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Energie für die Zukunft – Sind wir auf dem Weg zu einem nachhaltig globalen Energiesystem ?. Tagung „Solarenergie an Schulen“ Evangelische Akademie Loccum, 6. bis 7. Juli 2006. Dr. Joachim Nitsch DLR-Institut für Technische Thermodynamik Abteilung Systemanalyse und Technikbewertung. - PowerPoint PPT Presentation
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Institut für Technische Thermodynamik - STB1
Energie für die Zukunft –Sind wir auf dem Weg zu einem nachhaltig globalen Energiesystem ?
Dr. Joachim NitschDLR-Institut für Technische ThermodynamikAbteilung Systemanalyse und Technikbewertung
Tagung „Solarenergie an Schulen“
Evangelische Akademie Loccum, 6. bis 7. Juli 2006
Institut für Technische Thermodynamik - STB2
32,9%
24,4%
10,8%
5,9%20,6%
5,3%
Direkter Energieverbrauch (Heizung, PKW, Warmwasser, KochenElektrische Geräte, Beleuchtung u. ä. = 34 200 kWh/Jahr)
Gesamtverbrauch eines deutschen Durchschnittshaushalts (2,15 Pers.):
Insgesamt: 104 000 kWh/Haushalt oder 48 600 kWh/Kopf , das entspricht für Deutschland gesamt 500 Mio. Tonnen Kohle pro Jahr an „Primärenergie“.
Indirekter Verbrauch:
• Güterherstellung• Handel, Dienstleistungen• Gütertransport
Verluste bei der Energie-bereitstellung und –verteilung:
• Stromerzeugung• Andere Energieträger
Wissen wir eigentlich, wie viel Energie wir verbrauchen ?
Institut für Technische Thermodynamik - STB3
1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 20000
100
200
300
400
Prim
ären
ergi
ever
brau
ch,
EJ/a
traditionelleBiomasseandere erneuer-bare EnergienWasser-kraftKern-emergie
Erdgas
Mineralöl
Kohlen
Die derzeitige Energieversorgung stößt an Grenzen !
1870 2004Energieverbrauch: 25-fach;Pro-Kopf-Verbrauch 6-fach;
• Öl- und Gasressourcen schwinden, die noch vorhanden Ressourcen sind höchst un- gleich verteilt.
• Das globale Klima gerät aus dem Gleichgewicht.
• Die Welt ist aufgeteilt in Energie- verschwender und Energie- habenichtse.
• Ein weiterer, gar ein globaler Ausbau der Kernenergie steigert deren Risiken dramatisch.
- Globaler Energieverbrauch seit 1870 -
Pro-Kopf-VerbrauchIndustrieländer: 18 - fach
Institut für Technische Thermodynamik - STB4
Über einen längeren Zeitraum verfügbar ist nur noch der „schmutzige“ Energieträger Kohle
Bezug: Verbrauch 2000Uran: Bei Nutzung in LWR, ohne Aufbereitung
Erdöl
Erdgas
Hartkohle
Braunkohle
Uran
0 40 80 120 160 200
62
64
207
198
60
JahreQuelle: BGR 2002
unkonv.
konv.
Reichweite der „Reserven“ bei konstantem Verbrauch
Institut für Technische Thermodynamik - STB5
Quelle: IEA 2001
Welt
NordamerikaOzeanien
Europa GUS
SüdamerikaAsienAfrika
OECDEU (15)
Arab. EmirateUSA
DeutschlandJapan
SüdkoreaItalien
PortugalMexiko
ChinaIndonesien
IndienHaiti
YemenBangladesh
0 100 200 300 400 500
68
345190
140131
453025
195155
417348
172170
161122
10064
3726
2011
65
Gigajoule pro Kopf
Quelle: IEA
Industrieländer:
24% der Bevölkerung70% der Primärenergie65% der CO2-Emissionen
Die Welt benötigt mehr Energie – selbst wenn zukünftig Energie wesentlich effizienter genutzt wird.
