Oportunidades y Amenazas Tecnológicas en el Sector Eléctrico

Rodrigo Palma Behnke, Guillermo Jiménez Estévez

Resumen: En general se tiene la percepción de que en el sector eléctrico los avances tecnológicos no constituyen un elemento crítico para su desarrollo. En este artículo se presentan, en términos generales y desde una perspectiva regional, las oportunidades y amenazas que representan las tecnologías para el sector eléctrico. Se concluye sobre la pertinencia de una actitud activa hacia el desarrollo tecnológico en el sector eléctrico, derribando barreras y creando oportunidades a nivel local.

1. Introducción

La energía es una parte esencial de nuestra vida familiar y desarrollo industrial. De hecho, examinando la historia, las situaciones de crisis energética como la crisis del petróleo en la década de los ochenta o los períodos de sequía en Chile en los años 1968-1969 y 1998-1999, han tenido un fuerte impacto en el desarrollo de la economía. De esta forma, no es de extrañar que el tema energético sea portada permanente de diarios y noticieros en nuestros países. En cada una de estas crisis, incluida la delicada situación financiera internacional actual, cobra vitalidad la discusión sobre el desarrollo energético.

Por su parte, los avances tecnológicos, especialmente en el área de la electrónica y de las telecomunicaciones nos asombran a diario, cambiando conductas sociales y la forma en que el mundo se interrelaciona.

En este contexto, llama la atención que el sector eléctrico, representativo del sector energético, no sea percibido como un sector dinámico en relación a los temas tecnológicos. Esto se confirma en encuestas que realizamos a nuestros alumnos, que ven en las máquinas eléctricas rotatorias y transformadores dispositivos que no han cambiado en el tiempo. Esta percepción se refuerza con lo intensivo en capital del sector eléctrico, lo que demanda inversiones de largo plazo visibles en forma de torres de alta tensión, grandes represas y centrales de generación, las que no cambian visiblemente su apariencia con el paso del tiempo.

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Esta visión de la sociedad contrasta con los grandes capitales invertidos en los países desarrollados para la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías de generación, transmisión y consumo de electricidad. Este es el caso de Alemania, donde la Ley de energías renovables que compensa las inyecciones de energía de fuentes no convencionales con recursos sustentables, ha permitido el desarrollo de una industria que posiciona al país entre los líderes en la oferta tecnológica en este ámbito.

Cabe mencionar, sin embargo, que el auge experimentado la última década en el desarrollo de las energías renovables, sumado a la búsqueda de mayores niveles de eficiencia de los sistemas a través del concepto de redes inteligentes, ha creado un aumento de interés en Chile por parte de los ingenieros y la industria en el desarrollo tecnológico de este sector.

Para el escenario descrito, este trabajo busca entregar una visión general de las oportunidades y amenazas de las tecnologías en el sector eléctrico. El artículo no pretende hacer un desarrollo acabado de cada uno de los temas, sino más bien plantear los aspectos centrales involucrados.

En la siguiente sección se presenta un entendimiento generalizado del sector eléctrico como un sistema de control. En la sección 3 se comentan los distintos niveles en que se visualiza iniciativas de desarrollo tecnológico a nivel regional. En la sección 4 se presenta una de las visiones de desarrollo de los sistemas eléctricos de potencia que permite la integración de fuentes de generación distribuida. Finalmente, se presentan las principales conclusiones de lo presentado.

2. El sector eléctrico

El sector eléctrico está constituido por un conjunto de instituciones y agentes de mercado que interactúan de forma compleja. Las decisiones de inversión y desarrollo las toman empresas privadas, que pertenecen a los segmentos de generación, transmisión o distribución. Por su parte, la operación del sistema se realiza bajo la coordinación centralizada de los centros de despacho de carga, quienes buscan una operación segura, a mínimo costo. Por su parte, el sector eléctrico se desenvuelve en un ambiente general que queda determinado por el marco reglamentario que define roles (derechos y responsabilidades) para cada uno de los agentes. Esta situación se representa en la siguiente figura [1]

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Situaciónde

crisis

?

