how to open pdf file in new tab in mvc using c# : Convert pdf to jpg converter software control dll winforms azure .net web forms GSP-RPT-SPS-0503%20LBST%20Final%20Report%20Space%20Earth%20Solar%20Comparison%20Study%20050318%20s33-part1987

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ENERATION 
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YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
S
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Energy payback times (WP4)
Final Report
9-319
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Mono
crystalline
modules
(EG)
Mono
crystalline
modules
(SoG)
EFG
modules
(EG)
EFG
modules
(SoG)
Mono
crystalline
modules
(EG)
Mono
crystalline
modules
(SoG)
EFG
modules
(EG)
EFG
modules
(SoG)
Energy requirement for construction  
[kWhPEpeak
Electricity mix 1999
(efficiency: 35.7%)
Electricity mix 2020
(efficiency: 44.8%)
Figure 9-9: Energy requirement for the construction of one kW
peak
depending on
different PV cell technologies and different electricity mixes for the
manufacturing processes
In this study only crystalline silicon cells has been considered. For PV plants employing
thin film modules the cumulative energy requirement can be reduced further. For the non-
base load scenarios PV plants employing EFG PV modules made from solar grade silicon
has been used.
g) 
Results: LCA of PV plants with H
2
storage
For the different non-base load scenarios PV modules with EFG silicon cells made from
solar grade silicon has been assumed. Table 9-46 shows the GHG emissions and the
energy requirements for the manufacture of PV plants employing EFG cells from solar
grade silicon including the H
2
storage whereas it is assumed that all electricity generated
by the PV plant is converted to hydrogen and subsequently converted back to electricity.
The efficiency of the electrolysis is assumed to be 65% and the efficiency of the combined
cycle gas turbine (CCGT) power plant is assumed to be 55%.
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– A C
OMPARISON 
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TUDY
Final Report
Energy payback times (WP4)
9-320
Table 9-46 shows an example for the energy requirement and the GHG emissions for the
construction of the supply of electricity from PV plants employing EFG silicon modules
made from solar grade silicon including the electricity storage via hydrogen.
Electricity mix EU-15
1999
Electricity mix EU-30
2020
"PV breeder"
Primary energy [kWh/kWh
e
]
0.360
0.299
0.277
Primary energy [kWh/kW
p
]
14,020
11,650
10,810
GHG emissions
[g CO
2
equivalent/kWh
e
]
69
59
11
GHG emissions [g/kW
p
]
2,680,000
2,280,000
430,000
Energy payback time [a]
10.8
9.0
8.3
Efficiency electricity mix [%]
35.7
44.8
100
Energy payback time,
electricity generation
efficiency of reference system
considered [a]
3.9
4.0
8.3
Table 9-46: Cumulative energy requirements and GHG emissions for the
construction of a PV plant employing EFG silicon cells from solar grade silicon
including electricity storage via H
2
(share of electricity via H
2
: 36%, 50 full load
loading/unloading cycles of the H
2
storage)
The hydrogen is storage in spherical pressure vessels (see 9.2.5 LCA of solarthermal
power stations for the base load scenarios). The electricity mix used in the processes for
the supply of construction strongly influences the result.
In case of the 0.5, 5 GW and 10 GW non-base load scenarios described in WP2 all
electricity (100%) is generated via the hydrogen pathway from PV electricity. In case of
the largest non-base load scenario 64% of the electricity is generated via the hydrogen
pathway and 36% is derived directly from the PV plant..
It has been assumed that the stored hydrogen is used for electricity generation in existing
CCGT power plants which are used for peak load electricity supply (equivalent full load
period 2,300 hours per year).
Table 9-47 shows the energy requirement for the construction of the plants and the
energy payback time.
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– A C
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Energy payback times (WP4)
Final Report
9-321
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
150 GW
Number of loading/unloading
cycles H
2
storage
1
1
1
10
20
50
Share direct PV electricity [%]
0
0
0
18
32
36
Total energy requirement
[kWh/kWh]
0.740
0.740
0.740
0.368
0.316
0.299
Energy payback ratio
1.4
1.4
1.4
2.7
3.2
3.3
Total energy requirement
[kWh/kW
peak
]
28,860
28,860 28,860
14,350
12,330
11,650
Energy payback period [yr]
22.2
22.2
22.2
11.0
9.5
9.0
Efficiency reference system
[%]
0.448
0.448
0.448
0.448
0.448
0.448
Payback time reference
system considered [yr]
9.9
9.9
9.9
4.9
4.2
4.0
Table 9-47: Energy requirements for construction and energy payback time for
the different non-base load scenarios including H
2
storage based on the EU
electricity mix in 2020 (EFG modules made from solar grad silicon)
Table 9-48 shows a split of the energy requirement for the supply of the construction
material.
