LIFE CYCLE AND DECISION CRITERIA-BASED OPTIMIZATION OF SOLAR-POWERED DESALINATION SYSTEMS IN THE ARABIAN GULF. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master's Thesis) MSc. Thesis _ Sameer Altawabini _ KFUPM .pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُشكّل ندرة المياه العذبة تحديًا عالميًا بالغ الأهمية، لا سيما في المناطق التي تفتقر إلى موارد المياه العذبة الطبيعية، مثل الشرق الأوسط بشكل عام و المملكة العربية السعودية على وجه الخصوص. وقد أصبحت تحلية المياه ضرورية لتلبية الطلب المتزايد على المياه، حيث تُعدّ تقنية التناضح العكسي التقنية الأكثر استخدامًا. ومع ذلك، تُعدّ محطات تحلية المياه من بين أكثر المرافق استهلاكًا للطاقة نظرًا لاعتمادها على المضخات والمحركات والمكونات الكهربائية والإلكترونية المرتبطة بها، وهو ما يُشكّل تحديًا مزدوجًا: ندرة المياه وارتفاع استهلاك الطاقة. تُعدّ المملكة العربية السعودية رائدة عالميًا في مجال تحلية مياه البحر والمياه الجوفية، حيث توظّف بنية تحتية واسعة النطاق لمعالجة نقص المياه. ومن الأمثلة على ذلك شبكة محطات التناضح العكسي في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في الظهران، المنطقة الشرقية. تُحلّل هذه الدراسة خمس محطات من هذا القبيل داخل الجامعة وتبحث في حلول مستدامة لمتطلبات الطاقة اللازمة لتحلية المياه بالتناضح العكسي. مع تزايد الاهتمام العالمي بالطاقة المتجددة، لا سيما في المملكة العربية السعودية، تناولت العديد من الدراسات دمج أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع مرافق تنقية المياه. ومع ذلك، لا تُقدّم سوى أبحاث محدودة تقييمًا بيئيًا واقتصاديًا وفنيًا شاملًا باستخدام بيانات أحمال تشغيلية حقيقية وواقعيى مع تحليل شامل لدورة حياة النظام. تُقيّم هذه الدراسة ثلاثًا وعشرين حالة، بما في ذلك السيناريو الحالي القائم على الشبكة فقط دون أي نظام طاقة شمسية، و مقارنته مع تكوينات متعددة للطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة والمنفصلة عنها، باستخدام بطاريات أيونات الليثيوم وبطاريات الرصاص الحمضية. أُجري تقييم شامل لدورة الحياة من المهد إلى اللحد، ونمذجة مفصلة لجرد دورة الحياة لأهم مكونات كل نظام، ومحاكاة خاصة بالموقع، مع التحقق من صحة نتائج المحاكاة مقارنةً بالقياسات الحقيقية لبيانات ساعيّة. تُظهر النتائج أن السيناريو الرابع، وهو نظام متصل بالشبكة باستخدام ألواح طاقة شمسية كهروضوئية أحادية البلورة ثنائية الوجه من السيليكون، حقق أفضل أداء فني وأقل تأثير بيئي. ومن الناحية الاقتصادية، يُعدّ السيناريو الأساسي دون أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخيار الأقل تكلفة. وفي الوقت نفسه، أظهر التكوين الغير مرتبط بالشبكة، و باستخدام بطاريات الرصاص الحمضية وألواح البيروفسكايت أعلى التكاليف وأسوأ أداء بيئي. ومن الجدير ذكره أن النظام الكهروضوئي المرتبط بالشبكة مع ألواح من نوع (هيتروجانكشن)، التي تتكون عبر التقاطع الغير متجانس لبلورات أحادية السيليكون، ثنائية الوجه كما في السيناريو السابع يعدّ الأفضل من ناحية الإنتاج بالنسبة إلى المساحة الكليّة للألواح ويفوق بالأداء السيناريو الرابع. وكانت أعلى تكلفة أولية هي لنظام الطاقة المستقل عن الشبكة باستخدام بطاريات الرصاص الحمضية مع ألواح أحادية البلورة، حيث بلغت تكلفته الإجمالية ١١.٥٤ مليون دولار، بينما تطلب السيناريو الرابع ١.٦٨ مليون دولار فقط. وبلغت تكلفة الكهرباء ٠.٠٢٤١ دولار/كيلوواط ساعة في السيناريو الرابع، وهي الأقل، مقارنةً بتعرفة الكهرباء البالغة ٠.٠٦٦٥ دولار/كيلوواط ساعة، وحوالي ٠.١٤٤١ دولار/كيلوواط ساعة لنظام الرصاص الحمضي/البيروفسكايت المستقل عن الشبكة. تشير النتائج إلى أنه في ظل أسعار الكهرباء الحالية، لا تزال مشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية غير مواتية اقتصاديًا. ومع ذلك، تُظهر التوقعات أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة تصبح مربحة بمجرد ارتفاع التعرفة إلى ٠.٠٧٦ -٠.٠١٠٦ دولار/كيلوواط ساعة. وتتطلب الأنظمة المستقلة عن الشبكة قيم تعادل أعلى بكثير: ٠.٣٤٣ - ٠.٤١٥ دولار/كيلوواط ساعة لأنظمة بطاريات الليثيوم أيون ٠.٠٦٢١ - ٠.٦٨٢ دولار/كيلوواط ساعة لأنظمة الرصاص الحمضية.