Jährlicher Pro-Kopf- Energieverbrauch
Energieverschwender und –habenichtse – ein brisanter Zustand
172 GJ/Kopf, a = 48 600 kWh/Kopf, a
Institut für Technische Thermodynamik - STB6
Anzustrebender Beitrag Deutschlands zum Klimaschutz bis 2050
Minderung von CO2 und weiteren Treibhausgasen(gegenüber 1990):
- 21 % bis 2008/ 2012; - 40% bis 2020;
- 80% bis 2050
- nur energiebedingte Emissionen -
Quellen Ist: DIW-Bericht 10/2004; Reduktionspfad: BMU 2004
1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500
200
400
600
800
1.000
CO
2-Em
issi
onen
, [M
io t
CO
2/a]
Ist (temp.bereinigt) REF NaturschutzPlus I Reduktionsziele
oeko\co2deu.pre;3.1.04
Selbstver- pflichtung 2005
Kyoto-Ziel 2008-2012
Koalitions- vereinb. 2002
Enquete, IPCC
640 Mio. t/a
Institut für Technische Thermodynamik - STB7
Teilstrategie I : Deutliche Steigerung der Energieeffizienz oder „Mehr Grips (und Technik) statt Öl“
Einsparpotenziale (Basis 1998) Technisch Einzelwirtschaftlichin Deutschland (heutige Technologien) (Preisbasis 1998 !)
Industrie 22% 10 – 15 % Handel, Gewerbe, Dienstleistungen 40% ca. 20% Private Haushalte, Strom 50% 20 – 35% Private Haushalte, Raumwärme bis zu 70% (je nach Sanierungsart ) Verkehr bis zu 50% Strombereitstellung bis zu 70% (KW- Struktur)
Der Energieverbrauch in Deutschland (und anderen Industrieländern) kann bis2050 - bei gleichbleibendem Komfort/Mobilität/Güterproduktion – mindestenshalbiert werden. Die rasche und vollständige Mobilisierung dieser Potenzialeist ein unverzichtbarer Schritt in Richtung nachhaltiger Energiesysteme.
Quellen : Enquete 2002, Cremer (ISI),2001, Öko-Institut, Wuppertal-Institut 1998,2000
Institut für Technische Thermodynamik - STB8
Eignung als Hauptenergiequelle:
Kohle ?? Zu schmutzig !Kernenergie ?? Zu gefährlich !Kernfusion ?? Zu spät !
Teilstrategie II
Institut für Technische Thermodynamik - STB9
„Neue“ „Solar“- Techniken: schon lange entdeckt - heute verfügbar
1878
1954
Institut für Technische Thermodynamik - STB10
Wasserkraft hat noch zusätzliche Potenziale – insbesondere bei der Modernisierung bestehender Kraftwerke: Beispiel Rheinfelden
Institut für Technische Thermodynamik - STB11
17 000 Windanlagenproduzierten im Jahr 2005 rund26 Mrd. kWh.
Das entspricht 4,5% der gesamtem
StromerzeugungDeutschlands
Windenergie – eine rasante Technologieentwicklung
Institut für Technische Thermodynamik - STB12
Windenergie wird zukünftig zu großen Teilen auf dem Meer („offshore“) genutzt werden
Institut für Technische Thermodynamik - STB13
Biomasse und Biogas: vielfältige NutzungsmöglichkeitenHeizkraftwerk in Pfaffenhofen (6 MW el, 32 MW th)
Institut für Technische Thermodynamik - STB14
Mit der Sonne heizen: Gebäude mit solar unterstützter Nahwärme in Friedrichshafen mit dachintegriertem Kollektorfeld.
