CCS en La Industria Cement Era 1

8/3/2019 CCS en La Industria Cement Era 1

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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Captura y Almacenamiento de C02

CCS en la Industria del Cemento

Profesores: Luis Ignacio Diez Pinilla

Luis Miguel Romeo Giménez

Por: Eduardo Ariza Chacón (613082)

Mayo 2011



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Índice

1. Introducción .......................................................................................................................... 3

2. La industria Cementera ......................................................................................................... 3

2.1 El proceso de producción .................................................................................................. 4

2.2 El carbonato de calcio como materia prima ..................................................................... 6

2.3 La industria del cemento ................................................................................................... 6

2.4 Cemento como sumidero CO2......................................................................................... 10

3. La captura y almacenamiento de CO2 en la industria cementera. ...................................... 11

3.1 Oxicombustión ................................................................................................................ 12

3.2 Postcombustión............................................................................................................... 13

4. Conclusiones........................................................................................................................ 16

5. Bibliografía .......................................................................................................................... 17



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1. Introducción

El cemento es una de las materias primas del desarrollo de los pueblos, su aplicación se

extiende a todo tipo de infraestructuras públicas y privadas, las mismas que son símbolo

de “progreso”. Sus características plásticas de manejo y de resistencia física, mecánicay química durante su aplicación, hacen de este producto una opción generalizada a la

hora de construir estructuras y edificaciones con un tiempo de vida en servicio útil que

en condiciones adecuadas puede superar los 70 años. (1)

A pesar de las bondades del cemento como producto, su proceso de producción es

intensivo en consumo energético, siendo la energía uno de los mayores costos de

producción; ese costo energético y sus volúmenes de producción en aumento en todo el

mundo, convierten la industria cementera en uno de los puntos de reflexión a la hora de

pensar en el cambio climático y gases efecto invernadero - GEI, se estima que la

producción de cemento es respónsale del 5% del total de las emisiones antropogénicas

(2) de CO2 y son cada vez mayores en proporción al crecimiento de la industria y a la

diversificación en el uso de combustibles, más variados cada día, sus hornos

principalmente devoran todo tipo de materiales, desde carbones, hasta todo tipo de

desechos industriales o urbanos.

La opción de la implementación de procesos de captura y almacenamiento de CO2 - CCS

en el sector cementero, presenta promisorios resultados en la reducción de emisiones

de GEI, en especial con la integración de la tecnología de CCS Carbonatación/calcinación

o Calcium looping, cuyo principio de absorción de CO2, es el inverso de la operación

central del proceso de producción de cemento, lo que permite la integración de flujos

de energía y de materiales, siendo esta última la mayor ventaja y atractivo con respecto

a otras tecnología de CCS.

Este documento hace una revisión de los principales avances y retos de la integración

del proceso de producción de cemento y de Captura de CO2.

2. La industria Cementera

El cemento (lat. Cementum) es una mezcla formada de arcilla y materiales calcáreos,

sometida a procesos de calcinación y finamente molida, que al mezclarla con agua se

solidifica y endurece, por esta razón se le denomina cemento hidráulico. Aunque existe

una amplia variedad de cementos, el cemento tipo portland hidráulico, llamado así por

su semejanza con la piedra de las canteras inglesas de Portland o cemento gris, es el que

se fabrica en forma generalizada y por lo tanto, sobre el que se basan los estudios que

se relacionaran a lo largo de este documento.



4

Cuando el cemento portland es mezclado con el agua, se obtiene un producto de

características plásticas con propiedades adherentes que solidifica en algunas horas y

endurece progresivamente durante un período de varias semanas hasta adquirir

su resistencia característica. La adición de algunos componentes o la variación de las

mezclas, dan origen a cementos con diferentes características, como tiempo de ytemperatura de fraguado, dureza, resistencia química, cristalización, etc.

