TECHNO-ECONOMIC OPTIMIZATION OF MULTI-ELECTROLYZER SYSTEMS FOR GREEN HYDROGEN PRODUCTION IN DECARBONIZED ENERGY SYSTEM. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmed Babiker MS Thesis...pdf Restricted to Repository staff only until 24 December 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

عَدّ الهيدروجين الأخضر أحد الحلول المحورية لتحقيق الحياد الكربوني في قطاعات الصناعة والنقل والطاقة في ظل السعي العالمي نحو أنظمة طاقة مستدامة ومنخفضة الانبعاثات، وتطوّر هذه الرسالة إطارًا شاملًا للنمذجة والتحليل التقني–الاقتصادي وللإدارة المثلى بهدف تحديد الحجم الأمثل وعدد الوحدات ونوع التقنية وتكوين وحدات التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين بالاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة من الشمس والرياح، حيث تم في البداية تقديم منهجية جديدة لتحديد العدد والسعة المثلى لوحدات التحليل الكهربائي المنفصلة اعتمادًا على استراتيجية تشغيل وإيقاف وصياغة مشكلة البرمجة الخطية الصحيحة المختلطة، وحققت المنهجية المقترحة استفادة عالية من الطاقة المتجددة بلغت 99.94% مع تقليل الفاقد في الطاقة وتحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين، واستنادًا إلى ذلك تم تطوير النموذج ليشمل تقنيتي التحليل الكهربائي منخفض وعالي الحرارة، وهما محلل الغشاء البروتوني والمحلل الكهربائي الصلب عالي الحرارة، ضمن دراسات حالة موحدة لأنظمة تعمل بالطاقة الشمسية والرياح، وأظهرت النتائج اختلافات واضحة في السلوك التشغيلي والأداء التقني–الاقتصادي لكل تقنية، إذ تفوقت أنظمة محلل الغشاء البروتوني في ظل تقلبات مصادر الطاقة بفضل استجابتها الديناميكية السريعة، بينما حققت أنظمة المحلل الكهربائي الصلب عالي الحرارة كفاءة أعلى في ظروف التشغيل المستقرة، كما أظهر التكوين الهجين الذي يجمع بين التقنيتين أداءً متميزًا عزّز مرونة النظام وربحيته، حيث زادت الأرباح السنوية بنسبة 12.77% و19.95% مقارنةً بأنظمة محلل الغشاء البروتوني والمحلل الكهربائي الصلب عالي الحرارة على التوالي، وفي الأنظمة المعتمدة على الطاقة الشمسية ساهم دمج نظام تخزين الطاقة بالبطاريات في زيادة الاستفادة من الطاقة بنسبة 2% وتحسين الأرباح الإجمالية بنحو 4%، وللتعامل مع تقلبات مصادر الطاقة المتجددة ومخاطر الاستثمار تم تطوير نموذج برمجة احتمالية ثنائي المراحل يعتمد على مقياس القيمة المعرضة للمخاطر المشروطة مع مراعاة حالتي اتخاذ القرار المحايد للمخاطر والمتجنب لها، مما يسهم في تعزيز الوعي بالمخاطر وتحقيق تخطيط أكثر مرونة وضمان استقرار اقتصادي أعلى، وبشكل عام تقدم هذه الرسالة إطارًا عمليًا وقابلًا للتوسع لتصميم وتشغيل وتقييم الأداء التقني–الاقتصادي لأنظمة التحليل الكهربائي المتعددة في تطبيقات تحويل الطاقة إلى هيدروجين، ويوفر أساسًا علميًا لتطوير بنية تحتية فعّالة ومستدامة لإنتاج الهيدروجين الأخضر على نطاق واسع.

English Abstract

The global pursuit of sustainable and carbon-neutral energy systems has positioned green hydrogen as a key enabler of deep decarbonization across industrial, transportation, and power sectors. This thesis develops a comprehensive techno–economic modeling and optimization framework for determining the optimal sizing, number of units, technology type, and configuration of electrolyzers in renewable energy–driven hydrogen production systems powered by solar and wind resources.First, a new optimization methodology is introduced to determine the optimal number and capacity of discrete electrolyzer units using a generic unit–based formulation developed through a mixed-integer linear programming (MILP) framework. The proposed method significantly enhances renewable energy utilization, achieving a solar utilization rate of 99.94%, while minimizing power curtailment and improving hydrogen production efficiency. Building on this foundation, the developed framework is extended to include both low- and high-temperature electrolyzer technologies—specifically, Proton Exchange Membrane (PEM) and Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC) systems—within unified case studies powered by solar and wind energy. The results reveal distinct operational behaviors and techno–economic performances for each technology. Comparative analyses show that PEM electrolyzers perform optimally under highly variable renewable inputs due to their fast dynamic response, while SOEC electrolyzers achieve higher efficiency under stable power conditions. Furthermore, the hybrid PEM–SOEC configuration effectively combines the strengths of both technologies, enhancing system flexibility and overall profitability—yielding annual profit improvements of 12.77% and 19.95% relative to PEM-only and SOEC-only systems, respectively. In solar-based systems, the integration of battery energy storage further increases renewable utilization by 2% and total profit by approximately 4%. To address uncertainty, a two-stage stochastic programming model incorporating the Conditional Value-at-Risk (CVaR) metric is developed, considering both risk-neutral and risk-averse decision-making approaches. This model enhances risk awareness, enabling robust planning and ensuring economic resilience under fluctuating renewable generation scenarios. Overall, the proposed framework establishes a scalable and practical methodology for the optimal design, operation, and techno–economic evaluation of multi-electrolyzer systems in Power-to-Hydrogen (P2H) applications, providing valuable insights for efficient and economically viable large-scale green hydrogen deployment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Fahad Saleh, Al-Ismail
Committee Members:	Al-Awami, Ali and Habib, Abdulelah
Depositing User:	AHMED BABIKER (g202321410)
Date Deposited:	24 Dec 2025 07:57
Last Modified:	24 Dec 2025 07:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143865