Evaluaciónsociedad

ConsumidoresEmpresasGobierno

- No modificar nada.- Rol subsidiario - Cambios reglamentarios- Cambios legales - Decisiones centralizadas

Operación del sectorDecisiones de agentes

señales de precioestrategias

Situaciónnormal

Tipo de acciones

Marcoreglamentario

roles

TendenciasOportunidades

Figura 1: Dinámica del sector eléctrico.

En el marco definido, se produce la operación del sector a través de las decisiones de sus agentes, que responden a las señales de precio recibidas del entorno económico del país y las estimaciones futuras de su evolución. En definitiva, cada empresa, siguiendo sus estrategias de negocios da lugar a una dinámica que es permanentemente evaluada por la sociedad. Las situaciones de normalidad, generalmente no provocan una reacción en la sociedad (consumidores, empresas, gobierno), de manera que el marco reglamentario no es modificado y el sector mantiene su desarrollo. Sin embargo, las situaciones de crisis (sequías, racionamiento, aumento de precios, fallas de suministro, etc.) dan lugar a evaluaciones críticas de la sociedad que pueden traducirse en iniciativas de modificación del marco reglamentario a través de cambios legales, reglamentarios o normativas asociadas. Es poco común observar propuestas de modificaciones que se anticipen a una crisis, lo que resalta un carácter reactivo del sector por sobre una estrategia de prevención de situaciones de crisis. Excepcionalmente, la sociedad percibe tendencias que dan lugar a oportunidades de desarrollo o cambio con independencia de la situación en que se desenvuelva el sistema.

En general las modificaciones del marco reglamentario buscan perfeccionarlo, con el fin de superar los problemas observados. Sin embargo, un elemento crítico en estas modificaciones es que pueden generar una reacción no esperada del sector eléctrico, o incluso contraria a lo esperado. De esta forma se pueden configurar círculos virtuosos, que tienden a solucionar las situaciones de crisis, o bien círculos viciosos, que profundizan los problemas.

Desde el punto de vista de un desarrollo tecnológico, las decisiones de inversión en los mercados con estructuras competitivas radican fundamentalmente en los agentes privados, los que reciben señales de precio y evalúan alternativas de inversión en función de la oferta de la industria. Por su parte, el Gobierno identifica temas y segmentos donde debe apoyar desarrollos específicos, a través de fondos de investigación, desarrollo o subsidios.

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3. Desarrollo tecnológico

En el contexto anteriormente descrito, el desarrollo tecnológico, que necesariamente emana de la dinámica de los agentes tomadores de decisión en un sector eléctrico, puede visualizarse en una estructura de alternativas en tres niveles diferenciados, según se muestra en la siguiente figura.

~ =~ ~

Conceptos, modelos, algoritmos, normativas,diseño de mercado, optimización.

Herramientas de apoyo a la toma de decisiones.

Sistema eléctrico, SCADA, EMS.

Figura 2: Alternativas de desarrollo tecnológico

La capa superior se refiere a los conceptos, modelos técnicos/económicos, marcos normativos y procedimientos para la operación y planificación de los sistemas eléctricos. Sin duda que a este nivel se requiere de desarrollos innovadores que permitan una rápida adaptación de los sistemas a nuevas realidades.

La segunda capa se nutre de los resultados de la capa superior con el fin de poder crear las herramientas computacionales respectivas, bases de datos y conceptos de visualización utilizados como parte de una solución tecnológica. A modo de ejemplo, el desarrollo de herramientas de monitoreo de mercado para el control del poder de mercado en sistemas eléctricos con ofertas corresponde a una innovación que une aspectos conceptuales económicos con técnicas informáticas y computaciones.

Por último, la tercera capa es la que representa el mundo físico de los sistemas eléctricos de potencia, donde tecnologías de generación, transmisión, distribución y consumos de energía eléctrica coexisten operando en forma sincronizada. En cada ámbito, se ejecutan constantemente mejoras tecnológicas que aumentan la competitividad de las soluciones. La coordinación se lleva a cabo a través de plataformas de monitoreo y control (sistemas SCADA del inglés Supervisory Control And Data Acquisition) y sistemas de control de las unidades (EMS: Energy Management Systems). Para lograr esto se requiere del desarrollo e integración de controladores, actuadores,

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conversores, generadores y tecnologías de almacenamiento. Asimismo, esta capa contempla los dispositivos de medición de variables que son transmitidos a la plataforma de comunicación.

