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Solarenergie - die Lösung aller (Energie-) Probleme?

Prof. Dr. Eicke R. Weber

Albert Ludwigs Universität, FreiburgLeiter, Fraunhofer ISE

15. Juni 2010, Studium Generale, Tübingen

www.ise.fraunhofer.de

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Größtes europäisches Solarforschungsinstitut

ca. 930 Mitarbeiter (incl. Studenten)

Geschäftsbereiche:

• Photovoltaik (Si, CPV, OPV)• Solarthermie (ST, CSP)• Regenerative Stromversorgung• Energieeffiziente Gebäude & Gebäudetechnik• Angewandte Optik & funktionale Oberflächen• Wasserstofftechnologie

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem ISE

10% Grundfinanzierung90% Projektforschung,40% Industrie, 50% öffentl.€ 55,0 M Budget (‘09)> 10% Wachstumsrate

• ISE Freiburg• CSP Halle (mit Fh-IWM)• THM Freiberg (mit Fh-IISB)• LSC Gelsenkirchen• CSE Boston (Fh-USA)

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Wir stehen vor der Herausforderung, unser globalesEnergiesystem fundamental umzustellen

Schutz der natürlichenLebensgrundlagen derMenschheit

Endlichkeit von fossilenEnergieträgern

Reduktion vongeopolitischenKonfliktpotenzialen

Senkung der CO2Emissionen zur Minderungder Auswirkungen desKlimawandels

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Globale Klimaveränderung

CO2-Konzentration in der Atmosphäre heuteschon bei 385ppm, weit über 280ppm, demhöchsten Wert der letzten 500.000 Jahre.

Anstieg auf 500ppm bereits unvermeidlich,noch höher ohne drastische Maßnahmen.

Dramatische Temperaturerhöhung über 2oCdroht, vielleicht gefährlicher:das Ende des Holozäns, der Periode derKlimastabilität in den letzten 10.000 Jahren.

Wir erleben das Ende des Holozäns durchmenschlichen Einfluss, und den Beginn desAnthropozäns, den wir noch nicht kennen!

Zeit vor heute (Jahre)

Klimageschichte derletzten 100.000 Jahre Holozän

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Globale Klimaveränderung II

Um den Temperaturanstieg der Erde auf 2oCzu beschränken darf die Menschheit nur noch750 Gt CO2 emittieren (IPCC 2007, PKI)

Die heutige CO2 Emissionsrate beträgt 30-35Gt/Jahr

Wenn es nicht gelingt, in den nächsten 5Jahren das Maximum der globalen CO2Emission zu überschreiten kann das 2oC Zielnicht mehr erreicht werden!

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Scheitern von COP-15 (Kopenhagen 2009): Negativ - Ziel

Klimaforscher: Nur noch 750 Gt globale CO2 Emissionen sind erlaubt,um die Erderwärmung auf 2oC zu begrenzen

Politiker: Verträge, um den nationalen CO2 - Ausstoß zu begrenzen

Wähler (bes. USA): lehnen Begrenzung des Lebensstandards durch CO2 - Limits ab

Schwellenländer (wie China): Limits auf CO2 - Emissionen werden nichtakzeptiert, da pro-Kopf Emissionen geringer als in Industrieländern

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Besser: Positiv - Ziele: RE und EE

Regenerative Energien Ziel: % RE an Stromproduktion, Energieverbrauch

Energie-effizienz Ziel: z.B., Energieintensität des BIP in kWh/$

Regierungen: diese Ziele werden durch politisches Handeln direkt unterstützt

Wähler: positive Ziele bieten eine Herausforderung

Volkswirtschaften: Arbeitsplätze in high- und low-Tech, Förderprogramme

Vorteile:

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Außenansicht, Süddeutsche Zeitung, Samstag, 12. 6.2010

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Der Weg in eine erneuerbare Energien Zukunft

Energieeinsparung - Energieeffizienz in Produktion, Verkehr, Gebäuden

Kernkraft - nicht-erneuerbar, ungeklärte Endlagerung, Risiken bei Betrieb

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Der Weg in eine erneuerbare Energien Zukunft

Energieeinsparung - Energieeffizienz in Produktion, Verkehr, Gebäuden

Kernkraft - nicht-erneuerbar, ungeklärte Endlagerung, Risiken bei Betrieb

Wind - sehr nützlich, on-shore preiswert, Zahl guter Standorte limitiert

Wasser - Grundlast, instantan ein- und auszuschalten, Energiespeicher

Geothermie - Grundlast, standortabhängig

Biomasse - interessant für Biofuels; Erzeugung ineffizient (Photosynthese)

Solarenergie (Solarthermie, Photovoltaik) - praktisch unlimitierte Energiemenge,Solares Heizen und Kühlen: Ersatz von PrimärenergiePV: kontinuierliche, starke Preisreduktion durch Massenproduktion!

