Cómo Implementar la Eficiencia Energética, - Revista Metal Actual

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Cómo Implementar
la Eficiencia Energética,
lo más Mínimo es Ahorro
Carlos Elías Sepúlveda Lozano
Periodista Metal Actual
El mayor
desperdicio
de energía
eléctrica es
causado por
sistemas de
iluminación
ineficientes.
Los costos de
implementación de sistemas
de ahorro pueden ir desde
$100.000, que vale un
detector de ocupancia para
encender o apagar una luz,
hasta US$2 millones que
puede costar el filtrado de
armónicos y reactivos de
media tensión; aunque, sin
una inversión también es
posible realizar un ahorro
energético considerable.
A nivel mundial, las industrias consumen el 50 por ciento
de la energía producida para llevar a cabo los procesos
de transformación de materias primas o productos que
realizan. Lograr ahorro de energía realizando la misma
producción o aumentándola, es fundamental en todo
tipo de industria, especialmente en la metalúrgica -una
de las que tiene los reportes de consumo más altos-, no
sólo por el aspecto económico sino por el cuidado ambiental, tema que cada día es más importante.
El ahorro energético es un tema supremamente amplio
que está fundamentado dentro de la gestión de energía, amparado actualmente por la norma internacional
ISO 50001, lanzada el pasado 15 de junio de 2011 a nivel
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Para realizar dicho ahorro, es importante que las industrias decidan tener una política energética,
y con ella implementen el sistema
de gestión de energía. Para ello, la
empresa o industria debe seguir cuatro pasos fundamentales: medición,
definición de la estrategia, automatización del control y el monitoreo
permanente.
La Medición
Para realizar un ahorro energético
eficiente, en cualquier empresa, es
fundamental conocer el consumo
de energía de los diferentes equipos
que intervienen en el proceso productivo de la misma. Si el industrial
no sabe cuánta energía demandan
sus máquinas, no puede tomar una
decisión acertada para implementar
un plan energético, ni puede analizar la viabilidad técnica y económica
de implementar mejoras en este sentido. En el sector de la metalurgia
todos los procesos son importantes
de medir, como los que involucran
equipos de fundición, hornos de
arco, hornos de cuchara, entre otros,
porque demandan un alto contenido de armónicos y reactivos en la
electricidad que consumen.
El contenido armónico, son componentes de frecuencias distintas a las
de la energía fundamental que emite
la planta de electricidad. Es una especie de basura que circula por las redes
y ocasiona pérdidas en los sistemas
de potencia, lo que obliga a generar
mayor potencia para llegar al mismo
punto de consumo. Si los armónicos
son eliminados, la industria necesitaría menos energía para los mismos
procesos; de ahí su importancia. Un
ejemplo parecido podría presentarse
con una persona que va de su casa al
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trabajo, pero en el trayecto, por alguna razón, gana 30 kilos de peso, por
este hecho tendrá que utilizar más
energía para llegar a su trabajo y no
lo hará rápidamente. En este caso los
armónicos serían los kilos ganados y
la energía eléctrica la persona.
La energía eléctrica, como todos los
productos, debe tener unos índices
mínimos de calidad, para este caso
existen varias formas de medir esa
calidad. Lo primero es medir la frecuencia (número de repeticiones de
la onda eléctrica en un segundo -Hz) y la estabilidad de la tensión (que
no se altera la energía) o el desbalance (mayor carga de energía en un
circuito que otro).
La medición permite traducir el consumo de energía a Kilowatio/hora,
m³ de gas/hora, cantidad (peso) de
carbón/hora; con el fin de establecer cuánta energía es consumida
por unidad o tonelada producida y
conocer la eficiencia energética en
el proceso. Para llevar a cabo estos
procesos de medición son usados
medidores de energía que pueden
integrarse a las máquinas o recurrir
a sistemas de comunicación que permitan, por ejemplo, en una central,
examinar equipos, incluso de manera remota, como hornos, bandas,
laminadores, roladoras, entre otros.
