cronología de las fncer

Cronología de las FNCER en Colombia año 2015 Parte I

Francisco Javier Vargas MarínDoctor en Ingeniería Universidad Nacional de ColombiaIngeniero Especialista Programación Operación XM

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E l calentamiento global del planeta debido principalmen-te a las emisiones de gas tipo invernadero por el creci-

miento económico de las naciones y la calidad de vida de la civilización, han llevado al deterioro gradual del medio ambiente. Las fuentes no convencionales de energía reno-vable son una solución en los años venideros para mitigar la destrucción del planeta y acompañar las necesidades de las generaciones futuras. Este documento se conforma de dos partes, la primera parte contiene un resumen del estado del arte de las energías renovables en cuanto a principios, tec-nologías, y la segunda parte contiene la regulación aplicable en Colombia, las conclusiones, retos y recomendaciones.

The global warming mainly due to greenhouse gas emis-sions, by economic growth of nations and the quality of life of civilization, have led to the gradual deterioration of the environment. Non-conventional renewable energy sources are a solution in the coming years to mitigate the destruc-tion of the planet and to accompany the needs of future ge-nerations. This document is made up of two parts the first part contains a summary of the state of the art of renewable energy in terms of principles and technologies, and the se-cond part contains the rules applicable in Colombia, conclu-sions, challenges and recommendations.

Palabras Clave

Fuentes no convencionales de energía renovable, energías limpias,

zonas no interconectadas.

Francisco Javier Vargas MarínDoctor en Ingeniería

Universidad Nacional de ColombiaIngeniero Especialista

Programación Operación XM

Keywords

Non-conventional renewable sources,

clean energy, renewable energy,

non-interconnected areas.


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I. INTRODUCCIÓN

El desarrollo sostenible es un concepto que surgió a mediados de la década de los ochenta y en diciem-bre de 1997 se firmó el Protocolo de Kioto, el instru-mento legislativo más importante para la limitación de la emisión de gases de efecto invernadero, cuyo objetivo es cambiar paulatinamente todo el modelo de producción y consumo de energía en nuestro pla-neta, el cual constituye un elemento fundamental en el crecimiento, desarrollo económico de las nacio-nes, la calidad de vida, y por ende el incremento de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). Una variable que determina el aumento de consumo de energía es la eficiencia energética, que en térmi-nos macroeconómicos, se define como el “consumo de energía por unidad de producto”, es decir, el con-sumo de energía primaria relativo al nivel del Pro-ducto Interior Bruto [1].

Por lo anterior, las Fuentes No Convencionales de Energías Renovables (FNCER), las cuales se apro-vechan directamente de recursos considerados in-agotables como el sol, el viento, el recurso hídrico, la biomasa y la geotermia, se convierten en fuentes de energías limpias, indispensables para garantizar la sostenibilidad y cuidado del medio ambiente del pla-neta. Ahora bien, en el mundo la proporción de FN-CER, obtenidas principalmente de la energía hídrica, solar y eólica, creció un 4 % anual durante el período de años 2010 – 2012, y representaron el 8,8 % del consumo total de la energía mundial en el año 2012. No obstante, para alcanzar el objetivo de la iniciativa de SE4All (‘Sustainable Energy for All’) en el año 2030, la tasa de crecimiento anual esperada de las FNCER debe aproximarse al 7.5 %, [2].

Actualmente, Julio de 2015, en Colombia la compo-sición del parque de generación eléctrica está com-puesta así: 70.35% por generación hidroeléctrica (66.58% grandes centrales y 3.77% PCH), 28.41% por generación térmica, 1.12% en cogeneración y 0.12% en generación eólica (XM, año 2015). Esta composi-ción hace que la generación eléctrica en Colombia tenga una menor huella de carbono por efecto de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) que otros países, pero en los años en los que la ge-neración térmica ha tenido una alta participación por escasez hídrica debido a fenómenos como el niño,