La calidad del cemento portland en Europa, deberá estar de acuerdo con la norma UNE-

EN 197-1:2000 sobre la composición, especificaciones y criterios de conformidad de los

Cementos comunes. (1). En España los cementos vienen regulados por la

correspondiente norma AENOR RP 15.01 “Reglamento particular de la marca AENOR

para cementos” (2) y por la instrucción para recepción de cementos, RC-08, aprobada

por el Real Decreto 956/2008 de 6 de junio. (3)

2.1 El proceso de producción

Los procesos utilizados para producir el cemento portland, se dividen en: procesos vía

húmeda y proceso vía seca; en los procesos vía húmeda los materiales son “mojados”

facilitando su molienda y homogenización, no obstante, son más intensivos en el

consumo de energía por la necesidad de evaporar el agua contenida. Este documento se

concentra en el proceso vía seca con pre-calcinadores y hornos rotativos inclinados, que

constituyen la tecnología de proceso actual más eficiente (4).

El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas principales: Extracción

y molienda de la materia prima, Homogeneización de la materia prima, Producción

del Clinker, Molienda de cemento y empaque.

Extracción y molienda: Las materias primas para la elaboración del cemento son

principalmente: piedra caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso que se obtienen de

canteras o minas. Una vez extraída la materia prima es molida hasta alcanzar tamaños

de entre 5 y 10 mm que puedan ser procesados por los molinos de crudo.

Homogeneización: El material extraído, es homogenizado con mezcladoras y molinos,

en esta etapa se le adicionan los elementos minerales deseados para estandarizar la

mezcla y se hace control de la composición de la misma; el resultado de este etapa es un

material muy fino con tamaños de partícula media de 0,5 ms.

Producción del Clinker: El material molido o harina en crudo, es enviado por bandas a

secadores de ciclones y posteriormente horno giratorio llamado “CLINK”, el corazón del

proceso, donde alcanza gradualmente temperaturas cercanas a los 1500 °C, en la parte

de baja temperatura se realiza el secado; en la parte de media temperatura, se hace la

des carbonatación o calcinación, cuando sobre los 840ºC, se separa dióxido de carbono,



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formando el óxido de calcio; en la zona de alta temperatura, en la parte final del horno,

se produce la fusión de varios de los componentes y se forman gránulos de 1 a 3 cm de

diámetro, compuestos por silicatos de calcio (Ca2Si y Ca3Si), aluminato tricálcico (Ca3Al) y

ferroaluminato tetracálcico (Ca4AlFe). El Clinker luego se enfría gradualmente y puede

ser almacenado por largos periodos en silos, protegiéndolo de la humedad o llevado a lasiguiente etapa.

Para producir el Clinker se requieren unos 1.700 J/g, pero a causa de las pérdidas de

calor el valor es considerablemente más elevado.

Molienda de cemento y empaque: El Clinker es molido con pequeñas cantidades de

yeso (2%) para finalmente obtener el talco fino que conocemos como cemento; este

usualmente se empaca en sacos de papel o se distribuye a granel en camiones. La

composición del cemento varía de acuerdo con las materias primas empleadas; el

cemento normalizado tiene una composición de: 64% de óxido de calcio, 21% de óxido

de silicio, 5,5% de óxido de aluminio, 4,5% de óxido de hierro, 2,4% de óxido de

magnesio,1,6% de sulfatos y 1% de otros materiales, mayoritariamente agua.

Barker et al (6), realizaron la revisión de la viabilidad de integración de CCS en la

industria del cemento, empleando el diseño de la Figura 1. Diseño esquemático de una

planta eficiente de cemento, que es en resumen un proceso vía seca, dos calderas: la de

per calcinación y la del horno Clink y recirculación de gases calientes entre el enfriador y

el pre calcinador.