Vale señalar que al implementar los
diferentes dispositivos para llevar a
cabo la medición, es posible recopilar
estadísticas de consumos, en los casos
en que el nivel de demanda energética varíe si el industrial realiza el
mismo procedimiento, por ejemplo
corte, de una lámina de mayor o menor espesor o con insumos de un proveedor diferente al habitual. Por este
motivo, para llevar un registro fiel de
indicadores, es adecuado implementar un sistema que pueda almacenar
los datos de lo que se está midiendo
para tener registros de consumos de
varios años, hecho que permite analizar mejor la información (como toneladas producidas-kilovatios necesarios) y efectuar cambios eficaces. La
eficiencia del sistema energético se
determina haciendo el balance entre
el consumo y el gasto.
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mundial; la cual busca que todas las
empresas, sin importar su tamaño y
actividad económica, tengan un sistema de gestión de energía que les
permita medir sus consumos, determinar su fuente energética prioritaria
(térmica, gas, petróleo, carbón o eléctrica) e implementar una estrategia
para lograr ahorro en este sentido.
La medición ha cambiado de concepto con el tiempo, puesto que
no sólo involucra el consumo de la
empresa en términos de kilovatios
absolutos, sino también, la calidad
con la que llega el suministro de la
energía eléctrica; por este motivo
es necesario medir reactivos¹, factor
de potencia², armónicos en tensión
y armónicos en corriente; factores
de calidad de energía que inciden
directamente en las pérdidas del sistema eléctrico.
Definir la Estrategia
Una vez que el industrial tiene clara
la medición, sabe cuáles son los consumos de su empresa y en qué áreas
de encuentran, mayoritariamente,
puede tomar decisiones respecto al
ahorro energético, es decir definir
una estrategia para tal fin.
Este segundo paso está enfocado;
primero, a crear conciencia de ahorro dentro de toda la organización;
y segundo, ya en un nivel técnico, a
tomar las decisiones correctas como,
por ejemplo, cambiar motores o
modificar la topología de una instalación (es posible lograr ahorros
al reemplazar el cuadro del sistema
eléctrico). Por lo general, siempre
hay un transformador que soporta más trabajo que otros, y genera
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pérdidas eléctricas; por lo que, para este caso por ejemplo, sería adecuado repartir las cargas entre los trasformadores existentes, hacer balance de fases.
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En la planeación de la estrategia también es importante,
en beneficio de la calidad de potencia, definir si es necesario corregir reactivos o armónicos, puesto que estos
factores aportan significativamente en el desperdicio de
energía. Un ejemplo, sucedió en la planta de Barranquilla de Corpacero, la cual contaba con dos turbinas generadoras de 18 Mega Watios; solamente eliminando los
armónicos y reactivos presentes en el suministro energético, fue posible apagar una de las dos máquinas sin
reducir la producción diaria de ambas, incluso con mayor disponibilidad de energía, hecho que en términos
de consumo de gas, costos y producción, representó un
paso adelante para la empresa.
Finalmente, la proyección dentro de la estrategia de
ahorro es un punto fundamental, puesto que a través de
ella el industrial conoce cuál será la tendencia de consumo; al fusionar variables como el crecimiento de la economía, plan de inversión a nivel nacional, costos de la
energía, entre otras; que permite contar con una planta
preparada para los posibles aumentos en el consumo de
energía en el futuro.
Automatización del Control
Hay una premisa para recordar antes de explicar este
paso: el tema del ahorro energético inicia desde la concientización del personal de la planta. Muchas veces no
es necesario hacer una inversión para conseguir ahorro
de energía, por ejemplo, en muchas empresas bastan los
con correos corporativos diarios para recordar la importancia de apagar las luces y ser eficientes con la energía.
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Así mismo, en muchas ocasiones, el motor más antiguo
de la planta -que además es el más grande- es el más
ineficiente. La inversión para cambiar ese motor o automatizarlo a través de un variador de velocidad, podría
ser una buena alternativa de ahorro energético.
Control remoto para encendido. Se utiliza para
Bombillos de filamento, no mayores de 100watts.
Tiene control remoto para encendido, programación de apagado y manejo de la intensidad de luz.