Quelle: ITW Stuttgart
Institut für Technische Thermodynamik - STB15
Wohnsiedlung mit solarer Nahwärmeversorgung und saisonalem Warmwasserspeicher in Hamburg - Bramfeld
Quelle: ITW Stuttgart
Institut für Technische Thermodynamik - STB16
Kollektorfeld zur Unterstützung einer Heizzentrale für eine Nahwärmeversorgung in einer Neubausiedlung
Institut für Technische Thermodynamik - STB17
Fotovoltaik: Dezentralität und Flexibilität gepaart mit High-Techund großen technologischen Entwicklungspotenzialen
Institut für Technische Thermodynamik - STB18
Globaler Energieverbrauch
Strahlung (Kontinente)
Wind
Biom
asse
Erdw
ärm
eW
ellen
, Gez
eiten
Was
ser
Angebot natürlicher Energieströme und technisches Potenzial erneuerbarer Energien
Physikalisches Angebot: ca. 3 000 Technisches Potenzial (heutige Technologien) ca. 6
4,0 0,5 0,4 0,7 0,1 0,15
25 1
2850
200
1
20
Institut für Technische Thermodynamik - STB19
Beiträge erneuerbarer Energien zur Energieversorgung 2005 - Beispiel Deutschland: Anstieg von 2,6% in 2000 auf 4,6 % in 2005 -
24,2%
36,0%
22,7%
12,5%
4,6%
70%
15%
12%1%2%1%
Kohlen Erdöl Erdgas Kernenergie EE gesamt Biomasse
Wind Wasser Erdwärme Solarthermie Fotovoltaik
Pro 2020/EE-2005; 23.3.06
Primärenergie 2005: 14238 PJ/a Erneuerbare Energien 2005 : 654 PJ/a
PV = 0,6%, 2,0%, 1,1%
Strom 10,2%Wärme 5,4%Kraftstoffe 3,4%
Institut für Technische Thermodynamik - STB20
Heimische Potenziale erneuerbarer Energien unter anspruchsvollen Auflagen des Naturschutzes (Deutschland)
Aufteilung Biomasse:Anbauflächen 2050 (4,1 Mio. ha ) zu 100% für Kraftstoffe; Reststoffe 100% stationäre Nutzung mit 75% KWK
Strom
Wärme
Kraftstoffe
0 20 40 60 80 100
83,0
9,3
52,0
4,2
18,0
1,6
Anteile am Verbrauch 2000, in %
Wasser Wind,Onshore
Wind, Offshore Solarenergie
Biomasse Erdwärme Nutzung2004
bei geringerenRestriktionen
oeko/potenz-1; 27..10.04
(73,0)
(50,0)
(12,0) Zusätzlich „Import -potenzial“ Strom inder Größenordnungder gesamten heutigenStromerzeugung.
Institut für Technische Thermodynamik - STB21
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20200
20
40
60
80
100
120
140
160R
egen
erat
ive
Stro
mer
zeug
ung,
TW
h/a Wasser Wind
OnshoreWindOffshore
Biomasse,biog. Abfälle
Fotovoltaik Geothermie Europ.Verbund
oeko/projekt2020/str2020; 7.6.05
18
86
151
REF 2005
REF 2002
61
Regenerative Stromerzeugung bis 2020 in Deutschland (EEG-Bedingungen)
Institut für Technische Thermodynamik - STB22
projekt 2020/ERZ-EFF; 8.6.05
4,2 6,7 9,3 15,2 20,6 29,0 Anteil EE (%)
- Szenario NATPLUS-2006 -
1996 2000 2004 2010 2015 20200
100
200
300
400
500
600551
572603
560 546520
Stro
mer
zeug
ung,
[TW
h/a]
Import EE
Photovoltaik
Geothermie
WindOffshoreWindOnshore
Laufwasser
Biomasse,Biogase
KWK, fossil
Gas Kond.
Kohle Kond.
Kernenergie
Fossile KWK = 23%
Anzustrebende Strukturveränderungen der Stromerzeugung bis 2020
REF
Institut für Technische Thermodynamik - STB23
Wachstumsvorstellungen der Szenarien im regenerativen Wärmemarkt- Szenario NatPLus - 2006 -
2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300
200
400
600
800Em
dene
rgie
Wär
me.
PJ/
aGeothermie
KollektorenNahwärmeKollektorenEinzelanlagenBiomasse NahwärmeBiomasseEinzelheiz.