Figura 1. Diseño esquemático de una planta eficiente de cemento



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2.2 El carbonato de calcio como materia prima

La composición del cemento varía de acuerdo a cada fabricante, a las materias primas

empleadas y a las condiciones del proceso, sin embargo en todos los procesos de

producción de cemento portland, el carbonato de calcio, CaCO3, es el componente demayor peso porcentual, muy abundante en la naturaleza, formando rocas de: calcita,

aragonito, caliza, travertinos, mármol, etc. Su precio en 2010, fue alrededor de los

6,0€/t, este precio muy subjetivo y se define con base a precios de mercado, es

necesario recordar que las industrias cementeras, poseen sus propias minas y su

localización espacial, es definida principalmente por este factor.

Al igual que la mayoría de los carbonatos, el carbonato cálcico reacciona con ácidos

fuertes, desprendiendo dióxido de carbono, pero también lo hace con calor por encima

de 840 °C, para formar óxido de calcio, con lo que se obtiene la reacción de des

carbonatación:

2.3 La industria del cemento

La producción de cemento es una de las actividades industriales con mayor impacto en

términos de emisiones de CO2; Las emisiones globales pasaron de 594 Mt en el año

1970 a 2284 en el año 2005. La producción de China en ese mismo año fue del 47% de la

producción mundial con 1 064 Mt 47%. (4)

Las cifras de crecimiento de la industria cementera son constantes, en la figura siguiente

se muestra los valores de producción de cemento de los años 2004 a 2008.

Figura 2. Producción anua mundial de cemento. Datos tomados de la referencia, (5)

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

2004 2005 2006 2007 2008

M i l e s T M

Año

Producción Mundial de Cemento

Mundo

China

http://es.wikipedia.org/wiki/Calcita

http://es.wikipedia.org/wiki/Aragonito

http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza

http://es.wikipedia.org/wiki/Travertino

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1rmol

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_calcio

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_calcio

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1rmol

http://es.wikipedia.org/wiki/Travertino

http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza

http://es.wikipedia.org/wiki/Aragonito

http://es.wikipedia.org/wiki/Calcita



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Las estimaciones realizadas por la Agencia Internacional de la Energía IEA, 2007 el

crecimiento de la producción se centra en China en India, como muestra la Figura 3.

Crecimiento de la demanda de cemento global por países (IEA 2007), Las compañías

chinas anuncian que construirán plantas por valor de USD$217 Millones en Suráfrica,que producirán 250 T/día de cemento (6)

Figura 3. Crecimiento de la demanda de cemento global por países (IEA 2007)

Los mayores consumos se registran en la producción del Clinker, en el proceso de

calcinación representa del 20 a 40% del total de la energía del proceso (1), dependiendo

del grado de calcinación, de la temperatura y del tiempo de residencia principalmente

En la Unión Europea, el promedio de consumo de energía es de 3.7 GJ/t. China, Canadá

y Estados Unidos de América emplean 5 GJ/t en promedio (4). Según Dean (7) la

producción de una tonelada de cemento consume entre 3.1 y 7,5 GJ, de los cuales el

60% se emplea en el pre calcinador y genera entre o.6 y 1 kg de CO2, de los cuales cerca

del 80% corresponden a la des carbonatación y 20% al uso de combustibles.

En la Figura 4. Balance de Materia en la producción de cemento tomada de Alsop et al.

(2007), Dean. (7) Muestra que los requerimientos energéticos de la producción de un kgde cemento las emisiones de CO2 correspondientes de las fases de des carbonatación,



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pre calcinación y producción de Clinker son del 4,14 MJ y 0,91kg de CO2,

respectivamente.

Figura 4. Balance de Materia en la producción de cemento

En la Figura 5. Distribución de los costos de la energía del proceso de fabricación decemento, Schneider et al (8) muestran el peso porcentual del consumo energético en

todas las etapas de producción de cemento, aquí se observa que la demanda térmica es

cerca del 25% de todo el proceso siendo superada por las fases de extracción y

molienda. En la Figura 6. Proyecciones de la demanda de cementos a 2050, Schneider et

al. Presentan las proyecciones de la demanda de cemento durante los próximos 40

años, con estos datos y unos simples cálculos, se puede estimar que por cuenta las

demandadas térmicas de la producción de carbón, las emisiones de CO 2 en el año 2050,

serán de cerca de 4 Gt, concentradas en Asía e India.