la intensidad de emisiones de carbono ha aumenta-do. De acuerdo al Plan de Expansión de Referencia Generación - Transmisión 2011-2025 [3], el Sistema Eléctrico Colombiano requiere de la instalación pro-gresiva de 7,914 MW, un aumento de casi 60% so-bre la capacidad instalada actualmente para suplir la demanda futura. Esta capacidad estará conforma-da por 6,088 MW de proyectos hídricos, 760 MW de proyectos de gas natural, 864 MW de proyectos de carbón y 202 MW de combustibles líquidos. Con base en lo anterior, se espera que las emisiones de CO2 se dupliquen entre 2015 y 2025. En este escenario hay un aumento importante de GEI generadas por el uso del carbón mineral y combustibles líquidos, que pa-san de representar el 2.9% y 34.3% de las emisiones al 5.9% y 41.2%, respectivamente [4].

Colombia posee climas y topografías apropiadas para la generación de energía hidroeléctrica. Esta hidroelectricidad es un método altamente eficiente con un bajo grado de contaminación. No obstante, se tiene un gran potencial de FNCER y por eso el Go-bierno Nacional en los últimos años ha invertido en el desarrollo y la aplicación de tecnologías alternati-vas de producción de energía. Este documento Parte I y Parte II, presenta las tecno-logías y una cronología sobre las FNCER en Colom-bia. En la primera parte se aborda un resumen de la descripción, y principios para explotar las diferentes FNCER. No es objeto del presente escrito la energía nuclear. Mientras que, en la segunda parte, se aborda la energía geotérmica y se sintetiza un compendio cronológico sobre la investigación, desarrollo, imple-mentación, avances realizados y potenciales en ma-teria de FNCER en Colombia.

II. DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIOS DE FNCER

Las fuentes de energía para la generación limpia de energía eléctrica, se pueden clasificar de la siguiente manera:

A. Energía hídricaLas minicentrales hidroeléctricas menores a 10 MW, se denominan Pequeña Central Hidroeléctrica (PCH). Las turbinas hidráulicas transforman la energía po-tencial que tiene una masa de agua en un desnivel

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existente entre las dos secciones, la superior (aguas arriba) y la inferior (aguas abajo). La potencia mecá-nica en el eje de la turbina se utiliza directamente para realizar trabajo y producir energía eléctrica, conectando el eje de la turbina, a un generador. La potencia que se puede obtener de una turbina hi-dráulica está expresada por la siguiente ecuación [5]:

(1)donde:P = potencia (kW) = Eficienciag = aceleración de gravedad (m/s2) Q = caudal de agua (m3/s)H = Altura (m)

Según las peculiaridades y características que pre-sente el lugar donde sean ubicadas las PCH estas pueden ser del tipo: i) Centrales de agua fluyente, donde se capta una parte del caudal del río, lo trasla-dan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al río; ii) Centrales de pie de presa, las cuales se si-túan debajo de los embalses, aprovechando el des-nivel creado por la propia presa; iii) Centrales en ca-nal de riego o de abastecimiento. La figura 1 ilustra el esquema del principio de funcionamiento de la PCH.

Figura 1: Esquema principio de funcionamiento PCH, Fuente http://tu-espacio.com/

Las turbinas que se acoplan al generador pueden ser del tipo [6]: i) Crossflow, de alto rendimiento y efica-cia desde 17% hasta 100% del caudal, gran rango de aplicación para saltos entre 5 a 180 m; ii) Kaplan, de eje vertical, para saltos entre 1-15 m, caudal 1.5-30

m3/s, rango de potencia de 50-1.500 kW; horizontal: caudal y potencia igual a las de eje vertical; hori-zontal tubular: para saltos entre 1-18 m, caudal 0.4-6 m3/s, rango de potencia de 5-500 kW; iii) Francis, rango de potencia de 100-2.500 kW; y iv) Pelton, para saltos entre 150-400 m, caudal 30-800 l/s, rango de potencia de 50-1.500 kW.

Dentro de las Energías del Mar, existen tecnologías claramente diferenciadas, en función del aprovecha-miento energético: energía de las mareas o mareo-motriz, energía de las corrientes, energía maremo-térmica, energías de las olas o undimotriz y energía del gradiente salino (osmótica) [7].

