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UNIVERSIDAD EAN
FACULTAD DE ESTUDIOS EN AMBIENTES VIRTUALES
MAESTRÍA EN GERENCIA DE SISTEMAS DE INFORMACIÓN Y PROYECTOS TECNOLÓGICOS
GUÍA 2. INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN LAS SMART CITIES: EL RETO DE LAS CIUDADES DEL FUTURO
AUTORÁNGELA JANETH CORTÉS HERNÁNDEZ
TUTOR FRANCISCO ALFONSO CAMARGO SALAS
BOGOTÁ D.C., 16 DE AGOSTO 2017
RESUMEN EJECUTIVO
El desarrollo de un país depende de su grado de industrialización y este a su vez necesita de las fuentes de energía, especialmente de la energía eléctrica (Ramirez castaño, 2004).
En este momento la preocupación por la sociedad está dada por una generación
de energías sustentables, amigables con el ambiente, incluyentes y eficientemente
gestionadas; ese es un planteamiento que es abordado de manera necesaria en
las Smart Cities, teniendo en cuenta que las tecnologías son un sustento para su
desarrollo, así como lo es la planeación inteligente, y el desarrollo de nuevas
metodologías para usar los recursos.
De esta forma se han estudiado diferentes fuentes bibliográficas en las cuales se
muestran los principales componentes de un Smart grid, así como sus beneficios,
los cuales se establecen en las diferentes etapas del sistema energético, pues las
aplicaciones para hacer inteligente el suministro de energía van desde la etapa de
generación, hasta el extremo de los consumidores.
Dentro de los beneficios que tiene esta aplicación se encuentra el hecho que
aumentan el nivel de fiabilidad y calidad en el suministro de energía eléctrica,
facilitan a los clientes instrumentos que les permiten optimizar su propio consumo
eléctrico y mejorar el funcionamiento del sistema global, contribuyen a mantener la
sostenibilidad ambiental, facilitan el almacenamiento de la electricidad y mejoran la
eficacia (Enel S.A. 2014).
De esta forma en varias regiones del mundo ya se cuenta con un plan de acción al
respecto, en éstos temas además de conceptualizar sobre la problemática y dar
un contexto, también se hacen guías generales para la implementación, por otro
lado, el Gobierno Colombiano, ha tomado la conciencia en tanto que tiene ya un
plan de acción a 2030 a partir de un estudio que ha entregado un diagnóstico de la
situación y las condiciones actuales del sistema energético y es así como se ha
llegado a la conclusión que las etapas del ciclo en las cuales se debe hacer la
intervención para desarrollo de innovación son en la prestación del servicio y en el
soporte técnico.
CONTENIDO
Contenido1 RESUMEN................................................................................................................................8
2 INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................9
3 La red eléctrica Actual..........................................................................................................10
4 Porqué Smart Grid.................................................................................................................12
4.1.1 Qué entrega la Smart grid?..................................................................................13
4.1.2 Generalidades de la Smart Grid..........................................................................14
5 Las Smart Grid en el contexto colombiano........................................................................16
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................................22
LISTA DE FIGURAS
No. Título Pág
Figura 1 - Evolución del consumo de energía primaria en el mundo (1990-2001). ............9
Figura 2 Arquitectura propuesta para la Red Inteligente.........................................................17Figura 3 – penetración de cada tecnología, de acuerdo a la distribución.............................18Figura 4 Relación entre la viabilidad y la penetración de cada funcionalidad.......................18Figura 5 Fases de implementación de las funcionalidades.....................................................19
CAPITULO 1
Smart Grid
1 INTRODUCCIÓN
La Smart Citie responde a una ciudad que ha buscado solucionar sus necesidades;
este tipo de ciudad, cuenta con herramientas tecnológicas que apoyan el día a día de
los ciudadanos al relacionarse, con cada factor que involucra una ciudad, es decir,
habitabilidad, recreación, seguridad, movilidad, servicios públicos, el empleo, la
educación, la administración pública, etc.
