Energiespeicher und Power-to-X

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Gefördert durch Prof. Michael Sterner

OTH Regensburg Scientists for Future

CC BY-SA 4.0; einige Grafiken, Fotos, Logos abweichend lizenziert bzw. unter Zitatrecht; vollständige Dokumentation ist

unter info-de.scientists4future.org/praesentationen in den Foliennotizen der Originaldateien verfügbar.

Energiespeicher und Power-to-X

Spotlight zum Thema

Energiewende

Version: 22. February 2022 Inhalt finalisiert: November 2020

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A: D

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Zum Autor

Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner

Professor an der

OTH Regensburg

Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher;

beratend tätig auf Landes-, Bundes- und EU-Ebene

zuvor WBGU + Fraunhofer IEE

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Wichtige Information:

Spotlights sind Kurzvorträge zu einem Thema. Zu den meisten Spotlights gibt es einen Screencast auf Youtube.

Ihr könnt die Folien einzeln für eure Vorträge nutzen. Wer mithelfen möchte, das Spotlight zu einer größeren

Foliensammlung auszubauen, meldet sich bitte bei Gregor

(g.m.hagedorn@gmail.com).

Weitere Informationen über Copyright, Lizenzen,

Nachnutzung in eigenen Vorträgen, Mithilfe, etc. finden sich

auf weiteren Folien mit blauem Hintergrund (= für

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Die Energiewende ist machbar.

Es gibt genug erneuerbare Energie.

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Die Energiewende ist machbar.

Es gibt genug erneuerbare Energie.

Wind und Sonne sind am günstigsten

und haben die größten Potentiale.

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Die Energiewende ist machbar.

Es gibt genug erneuerbare Energie.

Wind und Sonne sind am günstigsten und haben die größten Potentiale.

Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind

marktreif und technisch verfügbar.

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Hinweis an Nutzer:innen

Die Grafiken auf der folgenden Folie stehen unter einer CC BY- NC-ND-Lizenz. Sie dürfen nicht verändert werden. Es ist also auch nicht erlaubt, die Grafiken zu beschneiden, Teile

abzudecken, Pfeile hinzufügen oder die Beschriftungen zu

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Erneuerbare Energien in Deutschland

Fraunhofer ISE, KIT, UBA, BMWi, etc.

Kosten vs. Potenzial

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Erneuerbare Energien in Deutschland

Kosten vs. Potenzial

Zum Vergleich: Kosten neuer Atom- / Kohle- / Gaskraft: 10–12 €-ct/kWh

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Erneuerbare Energien werden

am günstigsten als Strom „geerntet“

© Christine Rüth; CC BY-SA 4.0; Icons Sonne, Blitz, Wasser, Welle: PPT Piktogramme; Windturbine: Adrien Coquet CC BY-SA 3.0 the Noun Project; Geothermie: Smalllikeart& Biomasse: Freepik, Flaticonlizenz

Solar Wind

on- und offshore

Wasserkraft Meeresenergie

Geothermie Biomasse (Anbau/Abfall)

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Wärme + Verkehr +

Industrie werden

soweit wie möglich

elektrifiziert

Erneuerbare Energien werden

am günstigsten als Strom „geerntet“

4.0; Icons Sonne, Blitz, Wasser, Welle: PPT Piktogramme; Windturbine: Adrien Coquet CC BY-SA 3.0 the Noun Project; Geothermie: Smalllikeart& Biomasse: Freepik, Flaticonlizenz

Solar Wind

on- und offshore

Wasserkraft Meeresenergie

(13)

Hinweis an Nutzer:innen

Die Grafiken auf den folgenden vier Folien stehen unter einer CC BY-NC-ND-Lizenz. Sie dürfen nicht verändert werden. Es ist also auch nicht erlaubt, die Grafiken zu beschneiden, Teile

abzudecken, Pfeile hinzufügen oder die Beschriftungen zu

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(15)

Verbrauch

Michael Sterner, FENES, OTH Regensburg

(16)

Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

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Verbrauch

Michael Sterner, FENES, OTH Regensburg

Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

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Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

Verteilung

Speicherung

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zentral vs.

dezentral

Verbrauch

Michael Sterner, FENES, OTH Regensburg

Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

Verteilung

Speicherung

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zentral vs.