*) Anteil an Wärmebedarf des jeweiligen Jahres
5,6 %*)
20 %
Arbeit/Rewaerm3; 18.2.06
REF 2005
13 %
Institut für Technische Thermodynamik - STB24
Erforderliche Strukturänderungen in der Wärmeversorgung - Szenario NaturschutzPlus 2006 -
2000 2010 2020 2030 2040 20500
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.0005.628
5.328
4.949
4.6054.290
4.000
Ende
nerg
ieei
nsat
z [P
J/a]
"Effizienz" gegen-über REF
Gas direkt
Öl/Kohle direkt
Strom direkt
Erdwärme
Kollektoren
Biomasse KWK, direktIndustrielleKWK, fossilFern- Nahwärmefossil
oeko\waer-NP; 20.2.06
c:\uba\ziel.pre;23.4.99
4,0 8,0 13,1 19,9 29,6 41,2 % EE- Anteil (ohne Strom)
Sehr starker Struktur-wandel erforderlich:
2000:Einzelversorgung 85,7%Fern- Nahwärmenetze und Objekt-KWK 14,3%
2050:Einzelversorgung 43%Fern- Nahwärmenetze und Objekt-KWK 57%
Institut für Technische Thermodynamik - STB25
Wachstumsdynamik bei Biokraftstoffen und Vorstellungen der Szenarien
- Szenario NatPLus - 2006 -
2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300
50
100
150
200
250
300Em
dene
rgie
Kra
ftsto
ffe. P
J/a
Wasserstoff
Biokraftstoffegesamt
Bioethanol
Pflanzenöl
Biodiesel
*) Anteil am Kraftstoffbedarf des Straßenverkehrs des jeweiligen Jahres
3,4 %*)
12 %
6,3 %Arbeit/Regver1; 18.2.06
REF 2005
EU-Ziel
Institut für Technische Thermodynamik - STB26
Wachstumstrends der regenerativen Primärenergie: Ist und Szenarien
19951996
19971998
19992000
20012002
20032004
20052010 2020
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600Pr
imär
ener
gie,
PJ/
a
Wasser Wind, PV Solar- undErdwärme Biomasse Import
oeko/projekt2020/ee2020; 19.2.06
4,6%
7,0 (6,4)
12,7 (10,3)
REF 2005
2 %
Institut für Technische Thermodynamik - STB27
F & E - Phase Markteinführung Marktdurchdringung
Ener
giek
oste
n
Kumulierte Produktion ( Zeit )
Förderungvon F & E
Zeitlich begrenzteFörderung derMarktetablierung
Verteuerungfossiler Brennstoffe
Klima-schutz-kosten
konv
.
ern
euer
bar
anla
genb
edin
gte
Kost
en
G
esam
tkos
ten
konv
ent.
Ene
rgie
n
Vier wesentliche Faktoren bestimmen die Einführungsgeschwindigkeit von EE….. und damit den Zeitpunkt ihrer wirtschaftlichen Vorteilhaftigkeit
Institut für Technische Thermodynamik - STB28
Deutliche Kosten-degression bereits eingetreten und weiterhin möglich.
1990 – 2000: Von ca. 17 ct/kWh aufknapp 10 ct/kWh
2000 - 2020: von knapp 10 ct/kWh auf 6,5 bis 7 ct /kWh
Bis 2050 : 5,5 ct/kWh (nicht optimal nur bis7 ct /kWh )
- Bandbreite verschiedener Szenariovarianten -
1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
Stro
mge
steh
ungs
kost
en, [
EUR
/kW
h]
Ist REF BASIS /NPLUS II NPLUS I PV minimal kein Import
oeko/ko-reg-1; 16.12.03
c:\uba\ziel.pre;23.4.99
Je stärker die Nutzung erneuerbarer Energien, desto geringer ihre Kosten
Institut für Technische Thermodynamik - STB29
- mit CO2 - Aufschlag -
1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20G
renz
über
gang
spre
ise,
EU
R 2
000/
GJ
NIEDRIG-NIVEAU MÄSSIG DEUTLICH
BMU/projekt2020//Grenz-2A.pre; 17.05.06
Öl
Gas
Steinkohle
5/2006
Die Zukunft der fossilen Energiepreise (Real, Geldwert 2000)
Institut für Technische Thermodynamik - STB30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1,10,6 0,4 0,2 0,2 0,2 0,1