Inicialmente, la automatización se pensaba como un
proceso para flexibilizar los procedimientos, reducir horas hombre y/o desperdicios pero, en el presente, automatizar también es ahorrar energía, apagar la banda
transportadora cuando no lleve material, y controlar la
temperatura del horno en función del material que se
funda. En este sentido, existen gran variedad de posibilidades, desde el control de la iluminación hasta el control
de máquinas y ventiladores con variadores de velocidad,
en todos los casos, una empresa puede conseguir ahorros de energía mayores a sus expectativas. Mostraremos
algunas a continuación.
• Medidas de ahorro en iluminación
El mayor desperdicio de energía eléctrica, en la industria en general, es causado por sistemas de iluminación
ineficientes.
Las lámparas incandescentes son las más utilizadas en
la iluminación pero, en general, los rendimientos que
ofrecen son bajos, puesto que la mayor parte de energía que consumen se convierte en calor, transformando
sólo el 10 por ciento en luz visible. Estas lámparas están
divididas en las llenadas con gas inerte (el gas supone
incremento en la eficacia luminosa) y en las que tienen
un vacío en su interior, además pueden durar 1000 horas
en el caso de las normales, 2000 horas para las halógenas
utilizadas en aplicaciones generales y 4000 para las usadas en aplicaciones especiales. Ver tabla 1
Otro tipo de lámparas son las de descarga, más eficientes y económicas que las anteriores, pero los colores
de las fuentes de luz son de menor calidad, aunque es
posible mejorarlos recubriendo el tubo con sustancias
fluorescentes.
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Para mejorar el funcionamiento de todos los tipos de
lámparas, el industrial puede instalar cebadores o balastos, dispositivos que sirven como elevadores de potencia, caso del primero, o limitadores de la corriente
para evitar exceso de energía, como el segundo.
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Asimismo, pueden implementarse medidas de nulo
o bajo costo como limpiar las lámparas, pintar con
colores claros las paredes y techos, reducir los niveles
de iluminación hasta el mínimo recomendado para
la óptima realización de actividades en la empresa y
aprovechar al máximo la luz natural, especialmente
en edificios nuevos.
Tabla. 1. Características bombillas más comunes
Tipo de
bombilla
Convencional
incandescente
Halógena
incandescente
Rendimieno
(Lm/W)
Coste
Índice Rango de
Vida
cromático potencia cada 1000
útil
horas* (€)
(W)
(%)
(horas)
10-20
1.000
100
15-1500
6
25
2000
100
20-2000
2,4
Tubo
fluorescente
60-93
10.000
63-95
16-50
0,75
Bombilla de
bajo consumo
50-81
8.000
50-81
25-200
0,8
Vapor de
mercurio con
índice cromático mejorado
46-55
12.000
40-46
50-2000
1,2
Vapor de
mercurio con
halógenas
70-96
8.000
69-76
70-250
0,7
Sodio de alta
presión
90-120
10.000
20
1501.000
0,55
Sodio de baja
presión
100-200
10.000
0
18-180
0,4
Sodio blanco
48
2.000
85
35-100
1,25
Usos Comunes
Uso interior
Uso decorativo, proyectores
Uso interior oficinas
y pequeños seminarios
Uso interior, hoteles, áreas públicas.
Habitaciones con
techos
elevados
donde el color no es
importante
Habitaciones con
techos
elevados
donde el color es
importante
Autopistas, iluminación urbana, aparcamientos.
Áreas donde el color no es importante
(túneles,carreteras)
Decoración
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También existen las medidas que requieren una pequeña inversión inicial e implican sustituir por ejemplo,
si es posible, bombillas incandescentes por bombillas de bajo consumo
(ver tabla 2) y mayor vida útil; ó emplear temporizadores, detectores de
movimiento o controladores de nivel de iluminación. (Ver tabla 3).
