Performance of Hybrid Renewable Energy System for Hydrogen, Electricity, and Freshwater Productions. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_new.pdf Restricted to Repository staff only until 3 July 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

يقدم هذا العمل البحثي تحليلاً تقنياً واقتصادياً لنظام طاقة متجدد هجين ومبتكر يهدف لتلبية احتياجات المباني السكنية من الكهرباء والهيدروجين والمياه العذبة لعدة مناطق مختلفة في المملكة العربية السعودية. يتكون النظام الهجين من مجمعات كهروضوئية حرارية (PVT)، ووحدة تحلية المياه بتقنية التناضح العكسي (RO)، ومحللات كهربائية بغشاء تبادل البروتونات (PEM) حيث تم تطوير نماذج رياضية وبرمجيات حاسوبية لدراسة أداء النظام الهجين تحت ظروف تشغيلية مختلفة. وقد تم التحقق من صحة تنبؤات المحاكاة من خلال التجارب العملية، بالإضافة إلى مقارنتها بأدوات برمجية مثل (ROSA) و(TRNSYS) تم النظر في عدة سيناريوهات لتقييم أداء أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) والكهروضوئية الحرارية (PVT). في السيناريو الأول والذي يرمز له (PV)، تم دمج نظام كهروضوئي تقليدي مع وحدة التحلية بالتناضح العكسي (RO) دون استخدام جهاز استغلال الطاقة المهدرة الى مياه البحر(ERD) في وحدة التحلية ومع محلل كهربائي بغشاء تبادل بروتوني (PEME). أما في السيناريو الثاني والذي يرمز له (PVWR)، فقد تم إدخال جهاز استرداد الطاقة إلى وحدة (RO) لتحسين كفاءة الطاقة. في السيناريو الثالث والذي يرمز له (PVT)، تم استبدال النظام الكهروضوئي التقليدي بوحدات كهروضوئية حرارية وأخيراً، في السيناريو الرابع والذي يرمز له (PVTWR)، ، تم دمج نظام (PVT) مع جهاز (ERD) لتعزيز الأداء بشكل أكبر. يحقق نظام (PVT) كفاءة إجمالية تبلغ 74.4% بالإضافة إلى ذلك حيث أدى إلى تحسينات ملحوظة في الموثوقية والجدوى الاقتصادية وكفاءة الطاقة. تشمل هذه التحسينات تقليص مساحة وحدات الألواح في نظام (PVT) بنسبة تصل إلى 28.9% وتقليل سعة تخزين البطاريات بنسبة 24.3%، مع استخدام فائض طاقة بنسبة تقارب 5% من نظام (PVT) لتشغيل منظومة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك بلغ الإنتاج السنوي من المياه العذبة والهيدروجين من وحدة التحلية والمحلل الكهربائي 1752 متر مكعب و418 كيلوجرام على التوالي. أما التقييمات البيئية فقد أكدت حدوث انخفاضات كبيرة في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، حيث وصلت إلى 59.1 طن سنوياً. وفيما يتعلق بالتحليل الاقتصادي، كشفت النتائج عن أداء واعد في السيناريوهات الأربعة المدروسة، حيث حقق السيناريو الأول (PV) أقل تكلفة مستوية للكهرباء(LCOE) والهيدروجين (LCOH)بقيمة 0.184 دولار لكل كيلو واط في الساعة و2.86 دولار لكل كجم منتج من الهيدروجين المنتج على التوالي. في حين سجل السيناريو الثاني (PVWR) أقل تكلفة مستوية للمياه (LCOW) بقيمة 0.20 دولار للمتر المكعب المنتج. أما السيناريو الثالث (PVT)،الذي لا يستخدم جهاز استغلال الطاقة المهدرة الى مياه البحر، فقد سجل أعلى تكلفة (LCOW) بتكلفة 0.80 دولار للمتر المكعب المنتج من الماء . وحقق السيناريو الرابع (PVTWR) تكلفة (LCOE) تبلغ 0.264 دولار لكل كيلو واط في الساعة و (LCOW) تكلفة 0.262 دولار لكل متر مكعب منتج من الماء، بينما ظلت تكلفة (LCOH) أعلى مقارنة بتكوين نظام (PV)حيث بلغت 6.07 دولارلكل كجم من الهيدروجين المنتج. كما تم اختبار أداء النظام في مواقع مختلفة والمتواجد في المناطق الساحلية في المملكة العربية السعودية على سبيل المثال في مناطق مثل حقل، ضبا، الوجه، أملج، ينبع، رابغ، العزيزية، جدة، الشعيب، الليث، الفنفذة، الشقيق، فرسان، الخفجي، راس الخير، الجبيل، والخبر. حيث كانت منطقة فرسان تتطلب أكبر سعة من وحدات (PV/PVT) بسبب انخفاض الإشعاع الشمسي مقارنة بالمناطق الأخرى. بينما احتاجت منطقة حقل إلى أقل سعة من الوحدات نظراً لتوفر الإشعاع شمسي في تلك المنطقة بشكل أفضل. وباختصار، تُبرز هذه الدراسة فوائد وجدوى النظم المتكاملة للطاقة المتجددة، وتقدم إطاراً عملياً قوياً لمخططي الطاقة وصنّاع السياسات الساعين إلى حلول طاقة مستدامة ومرنة