Balance de Masa de materias primas yCO2 en un proceso de producción vía

seca • (RM=Materias primas como

CaCO3)

• Carbón LHV 26.3MJ/kg,68.9% C

• Coque LHV 34.2MJ/kg,87.2% C



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Figura 5. Distribución de los costos de la energía del proceso de fabricación de cemento

Figura 6. Proyecciones de la demanda de cementos a 2050

Estos datos de emisiones se tornan más preocupantes cuando se tiene en consideración

que el sector cementero promulga que como estrategia para reducir las emisiones de

CO2, se ha diversificado el uso de combustibles convirtiendo los hornos Clink en in

incineradores de todo tipo de desechos como: basuras urbanas, residuos de

construcción, muebles, plásticos, lodos de depuradoras, aceite, solventes, residuos

de pintura y pesticidas etc., según la comisión legislativa de sustancias tóxicas del estado

de New York, (9) esta práctica comenzó en los Estados Unidos en 1979, para conservar

energía y reducir los costos de combustible, las altas temperaturas del horno, permitenla destrucción de materiales peligrosos como orgánicos tóxicos y metales pesados, que



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en pequeñas cantidades no afectan la calidad del producto. En el año 2005, la industria

cementera de Estados unidos de América, se consumió 53 millones de llantas, el 41% de

las llantas empleadas como combustible, cerca de 0.387 Mt o 15 PJ. En Japón, se

emplearon como combustible alternativo cerca de 200 kt de llantas, 450 kt de aceite,

340 kt, de residuos de madera y 300 kt de desechos plásticos, equivalentes a 42 PJ

2.4 Cemento como sumidero CO2

Como el fin de establecer la durabilidad de las estructuras de hormigón, el sector

cementero han realizado estudios de la carbonatación del hormigón; en estos estudios

se analizaron los cambios de pH y como afectaban a los componentes metálicos de la

estructura. En estos estudios se encontró que hay un efecto de recaptura de parte del

CO2 del que fue liberado en el proceso de fabricación del Clinker, y la fijación en el

hormigón, puede durar igual tiempo que la estructura en sí. Este proceso se debe al

incremento de la alcalinidad de cemento durante la hidratación que puede alcanzar

valores de pH entre 12,6 a 14; luego se produce un descenso de la alcalinidad por

reacción de los compuestos de carácter básico, hidróxidos de sodio, potasio y calcio, de

la fase acuosa del hormigón, con los componentes ácidos de la atmósfera, el dióxido de

carbono y de azufre, para formar carbonatos, sulfatos y agua. El componente ácido más

abundante es el CO2, por lo que a este proceso de descenso de la alcalinidad, se le llama

genéricamente ‘carbonatación’.

La penetración del CO2 se realiza a través de los poros capilares del hormigón que no se

encuentran totalmente saturados de agua. El CO2 del aire se disuelve en la fase acuosa

contenida en los poros de la pasta de cemento, produciéndose iones CO32-

, que

reaccionan con los iones Ca2+

, para producir CaCO3, según la reacción:

Ca(OH)2 + CO2 ↔ CaCO3 + H2O

Los diferentes estudios realizados, empleando fenolftaleína como revelador, indican que

la profundidad de la superficie susceptible de carbonatación de loza equivalente, es

decir, de superficie expuesta en un año es de 1,5 a 2 mm/año y que la cantidad de CO2

re absorbido es del 9% en este mismo periodo. Se estima que las cantidades de CO 2 que

se absorberán a lo largo de 100 años tendrán unos valores medios entre 15% y 20% por

gramos de cemento carbonatado. (1)



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3. La captura y almacenamiento de CO2 en la industria cementera.