Ya en el plano de una inversión más
fuerte, el industrial puede instalar
un nuevo sistema de iluminación
para minimizar costos de operación,
aumentar el tamaño de ventanas,
redistribuir áreas para aprovechar
la luz natural o desarrollar un plan
energético para cada área, con el
objetivo de conocer el nivel de iluminación y la calidad adecuada para
cada actividad de la empresa; por
medio de una medición de las superficies que le permita calcular las necesidades de cada lugar ((Lm) = nivel
de iluminación (Lux) por superficie
a iluminar (m²)). Dividir las necesidades energéticas requeridas por
la potencia de cada lámpara para
determinar el número de bombillas
necesarias, también hace parte del
análisis de la iluminación requerida.
Ver tabla 4.
Para estos casos también existe un
sistema de control inteligente de
iluminación, que puede medir la
iluminación natural y con esta información, determinar qué lámparas o
bombillos es necesario encender y
cuáles no, con el fin de dar apoyo a
la luz natural.
• Medidas de disminución de la demanda de frío
Una buena alternativa para economizar es el uso de ventiladores,
que generan el mismo confort que
un aire acondicionado, puesto que
pueden producir una sensación de
3 a 5ºC menos que la temperatura
real, además su consumo energético
es considerablemente menor - normalmente 10 por ciento menos que
un aire acondicionado-.
Tabla 2.Comparación entre bombilla incandescente y una de bajo consumo
Tipo de bombilla
Incadescente 60 W
Bajo consumo 13 W
Nº bombillas en
10.000 horas
10
1
Costo por
bombilla
0,60 €
15 €
Costo total
bombillas
6€
15 €
Costo
electricidad
50 €
11 €
Costo
total
56 €
26 €
Ahorro
0
30 €
Tabla 3. Sistemas de control de iluminación
Sistema de
control
Descripción
Coste
unitario(€)
Ahorro
(%)
Usos comunes
Reloj
programable
Reloj conectado a un circuito que
abre / cierra uno o más interruptores
según la programación.
45-90
15
Instalaciones de iluminación
con funcionamiento cíclico.
Temporizador
Cierra el circuito de iluminación durante un determinado periodo de
tiempo.
30
15
Fotocélula
Dispositivo localizado en un circuito
que abre y cierra un interruptor de
acuerdo con la luz recibida
48-60
20
Sensores de
movimiento
Encienden o apagan las luces en presencia o ausencia de ocupantes
60
20
Fábricas y comercios con
ocupación intermitente.
Equipos de conexión electrónica o balastos
electrónicos
Estabilizan la emisión de luz para
asegurar un encendido y operación
correcta de las lámparas, aumentando su vida útil.
25-30
Equipo auxiliar para lámparas de descarga (tubos
fluorescentes, bombillas de
larga vida, lámpararas de
sodio y mercurio.
30-60
En áreas donde la iluminación es por corto tiempo: pasillos, escaleras, entre otros.
Automatiza el uso de de los
sistemas de encendido de la
iluminación, para aprovechar
mejor la luz natural.
Tabla 4. Niveles de iluminación
recomendados
Para fábricas
Tareas
Lux
Salas de control
500
Laboratorios
500
Oficinas de diseño gráfico
750
Montaje de precisión
1500
Trabajo de precisión
1000
Reparación e inspección
500
Almacenes
150
Limpieza, pulido, etc.
300
Para comercios
Tareas
Lux
Escaparates
400
Cajas
500
Cristal, joyerías
1500
Almacén
Para oficinas
200
Tareas
Lux
Oficinas- focos disponibles
300
Oficinas- sin focos
400
Oficinas- trabajos de precisión
700
Pasillos
Escaleras
100
130
Lavabos
150
Salas de conferencia- ajustables
300-750
Evitar iluminación excesiva, apagar
equipos que emanen calor cuando no sean utilizados, mantener
aisladas las tuberías para que no
excedan los 40 ºC, son también medidas importantes para reducir la
temperatura.
Sumado a lo anterior están los termostatos, dispositivos de control
claves para minimizar los arranques
del sistema o el compresor del aire
acondicionado, que implica un consumo importante de energía. Si el
lugar de trabajo va a estar desocupado más de cuatro horas, es conveniente programar el termostato
a 28ºC; y, apagando el sistema de
calefacción 30 minutos antes de que
el lugar quede vacío, puede ahorrar energía sin perder la calidez del
ambiente.