English Abstract

Freshwater scarcity is a critical global challenge, particularly in regions lacking natural freshwater resources, such as the Middle East and Saudi Arabia. Desalination has become essential to meet water demand, with reverse osmosis (RO) as the most widely adopted technology. However, desalination plants are among the most energy-intensive facilities due to their reliance on pumps, motors, and associated electrical and electronic components. This creates a dual challenge: water scarcity and high energy consumption. Saudi Arabia is a global leader in seawater and groundwater desalination, deploying extensive infrastructure to address water shortages. An example is the network of RO plants at King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) in Dhahran, Eastern Province. This study analyzes five such plants and investigates sustainable solutions to the energy demands of RO desalination. With rising global interest in renewable energy, particularly in Saudi Arabia, many studies have examined integrating solar photovoltaic (PV) systems with water purification facilities. Yet only limited research provides a complete environmental, economic, and technical assessment using real operational load data and complete lifecycle analysis. This study evaluates twenty-three cases, including the current grid-only scenario and multiple grid-connected and off-grid PV configurations utilizing lithium-ion and lead-acid batteries. A comprehensive cradle-to-grave life cycle assessment (LCA), detailed life cycle inventory (LCI) modeling, and site-specific simulations were performed, with simulation results validated against real measurements. The findings show that scenario four, a grid-connected system using bifacial monocrystalline silicon PV modules, achieved the best technical performance and the lowest environmental impact. Economically, the baseline scenario without PV systems is the least costly option. However, scenario seven, the on-grid with heterojunction PV panels, outperforms all scenarios in terms of energy production across the total PV system area; it is more promising than all other technologies and configurations. At the same time, the off-grid configuration with lead-acid batteries and perovskite panels exhibited the highest costs and worst environmental performance. The most expensive initial cost was the off-grid system using lead-acid batteries with monocrystalline panels, totaling $11.54 million, whereas scenario two required only $1.68 million. The cost of electricity was $0.0241/kWh for scenario four, the lowest, compared to the electricity tariff of $0.0665/kWh and approximately $0.0964/kWh, $0.1441/kWh for the off-grid Li-ion with perovskite modules, with pyrometallurgical recycling of batteries, and lead-acid batteries with perovskite modules, respectively. Results indicate that, under current electricity prices, solar PV projects remain economically unfavorable. However, projections show that grid-connected PV systems become profitable once tariffs rise to $0.076–$0.106/kWh. Off-grid systems require significantly higher break-even and profit values: $0.343–$0.415/kWh for lithium-ion battery systems and $0.621–$0.682/kWh for lead-acid systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Elsamadony, Mohamed
Committee Members:	Hawwa, M.A. and Alquaity, Awad
Depositing User:	SAMEER ALTAWABINI (g202309570)
Date Deposited:	28 Dec 2025 06:37
Last Modified:	28 Dec 2025 06:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143895