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Die von der Menschheit jährlich verbrauchte Energiemenge wird vonder Sonne jede Stunde auf die Erdegeliefert.

Die Sonneneinstrahlung auf die Erde entspricht 120.000 TW.

Globaler Energieverbrauch: heute 15TW, im Jahre 2020: 20TW!

Größenordnung der Solarenergie

Quelle: G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, März 2007

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Solarenergie ist die einzige Energieart,die das Energieproblem der Erde

langfristig lösen kann!

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Exemplarischer Pfad: Globaler Primärenergieverbrauch

Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003, www.wbgu.de

ÖlKohleGas

KernenergieWasserkraftBiomasse (traditionell)Biomasse (modern)

Solarstrom (PV,solarthermischeKraftwerke)

Solarthermie (Wärme)Andere ErneuerbareGeothermie

Wind

Jahr2000 2020 2040

200

600

1000

1400

2100

EJ/a

0

10

30

40

50

20

TW

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Wind

Solar

ener

gie

–

PV u

nd S

olar

ther

mie

Wasser, Geothermie, Biomasse

Technologien für einen regenerativen Energiemix

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PV (mit CSP) kann einenwesentlichen Teil desWeltenergiebedarfserzeugen

Flächenbedarf um künftigenWeltbedarf von 20 TWdurch PV zu erzeugen:6 Gebiete je 3.3 TW.je 340 x 340 km2

(1600h/a, 15% Effizienz)

Flächenbedarf für solare Elektrizität

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D: 3,8 GW

Sources: 2000-2003 Strategies Unlimited, 2006 EPIA “solar generation”, 2007 LBBW Report, 2010 SolarBuzz

AnnualModuleShipment(CrystallineSilicon)

MWp/a

2000 20122005 2010

15% Growth

25% Growth

2001 2002 2003 2004 2006 2007 2008 2009 2011

1,6002,000

4,000

1,200800400

3,6003,2002,8002,400

4,4004,800

40 % CAGR

Projection (2003)Actual Shipments

2009: 6,43 GWp

2003: 600 MWp

Jährliche globale Installation von PV ModulenBY: 1,5 GW

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Anteil des photovoltaisch erzeugten Stroms amStromverbrauch 2010

Global: Weniger als 0,1% des Stromverbrauchs

Deutschland: ca. 1 % des Stromverbrauchs

Bayern: ca. 3% des Stromverbrauchs

Landkreis Fürstenfeldbruck (bei München): mehr als 15% in 2010!

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Mono-Si

Thin-Film

Multi-Si

Ribbon-Si

First 20% Mono-Siproduction cell (100cm²)

Renewable Energy law, D

Residential root program, JPN

First 20% Mono-Si lab cell (4cm²)

1990: 1/3 thin-film, c-Si, ms-Si2007: 5 GWp,

> 90% c-Si & mc-Si!

5 GWp

Quelle: US Department of Energy

Technologien im globalen PV-Market

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d [µm] = 400 300 200 100 50

ηcell [%] = 10 15 18 20

22%

20202010(25%)

[€/Wp]

100

10

1

1980

1990

20002004

110-210-310-4 102 103

Installierte Peak Leistung (kumuliert) [GWp]

10-1 10

(30%)

2007

Preis-Lernkurve von PV-Modulen aus kristallinem Si

Graph: G. Willeke, ISE

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PV F&E: Zellstrukturen für hohe Effizienzen

PERC/PERL Emitter Wrap Through

Metal Wrap Through

Back Junction /Interdigitated contact

ALBA 04/07-12/08 QUEBEC 05/05-08/07

+ Wirkungsgrad- Weltrekord mono/multi Si+ dominierende Kontakt-Struktur- Busbar vorne- feinste Kontakte notwendig

