ASSESSEMENT OF SOLAR AND WIND POTENTIALS IN KINGDOM OF SAUDI ARABIA AND OPTIMIZATION OF PERTINENT SYSTEMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) AlBuraiki_201380450_MS_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 29 June 2024. Download (9MB)

Arabic Abstract

أنشأت حكومة المملكة العربية السعودية العديد من المشاريع بما يتماشى مع رؤية 2030 لزيادة استخدام موارد الطاقة المتجددة من أجل تقليل التأثير السلبي على البي ئة بسبب استخدام موارد الطاقة التقليدية كالنفط والغاز. في هذه الأطروحة، تم تقديم دراسة جدو ى حول إمكانية استخدام أنظمة الطاقة المتجددة الهجي نة )الشمسية والرياح( في إنتاج الكهرباء والهيدروجين باستخدام البيانات الم يترولوجية )الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح( للمملكة العربية السعودية. من أجل ذلك، تم اعتبار عمل الأنظمة الهجينة في تغذية متطلبات الطاقة كأنظمة مستقلة وقائمة بذاتها في تغدية الأحمال بعيدا عن الشبكة الكهربائية ثم تم تطوير أكواد كمبيوتر لمحاكاة هذه الأنظمة ومن خلال ذلك تم تقييم أداء هذه الأنظمة من تقنيا واقتصاديا وبيئيا وذلك باعتبار تطبيقات )MATLAB( مختلفة لاستخدام الطاقة في المملكة. في التطبيق الأول، تم تطوير نظام هجين قائم بذاته حيث يتكون من نظام هجين مع اعتبار البطاريات كنظام تخزين لتغذية الأحمال الكهربائية لمنزل سكني مع سيارة كهربائية في مواقع مختلفة في المملكة ذات اختلاف ملحوظ في كمية الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح وهي: الدمام ، الرياض ، جدة ، بريدة ، تبوك وشرورة. أظهرت نتائج هذه الدراسة أن هناك اختلافات كبيرة في أحجام النظام الهجين في المواقع المدروسة بسبب اختلاف تلك الأماكن في كمية الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح. ثم في التطبيق الثاني، تم تطوير نظام هجين متعدد الإنتاجية حيث تم في هذه الحالة استخدام الطاقة المنتجة في تلبية متطلبات الطاقة الكهربائية لمنزل سكني ثم تحويل فائض الطاقة الى وقود الهيدروجين الذي يستخدم في توفير الوقود اللزم لسيارة هيدروجينية مرتبطة بالمنزل السكني. بالإضافة إلى ذلك، ولتقييم كفاءة النظام في إنتاج الهيدروجين، تم تطوير مؤشرات .)LHSP( و مؤشراحتمالية العجز في إمدادات الهيدروجين ،)LHS( أداء جديدة وهي: كمية العج ز في إمدادات الهيدروجين امتد هذا العمل لعمل آخر تم فيه دراسة جدوى بناء محطات التزود بوقود الهيدروجين في المملكة العربية السعودية اعتمادا على الأنظمة الهجينة. ونظرًا لاختلاف عمليات التزود بالوقود بحسب اختلاف المناطق التي توجد فيها المحطات بناءً على سلوك الناس في تلك المناطق، تم القيام بدراسة جدوى لتقييم تأثير سلوك الناس في التزود بالوقود في المناطق المختلفة وتأثير ذلك على أحجام النظام الهجين الذي سيزود المحطات بالطاقة اللازمة لإنتاج الهيدروجين. ولأجل ذلك تم جمع بيانات التزود بالوقود في أربع مناطق ذات سلوك مختلف للناس وهذه المناطق تمشل: منطقة صناعية ومنطقة سكنية ومنطقة طرق سريعة ومنطقة سياحية. أظهرت نتائج هذه الدراسة أن أرخص تكاليف الاستثمار في بناء محطات الهدروجين اعتمادا على الطاقة المتجددة وجدت في المناطق الصناعية وأغلاها في المناطق السياحية. هذا التأثير الكبير لسلوك الناس على أحجام الأنظ مة المتجددة حفز إلى دراس ة جديدة يتم من خلالها دراسة مواءم ة الحمل الكهربائي مع وجود الطاقة الشمسية. لذلك ، تم إجراء دراس ة أخرى لتقييم تأثير تنسيق الحمل الكهربائي على حجم النظام وتكلفته في الأنظمة الشمسية القائمة بذاتها. ولأجل ذلك تم بناء نظام لإنتاج الطاقة المتجددة يتكون من خلايا الشمسية وبطاريات مع اعتبار أربعة أنواع مختلفة من الأحمال الكهربائية التي تتيح إمكانية مواءمة بين الحمل والإشعاع الشسمي بنسب مختلفة وهي: إنارة الشوارع ، والأحمال الصناع ية ، والأحمال السكنية ، وأحمال الري. أظهرت النتائج أن الحمل الذي يتيح فرص تنسيق ومواءمة كاملة )الري( أدى إلى انخفاض كبير ملحوظ في حجم النظام وتكلفته، حيث وجد أنه تم تخفيض التكلفة بنسبة 24 ٪ ، بينما تم تقليل حجم نظام التخزين بنسبة 39 ٪. وفي الجهة المقابلة، حيث لا توجد فرصة لإمكانية تنسيق الحمل مع الإشعاع الشسمي في حالة إنارة الشوارع، لم يتم الحصول على تخفيض في التكلفة ولا تنقيص للأحجام .