7,9
6,4 6,35,7
2,9
Exte
rne
Kos
ten
der S
trom
erze
ugun
g, c
t/kW
h
Treibhauseffekt (70 EUR/t)Luft-schadstoffe
AK-2050/EXTERN; 19.4.06
Externe Kosten „fossiler“ und „erneuerbarer“ Stromerzeugung
- Bandbreite der Schadenskosten durch CO2-Emissionen: 15 – 280 €/tCO2 -
Quelle: W. Krewitt, B. Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung, DLR/ISI, April 2006
Institut für Technische Thermodynamik - STB31
- Strom, Wärme und Kraftstoffe; Szenario NATPLUS (2005) -
2000 2010 2020 2030 2040 2050-15.000
-10.000
-5.000
0
5.000
10.000
Diff
eren
zkos
ten
EE-A
usba
u, M
io. E
UR
/a
"Niedrig"E-Report IV
"Realist."DLR 2005
Arbeit/Diffkos1; 24.1.06
Energiepreisszenarien
EE gewährleisten eine langfristig erschwingliche Energieversorgung
Wert 2025: 62 $2000/b 20 €/ t CO2
Wert 2025: 34 $2000/b 12 €/ t CO2
Institut für Technische Thermodynamik - STB32
1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500
4
8
12
16
20
24Pr
imär
ener
gie
Erne
uerb
are
Ener
gien
, EJ/
a "Solarimport"
Erdwärme
Solarstrahlung
Wind
Biomasse
Wasser
EU -15 EU -25
Europa/EU-25/PEV-EE; 21.11.05
Szenario "Baseline":10,9 % in 2050
6,16,1
11,4
22,5
29,8
38,7
47,7 % *)*) Anteil am jeweiligen Primärenergieverbrauch
- DLR EU-25 Alternative Scenario (2005) -
Primärenergiebeitrag erneuerbarer Energien in EU -25 bis 2050
Institut für Technische Thermodynamik - STB33
1990 2000 2000 2010 2020 2030 2040 20500
500
1000
1500
2000
2500St
rom
erze
ugun
g er
neue
rbar
e En
ergi
en, T
Wh/
aSolarthermieImportSolarthermieEU-25
Photovoltaik
Erdwärme
Wind
Biomasse
Wasser
13,8 % 151)
1) Anteil an gesamter Erzeugung
EU -15 EU -25
14,7
19,6
35,7
44,5
57,7
73,8%
Europa/EU-25/EE-STR; 30.6.05
Baseline,17% in 2050
EE können in absehbarer Zeit die Stromerzeugung in der EU-25 dominieren
Institut für Technische Thermodynamik - STB34
Strom aus dem sicheren Fusionsreaktor „Sonne“
Institut für Technische Thermodynamik - STB35
Solarthermisches Kraftwerke in Kalifornien – seit 1986 sind 350 MW in Betrieb
Ab 2008 werden derartige Kraftwerke auch in Südspanien Solarstrom erzeugen
Institut für Technische Thermodynamik - STB36
EURO-MED
possible further inter-connections
Solar
Wind
Hydro
Erneuerbare Energien bieten beträchtliche Perspektiven einer internationalen Kooperation – Beispiel Mittelmeerraum
Geothermal
Institut für Technische Thermodynamik - STB37
1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 20500
200
400
600
800
1.000
1.200Pr
imär
ener
giev
erbr
auch
, EJ/
a
DLR/SEE2000
WBGU/IPCC2003
EREC-AIP2004
EREC-DCP2004
Shell DUS2000
Shell SCA2000
global/pev-szen; 2.11.04
hoch
mittel
niedrig
Im globalen Maßstab sind die Probleme ungleich größer Der weltweite Energieverbrauch wird in jedem Fall noch zunehmen
Institut für Technische Thermodynamik - STB38
global\szenar-1;31.10.04
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
443
12131170
11211050
1013
854 825 800
635600 597
431
Prim
ären
ergi
e, E
J/a
Kohlen Mineralöl Erdgas Kern-energie
Tradit.Biomasse EE
2050
Keine „Energiezukunft“ kommt ohne beträchtliche Beiträge an EE aus… aber die wenigsten Szenarien sind klimaverträglich und ressourcenschonend !!