Ejemplo de aplicación

Para ejemplificar como este esquema se manifiesta en el sector eléctrico en torno a una temática específica, a continuación se presenta el análisis para la inserción de energías renovables (ER) en los sistemas eléctricos.

El siguiente esquema, resume las etapas principales del desarrollo de un proyecto ER [2].

Existencia derecursos

Existencia derecursos

Selección detecnología

Selección detecnología

Operación en el mercado

Operación en el mercado

FinanciamientoFinanciamiento

Integraciónal mercadoIntegraciónal mercado

Figura 3: Etapas de un proyecto de GD

La existencia de un recurso, determina, particularmente en el caso de las ER su potencial de desarrollo. Esto hace referencia a identificar potenciales energéticos que permitan la producción de electricidad. A modo de ejemplo, los recursos que se consideran son los siguientes: eólico, hidráulico, solar, biomasa, geotermia, etc. Se verifica que a nivel regional el conocimiento del potencial real de ER es incipiente, requiriéndose del desarrollo de técnicas de evaluación sistemática del potencial a bajo costo. Se plantea la disyuntiva de si esta tarea le corresponde al estado o al mundo privado. Así lo confirma el estudio “Fuentes renovables de energía en América Latina y el Caribe”, de la Comisión Económica para América Latina y el Caribe, CEPAL, que señala a la falta de datos confiables y concretos sobre los recursos energéticos y sus proyecciones, como una de las principales barreras para el desarrollo de energía renovable en esta región del mundo [3].

Junto con la selección de recursos, se busca incluir la potencialidad de selección de diferentes tecnologías de generación. Dependiendo del recurso energético disponible, se tiene la opción de elegir la tecnología de generación más adecuada para éste. Por ejemplo, para el caso de potenciales eólicos existen diferentes tipos de turbinas que ofrecen distintos rendimientos y condiciones de operación para la producción de electricidad. El desconocimiento de tecnologías de ER, usual en la región, genera una barrera de conocimiento que tiende a inhibir la incorporación de éstas. Este desconocimiento se manifiesta en una mayor incertidumbre respecto de los costos de operación, mantenimiento y formas de aplicación de reglamentos específicos. Asimismo, las

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entidades evaluadoras de los créditos a posibles inversionistas en ER tampoco poseen las herramientas adecuadas para la toma de decisiones. Se detecta por tanto la necesidad de capacitación en temas tecnológicos a una industria incipiente.

Asimismo, se visualiza que a nivel internacional, estas tecnologías al no haber completado su ciclo de madurez, presentan oportunidades de desarrollos tecnológicos específicos en los que pueden insertarse resultados de investigación a nivel local.

Un tercer aspecto determinante para la concreción de este tipo de proyectos se refiere a los esquemas de financiamiento aplicables. En este tema se han desarrollado a nivel internacional distintos esquemas de apoyo financiero y de fomento directo a los proyectos ER.

La integración al mercado reúne variados aspectos. Por una parte considera los elementos técnicos necesarios para que un proyecto de ER pueda inyectar energía eléctrica en una red eléctrica (certificaciones, pruebas, elementos de medición y protecciones). Por otra parte, la integración se refiere a los costos de conexión que puede enfrentar un GD, los que pueden depender del tipo de tecnología a utilizar y de los niveles de potencia a inyectar en la red.

La operación en el mercado se refiere al sistema de precios al que se va ver enfrentado el proyecto de ER. En esta etapa se busca compatibilizar los ingresos por venta de energía, potencia y servicios complementarios con los costos de inversión, operación y mantenimiento de la unidad. Con el fin de poder entregar mayor claridad respecto de los ingresos esperados en un proyecto de ER, se visualiza la necesidad de desarrollos reglamentarios y metodológicos innovadores que permitan determinar en forma eficiente los precios del mercado mayorista para múltiples puntos de inyección de este tipo de tecnologías. Una mayor facilidad en la estimación de los precios futuros permitiría una estimación más simple de los ingresos esperados por parte del inversionista de ER. En contraste con el camino seguido por países desarrollados, con apuestas de desarrollo tecnológico subsidiado, el enfoque convencional a nivel regional es el de integrar estas soluciones en el momento que sean competitivas, o bien, subsidiarlas sin sentido estratégico de desarrollo tecnológico.