0.5 GW
[kWh/kWh
e
]
5 GW
[kWh/kWh
e
]
10 GW
[kWh/kWh
e
]
50 GW
[kWh/kWh
e
]
100 GW
[kWh/kWh
e
]
150 GW
[kWh/kWh
e
]
PV plant
0.38
0.38
0.38
0.33
0.30
0.29
H
2
storage
0.36
0.36
0.36
0.03
0.02
0.01
Total
0.74
0.74
0.74
0.37
0.32
0.30
Table 9-48: Split of energy requirements for construction for the different non-
base load scenarios based on the EU electricity mix in 2020 (EFG modules made
from solar grad silicon)
The “H
2
storage” includes the energy requirement for the electrolysis plant, the pressure
vessels and the combined cycle gas turbine (CCGT) power plant.
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Final Report
Energy payback times (WP4)
9-322
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.5
5
10
50
100
150
Non-base load scenario [GW
e
]
Energy requirement [kWh/kWhe]
H2 storage
PV plant
Figure 9-10: Split of energy requirement for the construction of the different
non-baseload scenarios based on the EU electricity mix in 2020 (EFG modules
made from solar grad silicon)
It has to be noted that these scenarios are not realistic because especially in case of the
smaller scenarios up to 10 GWp the electricity can easily be absorbed from the grid. As a
result no storage would be required for realistic scenarios.
Further nobody would use only one kind of renewable energy sources. There is always a
mix of different renewable electricity sources. PV plants generate large amounts of
electricity during summer days whereas wind power stations have their highest electricity
output in winter. As a result fluctuations are compensated at a large extent by the mixture
of different renewable energy sources.
Figure 9-11 shows a comparison of the energy payback time without considering the
efficiency of a reference system (electricity mix) for the case when a hydrogen storage is
employed and for the case of a PV plant without any electricity storage system (i.e for the
case when all electricity can be absorbed by the grid).
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Energy payback times (WP4)
Final Report
9-323
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
0.5
5
10
50
100
150
Non-baseload Scenario [GW]
Energy payback period [a]
PV plant with H2 storage [yr]
PV plant without H2 storage [yr]
Figure 9-11: Comparison PV plant with and without H
2
storage: Energy payback
period for PV plants applying EFG modules
Without any electricity storage the energy payback time is equivalent for all scenarios.
Without considering the efficiency of a reference system the energy payback time would
be we approximately 4.0 years. Including the efficiency of a reference system (electricity
mix 2020: 44.8%) the energy payback time is approximately 1.8 years if no electricity
storage were required.
9.3 
Comparison of space and terrestrial power plants
Both terrestrial thermal solar power plants and space-based solar power systems (SPS)
achieve a sufficient energy payback time, even in the case when no reference system is
considered (worst case definition of the energy payback time). For the smallest scenario
the energy payback time for SPS is significantly higher than that of terrestrial solar power
including electricity storage via hydrogen. For the larger scenarios SPS has a slightly lower
energy payback time (1.1 instead of 1.6 to 1.7 years).
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– A C
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Final Report
Energy payback times (WP4)
9-324
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
500 GW
SOT with H
2
storage
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.6
SOT without
H
2
storage
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.0
SPS
4.4
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
Table 9-49: Comparison terrestrial solar power versus SPS without considering
the reference system
Without electricity storage the energy payback period of the solar thermal power plant
with central receiver would be approximately one year.
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
500 GW
Scenario
Payback period [yr]
SOT with H2 storage
SPS
SOT best case
(w/o H
2
storage)
Launch vehicle SPS:
payload: 350 t
Propellant: 4,965 t
Figure 9-12: Comparison terrestrial solar power versus SPS without considering a
reference system
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G
ENERATION 
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YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
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TUDY
Energy payback times (WP4)
Final Report
9-325
If the reference system (replaced electricity from conventional electricity generation) are
included, the energy payback time would decrease to about 0.5 years for SPS and to some
0.7 years for solar thermal plants with electricity storage via hydrogen in case of the
larger scenarios (5 GW and greater).
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
500 GW
SOT with H
2
storage
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
SOT without
H
2
storage
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.4
SPS
2.0
0.4
0.4
0.4
0.4
0.5
Table 9-50: Comparison terrestrial solar power versus SPS incl. considering the
reference system
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
500 GW
Scenario
Payback period [yr]
SOT with H2 storage
SPS
SOT best case
(w/o H
2
storage)
Launch vehicle SPS:
payload: 350 t
Propellant: 4,965 t
Figure 9-13: Comparison terrestrial solar power versus SPS when the reference
system is considered
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ENERATION 
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YSTEMS 
– A C
OMPARISON 
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Final Report
Energy payback times (WP4)
9-326
The results for SPS are based on a launch vehicle with a payload of 350 t (earth to GEO)
and a propellant mass of 4,965 t which lead to a propellant consumption of some 14 t for
each ton of payload. In [NASA 1997] the payload has been assumed to be 11.3 t and the
propellant mass has been assumed to be 804.5 t which lead to a propellant consumption
has of some 71 t for each ton of payload.