Fossile Grenzeohne Rückhaltungvon Kohlendioxid
Institut für Technische Thermodynamik - STB39
2004 2010 2020 20300
100
200
300
400
500In
vest
ition
en, M
rd. E
UR
/ Ja
hrSolartherm.KollektorenErdwärmeWärmeBiomasse, -gasWärmeErdwärmeStromSolartherm.Kraftwerke
Fotovoltaik
Biomasse,-gasStrom
Wind
Wasser
Arbeit/INV-GLOB; 15.3.06
Globales Szenario in Anlehnung an EREC - DCP
16,6 %
6,0 %
3,8 %
2,2 %
davon Investitionen in Deutschland
Globaler WachstumsmarktErneuerbare Energien
von 43 Mrd. €/a in 2004 auf 450 Mrd. €/a in 2030
2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300
10
20
30
40
50
0
3
6
9
12
15
18
Um
satz
deu
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nter
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en, M
rd. E
UR
/a
Wel
tmar
ktan
teile
deu
tsch
er U
nter
nehm
en, %optimist. verhalten nur Inland
Arbeit/Ums-NP; 15.3.06
Mögliche Umsätzedeutscher Unternehmen
bei den Anlageninvestitionen
nach 2010 dominiertder Exportmarkt
Institut für Technische Thermodynamik - STB40
Eine wirkungsvolle EE + EFF- Strategie hat beträchtliche volkswirtschaftliche Vorteile
Kurzfristig: Beträchtliche Investitionen, (Brutto-) Arbeitsplätze und Wertschöpfung in innovativen Technologiebereichen mit großen Wachstums- und Exportpotenzialen.
Mittel- und langfristig: Ein stabiles Kostenniveau (unterhalb anderer Optionen) mit klimaverträglichen, risikoarmen, weltweit verfügbaren und nicht begrenzten Energiequellen und Technologien.
Nur diese Strategie erlaubt einen wirksamen Strukturwandel in Richtung Nachhaltigkeit unter Beibehaltung wirtschaftlicher Leistungsfähigkeit in Industrieländern und ermöglicht die Schaffung zukunftsfähiger Energieversorgungen in Schwellen- und Entwicklungsländern.
Institut für Technische Thermodynamik - STB41
1878: Solare Dampfmaschine von Muchot1978: Die „neuen“ EE beginnen ihren Einstieg in die Energiewirtschaft
2078: 65 – 75% des weltweiten Energiebedarfs kommen aus Erneuerbaren Energien
Institut für Technische Thermodynamik - STB42
Quellen und einige wesentliche Studien:
J. Nitsch, M. Fischedick u.a: „Ökologisch optimierter Ausbau erneuerbarer Energienin Deutschland.“ Im Auftrag des BMU, Arbeitsgemeinschaft DLR Stuttgart, WI Wupper-Tal, IFEU Heidelberg, April 2004.
Prognos, EWI: „Die Entwicklung der Energiemärkte bis zum Jahr 2030 – eine energie-wirtschaftliche Referenzprognose.“ Energiereport IV im Auftrag des BMWA. EWI KölnPrognos Basel, April 2005.
BMU-Broschüre: „Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft.“ 4. Auflage, Berlin, Mai 2004 (demnächst 5. Auflage)
J. Nitsch, F. Staiß u.a.: „Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor bis zum Jahr2020 – Vergütungszahlungen und Differenzkosten durch das EEG.“ Im Auftrag des BMU,DLR Stuttgart, ZSW Stuttgart, WI Wuppertal, Dezember 2005
F. Staiß: „Jahrbuch Erneuerbare Energien 02/03“ Verlag Bieberstein, Radebeul, 2003.(Band 04/05 erscheint demnächst) und „Erneuerbare Energie in Zahlen“ jährlicheBroschüre des BMU mit Daten für D, EU, weltweit zum Nutzungsstand der EE (aktuell vom Dezember 2005).
Noch mehr bei: www. erneuerbare-energien.de und www.dlr.de/tt/system