Cabe señalar que la integración y operación en el mercado están condicionadas necesariamente por el diseño de mercado eléctrico en el cual se insertan. A modo de ejemplo, en un sistema basado en contratos bilaterales físicos, usual en Europa, la condición de autodespachado es una prerrogativa de los generadores que poseen contratos de suministro. Sin embargo, en sistemas de tipo Pool como el chileno, el autodespacho puede atentar contra la operación a mínimo costo del sistema, lo que obliga a la definición de políticas de despacho por parte del operador del sistema.

4. Integración de fuentes de generación distribuida

En esta sección se presenta en mayor detalle una línea de desarrollo tecnológico que puede representar una oportunidad para los sectores eléctricos de la región.

El complejo escenario energético a nivel mundial, donde Chile y los países de Latinoamérica no constituyen una excepción, permite prever que los futuros sistemas de potencia eléctricos emigrarán gradualmente desde los grandes sistemas de potencia tradicionales con generación eléctrica provista por grandes plantas generadoras hacia sistemas más flexibles [2, 4]. Esta

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flexibilidad radica en sumar a las soluciones convencionales de energía a través de grandes centrales de generación, la posibilidad de inyección de pequeñas unidades de generación ubicadas cerca del consumo. En este nuevo escenario, las centrales convencionales de gran escala coexistirán con tecnologías de generación distribuida o de pequeña escala (GD1, por ejemplo centrales minihidráulicas o bien pequeños parques eólicos, paneles solares, unidades de biomasa, etc.) [5]. Lo anterior, con el fin de aprovechar de manera sustentable los recursos energéticos existentes, plantea desafíos de modelación, técnicos, económicos y regulatorios no resueltos a nivel internacional [6-7].

Las plataformas de coordinación centralizadas dan origen al concepto de Generador Virtual (GV) o Virtual Power Plant (VPP) [8-10]. Un GV corresponde a un agregado de GD operando bajo un esquema de coordinación cuyas consignas responden a objetivos conjuntos. Contempla un mecanismo de coordinación que permite operar eficientemente un conjunto de GD y consumos, ubicados en diferentes lugares, con el propósito de lograr un impacto en la red eléctrica similar al de un generador convencional con las ventaja de que la salida de cualquiera de sus unidades no significaría un riesgo para la estabilidad del sistema y que la característica distribuida de las fuentes permite aportar a la calidad del servicio [8-10].

Dada la disponibilidad de recursos energéticos de tipo renovable no aprovechados en el país y la región, el desarrollo y realización de este tipo de esquemas flexibles de generación, cuya estructura se muestra en la siguiente figura, representa una oportunidad para el desarrollo energético nacional [6]. Adicionalmente, el desarrollo y realización de un GV se constituye como un escenario idóneo para fomentar desarrollos tecnológicos a nivel local.

Calidad deproducto

AlmacenamientoI ndust r ia

Solar

Usuarioresidencial

Celdacombust ible

Eólico

Cogeneración

Almacenamiento

0,2/ 0,38 kV

10/ 23 kV110 kV

Medición

Generadorconvencional

1 Generación de electricidad con unidades de pequeña escala ubicadas en la cercanía de los consumos o conectadas directamente al sistema de distribución.

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Figura 5: Visión de desarrollo futuro de los sistemas eléctricos

En la actualidad, persisten problemas relacionados con la integración de GD como lo son las exigencias vigentes para su conexión a las redes eléctricas [11] y la ausencia de operación coordinada entre estas unidades [8,12,13]. Sobre este último aspecto se han realizado diferentes avances entre los que se pueden mencionar la operación descentralizada en sistemas aislados [8-13], y la coordinación a través de un Operador de Sistema (OS) mediante estándares ya establecidos [9,14,15]. A nivel internacional se identifica abundante actividad al respecto, por ejemplo [16]:

- Laboratorio ISET, - STEAG Project,- Encorp Virtual Power Plant,- Virtual FC Power Plant,- Fenix project (DER Unión Europea)- Otros proyectos relacionados de la Unión Europea (CRISP, DISPOWER, MICROGRIDS,

EUDEEP),- Virtual Power Plant NATCON7,- Decentralized Energy Management System de SIEMENS.- SmartGridCity (Boulder, Colorado), Xcelenergy.