El alto costo energético de la industria del cemento, hace del tema del combustible un

factor muy sensible en la estructura de costes, las tecnologías de captura del CO2 que

penalicen energéticamente el proceso son poco viables financieramente, por lo menoshasta el punto en que los precios de los derechos de emisiones de CO2 sean lo

suficientemente altos para compensar las inversiones necesarias.

Como se ha visto anteriormente, en la producción de cemento hay tres procesos

térmicos de generación de GEI, el primero de ellos es la pre calcinación o secado que se

realiza en secadores por ciclones con temperaturas que pueden alcanzar los 1000ºC y

con tiempos de residencia muy cortos. El segundo es la des carbonatación, que se

realiza en el horno Clink con temperaturas entre los 840 a 1500ºC, en estos puntos el

CO2 es liberado de los carbonatos. El tercer punto, es la combustión de todo tipo de

materiales para aportar en calor necesario del proceso. Los GEI derivados de los

consumos eléctricos, de transportes y operaciones de extracción, molienda y empaque

no son considerados en este apartado.

Debido a los múltiples combustibles empleados en la industria cementera, algunos de

ellos considerados tóxicos, la composición de los gases es muy variada, entre plantas de

producción y entre lotes de producción, exponiendo a los diferentes sistemas de

captura, compresión, transporte y almacenamiento de CO2 a riesgos y agentes para los

que las modelizaciones y pruebas de laboratorio son extensivas y aún no concluyentes.

Muchas tecnologías de CCS se han modelado con fines de ser integradas en una planta

de producción de cemento; la Tabla 1. Comparación de tecnologías de Captura de CO2,

(10) separa estas tecnologías en post y pre combustión.

Tabla 1. Comparación de tecnologías de Captura de CO2



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3.1 Oxicombustión

La simple introducción de la Oxicombustión, se lograría hacer una separación del CO2

resultante de la combustión para los aportes energéticos que el proceso de producciónde cemento demanda, pero la emisión de la fase de des carbonatación no es tenida en

cuenta, con lo cual se lograría una captura parcial, para lograrlo se hace necesaria una

integración que tenga en cuenta los gases de escape del pre calcinador y del horno

Clink, Barker et al (6) realiza una comparación entre la Oxicombustión y la pre

combustión en este apartado se muestra el esquema de la integración de la planta de

cemento con la Oxicombustión, Figura 7. Esquema de una planta de Cemento con

Oxicombustión.

Figura 7. Esquema de una planta de Cemento con Oxicombustión

Según Barker et al, la Oxicombustión en el horno Clink es factible y diferenciado este

modelos en tres aspectos: se emplea una corriente de oxígeno al 95% mol y 5% de Ar y

N2, si cerca del 50% de los gases del pre calcinador son recirculados para reducir el

arrastre de nitrógeno ambiental y los gases de salida, son enfriados purificados y

comprimidos a 110 bar.



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3.2 Postcombustión

La tecnología de CCS en Poscombustión más estudiada en la industria de cemento, es lade Calcinación/Carbonatación, con base en sorbente solido de CaO, por la posibilidad de

usar el sorbente del calcinador como materia prima en la producción de Clinker,

reduciendo el consumo energético de esta fase del proceso y favoreciendo la

carbonatación con mayor disponibilidad de CaO fresco en la captura. Pese a lo anterior,

es necesario mencionar otras alternativas de CCS, como la continuación del trabajo de

Barker et al (6) presentado en la sección 3.1 Oxicombustión, que emplea Aminas para

hacer la separación de CO2, la Figura 8. Esquema de una planta de cemento con CCS en

muestra que las variantes introducidas en este esquema son: la inserción de una planta

SCR, entre el pre calentador y la alimentación de materias primas; una unidad FGD para

remover SOx; la separación se realiza por aminas; la instalación de una caldera de

carbón para generar la presión necesaria para la MEA y la potencia auxiliar demandada

por la MEA y por el compresor y la des humidificación y compresión del CO 2 a 110 bar.