dezentral

Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

Verteilung

Speicherung

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Gesamtbild: Wir brauchen Netze und Speicher

zentral vs.

dezentral

Verbrauch

Michael Sterner, FENES, OTH Regensburg

Erzeugung Flexible Kraftwerke, KWK,

Biogasanlagen, …

Verteilung

Speicherung

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Geplanter Netzausbau versus

bis dato umgesetzte Trassenkilometer

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Geplanter Netzausbau versus

bis dato umgesetzte Trassenkilometer

Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte

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Geplanter Netzausbau versus

bis dato umgesetzte Trassenkilometer

Erdverkabelung + 15 Mrd. EUR

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Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte

Zusätzliche Kraftwerke im Süden (Redispatch) Windstrom wegwerfen im Norden (EinsMan)

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Die Netzengpasskosten steigen

Zusätzliche Kraftwerke im Süden (Redispatch) Windstrom wegwerfen im Norden (EinsMan)

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Die Netzengpasskosten steigen

Sterner et al – FENES BMBF CCU, 2016; Datenbasis: BNetzA Monitoringberichte

→ Mehr Wind und Sonne im Süden

→ Speicher im Norden einsetzen

Zusätzliche Kraftwerke im Süden (Redispatch) Windstrom wegwerfen im Norden (EinsMan)

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Was sind Energiespeicher?

Gasspeicher

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Was sind Energiespeicher?

Kohlehalden

Wärme- speicher Pump- speicher

Gasspeicher

Sterner, Stadler, 2014

© Sterner, Stadler, CC BY-SA 4.0; Bilder: Pumpspeicher Dr. G. Schmitz CC BY-SA 3.0; Kohlehalde Martina Nolte CC BY-SA 3.0; Wärmespeicher: © Aisano CC BY-SA 3.0, Gaskavernenspeicher below copyright threshold, Batterie ChrisRose1803 CC BY-SA 4.0 + free pictures

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Was sind Energiespeicher?

Kohlehalden

Wärme- Pump- speicher

Gasspeicher

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Es ist also nicht erlaubt, die Grafiken zu beschneiden, Teile

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich erda uer

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

Speicherkapazität

A usspeich erda uer

Sterner, Stadler, 2014

Haushalt

(34)

Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich er dau er

Haushalt Dorf

(35)

Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

Speicherkapazität

A usspeich er dau er

Sterner, Stadler, 2014

Haushalt Dorf Regensburg

(36)

Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich erda uer

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

(37)

Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

Speicherkapazität

A usspeich erda uer

Sterner, Stadler, 2014

Kondensatoren, Spulen

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich er dau er

Schwungmassen

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

Speicherkapazität

A usspeich erda uer

Sterner, Stadler, 2014

Kondensatoren, Spulen Schwungmassen Batterien

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich erda uer

Schwungmassen Batterien

Wärmespeicher

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

Speicherkapazität

A usspeich erda uer

Sterner, Stadler, 2014

Kondensatoren, Spulen Schwungmassen Batterien

Wärmespeicher

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

Fern- wärme

Druckluft-Speicher

Pump-Speicher

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Alle für die Energiewende nötigen Speichertechnologien sind in Marktreife vorhanden

A usspeich er dau er

Schwungmassen Batterien

Wärmespeicher Gasspeicher

Haushalt Dorf Regensburg Berlin

Fern- wärme

Druckluft-Speicher

Pump-Speicher

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84 TWh

11 TWh

34 TWh

0,29 TWh

0,37 TWh 0,04 TWh

9 TWh

20 TWh

3 TWh 0,13 TWh 202 TWh

(337 TWh Gas)

Pumpspeicher:

robust, erprobt, aber begrenzte Standorte

„Flexible skandinavische Wasserkraft“

ist ebenfalls begrenzt

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84 TWh

11 TWh

34 TWh

0,29 TWh

0,04 TWh

20 TWh 202 TWh (337 TWh Gas)

1. Speicherwasserkraft nicht gleich Pumpspeicher

2. Vermischung Salz- und Süßwasser

3. Stromnetzausbau in den Ländern notwendig 4. Europa braucht die Kapazitäten ebenfalls

Pumpspeicher:

robust, erprobt, aber begrenzte Standorte

„Flexible skandinavische Wasserkraft“

ist ebenfalls begrenzt

(45)