Estas iniciativas se encuentran en general en una fase experimental y no constituyen aún productos comerciales. La temática de coordinación de unidades GD se inserta en discusiones más generales de actualidad asociada a la creación de redes inteligentes y microredes (en inglés “smartgrids y microgrids”). Estos avances enfatizan el poder entregarle al usuario los medios de poder interactuar con el sistema de potencia. A modo de ejemplo, se entrega a los usuarios, en tiempo real, señales económicas que le hagan postergar el uso de electrodomésticos si el precio de la energía es elevado [4, 17, 18].

Fuente: Handschin, UNIDO, Universidad de Dortmund Dortmund, Alemania.

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1. Conclusiones

El trabajo presentado entrega una visión general de las oportunidades y amenazas de las tecnologías en el sector eléctrico, el que puede ser representado como un sistema de control. Dependiendo de la forma en que evolucione este sistema, a través de las decisiones de los agentes de mercado o bien políticas públicas, los desarrollos tecnológicos pueden representar oportunidades o amenazas para el sector eléctrico.

El rol de los desarrollos tecnológicos puede entenderse en tres distintos niveles del sector eléctrico: modelos o desarrollos conceptuales, herramientas de apoyo a la toma de decisiones y el mundo físico de equipos y dispositivos. Este rol es plasmado a modo de ejemplo en relación a las alternativas de desarrollo de las energías renovables, distinguiéndose en cada nivel requerimientos de innovación tecnológica en Chile y la región.

Finalmente, se presenta en mayor detalle la visión de desarrollo de los sistemas eléctricos de potencia mediante la integración masiva de fuentes de generación distribuida bajo el concepto de generador virtual.

El análisis presentado respecto del desarrollo tecnológico en ER puede resumirse en que un problema de efectividad de costos en el corto plazo puede ser considerado como una amenaza o bien como una oportunidad. La experiencia internacional pareciera indicar que existen dos tendencias seguidas por los países:

Subsidio estratégico: a través de distintos mecanismos, en definitiva se subsidia o compensa este tipo de energía con la finalidad de fomentar su desarrollo tecnológico y masificación (economías de escala). Los países que han seguido este camino, si bien poseen motivaciones de carácter ambiental, buscan en el mediano plazo ser líderes tecnológicos en esta materia y vender al resto del mundo sus desarrollos. Los posibles beneficios en el largo plazo son: competitividad, puestos de trabajos calificados, seguridad energética. Es interesante notar que esta estrategia combina necesariamente en el tema energético elementos de innovación tecnológica, ambientales y de seguridad energética.

Comprar barato: se refiere a un criterio que tiene mucho sentido económico, esperar hasta que la tecnología sea barata y comprarla al mejor proveedor. De esta forma no se incurre en aumentos de precios injustificados para los usuarios finales.

De esta forma, los países que han optado por el subsidio estratégico, junto con contribuir a la seguridad energética y medioambiente, están realizando una apuesta al desarrollo tecnológico, ya que una vez que las energías renovables se encuentren mejor posicionada y más sólidas, los países se transformarán en vendedores de esa tecnología para todo el mundo, lo que les resulta muy beneficioso en términos económicos y sociales. En este sentido las energías renovables representan una oportunidad.

Alternativamente, esperar a que los precios de las tecnologías bajen, puede responder a una decisión económica adecuada, pero dificulta la posibilidad de integrarse a desarrollos tecnológicos a nivel local.

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La opción definitivamente discutible es la de subsidiar tecnologías sin un enfoque estratégico de desarrollo local.

2. Referencias

1. Palma Rodrigo, Jiménez Guillermo, Moraga Pilar, “Barreras de Mercado al Fomento de las ERNC”, Anales de IV Jornadas de Derecho Ambiental, Universidad de Chile, 25, 26 de junio 2008.