Por otro lado, al ser una ciudad inteligente usa la tecnología para proveerse de manera
eficiente y permanente, sin atentar con el ecosistema y, sí aprovechando las posibles
ventajas que éste le pueda dar. En este aspecto se ve inmerso el término de Smart
grid, en el cual la ciudad planea e suministro eléctrico para proveer sus necesidades de
manera inteligente, pensando en gestionarla y aprovechar sus recursos de la manera
eficiente.
A través del desarrollo de una red eléctrica inteligente, se entregan ventajas de
atención eficiente, y monitoreo contante en tiempo real para incorporar nuevos modos
de generación de energía, entre otros aspectos que se contemplan y amplían a través
del documento.
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Smart Grid
2 LA RED ELÉCTRICA ACTUAL
Desde los años setenta, el consumo de energía mundial se ha más que
duplicado, llegando a un consumo de 12.274,6 Mtep de energía primaria total en 2011
(© Enel S.A. 2014). De esta forma en la figura No 1, se presenta una gráfica del
aumento en la demanda de energía, presentando cómo ha sido el aumento en cada
región del planeta.
Figura 1 - Evolución del consumo de energía primaria en el mundo (1990-2001).
Fuente: B.P Statistical Review of World Energy
El calentamiento global, las emisiones de Co2 generadas por las fuentes tradicionales
de energía, la creciente demanda, la inclusión cada vez más fuerte de energías
alternativas, la preocupación por dar un mejor uso a los recursos naturales, han
suscitado interés de los gobiernos por mejorar el desempeño de las redes actuales de
energía.
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Smart Grid
Así como la población de las ciudades va en aumento, también lo hace la tecnología
que emplea, y en un mundo más tecnificado la demanda energética es cada vez
mayor; este ha sido uno de los catalizadores para la creación del concepto de Smart
cities, pues el ahorro ya no es la única preocupación asociada al uso de la energía, y
su uso inteligente es un concepto clave para el desarrollo de la ciudad.
En este momento la preocupación sobre el uso de la energía va más allá de buscar
formas de mejorar el consumo desde los diferentes interesados, así por ejemplo no
basta sólo con apagar los electrodomésticos o apagar las luces cuando no se usen a
discreción del consumidor, ahora la preocupación va encaminada por una real gestión
sobre las redes eléctricas, lo cual ha suscitado el empeño por mejorar aspectos desde
su infraestructura hasta sus procesos.
De esta manera se ha iniciado con un diagnóstico sobre la estructuración actual de la
prestación del servicio, se hace un planteamiento a partir del uso eficiente de la
energía, el aprovechamiento de la infraestructura actual, el uso de energías alternativas
y se han añadido puntos de control a partir del uso de las TICs en esta labor.
Entendiendo que las Tics son un componente esencial en el desarrollo de un Smart
Citie, se hace un empleo de diferentes elementos tecnológicos con el fin de establecer
opciones y canales de obtención, distribución de datos, análisis de información y toma
de decisiones para una gestión inteligente de las redes eléctricas, en las cuales ya no
se habla de una producción centralizada de la energía sino que se introduce el
concepto de generación distribuida, en la cual hay puntos intermedios de producción
energética incluyendo la producida por las nuevas tecnologías, motivados por
demanda real, buscando beneficiar a los consumidores finales con mejoras en la
prestación del servicio, los precios por un consumo racionalizado y un manejo
automatizado de los recursos del sistema.
3 PORQUÉ SMART GRID?
En la actualidad las redes eléctricas se encuentran diseñadas en un modelo
unidireccional donde hay una centralización de la generación de la energía; la red
eléctrica está compuesta por elementos de transmisión hacia las líneas que trasladan
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Smart Grid
la energía a las subestaciones que la entregan a los diferentes tipos de consumidores
(industrial, primario y secundario).
Es así como de manera tradicional se tiene dentro del circuito de entrega, transmisión y
uso, algunos elementos pasivos y activos de transmisión y lectura de datos, sin
embrago lo hacen de manera básica y no se presentan en todos los posibles puntos de
control del mismo, y de la misma forma hace falta un punto de gestión de datos para
manejar de forma inteligente los datos recolectados.
