ 1,691,999.52 10% ahorro Resol. 549-2015 $ 222,845.53 13,6% ahorro zonas comunes $ 350,531.58

AEROGENERADORES COP $ 28,603,531.52 $ 2,907,571.34 $ 3,954,297.02

Tabla 5 Resumen de impacto en el costo/apto de las propuestas Fuente: Elaboración Propia

Se estima que el impacto en el costo por apartamento para la estrategia de paneles fotovoltaicos para un ahorro de energía del 10% es de $ 222.845, en cuanto a la estrategia de aerogeneradores se tiene un costo de $2.907.571, lo que representa que la opción de paneles ante la inversión de aerogeneradores por apartamento es un 92,33% más económica. En este sentido, y conforme la evaluación de los criterios bajo los parámetros anteriormente explicados para cada propuesta, se determinó a partir de la matriz de decisión multicriterio que la propuesta viable para la generación de energía no convencional corresponde a la propuesta de Paneles fotovoltaicos, que obtuvo un promedio ponderado del 90% respecto a los porcentajes de evaluación establecidos para cada criterio de acuerdo con las características del proyecto. 6

Conclusiones La implementación de tecnologías de producción de energías no convencionales en

proyectos de vivienda a nivel nacional, presentan en la actualidad diversas dificultades, pues los


elevados costos y disponibilidad de los equipos a nivel nacional, encarecen y dificultan la utilización de los mismos.

Con el avance de las investigaciones y tecnologías en el campo de la producción energética, se favorece el uso de este tipo de estrategias pues, facilitan su disponibilidad comercial y disminución de costos, además de incentivar la creación de normativas que regularicen el uso y aprovechamiento de las mismas, además de brindarles beneficios tributarios a los posibles compradores de dichas tecnologías.

De acuerdo a los cálculos y estimaciones económicas de las dos propuestas consideradas para la producción energética, se determinó que la propuesta que contempla la instalación de paneles fotovoltaicos sería la más viable tanto económicamente como técnicamente en relación a la propuesta que contemplaba el uso de unidades aerogeneradoras.

En paralelo se evidenció que lo más favorable para proyectos ubicados en zonas con baja variabilidad climática como es el caso de Tunja, es la reducción en los consumos para alcanzar las metas propuestas en la normatividad vigente, pues la implementación de equipos ahorradores y de bajo consumo (v.g. Iluminación led, sensores de movimiento etc) resulta más eficiente en todo sentido que las tecnologías no convencionales, sin embargo el uso combinado de las mismas puede representar una oportunidad significativa de mejora en los indicadores del proyecto.

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Bibliografía ●

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https://www.bornay.com/media/download/3121

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López Rodríguez, F., Ayuga Tellez, F., Juncá Ubierna, J. A., Soriano Baeza, M., & García Sanz Calcedo, J. (2018, 28 noviembre). EDIFICIOS DE ENERGÍA CASI NULA UTILIZANDO RECURSOS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA (SOLAR, EÓLICA Y BIOMASA) Y MICROREDES INTELIGENTES. Recuperado 20 febrero, 2020, de https://www.construible.es/biblioteca/libro-comunicaciones-5-congreso-edificiosenergia-casi-nula Anexos

Anexo 1: Ficha Técnica Aerogenerador Wind+13

Anexo 2: Ficha Técnica Panel Solar-JINKO-JKM340M-72 (Plus)-Monocristalino de 340W

Anexo 3: Hoja de cálculo energías no convencionales

Anexo 4: Cotización Aerogeneradores

Anexo 5 Cotización Paneles fotovoltaicos

Anexo 6: Presentación en Power Point.


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