2. Palma Benhke Rodrigo, Jiménez Estévez Guillermo, Claudio Vergara, “El Generador Virtual como Alternativa de Suministro de Electricidad”, RU Revista Universitaria, Publicación de la Vicerrectoría de Comunicaciones y Asuntos Públicos de la Pontificia Universidad Católica de Chile, mayo 2009 (en prensa).

3. CEPAL/GTZ, Fuentes Renovables de Energía en América Latina y el Caribe: Situación y propuestas de Políticas. México, 2004.158p.

4. IEEE Power&Energy Magazine, “Making the Connections, Next Generation Grid”, Volume 7, Numbar 2, marzo/abril 2009.

5. J. Pepermans, J. Driesen, D. Haeseldonckx, R. Belmans, and W. D’haeseleer, Distributed generation: definition, benefits, and issues, Energy Policy, vol. 33, pp. 787–798, 2005.

6. B. Kroposki, C. Pink, R. DeBlasio, H. Thomas, and P. K. Sen, Benefits of power electronic interfaces for distributed energy systems, in Proc. 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting.

7. H. Thomas, B. Kroposki, T. Basso, and B.G. Treanton, Advancements in Distributed Generation Issues: Interconnection, Modeling, and Tariffs, in Proc. 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting.

8. Kiriaco Jarami Orellana, Análisis de Mecanismos de Coordinación de Generadores Distribuidos en Sistemas, Memoria de Título, Ingeniera Civil Electricista, Universidad de Chile, 2006.

9. Virtual Power Plant, ENCORP. (April, 2009). Available [Online]: http://www.encorp.com/

10. Handschin E.; Uphaus, F.: "Simulation system for the coordination of decentralized energy conversion plants on basis of a distributed database system", IEEE PowerTech 2005, St. Petersburg, Juni 2005.

11. Andrew Keane, Eleanor Denny and Mark O’Malley, Quantifying the Impact of Connection Policy on Distributed Generation, in IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 22, No. 1, March 2007, pp 189-196.

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12. Hatziargyriou, N.D.; Dimeas, A.; Tsikalakis, A.G.; Pecas Lopes, J.A.; Kariniotakis, G.; Oyarzabal, J, “Management of Microgrids in Market Environment, ” in Proceedings 2005 International Conference on Future Power Systems, Nov. 2005.

13. Van Werven, M.J.N.; Scheepers, M.J.J., “The changing role of distribution system operators in liberalised and decentralising electricity markets,” in Proceedings 2005 International Conference on Future Power Systems, Nov. 2005.

14. Natcon7. (December, 2007). Disponible [En línea]:. http://www.natcon7.com

15. Decentralized Energy Management System, DEMS (December, 2007). Disponible [En línea]:. http://www.siemens.at/dems/index_en.htm.

16. Javiera Ketterer, Metodología básica para la definición de la ubicación óptima de un generador virtual, Memoria de Título, Ingeniera Civil Electricista, Universidad de Chile, 2009.

17. SmartGridCity (Boulder, Colorado) webpage, http://birdcam.xcelenergy.com/sgc/index.html.

18. Lasseter, R.H.;Certs Microgrid,IEEE International Conference on System of Systems Engineering, 2007. SoSE '07, April 2007 Page(s):1 – 5.

Rodrigo Palma Behnke nació en Chile. Recibió su título de Ing. Civil de Industrias con Mención en Electricidad y Magíster en Ciencias de la Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile y el de Dr.-Ing. de la Universidad de Dortmund, Alemania. Se desempeña como profesor asistente del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile y es Director del CE-FCFM, Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Su campo de investigación son la planificación y operación de sistemas Eléctricos de potencia en mercados eléctricos competitivos.

Guillermo Jiménez Estévez nació en Bogotá, Colombia. Recibió el grado de Ingeniero Electricista en la Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá en 1998 y el Magíster en Ciencias mención Eléctrica, en la Universidad de Chile en 2003. Actualmente se desempeña como estudiante de doctorado en la Universidad de Chile. Sus intereses principales de investigación son la generación distribuida y la planificación de sistemas de distribución.

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