Maremotriz: consiste en el aprovechamiento ener-gético de las mareas. Se basa en aprovechar el as-censo y descenso del agua del mar producido por la acción gravitatoria del Sol y la Luna, aunque sólo en aquellos puntos de la costa en los que la mar alta y la baja difieren más de cinco metros de altura es ren-table instalar una central maremotriz, la cual requie-re del almacenamiento de agua en un embalse que se forma al construir un dique con unas compuertas que permiten la entrada del agua a turbinar para la generación eléctrica.

Energía de las corrientes: consiste en el aprovecha-miento de la energía cinética contenida en las co-rrientes marinas. El proceso de captación se basa en convertidores de energía cinética similares a los aerogeneradores empleando en este caso instala-ciones submarinas, ver figura 2.

Figura 2: Esquema de planta eléctrica por corriente de agua.

Fuente http://unecologistaenelbierzo.com/tag/energia-mareomo


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Maremotérmica: se fundamenta en el aprovecha-miento de la energía térmica del mar basado en la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y las aguas profundas. El aprovechamiento de este tipo de energía requiere que el gradiente térmico sea de al menos 20º. Las plantas maremo-térmicas transforman la energía térmica en energía eléctrica utilizando el ciclo termodinámico denomi-nado “ciclo de Rankine”.

Energía de las olas o Undimotriz: Es el aprovecha-miento energético producido por el movimiento de las olas. El oleaje es una consecuencia del roza-miento del aire sobre la superficie del mar, por lo que resulta muy irregular. Ello ha llevado a la cons-trucción de múltiples tipos de máquinas para hacer posible su aprovechamiento, tales como: el Sistema Pelamis, el cual se compone de varios cilindros que flotan unidos por articulaciones, Boyas o columnas de agua oscilante, y el Oyster, donde una maquina en forma de almeja se ancla al fondo del mar.

Potencia Osmótica: La Potencia Osmótica o energía azul es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de los ríos mediante los procesos de ósmosis.

En resumen, las ventajas del uso de esta tecnología es que tiene un potencial de crecimiento enorme, los fenómenos son fácilmente predecibles, tiene baja intermitencia, posibilidad de integrar comuni-dades costeras en cuanto a producción y consumo, no genera problemas estéticos ni de disponibili-dad de espacio. No obstante, existen barreras tales como: son proyectos que se encuentran en fases de desarrollo temprana, no existen estudios fiables de potencial de recurso, existe una gran incerti-dumbre de marcos regulatorios, se tiene dificultad de acceso para instalación y mantenimiento, en dispositivos instalados en altamar o en aguas muy profundas, existe limitación en la accesibilidad a la red eléctrica en altamar, y hay grandes riesgos ope-racionales por el oleaje fuerte, corrosión, necesita

de grandes inversiones iniciales, genera un impacto visual y estructural sobre el paisaje costero.

B. Energía EólicaEl viento es aire en movimiento, una forma indirecta de la energía solar, este movimiento de las masas de aire se origina por diferencia de temperatura causada por la radiación solar sobre la tierra. Cuando el aire se calienta, su densidad se hace menor y sube, mientras que las capas frías des-cienden, así se establece una doble corriente de aire. La energía eólica es la que está presente en forma de energía cinética en las corrientes de aire o viento con densidad y cuando atraviesa el rotor, formado por las palas y el buje del aerogene-rador, reduciendo su velocidad desde el valor v no perturbado frente al rotor a un valor inferior tras pasar por las palas, para transformarse en energía eléctrica. La potencia extraíble de una turbina eóli-ca se puede calcular con la siguiente ecuación [8]:

(2)

donde: = Potencia (W) = Densidad de la masa de aire (kg/m3) = Coeficiente de potencia máximo de una turbina ideal de eje horizontal, igual = 0.593 = Eficiencia mecánica y eléctrica de la turbina = Área circular de movimiento de las palas del rotor y en la que se mueve la masa de aire (m2) = Velocidad de la masa de aire antes de pasa por las palas (m/s)

La potencia del aerogenerador crece al aumentar el área cubierta por las palas y la velocidad del viento, el cual depende, de la densidad del aire en función de las condiciones meteorológicas del lu-gar. Para conocer la velocidad del viento, se esta-bleció la Escala de Beaufort, con la que se puede obtener una medida aproximada de su velocidad en metros/segundo, tal como se presenta en la Ta-bla 1.