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• Minimización de pérdidas en los equipos eléctricos
Para minimizar el consumo de energía de éstos, es importante que el industrial considere en su plan de ahorro
aumentar el factor de potencia, optimizar las instalaciones, instalar receptores de mejor rendimiento y emplear
máquinas bien ajustadas, además de revisar y analizar
los procesos alternativos como: arranques suaves, frenado regenerativo -dispositivo que reduce la velocidad de
un vehículo transformando parte de su energía cinética
en energía eléctrica, almacenándola para un uso futuro-, y regulaciones de velocidad.
Es importante tener en cuenta que toda pérdida en el
motor se transforma en calor, hecho que obliga un mayor trabajo de los sistemas de refrigeración para controlarlo, lo que se traduce en un consumo energético
adicional que incide sobre el rendimiento del motor,
disminuyéndolo.
Si en el proceso de medición aparecen motores antiguos
con más de 6.000 horas al año de funcionamiento y/o
trabajan en condiciones extremas de humedad, temperatura o suciedad, lo más probable es que su eficiencia
haya disminuido, por lo cual es apropiado medir sus rendimientos con analizadores de redes que determinen el
voltaje, la intensidad y su factor de potencia. En estos casos es oportuno cambiar los motores antiguos por unos
de alta eficiencia; inversión que puede recuperarse, en la
mayoría de los casos, en uno o dos años.
Los motores de alta eficiencia generan la misma potencia mecánica que los motores estándar, pero con menor
consumo de energía, mayor vida útil y mejor tolerancia
a condiciones adversas de funcionamiento, razón por la
cual las pérdidas de energía pueden reducirse más de un
45 por ciento.
Dichas ventajas están ligadas a que estos equipos son fabricados con aceros de mejores propiedades magnéticas
que los usados en los estándar, registran mayor reducción de espacio en los entrehierros, utilizan ventiladores
y sistemas de enfriamiento más eficientes y materiales
aislantes superiores.
El costo del motor de alta eficiencia puede ser un 20
por ciento mayor que el de uno estándar, pero llega a
ser también un 5 por ciento más eficiente que este último, y la diferencia es más evidente cuando el motor
funciona con cargas parciales. En la clasificación de los
motores de alta eficiencia están los EFF1, que reducen
las pérdidas de energía por encima del 40 por ciento, y
son recomendables en trabajos de velocidad constante
a plena carga y con considerables horas de trabajo al
año; un equipo de 15 kW que trabaja 6.000 h/año podría ahorrar 4MWh/año o más de 240 € en la factura de
electricidad. Luego se encuentran los EFF2, que reducen
las pérdidas de energía hasta un 20 por ciento y puede
ahorrar 0,6 MWh/año o unos 36 € con el mismo ejemplo
citado (Ver tabla 5).
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Tabla 5.Diferencias de eficiencia entre motores
kW
Eficiencia (%)
1,1
1,5
2,2
3
4
5,5
7,5
11
15
18,5
22
30
37
45
55
EFF1
igual o mayor
que
82,8
84,1
85,6
86,7
87,6
88,6
89,5
90,5
91,3
91,8
92,2
92,9
93,3
93,7
94
EFF2
EFF3
igual o mayor por debajo
que
de
76,2
78,5
81
82,6
84,2
85,7
87
88,4
89,4
90
90,5
91,4
92
92,5
93
75
94,6
93,6
90
95
93,9
EFF1: motores de alta eficiencia. EFF2: motores de
eficiencia mejorada. EFF3: motores estándar
Para contrarrestar los altos contenidos
de armónicos, existen sistemas de compensación de reactivos y armónicos
provistos de filtros pasivos, compensadores en tiempo real y de reactivos rápidos. Los sistemas de compensación
activa son equipos electrónicos no
pasivos que no tienen conmutadores
electromecánicos y responden automáticamente a lo que esté pidiendo
la carga eléctrica del equipo, y evitan
el riesgo de una sobre-compensación
de energía, que puede ser un nuevo
inconveniente a solucionar. Existen
compensadores que realizan la compensación de reactivos y armónicos
al mismo tiempo con igual precisión,
hecho que permite al industrial conectarlo en cualquier condición. Con las
nuevas tecnologías, la compensación
pasiva será desplazada por la compensación activa.