En este mismo estudio, Barker et al, muestra que los costos de CCS y las penalizaciones

energéticas, son sensiblemente más altas en CCS de poscombustión con aminas que en

Oxicombustión, estableciendo valores de 107.4€ y 40.2€ respectivamente.

Figura 8. Esquema de una planta de cemento con CCS en Poscombustión



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Volviendo al uso de sorbente solido en base de calcio, Dean et al (8), presenta en la

Figura 9 Esquema de la tecnología Ca Looping con ASU, una adaptación de esquema

clásico de carbonatación/calcinación con la introducción una unidad de separación de

aire, para favorecer la concentración CO2 en la corriente de salida del calcinador

Figura 9 Esquema de la tecnología Ca Looping con ASU

Rodríguez et al(15), muestra como un incremento de cerca de 35% de consumo

energético con la integración de la tecnología de Ca – Looping en una planta deproducción de cemento, la Figura 10. Comparativo de esquemas de planta de cemento

con y sin CCS, muestra en la parte superior un estimado de 3 GJ/t sin CCS y en la parte

de abajo un consumo de 3.8 GJ/t de cemento producida.

Figura 10. Comparativo de esquemas de planta de cemento con y sin CCS



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Naranjo et al (10), en un trabajo realizado para CEMEX, muestra que, con base en los

trabajos de campo publicados, la tecnología más integrable con las cementeras, es la

absorción con base de CaO, y para lograr tal desarrollo a escala industrial se deben tener

especial cuidado con los efectos de las impurezas de O2, N2, Ar, NOx, SOx, etc.,

presentes en los flujos de CO2, y que afectan los procesos de compresión, transporte yalmacenamientos. Cemex por su parte reporta que el gobierno norteamericano

garantizó los recursos para el desarrollo de tal planta en Odessa Texas (12)

En una variante de la tecnología de Calcium Looping, Rodríguez et al.(11), realizan una

simulación con Aspen Hysys, en donde se sustituye el pre calcinador convencional, con

un diseño de cámaras separadas de caldera y calcinador, operando en un ciclo Rankin

subcrítico y transportando parte del calor generado mediante partículas circulantes de

CaO, se puede lograr la captura de más de 53% de CO2 y evitar la emisión del 43% del

CO2 de una planta de cemento, esto se logra sin penalización asociada a la purificación y

compresión de los gases. Este estudio se realizó empleando carbón como combustible y

la Figura 11. Esquema general de flujos de masa de una planta de alta eficiencia de 3000

t diarias de cemento, muestra el esquema básico propuesto.

Figura 11. Esquema general de flujos de masa de una planta de alta eficiencia de 3000 t diarias de

cemento



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4. Conclusiones

La industria cementera es una de las grandes contribuyentes a las emisiones de GEI, nosolo por su consumo intensivo de energía y de combustibles, si no, por el uso de

combustibles de todo tipo casi como un incinerador de desechos y por las emisiones de

CO2 propias del proceso de calcinación del CaCO3 y lograra actuar.

Aunque el desarrollo de una planta comercial de demostración de producción de

cemento con CCS está lejos, las apuestas declaradas de empresas como CEMEX con el

apoyo financiero de EEUU, permitirá mayores avances tecnológicos en menor tiempo.

La Integración del proceso de producción de cemento y CCS por

Carbonatación/Calcinación, es técnicamente viable y su mayor ventaja está en el

manejo del sorbente que es a su vez la materia prima del cemento, reduciendo los

consumos energéticos del proceso global.

El uso de todo tipo de combustibles, presenta un reto en el manejo de los gases de

escape, con especial cuidado sobre los contenidos de O2, N2, Ar, NOx, SOx, etc. en las

corrientes de CO2 obtenidas en el proceso de captura.



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5. Bibliografía

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Energy Procedia, págs. 141 -148.

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