English Abstract

Kingdom of Saudi Arabia government has established several projects in line with Vision 2030 to increase the utilization of renewable energy (RE) resources while reducing the environmental impact of oil and gas conventional resources. In the present work, RE systems are considered for electricity and hydrogen productions via hybrid solar and wind systems under local weather conditions. In this case, techno-economic and environmental studies are carried out and MATLAB computer codes are developed to assess the performance of case studies incorporating solar/wind RE systems for different applications. In the first case study, a standalone hybrid PV/wind with battery storage system is devleoped to meet the electrical load requirements of a residential house integrated with electric vehicle under different weather conditions at different locations in the Kingdom of Saudi Arabia, namely: Dammam, Riyadh, Jeddah, Buraydah, Tabouk and Sharurah. The results show considerable variations in the optimum system configurations at the considered locations due to different renewable energy potentials. In the second case study, a hybrid solar/wind system is developed for multigeneration of electricity and hydrogen to meet demands of residential house integrated with hydrogen veicle. In this case study, to assess the performance of the hydrogen production, novel performance indicators are introduced, which include: deficiency in hydrogen supply, and loss of hydrogen supply probability (LHSP). This work is extended to assess the feasibility of indtroducing hydrogen refueling stations in the Kingdom of Saudi Arabia. As hydrogen refueling demand differs in various areas based on people behaviour, a third case study is conducted in the kingdom to evaluate the effect of people behaviour in various areas on the optimization results of hydrogen refueling station. Refueling data is collected in four areas: Industrial, Residential, Highway and Tourist area. Then, the performance of hydrogen refueling station powered by hybrid solar/wind renewable energy system is simulated via MATLAB software. The findings of this study show that, cheapest investment costs are found in the industrial areas. This effect of people behaviour on the optimization results has led to a novel idea of load coordination with solar potential. Therefore, a forth case study is conducted to determine how load coordination with solar energy potential influences the system size and cost in off-grid renewable energy systems. A standalone photovoltaics PV array with battery storage system is considered and optimal size of the system is investigated under various types of load requirements with different load coordination levels with the solar energy availability, namely: street lighting, industrial, residential, and irrigation loads. The findings show that, fully coordinated load (irrigation) resulted in a remarkable reduction in the levelized cost of energy, which was reduced by 24%, while the storage system size was reduced by 39%. On the other hand, with no coordination opportunity for the street-lighting load has been identified, thus no reduction has been obtained.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sharafi, Abdullah
Committee Members:	Yilbas, Bekir and Almerbati, Abdulrahman
Depositing User:	ABDULRAHMA AL BURAIKI (g201380450)
Date Deposited:	29 May 2022 12:57
Last Modified:	29 May 2022 12:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142134