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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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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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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