English Abstract

A technoeconomic analysis of an innovative hybrid renewable energy system is considered. The system is designed to supply electricity, hydrogen, and freshwater for a Net Zero Emissions Building (NZEB) under the climatic conditions of different locations in the Kingdom of Saudi Arabia. The hybrid system comprises Photovoltaic-Thermal (PVT) Collectors, a Reverse Osmosis (RO) desalination unit, and Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzers. Mathematical models and a computer code are developed to predict the performance of the hybrid system under different operational conditions. The predictions are validated experimentally as well as against software tools such as ROSA and TRNSYS. Several scenarios were considered for evaluating the performance of PV and PVT systems. In the first scenario (abbreviated as PV), a conventional photovoltaic system was integrated with a reverse osmosis (RO) unit, without incorporating an energy recovery device (ERD), and a proton exchange membrane electrolyzer (PEME). The second scenario (abbreviated as PVWR) introduced an ERD into the RO unit to enhance energy efficiency. In the third scenario (abbreviated as PVT), the conventional PV system was replaced by photovoltaic-thermal modules. Finally, the fourth scenario (abbreviated as PVTWR), combined the PVT system with an ERD to further optimize performance. The findings demonstrated that incorporating PVT configuration with energy recovery-equipped RO and PEM electrolyzer enhances system reliability, cost-effectiveness, and energy conversion efficiency. Regarding economic analysis, the findings reveal a promising result across the four evaluated scenarios, where the first scenario (PV) achieved the minimum LCOE and LCOH at 0.184 $/kWh and 2.858 $/kg, respectively. The second scenario (PVWR) attained the minimum LCOW at 0.203 $/m3. However, the third scenario (PVT), which excludes a recovery device, showed the highest LCOW at 0.802 $/m3. The fourth scenario (PVTWR) presented the LCOE at 0.264 $/kWh and LCOW at 0.262 $/m3, while LCOH is still higher compared to the PV-based configuration with a cost of 6.07 $/kg. Compared with the PV system, the PVT system achieves an overall efficiency of 74.4% with an area reduction in PVT size up to 28.9% and a 24.3% reduction in battery storage capacity, with approximately 5% excess energy from PVT used to run the electrolyzer system. Furthermore, the annual freshwater and hydrogen productions from the RO desalination unit and PEM electrolyzer were 1752 m3 and 418 kg, respectively. Moreover, the environmental assessment for the PVT configuration with energy recovery-equipped RO and PEM electrolyzer confirmed notable reductions in CO2 emissions, with 59.1 tons per year. The performance of considered systems was also predicted in different locations in Saudi Arabia i.e. Haql, Duba, Al-Wajh, Umluj, Yanbu, Rabigh, Al-Azizia, Jeddah, Al-Shuaib, Al-Laith, Al-Qunfudah, Al-Shuqaiq, Farasan, Al-Khafji, Ras AlKhair, AL-Jubayl and Al-Khobar. The results reveal that the system in Farasan requires the largest PV/PVT setup because it receives low solar radiation compared to other regions. Haqal requires the lowest sizes of the system components due to better solar potential availability. In summary, this research demonstrates the benefits and practical viability of integrated renewable energy systems and offers a solid framework for energy planners and policymakers seeking resilient and sustainable energy solutions

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sharafi, Abdullah
Committee Members:	Khalifa, Atia and Mansoor, Saad
Depositing User:	ALHUSSAIN AL-OWAIDHANI (g202202960)
Date Deposited:	03 Jul 2025 08:45
Last Modified:	03 Jul 2025 08:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143599