GEOSPATIAL LIFE CYCLE ASSESSMENT OF GREEN HYDROGEN PATHWAYS: CASE STUDY IN SAUDI ARABIA. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis-final-Print.pdf - Other Restricted to Repository staff only until 29 June 2026. Download (1MB)

Arabic Abstract

يُعد الهيدروجين الأخضر مسارًا واعدًا لتحقيق إزالة الكربون بشكل عميق في العديد من القطاعات، إلا أن تأثيره البيئي يتوقف بدرجة كبيرة على نوع مصادر الطاقة المتجددة المستخدمة ومعايير التصميم الخاصة بالنظام. تتناول هذه الرسالة التقييم البيئي لإنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) المرتبطة بأجهزة التحليل الكهربائي ذات الغشاء البوليمري (PEM) في خمس مدن رئيسية في المملكة العربية السعودية: تبوك، خميس مشيط، الرياض، جدة، والدمام. تم إجراء تحليل دورة الحياة (Life cycle assesment) من مرحلة استخراج المواد الخام وحتى بوابة المصنع (cradle-to-gate)، باستخدام منهجية ReCiPe 2016 Midpoint(H) لتقييم الأثر البيئي. أظهرت النتائج أن الموقع الجغرافي يلعب دورًا حاسمًا في الأداء البيئي، نتيجة لتباين مستويات الإشعاع الشمسي، والظروف المناخية، ومتطلبات البنية التحتية للنظام. من بين المدن الخمس، سجلت تبوك أقل الأثر البيئي عبر معظم فئات التأثير، حيث بلغ معدل ظاهرة الاحتباس الحراري الناتج عن إنتاج الهيدروجين فيها حوالي 6.56 كجم مكافئ CO₂ لكل كجم هيدروجين، مقارنةً بـ 7.54 كجم مكافئ CO₂ في الدمام. وبذلك، فإن اختيار تبوك كموقع للإنتاج بدلاً من الدمام من شأنه أن يساهم في تجنب ما يقارب 2,350 طن من انبعاثات مكافئ ثاني أكسيد الكربون خلال فترة تشغيل النظام المقدرة بـ 25 عامًا. كشفت تحليلات الحساسية أن كلًا من كفاءة الألواح الشمسية والاستهلاك النوعي للطاقة (SEC) في جهاز التحليل الكهربائي يمثلان أكثر العوامل تأثيرًا على الأداء البيئي. بالإضافة إلى ذلك، أكدت تحليلات عدم اليقين باستخدام محاكاة مونت كارلو موثوقية النتائج ودقتها الإحصائية، حيث أظهرت تفوق تبوك البيئي بشكل ثابت في معظم السيناريوهات المحاكاة. بوجه عام، تؤكد هذه الدراسة على أهمية الاختيار الاستراتيجي للموقع الجغرافي، إلى جانب تحسين التقنيات المستخدمة، كخطوتين أساسيتين نحو تقليل الأثر البيئي لأنظمة إنتاج الهيدروجين الأخضر. وتوصي الدراسة بأهمية إدراج مرحلة نهاية عمر النظام (EOL) في التقييم المستقبلي، بالإضافة إلى دراسة إمكانية دمج مصادر الطاقة المتجددة الهجينة لتعزيز استدامة هذه الأنظمة بشكل أكبر.

English Abstract

Green hydrogen is increasingly recognized as a crucial pathway for deep decarbonization across various sectors; however, its environmental impacts significantly depend on both the renewable energy sources and the system's specific design parameters. This thesis investigates the environmental performance of green hydrogen production utilizing photovoltaic (PV) energy coupled with proton exchange membrane (PEM) electrolyzers in five major Saudi Arabian cities: Tabuk, Khamis Mushait, Riyadh, Jeddah, and Dammam. The environmental evaluation follows a cradle-to-gate Life Cycle Assessment framework, using the ReCiPe 2016 Midpoint (H) impact assessment method. The results reveal that production location considerably influences environmental performance due to regional differences in solar irradiance, climatic conditions, and system sizing requirements. Among the analyzed locations, Tabuk demonstrated the lowest environmental impact across nearly all categories, most notably achieving a global warming potential (GWP) of 6.56 kg CO₂-eq/kg H₂ compared to 7.54 kg CO₂-eq/kg H₂ in Dammam. Selecting Tabuk instead of Dammam for establishing green hydrogen infrastructure could prevent approximately 2,350 tonnes of CO₂-equivalent emissions throughout the system's 25-year operational lifetime. Sensitivity analyses identified PV module efficiency and the electrolyzer's specific energy consumption as the most influential parameters impacting environmental outcomes. Additionally, uncertainty analyses employing Monte Carlo simulations confirmed the reliability of the results, with strong statistical precision and consistent superiority of Tabuk’s environmental performance across simulations. Overall, the research underscores the importance of strategic regional selection and technological optimization to substantially reduce the environmental footprint of green hydrogen production. Future work should integrate end-of-life considerations and explore emerging renewable energy configurations to further enhance the environmental sustainability of green hydrogen systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Research Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Shaukat, Mian
Committee Members:	Alquaity, Awad and Asif, Muhammed
Depositing User:	MOATH AJLOUNI (g202308450)
Date Deposited:	29 Jun 2025 11:00
Last Modified:	29 Jun 2025 11:00
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143588