ENERGY, EXERGY AND TECHNOECONOMIC ANALYSIS OF GREEN HYDROGEN PRODUCTION USING CONCENTRATING SOLAR TECHNOLOGDY. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc Thesis) MSc_Thesis_g202303990.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 21 May 2026. Download (1MB)

Arabic Abstract

على الصعيد العالمي، يشهد الطلب على الطاقة زيادة كبيرة، في وقتٍ تتزايد فيه المخاوف الجادة بشأن التأثيرات السلبية لتغير المناخ الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري، والذي يُعد المصدر الرئيسي لانبعاثات الغازات الدفيئة عالميًا. وبينما تُعتبر إزالة الكربون من الصناعات المُصدِرة لثاني أكسيد الكربون مسارًا نحو اقتصاد خالٍ من الكربون، تظل هناك صناعات يصعب إزالة الكربون منها بالطرق التقليدية لاستخدام مصادر الطاقة المتجددة. وهذا يتطلب التحول إلى أنواع وقود مستدامة يمكن أن تحترق دون إطلاق انبعاثات كربونية، ويُعد الهيدروجين حاليًا أفضل هذه الأنواع المستدامة. ومع ذلك، فإن إنتاج الهيدروجين باستخدام الوقود الأحفوري يُفرغ عملية إزالة الكربون من مضمونها. وللتغلب على ذلك، أُجري تحليل ديناميكي حراري وتكلفة مفصل لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية من خلال محلل كهربائي من نوع \LR{PEM}، وذلك ضمن تكوينات مختلفة للنظام باستخدام تقنيتي الأبراج الشمسية \LR{SPT} والمجمعات القطعية المكافئة \LR{PTC}. تم دمج دورة رانكن المعدلة بالبخار، ودورة برايتون بثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، ودورة رانكن العضوية بطرق مختلفة لتشكيل أربع تكوينات من الدورات المدمجة: \LR{MSRC-SCBC-ORC}، \LR{MSRC-ORC}، \LR{MSRC-SCBC}، و \LR{SCBC-ORC}. ومن بين هذه التكوينات، حقق تكوين \LR{MSRC-ORC} المعتمد على تقنية \LR{SPT} أفضل أداء ديناميكي حراري، حيث بلغت الكفاءة الحرارية %42.36، وكفاءتا تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وإلى إكسيرجي 28.59% و30.15% على التوالي، بمعدل إنتاج هيدروجين قدره 63.04 كغ/ساعة، ومعدل إنتاج أكسجين 504 كغ/ساعة، عند كفاءة تحويل شمس إلى هيدروجين تبلغ 20.43%. أما تكوين \LR{MSRC-ORC} المعتمد على \LR{PTC} فقد سجل أقل تكلفة لإنتاج الهيدروجين (\LR{LCOH}) بقيمة 7.78 دولارًا أمريكيًا لكل كغ. وقد أظهر التحليل البارامتري أن مساحة الحقل الشمسي وشدة الإشعاع الشمسي هما الأكثر تأثيرًا على كمية إنتاج الهيدروجين، بينما كان عامل السعة هو الأكثر تأثيرًا على تكلفة الإنتاج. علاوة على ذلك، أظهر تحسين النظام باستخدام أسلوب "القوة الغاشمة" فعاليته في تحديد ظروف التشغيل المثلى لأنظمة الهيدروجين، فعلى سبيل المثال، أعطى الحل الأمثل لتكوين \LR{SPT-MSRC-ORC} كفاءة حرارية بلغت 44.97% وتكلفة هيدروجين 9.5 دولار/كغ، ما يمثل تحسنًا في الكفاءة (من 42.36%) مقابل زيادة طفيفة في التكلفة (من 9.11 دولار/كغ). وقد أظهر تحليل هذه الدراسة أن استخدام تقنية \LR{PTC} قد يكون الخيار الأكثر ربحية لإنتاج الهيدروجين الأخضر.

English Abstract

Globally, there is a huge increase in energy demand while there are serious concerns over the negative impact of climate change that results from the use of fossil fuels which are the main source of global emissions. While decarbonization of carbondioxide emitting industries is a pathway to a carbon-free economy, there are industries that are difficult to decarbonize via the conventional way of using renewable energy resources. This requires a shift to sustainable fuels that can burn without emitting carbondioxide. Hydrogen is currently the best sustainable fuel. Nevertheless, when it is produced using fossil fuels, the whole aim of decarbonization is defeated. To overcome this, a detailed thermodynamic and cost analysis of solar-powered hydrogen production using a PEM electrolyzer was performed for different system configurations using SPT and PTC A Modified Steam Rankine cycle, supercritical carbondioxide Brayton cycle, and organic Rankine cycle were combined in different ways to form four configurations of integrated power cycles: MSRC-SCBC-ORC, MSRC-ORC, MSRC-SCBC, SCBC-ORC configurations. Among the four, the SPT-powered MSRC-ORC configuration achieved the best thermodynamic performance, with a thermal efficiency of 42.36%, solar-to-electricity energy and exergy efficiencies of 28.59% and 30.15%, respectively, a hydrogen production rate of 63.04 kg/hr, and an oxygen production rate of 504 kg/hr at a solar-to-hydrogen efficiency of 20.43%. However, the PTC-powered MSRC-ORC gave the least LCOH of 7.78 $/kg. Parametric analysis of the systems revealed that the solar field area and the solar irradiation had the greatest influence on hydrogen yield while the capacity factor of the system had the highest impact on the LCOH. Furthermore, an optimization of the systems using the brute force method showed that the brute force method was a good way for deciding optimal operating conditions for hydrogen systems. For instance, the optimal solution for the SPT-MSRC-ORC configuration was a thermal efficiency of 44.97% and LCOH of 9.5 $/kg which improved the efficiency (from 42.36%) at a slight increase in cost (from 9.11 $/kg). The analysis of this work showed that using PTC could be more profitable for green hydrogen production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Munteshari, Obaidallah
Committee Members:	Mohammed, Hussein A. and Awad, Alquaity
Depositing User:	TERUNGWA TIVFA (g202303990)
Date Deposited:	22 May 2025 11:34
Last Modified:	22 May 2025 11:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143438