Es adecuado destacar que el costo
del Kw/h eléctrico es el triple que
el térmico, por tal razón no es adecuado utilizar electricidad en demandas térmicas, si existen otras
alternativas.
Como conclusión, el primer paso
para conseguir un sistema eléctrico industrial eficiente es realizar un
dimensionado técnico-energético correcto, contabilizando de forma precisa las cargas del sistema y su distribución horaria.
Medidas de ahorro en hornos
Para el tema de los hornos existen
medidas de ahorro que no necesitan
inversión, como mantener siempre
las puertas del horno bien cerradas
–hasta el 80 por ciento de las pérdidas pueden originarse al abrir las
puertas–, reducir tiempos de carga e
inoperación y operar a carga máxima.
También existen acciones que demandan una pequeña inversión
inicial, que se traduce en comprar
dispositivos específicos para las máquinas como aislamientos, equipos
de automatización, precalentadores, transformadores o electrodos de
elevada resistencia, que ayuden a la
canalización de la energía.
Así mismo, procurar que los tiempos
de producción sean lo más elevados
posible, para evitar precalentar el
horno cada vez que sea utilizado y
manejar bocas de entrada regulables con el fin de que la apertura
–cuando entra el material– sea justa
y no mayor, y así impedir perdidas de
calor. Del mismo modo, pueden implementarse bajos voltajes y grandes
corrientes con el fin de aumentar la
velocidad de fundición, acción que
puede aumentar hasta dos veces la
eficiencia de la máquina.
Con una iluminación eficiente pueden obtenerse ahorros hasta del
40 por ciento; con la regulación de
velocidad en motores eléctricos,
ahorros de hasta el 30 por ciento y
utilizando motores eficientes, en potencias medias y bajas, hasta el 8 por
ciento de ahorro.
Cuarto Paso Monitoreo
Permanente
Todos los pasos anteriores han demostrado, tras su aplicación, un resultado positivo respecto al ahorro
de energía. Este paso consiste en
volver a medir para realizar un seguimiento de lo ya implementado,
determinar el impacto de los indicadores y determinar estrategias futuras para mejorarlos o para atacar los
que en primera instancia, a través
de la política energética, no fueron
advertidos o tenidos en cuenta.
El monitoreo permite, como pasa
muy frecuentemente, conocer nuevos
factores que influyen para el desperdicio de energía, que pueden ser más
nocivos de los que fueron atacados.
En este punto finaliza el ciclo, que
vuelve a comenzar con la medición.
El principal objetivo de los sistemas
de ahorro energético es disminuir
las necesidades energéticas manteniendo la eficiencia en la producción, lo que se traduce en una mejora de la economía, disminución de la
dependencia energética y un menor
impacto ambiental.
En cualquier aplicación del sector
metalúrgico siempre existe la posibilidad de realizar un procedimiento
para el ahorro de energía, porque su
industria involucra procesos que demandan alto consumo de energía y
por ende, siempre existe un elemento para optimizar. Cuando la planta
no es de última generación tecnológica o sus máquinas tienen más de
10 o 15 años, existen aún mayores
posibilidades para implementar sistemas de ahorro energético.
Citas:
1)Los Reactivos Electrofílicos son zonas de las
moléculas capaces de adquirir más electrones, bien porque son sitios de baja densidad
electrónica o porque corresponde al extremo
positivo de un enlace polar.
2)Se define Factor de Potencia, f.d.p., de un circuito de corriente alterna, como la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente.
La potencia activa representa la capacidad de
un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo, y
la aparente tiene un valor medio nulo, por lo
que no produce el trabajo necesario.
Fuentes:
• Carlos Felipe Salcedo Riveros, Ingeniero Schneider Electric. carlos.salcedo@co.schneiderelectric.com
• Libro Disminución de costes energéticos en
la empresa, capítulo ahorro en servicios generales, www.wikipedia.com , www.acee.cl
WWW.METALACTUAL.COM
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