Integrated Waste Heat and Solar Thermal Systems for Sustainable Power and Steam Generation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc_Thesis_202320510) MSc_Thesis_Youssef_202320510.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (4MB)

Arabic Abstract

يُعد القطاع الصناعي أحد أكبر المستهلكين للطاقة الأولية على مستوى العالم، حيث تولد مرافق البتروكيماويات والتكرير كميات كبيرة من الحرارة المهدرة منخفضة ومتوسطة الدرجة، والتي تُطرح باستمرار إلى البيئة دون استرجاع. ويُعد استرجاع هذه الحرارة المهدرة منخفضة الدرجة وتعزيزها من خلال دمج الطاقة الحرارية الشمسية مسارًا عمليًا لتحسين كفاءة الطاقة الصناعية وتقليل انبعاثات الكربون في المناطق ذات الاستهلاك العالي للطاقة مثل المملكة العربية السعودية. ولتحقيق ذلك، تم إجراء تقييم حراري واقتصادي مفصل لثلاثة تكوينات متكاملة لأنظمة الطاقة لمحطة بتروكيماوية في مدينة الجبيل الصناعية بالمملكة العربية السعودية، باستخدام استرجاع الحرارة المهدرة من عمليات التكرير وتقنية مجمعات القطع المكافئ الشمسية (PTSC). وتشمل التكوينات المدروسة دورة رانكن العضوية المعتمدة على استرجاع الحرارة المهدرة فقط (الحالة الأولى: WHR-ORC)، ودورة رانكن البخارية الهجينة المدعومة بمجمعات PTSC لإنتاج الطاقة والبخار المشترك (الحالة الثانية: PTSC-WHR-SRC-SG)، ودورة رانكن العضوية الهجينة المدعومة بالطاقة الشمسية لإنتاج الطاقة والبخار (الحالة الثالثة: PTSC-WHR-ORC-SG). وقد تمت نمذجة ومحاكاة جميع التكوينات باستخدام برنامج Engineering Equation Solver (EES) تحت ظروف تغير الإشعاع الشمسي المباشر (DNI) على أساس ساعي طوال عام كامل. تُظهر النتائج أن دمج الطاقة الشمسية يعزز أداء النظام من خلال زيادة الطاقة الحرارية المفيدة المتاحة من الحقل الشمسي، مما يؤدي إلى تحسين ظروف دخول التوربين في التكوينات الهجينة. تحقق الحالة الأولى، التي تعتمد حصريًا على استرجاع الحرارة المهدرة دون دمج شمسي، إنتاجًا سنويًا للطاقة يبلغ 3,723 ميجاواط ساعة عند ضغط توربين مقداره 90.27 كيلو باسكال. بالنسبة للحالة الثانية، تم تقييم النظام عند نسبة استخلاص مقدارها Y = 0.3 وضغط دخول توربين مقداره 12,000 كيلو باسكال، منتجًا 28,494.2 ميجاواط ساعة من الكهرباء و46,225.3 طنًا من بخار العمليات سنويًا. أما بالنسبة للحالة الثالثة، فقد تم تقييم ظروف التشغيل عند نسبة درجة حرارة مقدارها T4/T3 = 0.79 وضغط توربين مقداره 930.6 كيلو باسكال، والتي تُعرف بأنها نسبة درجة حرارة دخول مائع نقل الحرارة إلى مبخر دورة ORC إلى درجة حرارة مخرج الحقل الشمسي، بينما يتم تخصيص الجزء المتبقي من الطاقة الحرارية إلى مبخر توليد البخار. وتحت هذه الظروف، تنتج الحالة الثالثة 16,107.9 ميجاواط ساعة من الكهرباء و74,859.7 طنًا من بخار العمليات سنويًا. تحقق الحالة الثانية إنتاجًا أعلى للكهرباء السنوية، في حين تنتج الحالة الثالثة كمية أكبر بشكل ملحوظ من بخار العمليات، مما يعكس الاختلاف في تصميم النظام واستراتيجية التشغيل. كما تم تقييم تكوين إضافي يعتمد على الاستخلاص الكامل للبخار (الحالة الرابعة) لدراسة التشغيل المعتمد بشكل أساسي على إنتاج البخار تحت ظروف استخلاص كاملة (Y = 1.0) عند ضغط توربين مقداره 12,000 كيلو باسكال. وتحت هذا التكوين، يحقق النظام إنتاجًا سنويًا للطاقة يبلغ 3,642.35 ميجاواط ساعة وإنتاجًا سنويًا للبخار يبلغ 154,084.608 طنًا. وتشير النتائج إلى أن الحالة الرابعة تعزز إنتاج بخار العمليات مع المحافظة على إنتاج محدود للكهرباء، مما يبرز المرونة التشغيلية للتكوينات الهجينة المعتمدة على الاستخلاص في التطبيقات الصناعية ذات الطلب المرتفع على البخار. يشير التحليل الاقتصادي إلى أن الحقل الشمسي PTSC يمثل أكثر من 71% من إجمالي التكلفة الرأسمالية في كلتا الحالتين الهجينتين، مما يجعله العامل الاقتصادي الأكثر تأثيرًا. تحقق الحالة الأولى فترة استرداد تبلغ 3.44 سنوات عند سعر الكهرباء في المملكة العربية السعودية البالغ 53 دولارًا أمريكيًا لكل ميجاواط ساعة. في المقابل، تسجل الحالتان الثانية والثالثة فترات استرداد تبلغ 15.4 و14.77 سنة على التوالي، مع تكلفة مستوية للكهرباء تبلغ 124 و128.7 دولارًا أمريكيًا لكل ميجاواط ساعة. وفي كلتا الحالتين الهجينتين، يُقدر سعر بخار العمليات بـ 25.2 دولارًا أمريكيًا للطن، حيث تسهم الإيرادات الناتجة عن بيع البخار إلى جانب مبيعات الكهرباء في تحسين الجدوى الاقتصادية للنظامين. كما أظهر تحليل الحساسية أن انخفاض سعر الكهرباء في المملكة العربية السعودية يمثل العائق الاقتصادي الرئيسي أمام التوسع في تطبيق أنظمة استرجاع الحرارة المهدرة المدعومة بالطاقة الشمسية. كما أظهر التحليل أن التكوين المعتمد بشكل أساسي على إنتاج البخار (الحالة الرابعة) يصبح أكثر جدوى اقتصادية عند ارتفاع تكلفة بخار العمليات، خصوصًا عندما يعتمد توليد البخار التقليدي على أنواع وقود مرتفعة التكلفة. بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة الجدوى الفنية لدمج أنظمة استرجاع الحرارة المهدرة مع تقنية مجمعات القطع المكافئ الشمسية في تطبيقات المصافي، حيث يعتمد اختيار التكوين الأنسب على التوازن المطلوب بين إنتاج الكهرباء وإنتاج بخار العمليات، بالإضافة إلى الظروف الاقتصادية الإقليمية السائدة.