+ sehr gute Eignung für große Zellen+ Modulverschaltung- feinste Kontakte notwendig- keine passivierten Solarzellen bisher

+ sehr gute Eignung für Difflänge ≥ ZellDicke+ hohe Wirkungsgrade demonstriert- komplexeste Struktur- Rückkontaktfingerleit- fähigkeit / Zellgröße

+ hohe Wirkungsgrade in Produktion+ relaxierte Struktur- anforderungen- Difflänge » ZellDicke (n-typ) notwendig- Rückkontaktfingerleit- fähigkeit / Zellgröße

PV-TEC 12/04-06/07MASSE 04/08-03/11

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Technologietreiber PV: Beispiel Laser Fired Contacts

Source: A. Grohe et al., in Proc 21st EU-PVSEC (Dresden, 2006)

Laser

Rotatingmirror

Focussing lens

Si-Wafer withAl-Layer

LFC with local Al-BSF

Simple method toproduce locally alloyedAl contacts

On-the-fly processingwith mirror scanners:> 10.000 contacts/s

Contactless in-lineprocess

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Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus monokristallinemSilicium

Waferdicke = 37 µmWirkungsgrad = 20,2%1 cm²

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Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus multikristallinem Silicium

Thermisches Oxid

Plasma-texturierteOberfläche

Laser-fired contacts (LFC)

Waferdicke = 99 µmWirkungsgrad = 20,3%(1 cm2 )

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Von Quartz und Kohle zum metallurgischen Si (mg-Si)Raw material C SiO2

Consumable electrodes

Electric energy Filter

Cleaned gas

Charge material

Liquid metalRefining

Silicon

SolidificationSizing

Crushing

CraterRecovered energy Silica

Source:

B. Ceccaroli and O. Lohne

Source: Elkem

> 1 Mio. t/a

ca. 1 $/kg

Source: RW silicium

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Vom mg-Si zum hochreinen poly-Si: der Siemens Prozess

‘Fluidised Bed’ Reaktor Fraktionierte Destillation

mg-Si Pulver

Heisser Si Staub

Abgase (SiHCl3, SiCL4, H2, Metall Chloride)

Heizelemente

HCl

Quartz Rohr

ca. 100.000 t/aca. $50/kg

Alternative für PV: gereinigtes metallurgisches Si - (umg-Si)ohne Reinigung in der Gasphase

Siemens-Si Herstellung

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Physicochemically purified feedstock: upgraded mg-Si

Woodchips

Carbothermicreduction

Source: Elkem

Source: RW Silicium

Coal

QuartzSiO2

Typical throughput:approx. 10.000 – 15.000 t/a mg-Si

mg-Si

< 99,5%

SiO2 + C → Si + CO2

2-3 times, Si in liquid or solid phase

Reductiondopants

Reductionmetals

Ultrahightemperatures(therm./plasma)

Slag treatment …

Segregation Leaching

Slide courtesy of S. Reber

umg-Si99,999%

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Concepts worked on at ISE: InertCell, EpiCell

EpiCell: Epitaxial silicon thin-filmsolar cell on (near) metallurgicalgrade mc-Si wafer substrate

low grade siliconwafer

silicon baselayer

200µm

20µm

basecontact

emittercontact

emitterlayer

1µm

texture /ARC

waf

er e

quiv

alen

t

umg-Si wafer~1Ωcm

200µm

basecontact

emittercontact

emitterlayer

0.5µm

texture /ARC

Iner

t Waf

er

InertCell: Wafer solar cell madefrom (moderately) purifiedsilicon, impurities inactivated

Slide courtesy of S. Reber

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Solar Cell Conversion efficiency with 100% umg-Si

01/11/2010 28CaliSolar Confidential

• Median efficiency reaches 16%• Record cells approaching 17%

Median per ingot

Emitter

NewMetallizatio

n

Each data point represents the median efficiency for one ingot (~ 10,000 cells)

AB

Slide courtesy of CaliSolar

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Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellenmit einem pn-Übergang

500 1000 1500 2000 25000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren

Genutzte Energie

Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen

Leis

tung

sdic

hte

[W/m

µm

]2

Wellenlänge [nm]

W. Shockley,H.-J. Queisser (1961)Theoretische Grenze 33%

J. Zhao, A. Wang,M.A. Green (1999)Bester Laborwert 24,7%

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Hocheffiziente gestapelte Solarzellen

