Optimal Operation of an Electrolyzer in a Hybrid Wind–PV-Hydrogen–Battery Microgrid. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Official_Final_Thesis_Yaruska_Cayoja_Choque.pdf.pdf Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (11MB)

Arabic Abstract

يؤدي دمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والأنظمة الكهروضوئية (PV)، إلى ظهور تحديات تشغيلية نتيجة لطبيعتها المتغيرة، مما يؤدي غالبًا إلى تقليص الطاقة المنتجة وزيادة الاعتماد على الشبكة الكهربائية. ولمعالجة هذه المشكلة، يمكن لأنظمة الطاقة الهجينة التي تجمع بين تخزين الهيدروجين والبطاريات أن تحسن الاستفادة من الطاقة المتجددة وتعزز مرونة النظام. ومع ذلك، فإن الدراسات الحالية لا تمثل بشكل كافٍ التشغيل المنسق لتوليد الطاقة المتجددة، وتخزين البطاريات، وإنتاج الهيدروجين، والتفاعل مع الشبكة الكهربائية. ففي العديد من الحالات، لا يتم تمثيل تشغيل المحلل الكهربائي وتقلبات الطاقة المتجددة بصورة دقيقة، مما يحد من التقييم الواقعي للاستفادة من الطاقة المتجددة ومرونة النظام. تطوّر هذه الرسالة نموذج برمجة خطية صحيحة مختلطة (MILP) قائمًا على السيناريوهات للتشغيل الأمثل لشبكة هجينة صغيرة متصلة بالشبكة الكهربائية وتضم طاقة الرياح، والطاقة الكهروضوئية، والبطاريات، والهيدروجين. يشمل النظام توليد الطاقة المتجددة، وتخزين الطاقة في البطاريات، والمحلل الكهربائي، وتخزين الهيدروجين، وطلب الضاغط، والتفاعل مع الشبكة الكهربائية. تم تقييم النموذج على أفق زمني مدته 72 ساعة وبدقة زمنية مقدارها ساعة واحدة تحت خمسة سيناريوهات تشغيلية تمثل التغيرات في توليد الطاقة المتجددة، وطلب الحمل، واستهلاك الهيدروجين. أُجريت دراسة بارامترية لموقعي تبوك والجبيل تحت ظروف فصلي الشتاء والربيع. ولكل حالة، تم تقييم 27 تكوينًا من خلال تغيير سعة المحلل الكهربائي، ومعامل تحجيم الطاقة المتجددة، وحجم البطارية. أظهرت النتائج أن تحجيم الطاقة المتجددة هو العامل الأكثر تأثيرًا في أداء النظام. ومن بين حالات الربيع المختارة، حققت تبوك أفضل أداء بنسبة اعتماد على الشبكة بلغت 2.00\% واستفادة من الطاقة المتجددة بلغت 99.72\%، بينما أظهرت الجبيل في فصل الربيع اعتمادًا أعلى على الشبكة بنسبة 17.35\% واستفادة من الطاقة المتجددة بلغت 92.62\%. وفي الشتاء، حققت تبوك أيضًا أداءً أفضل من الجبيل، حيث بلغت نسبة الاعتماد على الشبكة 9.55\% مقارنةً بـ 13.93\%. ويسهم تخزين الطاقة في البطاريات في تحسين المرونة قصيرة الأمد من خلال تقليل الاستيراد من الشبكة. ففي الحالات ذات الطاقة المتجددة العالية، خفّضت البطارية بسعة 1545~kWh الاستيراد من الشبكة بنسبة 27.2\% في الجبيل خلال فصل الربيع، وبنسبة 30.0\% في تبوك خلال فصل الشتاء. ويسهم المحلل الكهربائي بشكل رئيسي في امتصاص فائض الطاقة المتجددة بدلًا من زيادة إنتاج الهيدروجين، وذلك لأن الطلب على الهيدروجين ثابت. تُظهر النتائج أن القيد الرئيسي يتمثل في عدم التوافق الزمني بين توليد الطاقة المتجددة والطلب. ولذلك، يتطلب التشغيل الفعّال إدارة منسقة لكل من توليد الطاقة المتجددة، وتخزين البطاريات، وتخزين الهيدروجين، وسعة المحلل الكهربائي، والتفاعل مع الشبكة الكهربائية.

English Abstract

The integration of renewable energy sources such as wind and photovoltaic (PV) systems introduces operational challenges due to their variability, often leading to en ergy curtailment and increased grid dependency. To address this issue, hybrid energy systems combining hydrogen storage and batteries can improve renewable utilization and system flexibility. However, existing studies do not adequately model the coor dinated operation of renewable generation, battery storage, hydrogen production, and grid interaction. In many cases, electrolyzer operation and renewable variability are not properly represented, limiting the realistic evaluation of renewable utilization and system flexibility. This thesis develops a scenario-based Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model for the optimal operation of a grid-connected hybrid wind–PV–battery–hydrogen microgrid. The system includes renewable generation, battery storage, an electrolyzer, hydrogen storage, compressor demand, and grid interaction. The model is evaluated over a 72-hour horizon with hourly resolution under five operating scenarios represent ing variations in renewable generation, load demand, and hydrogen consumption. A parametric study is conducted for Tabuk and Jubail under winter and spring con ditions. For each case, 27 configurations are evaluated by varying electrolyzer capacity, renewable scaling, and battery size. The results show that renewable scaling has the strongest influence on system per formance. Among the selected spring cases, Tabuk achieves the best performance with 2.00% grid dependency and 99.72% renewable utilization, while Jubail Spring shows higher grid dependency of 17.35% and renewable utilization of 92.62%. In winter, Tabuk also performs better than Jubail, with grid dependency of 9.55% compared with 13.93%. Battery storage improves short-term flexibility by reducing grid import. xii In high-renewable cases, the 1545 kWh battery reduces grid import by 27.2% in Jubail Spring and 30.0% in Tabuk Winter. The electrolyzer mainly absorbs excess renewable energy rather than increasing hydrogen production, since hydrogen demand is fixed. The results show that the main limitation is the temporal mismatch between re newable generation and demand. Therefore, effective operation requires coordinated management of renewable generation, battery storage, hydrogen storage, electrolyzer capacity, and grid interaction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Mohamed Abido,
Thesis Committee Members:	Fahad Al Ismail, Waleed Hamanah,
Depositing User:	YARUSKA CAYOJA CHOQUE
Date Deposited:	10 Jun 2026 06:00
Last Modified:	10 Jun 2026 06:00
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144549