Hinweis an Nutzer:innen

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verändert werden. Es ist also nicht erlaubt, die Grafiken zu

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(46)

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden

Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls

Transportkapazität:

438.000 km Gasleitungen vorhanden

(47)

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden

Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls

Transportkapazität:

438.000 km Gasleitungen vorhanden

Pumpspeicher

FENES, Energy Brainpool, 2015; Sterner 2017

(48)

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden

Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls

Transportkapazität:

438.000 km Gasleitungen vorhanden

Pumpspeicher Batterien

42 Mio. Kfz (Theorie)

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Speicherkapazität: ca. 337 TWh

= ca. 70 Mrd. Hausbatteriespeicher (vereinfacht)

= ca. 5000 x alle deutschen Pumpspeicher

Gasspeicher sind ausreichend vorhanden

Die Infrastruktur zum Energietransport ebenfalls

Transportkapazität:

438.000 km Gasleitungen vorhanden

66 GW Gaskraftwerke

→ 3 Monate Versorgung sichern

Pumpspeicher Gasspeicher Batterien

42 Mio. Kfz (Theorie)

FENES, Energy Brainpool, 2015; Sterner 2017

(50)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

© IWES, 2010

(51)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

Sterner, 2009

© IWES, 2010

(52)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

H ₂ O

© IWES, 2010

(53)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

H ₂ O O ₂

Sterner, 2009

© IWES, 2010

(54)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

CO ₂

H ₂ O O ₂

© IWES, 2010

(55)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

CO ₂

H ₂ O O ₂

Chemische Energie

(fossil, bio)

Effizienz: ca. 1%

Energiespeicherung

Sterner, 2009

© IWES, 2010

(56)

Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

CO ₂

H ₂ O O ₂

Chemische Energie

(fossil, bio) Energiespeicherung

© IWES, 2010

(57)

Power-to-Gas: Das Original

Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz

→ Technische Nachbildung der Photosynthese

Quelle: Sterner, 2009

Specht et al, 2010

Sterner, 2009; Specht et al, 2010

(58)

Power-to-Gas: Das Original

Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz

→ Technische Nachbildung der Photosynthese

(59)

Power-to-Gas: Das Original

Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz

→ Technische Nachbildung der Photosynthese

Quelle: Sterner, 2009

Specht et al, 2010

Sterner, 2009; Specht et al, 2010

(60)

Power-to-Gas: Das Original

Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz

→ Technische Nachbildung der Photosynthese

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Studie: 100% erneuerbare Energieversorgung in Deutschland in 2050

UBA & Sterner, 2010; Energieziel 2050 (UBA, 2010)

EE-Import Biomasse

Hydro

Geothermie PV

Wind Onshore

Wind Offshore

Stromerzeugung 2050

2050:

100%

Erneuerbarer Strom

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Studie: 100% erneuerbare Energieversorgung in Deutschland in 2050

EE-Import Biomasse

Hydro

Geothermie PV

Wind Onshore

Wind Offshore

Stromerzeugung 2050

Bedarf an gesicherter Leistung 87,5 GW --- Gaskraft/KWK+Gasspeicher 72

(Power-to-Gas & Biogas)

Pumpspeicher 8

Geothermie 6

Laufwasser 2

Wind, PV 0

2050:

100%

Erneuerbarer Strom

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Hinweis an Nutzer:innen

Die Grafiken auf den folgenden zwei Folien dürfen nicht

verändert werden. Es ist also nicht erlaubt, die Grafiken zu

beschneiden, Teile abzudecken, Pfeile hinzufügen oder die

Beschriftungen zu übersetzen oder anderweitig zu verändern.