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TABLA 1: Escala descripción velocidad del viento Beaufort

Figura 3: Esquema principio de funcionamiento Aerogenerador Fuente de Proyecto RES & RUE Dissemination [8]

Un parque eólico consta de uno o más aerogene-radores, los cuales están conectados, con la red de transmisión a la que se entrega la energía, tal como se ilustra en la figura 3. Las palas del aerogenerador están fijadas a un buje y, en el conjunto, constituyen el rotor. Todos estos elementos se encuentran en la góndola, la cual está conformado por un sistema de control de potencia y un sistema de control de la orientación. El primero tiene la doble función de regular la potencia en función de la velocidad del viento instantánea. El sistema de control de la orien-tación consta de un control continuo del paralelismo entre el eje de la máquina y la dirección del viento.

En resumen, es una energía segura y gratuita, con alto potencial localizado, pero tiene las desventajas de que la velocidad del viento es variable y poco con-fiable, los aerogeneradores producen ruido, afecta la


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vida silvestre, afecta la energía firme, y requiere infraestructura de trasmisión y logística de trans-porte.

C. Energía solarLa energía solar, es la energía radiante del sol re-cibida en la tierra, y se transforma a otras formas de energía como calor y electricidad [9]. Para la generación de energía eléctrica se utiliza la célu-la fotovoltaica, que significa photo = luz y voltai-co = electricidad. El efecto fotovoltaico se basa sobre la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctrica cuando se exponen a la radiación solar. La luz está formada por partículas, los fotones, que trasportan energía, y cuando un fotón gol-pea la célula, es absorbido por los materiales se-miconductores y libera un electrón. El electrón, una vez libre, deja detrás de sí una carga positi-va llamada hueco. El sistema solar fotovoltaico envía corriente eléctrica directa a la batería para ser almacenada y ser utilizada posteriormente a través de un controlador o inversor. Todos los módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que provean la potencia deseada. Los módulos se fabrican, generalmente, para tener una salida de 12 Vdc, varían desde 2.8 Vatios pico (Wp) hasta 300 Wp [10]. La figura 4, ilustra un diagrama de una insta-lación fotovoltaica aislada.

Figura 4: Diagrama de una instalación fotovoltaica aislada.Fuente de http://constructorelectrico.com/electricidad-des-de-el-sol/.

A gran escala se construyen parques solares donde la energía se transporta a los centros de carga mediante líneas de trasmisión, ver figura 5.

Últimamente, además de la tecnología tradicional (fotovol-taicas convencionales) existe la energía solar fotovoltaica por concentración (CPV), tecnología que consiste en el uso de lentes, espejos curvados, entre otros elementos ópticos, que concentra una gran cantidad de radiación so-lar en una pequeña área de células fotovoltaicas para ge-nerar electricidad. Esta tecnología comparada con las tec-nologías tradicionales, los sistemas CPV ahorran costos en las células solares, debido al uso de células fotovoltaicas de multiunión, las cuales son más costosas pero también mucho más eficientes [11].

Figura 5: Tipos esquema y conexión instalación fotovoltaica. Fuente de http://www.clickrenovables.com/

PAUTA: Nexans cuarto de página impar

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En resumen, esta fuente de energía tiene importan-tes ventajas, principalmente su naturaleza inago-table, renovable y su utilización libre de polución, disponibilidad del recurso, relativamente constante, tecnología de fácil instalación, disminución acelera-da de costos en los últimos años, alto potencial y calidad del recurso. Pero, para su utilización, es ne-cesario tener en cuenta su naturaleza intermitente, su variabilidad fuera del control del hombre y su baja densidad de potencia, lo cual resulta en que es una fuente extensiva: para mayor potencia, mayor exten-sión de equipos de conversión.