El funcionamiento de los generadores actuales, se basa en metodologías que no son
predictivas - tampoco hay elementos para poder hacerlo -, de la misma forma las
comunicaciones entre las diferentes etapas del circuito son incipientes, los temas de
automatización son escasos y no muy eficientes; Por otro lado, muchos de los
componentes y partes del circuito energético, se encuentran ya sin mayores
actualizaciones, de esta forma las preocupaciones van también enfocadas hacia temas
de Infraestructura Envejecida la creciente demanda y la capacidad de esta
infraestructura para atenderla.
Por otro lado, se encuentra el tema medioambiental que cada vez cobra mayor peso
dentro de las preocupaciones de los gobiernos, esto debido a la preocupación sobre los
residuos que dejan las fuentes tradicionales de energía frente al efecto invernadero, de
esta forma hay mayor interés de incluir la producción por energías renovables en el
mercado.
3.1.1 ¿Qué entrega la Smart grid?
Las propuestas dadas en este campo se pueden apreciar desde diferentes puntos en el
sistema energético.
Desde el punto de vista de la generación de la energía, atendiendo a que actualmente
se tienen generaciones centralizadas a base de energías tradicionales, que han
concebido daños ambientales y pensando en la capacidad de abastecimiento que
tienen las centrales actuales frente a la demanda creciente, se encuentran las
soluciones para contrarrestar el problema del calentamiento global, disminuyendo e
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Smart Grid
efecto invernadero a través del uso de las energías alternativas, lo cual a su vez provee
un aprovechamiento de los recursos naturales de las ciudades. De esta forma, al hablar
de nuevas tecnologías, no solo se hace referencia a nuevas fuentes de energía sino a
nuevos métodos y tecnologías con las cuales se puede aprovechar de manera más
eficiente las fuentes de energía existentes.
Como se ha mencionado, los aportes desde la tecnología pueden verse tanto en la
generación como en la distribución o en el uso de esa energía, así las cosas, en el
siguiente punto - la distribución -, se emplea el tema de redes de distribuidas, dando
una mayor eficiencia en el suministro de energía, al descentralizar la generación y
acercar las fuentes energéticas al cliente final. Es así como las redes de distribución
con el empleo de las TICs, tendrían la inteligencia para tomar datos tanto de la fuente
como del extremo del demandante, y de esta forma hacer una comunicación
bidireccional en la cual se usan los elementos de la red de manera eficiente y se
introduce el uso de las fuentes de energías renovables.
Hay que tener en cuenta que la evolución diaria de la demanda de energía eléctrica lleva a que el factor de carga del sistema eléctrico se sitúe en el entorno del 55%33, lo cual supone que los activos de la red se utilizan aproximadamente la mitad del tiempo. Las Smart Grids también incrementan la eficiencia de las propias redes de distribución, reduciendo las pérdidas de energía, que ascienden a un promedio mundial del 8%, aunque en naciones como India estas pérdidas por deficiencias en la red llegan al 25% (foro tic para la sostenibilidad, 2012).
De los puntos álgidos y de mayor incidencia en el ciudadano1 es la posibilidad que los
consumidores, puedan tener injerencia en la gestión de su red eléctrica, propiciando
así, con el uso de contadores inteligentes, facturas electrónicas, la implementación de
sensores y actuadores, la entrega de información sobre demandas reales que ajusten
las tarifas y se traduzcan en cobros diferenciales.
De lo anterior se desprende también el campo de desarrollo de nuevas tecnologías que
de la misma forma y guardando el principio de la red, tengan bajos consumos de
energía, bajos impactos en el medio ambiente, pero que entreguen valor agregado al
interactuar con los diferentes componentes de la red eléctrica, para que no sea una
intervención pasiva sino activa dentro del funcionamiento de la misma.