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Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

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Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(72)

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(73)

Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(74)

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(75)

Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(76)

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(77)

Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(78)

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(79)

Sterner et al, FENES OTH Regensburg, 2016

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(80)

Wasserstoff und Power-to-X: Wind + Solar als

günstigste Energien über Sektorenkopplung nutzen

(81)

Wind, Solar → grüner Wasserstoff → grüne Rohstoffe + Produkte

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Wind, Solar → grüner Wasserstoff → grüne Rohstoffe + Produkte

(83)

Wind, Solar → grüner Wasserstoff → grüne Rohstoffe + Produkte

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Wind, Solar → grüner Wasserstoff → grüne Rohstoffe + Produkte

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Ein vom Autor eingesprochener Screencast dieses Spotlights befindet sich unter https://youtu.be/UO1YwnseAR8

Alle als Screencast verfügbaren Spotlights finden sich unter https://www.youtube.com/ScientistsforFuture/playlists

Die Präsentationsfolien inkl. Quellen zu diesem Spotlight befinden

sich unter https://info-de.scientists4future.org/praesentationen/

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Gesammelte Endnoten

Sterner, M.; Stadler, I. et al (2014/2017): Energiespeicher - Technologien, Bedarf, Integration. Heidelberg, Berlin, New York: Springer-Verlag. 2.

Auflage; https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-37380-0

Sterner, M.; in WBGU (2011): Welt im Wandel - Gesellschaftsvertrag für eine große Transformation. Hauptgutachten 2011. Berlin: WBGU.

Coautor im Kapitel "Machbarkeit und Umsetzung" (2011). https://www.wbgu.de/de/publikationen/publikation/welt-im-wandel- gesellschaftsvertrag-fuer-eine-grosse-transformation

Prof. Dr. Michael Sterner und M. Eng. Franz Bauer: „Weltweit Null- Emissionen bis 2050. Szenarien zur globalen Dekarbonisierung auf Basis erneuerbarer Energien, Sektorenkopplung und Energiespeicher ohne negative Emissionen, Biomasse und CCS"

https://www.wbgu.de/de/publikationen/publikation/entwicklung-und-gerechtigkeit-durch-transformation-die-vier-grossen-i-innovation- investition-infrastruktur-inklusion#sektion-downloads

M. Sterner, A. Hofrichter, F. Eckert und F. Bauer, „Metastudie Analyse sektorenübergreifender Studien zur Dekarbonisierung des deutschen Energiesystems,“ Fraunhofer IWES, dena, Regensburg, Berlin, 2016.

https://www.dena.de/fileadmin/dena/Dokumente/Themen_und_Projekte/Energiesysteme/dena- Leitstudie/Metastudie_OTH_dena_Leitstudie_kleiner.pdf

Specht M, Sterner M, Brellochs J, Frick V, Stuermer B, Zuberbühler U, Waldstein G (2010) Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im

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Allgemeine Informationen (Spotlights)

S4F Folien aus Spotlights und Material- sammlungen stehen unter offenen Lizen- zen. Sie können z. B. für eigene Vorträge, Poster oder Flyer genutzt werden.

Für eine fertige Präsentation ist es

wichtig, sorgfältig auszuwählen und die Inhalte eigenständig zu erkunden und in eigene Zusammenhänge zu bringen.

Wir ermutigen euch dazu, den eigenen Bezug zum Thema als Ausgangspunkt zu wählen und selbstbewusst den hier

aufgeführten wissenschaftlichen Konsens weiterzutragen.

Wir wünschen euch viel Erfolg!

Weitere Infos:

Viele Folien helfen, den Stand der Forschung objektiv darzustellen. Andere Folien (z. B. Handlungsoptionen, Einschätzungen, Kritik, positive Entwicklungen) erheben hingegen keinen Anspruch auf Objektivität.

Die Folien enthalten zusätzliche Informationen (z. B.

Quellen). Stellt euer Programm zur Bearbeitung der Folien bitte so ein, dass der Notes / Notizbereich sichtbar ist.

Dort sind auch Copyright/Lizenzangaben. Diese dürfen (außer bei CC0) nicht gelöscht werden (aber an anderer Stelle erscheinen). Bei Überarbeitung bitte den eigenen Namen hinzufügen („© Erstautoren, modif. EuerName“).

Mehr in „Vertiefte Informationen zu Lizenzen.pptx/pdf “.

Für einige Folien gibt es Varianten für verschiedene Zielgruppen bzw. kurz für Vortrag + lang für Druck/Web.

Folien mit blauem Hintergrund (wie hier) sind Hinweise für die Vorbereitung, nicht zur Anzeige im Vortrag.

Schriftarten (OpenSource) sind im S4F Downloadbereich

als „Diese_Fonts_eventuell_installieren.zip“ verfügbar.