D. Energía de la BiomasaLas plantas transforman y almacenan la energía que reciben del sol; esta energía puede ser utilizada para producir electricidad, combustibles, químicos o ser-vir de alimento a seres vivos. Estos al recibir este ali-mento (energía) o al morir, tanto los seres humanos como los animales producen residuos orgánicos que al descomponerse generan gases. Estos ciclos, al re-petirse continuamente, aseguran que la energía de la biomasa esté disponible permanentemente. Hay varios modelos de clasificación de la biomasa; por su origen, la podemos clasificar como Biomasa Animal o Biomasa Vegetal.En el proceso de la conversión de la biomasa en energía, se debe preparar y adecuar la materia pri-ma, luego se somete a un proceso que bien puede ser termoquímico o biológico, los cuales se descri-ben a continuación [12].

1) Proceso TermoquímicoLa Combustión: es el proceso con mayor aplicación. No obstante, el problema es su baja densidad ener-gética, y su alta capacidad de retención de agua. Para su industrialización a gran escala, se requiere garantizar grandes cantidades de material y utilizar áreas extensas. Por esto, es necesario establecer es-trategias que permitan su uso en la generación eléc-trica sin que esto afecte los costos comparativos con otras fuentes de energía. Las estrategias más utiliza-das son: Co-combustión carbón/biomasa (Co-firing) y aumentar la eficiencia utilizando el calor residual del vapor.

Pirolisis: Utiliza como fuente de calentamiento del mismo proceso un alquitrán, el carbonizado o car-bón de leña, combustible que arde sin la producción de humos apto como reductor.

La Gasificación: Los productos se pueden clasificar como gas de bajo, medio y alto poder calorífico: Gas de bajo BTU (150-300 BTU/pie3); Gas de síntesis o Gas de medio BTU (300-500 BTU/pie3), tiene una composición química parecida a la de bajo poder ca-lorífico pero sin nitrógeno, y se puede usar como gas para turbinas y turbinas de ciclo combinado; y Gas de alto BTU (980-1080 BTU/pie3) su obtención se realiza a partir del gas de síntesis mediante un ajus-te estequiométrico 3H2/CO y utilizando níquel como catalizador, se le llama sustituto del gas natural.

2) Proceso BiotecnológicosSon los de fermentación para la obtención de alco-hol, también la producción de biodiesel y biogás. Se caracterizan por la utilización de microorganismos en alguna parte del proceso, tales como:

Etanol: Tradicionalmente usado en la fermentación de la glucosa de materias primas como caña de azú-car, maíz y sorgo, que luego de su destilación y des-hidratación, se obtiene el alcohol carburante.

Alcohol de segunda generación: La celulosa es el producto químico orgánico natural más abundante de la tierra, por lo que la obtención de glucosa, a par-tir de celulosa, para la producción de alcohol carbu-rante es una solución ideal.

Biodiesel: es utilizado en motores de combustión y presenta un desempeño comparable con el diésel. Este se produce a partir de la transesterificación de los triglicéridos [13], presentes en los aceites vegeta-les, como palma de aceite, soya, higuerilla, colza, gi-rasol y ricino, también de aceites animales y aceites reciclados. Este proceso se realiza en presencia de un catalizador básico para obtener los esteres me-tílicos o etílicos, dependiendo del alcohol utilizado, formando el biodiesel y la glicerina.

Biogás: es una mezcla de gases como: metano, dió-xido de carbono, monóxido de carbono y otros gases en menor proporción, los cuales se generan por las reacciones de biodegradación de la materia orgáni-ca, como el estiércol, los residuos humanos o restos de comida, mediante la acción algunos microorga-nismos en un ambiente anaerobio. También existe el biogás agroindustrial, generado a partir de sustratos agroindustriales como: las deyecciones ganaderas,