English Abstract

The industrial sector is one of the largest consumers of primary energy globally, with petrochemical and refinery facilities generating substantial quantities of low- and medium-grade waste heat that are continuously rejected to the environment without recovery. Recovering this low-grade waste heat and boosting it through the integration of solar thermal energy offers a practical pathway to improve industrial energy efficiency and reduce carbon emissions in energy intensive regions such as Saudi Arabia. To address this, a detailed thermodynamic and economic assessment of three integrated energy system configurations was conducted for a petrochemical facility in the industrial city of Jubail, Saudi Arabia, using refinery waste heat recovery and parabolic trough solar collector (PTSC) technology. The investigated configurations include a standalone waste heat recovery organic Rankine cycle (Case 1: WHR-ORC), a hybrid PTSC assisted steam Rankine cycle for combined heat and power generation (Case 2: PTSC-WHR-SRC SG), and a hybrid solar-assisted organic Rankine cycle for combined power and steam generation (Case 3: PTSC-WHR-ORC-SG). All configurations were modeled and simulated using Engineering Equation Solver (EES) under hourly varying direct normal irradiance (DNI) conditions over an entire year. The results demonstrate that solar integration enhances system performance by increasing the availability of useful thermal energy from the solar field, thereby enabling improved turbine inlet conditions in the hybrid configurations. Case 1, which relies exclusively on waste heat recovery without solar integration, achieves an annual energy production of 3,723 MWh at a turbine pressure of 90.27 kPa. For Case 2, the system was evaluated at an extraction ratio Y = 0.3 and a XIV turbine inlet pressure of 12,000 kPa, yielding 28,494.2 MWh of electricity and 46,225.3 tonnes of process steam annually. For Case 3, the operating conditions for Case 3 were assessed at a temperature of T4/T3 = 0.79 at a turbine pressure of 930.6 kPa, defined as the ratio of the HTF inlet temperature to the ORC evaporator to the solar field outlet temperature, with the remaining thermal energy allocated to the steam generation evaporator. Under these conditions, Case 3 produces 16,107.9 MWh of electricity and 74,859.7 tonnes of process steam per year. Case 2 delivers higher annual electricity generation, whereas Case 3 produces substantially greater process steam, reflecting the differences in system configuration and operating strategy. An additional full steam extraction configuration (Case 4) was also evaluated to investigate steam dominant operation under complete extraction conditions (Y = 1.0) at a turbine pressure of 12,000 KPa. Under this configuration, the system achieves an annual energy production of 3,642.35 MWh and an annual steam production of 154,084.608 tonnes. The results indicate that Case 4 enhances process steam generation while maintaining limited electricity production, highlighting the operational flexibility of extraction-based hybrid configurations for industrial applications with high steam demand. Economic analysis indicates that the PTSC solar field accounts for more than 71% of the total capital cost in both hybrid configurations, making it the dominant economic constraint. The standalone Case 1 achieves a payback period of 3.44 years at the Saudi Arabian electricity price of 53 USD/MWh. In comparison, Cases 2 and 3 exhibit payback periods of 15.4 and 14.77 years, respectively, with corresponding levelized costs of electricity of 124 USD/MWh and 128.7 USD/MWh. In both hybrid configurations, process steam valued at 25.2 USD/tonne contributes alongside electricity sales to the overall economic viability of the systems. Sensitivity analysis further indicates that the relatively low electricity price in Saudi Arabia represents the primary economic barrier to the large-scale adoption of solar-assisted waste heat recovery systems. The analysis further shows that a steam-dominant configuration (case 4) becomes significantly more economically attractive at higher process steam costs, particularly when conventional steam generation relies on expensive fuels. Overall, this study demonstrates the technical feasibility of integrating waste heat recovery and PTSC technologies in refinery applications. The selection of the most suitable configuration depends on the required balance between electricity generation and process steam production, as well as the prevailing regional economic conditions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Awad Alquaity,
Thesis Committee Members:	Obaidallah Munteshari, Usama Ahmed,
Depositing User:	YOUSSEF MAANED (g202320510)
Date Deposited:	21 May 2026 08:57
Last Modified:	21 May 2026 08:57
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144405