500 1000 1500 2000 25000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Lei

stun

gsdi

chte

[W/m2!m

] AM15 GaInP GaInAs Ge

Wellenlänge [nm]

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Tandem (3 - jct.) PV Zellen für optische Konzentration:

ARC

n-graded Ga1-xInxAs buffer layer

p-Ge substrate (100)

p+-AlGaInAs - barrier layer

p-GaInAs - base

n-GaInAs - emittern+-AlGaInP/AlInAs - barrier layer

p++-AlGaAsp+-AlGaInP - barrier layer

p-GaInP - baseGaInP - undoped layern-GaInP - emittern+-AlInP - window layer

cap layer

n++-GaAs or GaInP

p+-GaInP - barrier layer

GaInAs - undoped layer

p+-GaInAs - barrier layer

1.8 eV

1.3 eV

front contact

rear contact

p++-AlGaAsn++-GaInAs

n- doped window- and nucleation layern-Ge diffused emitter

0.7 eV

Ga0.65In0.35P

tunnel diode

Ga0.83In0.17As

tunnel diode

Ge

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ISE Weltrekord für metamorphe 3- jct. Solarzellen(Jan. 2009)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Cur

rent

[A]

Voltage [mV]

2517-3-01-17 Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge C = 454 x, T = 25 °C (C = 1: AM1.5d, ASTM G173-03, 1000 W/m?) ISC = 380.5 mA VOC = 2867 mV FF = 87.2 % A = 0.0509 cm? ! = 41.1 %

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Konzentrierende PV: CPV

Quelle: Concentrix Solar

2007, 5.75 kW System2008, 70 Watt Module

Produktion von FLATCON® Concentrix Solar

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Ein wichtiger Vorteil von CPV-Kraftwerken: Land Nutzung

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Dünnschicht-Solarzellen: Beispiel CuInS (CIS)

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Organische Solarzellen

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Segmentierung der Solarzellen Effizienzen

1 -5 %: Organische-, Farbstoff-, Nanostruktur- Solarzellen

6 - 11%: Dünnschicht Zellen (a-Si, mikrokristallines-Si, CIS, CIGS, CdTe)

14 - 18%: multikristalline-, einfache kristalline-, umg- Si Zellen

20 - 24%: Hocheffizienzzellen, i.w. kristalline-Si Zellen

36 - 41.1%: Hocheffiziente III/V Tandem Zellen für Konzentratoren

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The 3 generations of photovoltaics

Quelle: The Future of Thin-film Solar Cells”, Martin A. Green

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Solarthermische Kraftwerke

Receiver

Konzentratorflächen

Wärmeleitungssystem

Nachführungssysteme

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© Solarmillenium

Solarfeld

Verrohrung undWärmetauscher

Speicher -optional

Kraftwerksblock

Kühlung - Naß- oderTrockenkühlung

Solarthermisches Kraftwerk

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Existierende und geplante KraftwerksprojekteRund 500 MW in Betrieb, 2500 MW im Bau, 9000 MW in Entwicklung

Quelle: Kost (Fraunhofer ISE)

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Kollektortechnologien

C ~ 500 – 1000 xkomm., demoηa ~ 10%-15%

LEC2020 ~ 5ct/kWh

C ~ 300 – 4000 xdemoηa ~ 14%-18%

LEC2020 ~ ?

C ~ 60 – 120 x demo ηa ~10%12%

LEC2020~ 5ct/kWh

C ~ 70-90 xkommerziellηa ~ 12%-14%

LEC2020~ 5ct/kWh

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Desertec - Vision eines Stromverbundes

Desertec Foundation

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Gründung Desertec Industrial Initiative(30.10.09)

Stromproduktion aus RE:

Photovoltaik

Wind

Solarthermische Kraftwerke (CSP)

-----------------------------------------

Wasser (bes. Schweiz, Norw.)