1 El tercer punto del sistema, a grandes razgos.
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Smart Grid
3.1.2 Generalidades de la Smart Grid
Una Smart grid, hace referencia - de acuerdo a la variedad de fuentes consultadas -, a
una red de distribución de energía en la cual se implementan puntos de control,
actuadores, y diferentes elementos que no solo permiten obtener datos del
comportamiento de la red en diferentes puntos de la misma, sino que permiten actuar,
revisar, y tomar decisiones sobre la actividad de la red. Dentro del concepto de Smart
Grid o redes eléctricas inteligentes, se tienen conceptos que se introducen de acuerdo
a la especificidad de mirar cómo se vuelve inteligente el sistema tradicional de
producción energética y su entrega como servicio público.
De acuerdo a lo anterior, y como se ha mencionado a lo largo del texto desarrollado,
cuando se habla de smart grid, se habla de redes distribuidas, con lo cual se cambia el
concepto tradicional del sistema eléctrico que depende de una centralización de
producción, pues las redes distribuidas parten de una generación desde fuentes más
pequeñas y cercanas al consumidor final; hace que haya una comunicación real en el
sistema, permite la inclusión de las nuevas energías convirtiéndolas en un nuevo punto
de generación y se hacen parte del sistema, abriendo el circuito y se convierte en un
subconjunto del mismo donde se provee energía según demanda, así los usuarios se
pueden convertir en distribuidores así que este punto, debe ser controlado y pasa a ser
uno de los elementos en el panel de control desde el centro de mando de la solución.
Por otro lado, se encuentra el centro de mando que a su vez sería un espacio en el
cual se haría el mando y control del sistema, se habla de una plataforma a través de la
cual se visualizan los componentes de la red, donde hay unos agentes encargados del
monitoreo del sistema, de revisar alertas, gestionarlas y actuar según se vea la
situación.
De esta manera se introduciría un service center con los elementos que éste concibe
en el cual se monitoreen los diferentes elementos en tiempo real, elementos que no
solo serían sensores, actuadores, elementos pasivos de la red, sino que se podría
tener un mapa del sistema y de ello la ubicación y puesta en marcha de los micro-
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Smart Grid
generadores, dados por las centrales distribuidas ubicadas en casas, granjas o
industrias que introducen la producción de energías alternativas.
Dentro de las micro fuentes, se ha concebido también, que elementos como los
vehículos eléctricos que se introduzcan en la red, no solo actúen como puntos
consumidores de energía, sino como microgeneradores, proveyendo energía al circuito
cuando se conecta y ya no necesite consumir más, entonces el circuito de podría
invertir para controlar de pronto pequeños desabastecimientos, por ejemplo, en caso de
emergencias o cortes en el flujo.
3.2 Aprendizajes
Esta es una solución que es base para cualquier desarrollo de la Smart Citie, es una
solución que se puede presentar desde una ciudad ya establecida, es una solución que
se puede plantear como una mejora de la infraestructura, aprovechando los elementos
ya implementados.
Sin embargo, no es solo una solución de mejora en una infraestructura ya montada, es
una solución que puede ser pensada desde ceros en proyectos de construcción
De la misma forma se plantea que es posible hacerlo desde diferentes niveles en la
ciudad, se puede hablar de una gestión inteligente, con el montaje en las redes, de
plataforma de sensores y su centro de mando con el cual se controla y gestiona el
comportamiento de la los mismos. Allí se estabilizan los circuitos, se gestiona la
entrega de energía según se necesite, se pueden controlar diferentes soluciones para
una Smart citie, de allí se centra toda la operación de la red eléctrica inteligente.
Es así como desde diferentes aspectos, que las soluciones de una ciudad inteligente se
pueden ver beneficiadas y son dependientes de una solución como Smart Grids, pues
las nuevas tecnologías son dependientes del suministro de la energía, pero también
esta arquitectura puede ser una plataforma para el desarrollo de otras iniciativas.
4 LAS SMART GRID EN EL CONTEXTO COLOMBIANO
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Smart Grid
Esta es una solución q ue ya tiene planteamientos desde el gobierno, pues se ha
desarrollado un plan en torno a esta solución denominado “Smart grids en Colombia,
visión 2030”. Este peroyecto se llevó a cabo desde el Ministerio de minas y energía, en
asocio con el Ministerio TIC y el BID.
Se fijó como prospectiva el año 2030 para dar tiempos planteados a corto, mediano y
largo plazo para qie pueda darse el desarrollo de políticas, planes y reformas
normativas necesarias para dar buen curso a la implementación de la solicitud. Por otro
lado, debido a que se alinea con otras políticas que a largo plazo fijan el mismo
horizonte, y finalmente, se incluyeron tres periodos de gestión presidencial debido que
se plantean iniciativas que pueden entregar resultados a corto plazo.
El estudio se centra en las Sistema Nacional Interconectado(SIN), esto se sustenta en
que al ser unas redes ya estructuradas en el sistema eléctrico colombiano, son redes
más fáciles de introducir de en el proyecto, esto acuerdo a los resultados del
diagnóstico realizado en el estudio; de todas formas, se justifica que, una vez se tengan
las lecciones apreididasde la implemetnaciòn en las SIN, la extensión a las zonas Sin
Interconetcar, (ZNI) será más fácil de implementar.
Del diagnóstico también se estableció que, hubo algunos puntos de la cadena del
sector que deberían ser analizados por las limitaciones encontradas para su desarrollo
en el estudio (BID, MinMinas, Mintic, 2016).
Uno de los problemas detectados fue en la etapa de servicio al cliente, y soporte
técnico en la etapa de distribución y es uno de los puntos de concentración en
los esfuerzos para poder establecer los putos de mayor atención en el desarrollo
del proyecto.
En el punto de transmisión Colombia está en buen nivel, ya se tienen incluso
puntos de micro generación hidráulica, medición fasorial y el uso de sensores en
las subestaciones entre otras tecnologías.
Generar una demanda activa de usuarios informados y activos como un
elemento esencial para el desarrollo de las RI en Colombia.
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Smart Grid
De acuerdo a lo señalado por el estudio, este se centra en las etapas de distribución y
servicio al cliente, esto in dejar de lado los demás punto involucrados en el ciclo
energético.
El escenario definido por la UPME para el desarrollo de las Redes inteligentes en
Colombia, consta de las siguientes variables:
Crecimiento constate de la economía en un 4,6% de 2014 a 2030 de acuerdo
con
Se toma la base de proyección de crecimiento poblacional que el DANE da
hasta 2020, de tal manera que se extiende el crecimiento constante hasta 2050.
Crecimiento anual en un 2% de la demanda de energía eléctrica.
Ampliación d la cobertura de los servicios de Gas natural y la electricidad.
De esta forma los resultados del estudio se pueden resumir en la figura No. 2, en ella
se ve la forma en la cual interactúan la red de telecomunicaciones con la red del
sistema de energía, se muestra la forma de ubicación y relación entre los diferentes
elementos de comunicaciones.
Figura 2 Arquitectura propuesta para la Red Inteligente.
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Smart Grid
Fuente: Smart Grids Colombia: visión 2030 parte I.
De la misma forma en el estudio del BID- Mintic y Minminas, se hizo una priorización de
las tecnologías de acuerdo a su facilidad de implementación y el impacto estimado que
tendrán en la obtención de los objetivos del proyecto.
Así pues, la gráfica demuestra cuales de los componentes elegidos tendrán un mayor
beneficio estimado, dejándolas más hacia la parte superior de la figura No. 4, y de la
misma forma los componentes de mayor facilidad de implementación se encuentran
hacia la izquierda.
Figura 3 – penetración de cada tecnología, de acuerdo a la distribución
Fuente: Smart Grids Colombia: visión 2030 parte I.
Figura 4 Relación entre la viabilidad y la penetración de cada funcionalidad
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Smart Grid
Fuente: Smart Grids Colombia: visión 2030 parte I.
Una vez analizado el tema de la viabilidad y penetración de cada funcionalidad, se
presenta en el estudio el mapa de ruta, el cual se plantea en tres fases distribuidas de
la siguiente forma:
Fase I: 2016 – 2020
Fase II: 2020 – 2025
Fase III: 2020 – 2030
Así las cosas, el mapa de ruta de las redes inteligentes en Colombia está dado de en
función de la penetración de las funcionalidades establecidas para ser usadas en el
proyecto de Smart Grid Colombia 2030, así como su impacto en cada fase establecida
para el desarrollo del proyecto (BID, MinMinas, Mintic, 2016).