If considering the launch vehicle as described in this study's reference [NASA 1997], the
energy payback time for SPS would more than double compared to the Koelle's vehicle
concept (Figure 9-14).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.5 GW
5 GW
10 GW
50 GW
100 GW
500 GW
Scenario
Payback time [yr]
SOT with H2 storage
SPS NEPTUNE (Koelle 1997)
SPS Fresh Look Study 1997
Figure 9-14: Influence of the launch vehicle on the energy payback time (without
considering a reference system)
The energy backpack time of SPS concepts strongly depends on the used launch vehicle.
However, the payback time for all variants of electricity generation from solar power is far
below the lifetime of the plants (30 years).
E
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Energy payback times (WP4)
Final Report
9-327
9.4 
Discussion of net energy balance during the phase of installation
The energy pay back time is a serious parameter to be taken into account. Beyond the pay
back period for an individual installation, a second constraint exists in the energy
consumption of all installations during the period of growth. Starting with a single
installation each year the construction of an exponentially growing number of new power
plants follows, while the energy production of the already completed power plants
contributes with a certain time lag (equivalent to the time of construction). During the
phase of exponential growth this energy deficit (or surplus) does accumulate.
Therefore it is of some interest to look to the maximum allowable growth rates which still
lead to a positive net energy balance even during the phase of expansion of installations.
Some simple relations can be found which allow to draw some general conclusions on this
energy balance between energy consumption for construction of new power plants and
energy supply from already completed installations. These are given in this chapter.
These comprehensive formulas use a single parameter for energy investment and
construction time. However, it should be kept in mind that in reality technological
improvements may reduce the energy pay back time as well as the construction time. In
addition, as soon as the growth rate flattens towards the number of plants needed for
repowering, the balance shifts in favor of energy production from completed installations.
Therefore the results of this analysis should be seen as a lower limit to the allowed
growth rates which might be shifted upwards by future learning effects.
9.4.1 Theory of energy balance during growth period
The following symbols are used in the course of this chapter:
Suffix to describe the variable in the year i after start of construction of first installation
Annual growth rate of scenario installations
Total energy investment for the construction of the first installation
Construction period of  individual installations (I/j = annual energy consumption during
the construction phase)
mFinal year of time period under consideration
Annual energy supply of first installation after start of operation (E and I must be given
in same units, but these can be arbitrarily chosen)
E
ARTH AND 
S
PACE
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ASED 
P
OWER 
G
ENERATION 
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OMPARISON 
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Final Report
Energy payback times (WP4)
9-328
PE
m
(q, E, I ,j)
Cumulative net energy balance after m years, starting with the year
of the beginning of the construction of the first installation
The following Table 9-51 sketches the annual energy consumption and return for the
individual years, if the growth is exponential with a constant growth rate [Wagner 1978].
Year after
construction start
Energy consumption during
construction
Energy production after
commissioning
1
2
3
...
i
I/j
I/j×(1+q)
I/j×(1+q)
2
...
I/j×(1+q)
i-1
0
0
0
0
0
j+1
j+2
....
m
I/j×[(1+q)
i-1
- (1+q)
i-1-j
]
...
...
I/j×[(1+q)
m-1
- (1+q)
m-1-j
]
E
E ×(1+q)
i-j-1
...
E(1+q)
m-j-1
Table 9-51: Formulae to calculate the energy effort and return in the course of
installation and operation respectively
To get cumulative figures, these data can be summed up. This results in the combination
of geometric progression series.
Cumulated energy balance after m years from construction start:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
[
]
(
)
q
q
E
q
q
q
j
I
q
E
q
j
I
q
j
I
q E E I I j
PE
m j
j
m j
m
i
m
k j
m
k j
j
k
j
k
i
m
1
1
1
1
1
1
1
1
, , , ,
1
1
1
1
1
1
-
+
- + + ×
× +
+
=- ×
=
× +
+
× +
+
× +
=-
-
-
=
= +
= +
--
--
-
å
å
å
K
To keep the energy balance always positive during the phase of growth – except during
the first  j+I/E  years – implies that for any year the following relation holds:
(
)
(
)
(
)
[
]
j
i
i
j
i
q
q
j
I
q
E
--
-
--
- +
× + + >
× +
1
1
1
1
1
1
This results in the growth limits for the scenario as:
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