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[4] FEDESARROLLO, “Análisis costo beneficio de energías renovables no convencionales en Colom-bia”, Octubre de 2013. http://www.repository.fedesa-rrollo.org.co/. Consultado julio de 2015.[5] Proyecto RES & RUE Dissemination, ‘Energía minihidráulica’, http://cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/dossier/4%20minihidraulica.htm. Consultado julio de 2015.[6] A. Castro, ‘Minicéntrales Hidroeléctricas’, Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Ener-gía, Madrid 2006.[7] Twenergy, “Todo sobre Energía Maremotriz”, Consultado julio de 201.http://www.twenergy.com/c/energia-mareomotriz/[8] Proyecto RES & RUE Dissemination, ‘Insta-laciones Micro-Eólicas’, http://cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/dossier/1%20eoli-ca.htm. Consultado julio de 2015.[9] H. Rodríguez, ‘Development of Solar Energy in Colombia and its Prospects’, Revista Universidad de los Andes, vol 28, pp 83-89, Noviembre 2008.[10] Proyecto RES & RUE Dissemination, ‘Energía solar’, http://cecu.es/campanas/medio%20ambien-te/res&rue/htm/dossier/ Consultado julio de 2015.[11] Power & Energy, “Top Solar Power Industry Trends for 2015”, Consultado Septiembre de 2051.https://www.ihs.com/pdf/Top-Solar-Power-Industry-Trends-for-2015_213963110915583632.pdf/ [12] Bauen, A. B., “Bioenergy- A sustanaible and reliable energy”, http://www.ieabioenergy.com. Con-sultado julio de 2015[13] CORPOICA, “Curso de Producción de Biodié-sel” http://www.corpoica.org.co/sitioweb/Documen-to/.../curso-biodiésel.pdf. Consultado julio de 2015[14] R. Piloto Rodríguez, R Sierens, S. Verhelst y N. ferrer Fontela, “Evaluación del funcionamiento de motores de combustión interna trabajando con bio-diésel”. Ingeniería Mecánica Vol 3, 2008, pp 33-38.

IV. RESEÑA AUTOR

Francisco Javier Vargas Marín, Dr. ingeniería UNAL, Tesis meritoria, Medellín Colombia, 2014. M Sc. Ingeniería eléctrica, UFSC, Florianópolis, Brasil, 1994. Trabaja para XM, Filial ISA desde 2005 como ingeniero especialista programación Operación, tra-bajó para ISA desde 1987 – 2005, como ingeniero especialista. Sus principales áreas de interés son sis-temas de control, operación de sistemas de poten-cia, redes inteligentes, fuentes no convencionales de energía renovable, uso racional de energía.

lodos de industrias agroalimentarias, restos de co-sechas, cultivos energéticos, entre otros. La calidad del biogás se mide por la cantidad de metano que se puede producir y depende de principalmente del tipo de materia orgánica y de la temperatura de ope-ración.

Con una planta de biogás puede producirse: energía térmica en una estufa de gas, energía mecánica en un motor de explosión, iluminación con una lámpa-ra de gas, producción alterna de fertilizantes. Para la producción de 1 kWh de corriente eléctrica con una mezcla biogás diésel, se necesita un consumo de biogás de 0.700 m3/hora. La figura 6 ilustra una planta de Biogás.

Figura 6: Esquema de una planta eléctrica con Biogás. Fuente http://biogasfuelcell.com/

En resumen, algunas de las ventajas del biogás: es la disminución de la tala de bosques. El biodiesel en comparación con el diésel de origen fósil, reduce las emisiones GEI [14]. También existen desventajas como: se necesita acumular los desechos cerca del biodigestor, existe riesgo de explosión, el proceso biológico es muy sensible a cambios de pH y tem-peratura, baja densidad energética en la producción de biomasa.

En la segunda parte se presenta las descripción de la energía Geotérmica, se aborda el tema de FNCERR en Colombia, las conclusiones, retos y recomenda-ciones.

III. REFERENCIAS

[1] UPME cartilla ‘Energía Renovable: Descrip-ción, Tecnología, y usos finales’, www.si3ea.gov.co/Portals/0/Iluminacion/CarFNCER.pdf. Consultado ju-lio de 2015.[2] Banco Mundial, ‘Progress Toward Sustaina-ble Energy: Global Tracking Framework 2015, Global Tracking Framework 2015 Key Findings.’ www.world-bank.org. Consultado julio de 2015.[3] UPME, “Plan de Expansión de Referencia Generación – Transmisión 2012-2015”, Consultado julio de 2015. http://www.simec.gov.co/Inicio/Comi-t%C3%A9s/tabid/63/Default.aspx

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