Figura 5 Fases de implementación de las funcionalidades.
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Smart Grid
4.1 Observaciones adicionalesDentro de lo estudiado se han encontrado algunas barreras y de esta manera se listan
a continuación desde diferentes perspectivas (Observatorio Tecnológico de La Energía
(2012).
Barreras tecnológicas:
Las tecnologías aún se encuentran en sus primeras entregas de tal forma su
desarrollo no se encuentra en el nivel deseado.
Otras tecnologías con un elevado grado de desarrollo, por ejemplo, el coche
eléctrico, presentan el inconveniente de que su incorporación a la red, a una
escala comercial, necesita ser investigada.
Falta de infraestructuras adecuadas para una alta penetración de generación
renovable.
Las dificultades para el control y supervisión cuando el porcentaje de la
generación distribuida es alto.
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Smart Grid
Actualmente la normativa y regulación actual imponen limitaciones y barreras
técnicas para el despliegue de las smart grids (Ej.: almacenamiento a partir de
fuentes de energía de origen renovable).
La tecnología existente de las baterías del vehículo eléctrico (EV), tiene
aplicaciones limitadas en el sector de vehículos comerciales, ya que los
requisitos de rendimiento son muy altos.
Necesidad de creación de más proyectos “demo” de tamaño suficiente, ya que
es la única forma de medir potenciales beneficios.
Barreras sociales
Los usuarios no ven inversión en el pago de nuevos equipos que permitirán
gestionar de manera más eficiente el consumo, lo cual se traducirá en mejores
costes en las facturas.
Barreras normativas
La falta de una tarificación eléctrica por franja horaria hace que el uso de medidas para
la gestión de la demanda sea poco atractivo
Falta un enfoque estratégico a nivel nacional que tenga en cuenta la eficiencia
energética, las tecnologías de baja emisión de carbono, la gestión inteligente de la
oferta y la demanda aplicadas en el entorno urbano.
Barreras económicas
Las empresas del sector energético todavía no comparten un entendimiento común
sobre los costos y beneficios de las diferentes aplicaciones de la eficiencia energética.
Escasez de información sobre el retorno de la inversión.
Hay na fuerte desconfianza en tornos a la privacidad de los datos que serán manejados
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Smart Grid
5 CONCLUSIONES
Esta es uno de los estudios de ciudad inteligente, con mayor alcance, pues se
puede mirar desde varias perspectivas, como, por ejemplo, el empleo de
sensores y otro tipo de actuadores para la obtención de datos en diferentes
etapas del sistema que compone todo el proceso de producción, transformación,
entrega y uso de la energía.
Es un proceso largo y brinda gran espectro de desarrollo de proyectos a su
alrededor, los conceptos son amplios y los usos igual, pues hay muchos
aspectos desarrollados, pero igual al emplear las energías alternativas, aún hay
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Smart Grid
temas en desarrollo, y de la misma forma lo pueden estar también sus usos y
aplicaciones.
Los campos de aplicación son amplios, pueden darse en diferentes etapas y
capas de aplicación, es un campo que da oportunidades de crecer en aplicación,
y usos.
La generación distribuida, le brinda una mayor estabilidad al sistema, puesto que
le da redundancia, mayor respaldo y eficiencia en su funcionamiento.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Colado S, Gutiérrez A, Vives C, Valencia E. (2014). Smart Cities hacia la gestión de la ciudad inteligente. Capítulos 4, 5 y 6.
Observatorio Tecnológico de La Energía (2012). Mapa Tecnológico “Ciudades Inteligentes”.
Bid, Ministerio de Minas y Energia, Ministerio de TIC (2016). Smart grids: Visión Colombia parte I y II.
AMETIC, Foro TIC para la sostenibilidad (2012). Smart Cities
Centro de Innovación del Sector Público de PwC e IE Business School (2014). Smart Cities La transformación digital de las ciudades
Energética XXI (2013). Ciudad 2020: hacia un nuevo modelo de ciudad inteligente sostenible
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