Geothermie (bes. Island)

Stromtransport via HGÜ

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Zukunftsthema Energiespeicher im Netz - Strom nachBedarf aus Sonne und Wind

Themen: Redoxflow-Batterien Lithium-Batterien (netzintegriert) Leistungselektronik Energie-/Batterie-Managementsysteme dezentrale Regelstrukturen Druckluftspeicher (Konzeptionell)

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Energiespeicher: Redox-Flow-Batterien

hoher Wirkungsgrad (>75 % Gesamtsystem)

lange Lebensdauer, hohe Zyklenfestigkeit(> 10.000)

flexibler Aufbau (Trennung von Energie-speicher und –wandler)

leicht skalierbar

schnelle Ansprechzeit (µs – ms)‏

Überlade- und Tiefentladetoleranz

geringer Wartungsaufwand

keine Selbstentladung

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Intelligente Nutzung von Energie (Smart grids)

Import/ExportHGÜ

400 V

10/20 kV

110/220/380 kV

IntelligenteNetzbetriebs-führung

Prognose: Erzeugung und Verbrauch

Leitwarte,Verteilnetzbetrieb

Zukünftige Struktur derStromversorgung:Supergrid mit mehrdezentralerVerantwortung

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Wind onshore: € 1-1,50 /W, 2000-2500h/a

Kernkraft: € 4-6/W, 6000-7000 Betriebsstunden/a,+ Brennstoff- und Betriebskosten,+ Kosten der Endagerung

CSP: € 2-4 /W ohne Speicher, 1500-2500h/a€ 4-5/W mit Speicher, (sonnenreich, Wüste)

Kosten neuer Kraftwerke

Wind offshore: € 2,50-3,00W, bis 3500h/a, hohe Wartungskosten

Photovoltaik: € 2,20-2,80/W, 800-1000h/a in D, 1500-2500h/a im Süden

bei minimalen Betriebskosten,Preise sinken nach der Lernkurve!

Quelle: eigene Erhebung, ER Weber

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Stromgestehungskosten aus regenerativen Energien

Stromgestehungs-kosten von PV, CSPund Wind(on/offshore)

Windenergie erreichtWett-bewerbsfähigkeit beiStrom-gestehungskosten

Photovoltaik anguten Standortensehr attraktiv

Zahlen: Einstrahlung in kWh/(m²*a) am Standort bei PV und CSP, Volllaststunden pro Jahr bei Wind

Quelle: C. Kost, Fraunhofer ISE

AktuellerStrommix

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Stromgestehungskosten und Lernkurven bis 2030

Hoher Lerneffekt beiPV lässt Preise aufwettbewerbsfähigesNiveau sinken

(Onshore-)Windkraftbereits heutewettbewerbsfähig

Offshore-Windkraftdeutliche höhereKosten, auchlangfristig

95/97%1420 GW709 GWGWEO 2009Wind (on/off)

231 GW

2221 GW

2030

Strommix fossil

CSP

PV

Technologie

Leitszenario 2009

92-96%68 GWGreenpeace 2009

85%656 GWSarasin 2009

Progress Ratio2020Referenz

Quelle: C. Kost, T. Schlegl, Fraunhofer ISE

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Beschäftigung in ausgewählten Branchen in Deutschland1998-2008

Quellen: Statistisches Bundesamt, Statistik der Kohlewirtschaft, BMU, Atomforum, VDA, Stand: 4/2009

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2003: 2,2 % des Umsatzes in RE

2008: 0,9 % des Umsatzes in RE

Forschungsausgaben des Bundes und Umsatz mit RE

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Wir stehen vor einem Paradigmenwechsel inunserem globalen Energiemix, hin zu CO2 - freien,erneuerbaren Energien, die effizienter eingesetztwerden.

Wind und Wasser sind heute die führenden RETechnologien; solare Energien werden einenwesentlichen Beitrag zur Lösung unserer Energieprobleme leisten, darunter wird Photovoltaikdie führende solare Technologie bleiben.

Deutschland und Europa haben eine weltweitanerkannte Spitzenstellung auf diesen Gebieten,die es aggressiv zu verteidigen gilt.

Zusammenfassung

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Statt der CO2 - Reduktionsziele sollten wir Ziele des Anteils an regenerativen Energien (RE) vereinbaren.

Einzelne Gemeinden, Städte, Inseln und isolierte Landstriche können bereits 2020 zu 100% RE versogtwerden.

1,6 Mrd. Menschen sind noch ohne Zugang zu elektrischem Strom, sie sollten bis 2030 RE erhalten; Deutschland und Europa können 2040-2050 100% REerreichen, der Rest der Welt spätestens 2070.

Das Ziel einer 100% regenerativen Stromversorgung schliesst automatisch die Klimazieleder CO2 - Reduktion ein!

Zusammenfassung II

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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit