Multi-generation Energy System for Integrated Hybrid Production in Saudi Arabia. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

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

Arabic Abstract

تطوّر هذه الرسالة إطارًا متكاملًا لاختيار مواقع الطاقة المتجددة وتحجيم نظام متعدد المنتجات في المملكة العربية السعودية. في الجزء الأول من العمل، تم تطبيق منهجية عالمية قائمة على التعلم الآلي، مدعومة بالتحليل المكاني باستخدام نظم المعلومات الجغرافية، وباستخراج الأوزان من قيم SHAP، وذلك لتحديد المواقع المناسبة لمزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على نطاق المرافق. وقد حقق نموذج الغابة العشوائية أفضل أداء تنبؤي في الحالتين، إذ بلغت قيمة AUC نحو 0.948 لملاءمة الطاقة الشمسية و0.952 لملاءمة طاقة الرياح. وبالاستناد إلى خرائط الملاءمة الوطنية، إلى جانب مواءمة الموارد الحرارية الأرضية واعتبارات البنية التحتية، تم اختيار مدينة ينبع الصناعية موقعًا مرشحًا لدراسة النظام. في الجزء الثاني، تم نمذجة منظومة متكاملة تجمع بين التوليد الكهروضوئي، وتوربينات الرياح، والطاقة الحرارية الأرضية، والتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات، والإصلاح بالبخار للميثان، وثلاث تقنيات لتحلية المياه، وهي التناضح العكسي، والتقطير متعدد التأثير، والترطيب وإزالة الرطوبة. وأنتجت الحالة الأساسية 20,285 طنًا سنويًا من الهيدروجين و565,000 متر مكعب سنويًا من المياه العذبة. وقد هيمن مسار التحليل الكهربائي على إنتاج الهيدروجين، في حين وفر التناضح العكسي أكبر حصة من إنتاج المياه. وبلغت التكاليف المستوية 0.0436 دولار لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء، و0.9796 دولار لكل متر مكعب من المياه العذبة، و5.0422 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين المنتج بالتحليل الكهربائي، و1.5334 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين المنتج بالإصلاح بالبخار، و4.3226 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين الصافي. كما بلغت الكفاءتان الكليتان للطاقة والإكسرجي 10.14% و10.73% على الترتيب. وأظهر التحسين متعدد الأهداف أن خفض تكلفة الهيدروجين ورفع كفاءة الإكسرجي يرتبطان عمومًا بزيادة مساهمة الإصلاح بالبخار للميثان، في حين يتحقق الحد الأدنى من كثافة الكربون عندما تقترب هذه المساهمة من الصفر. وتبين الرسالة بذلك وجود رابط عملي بين اختيار المواقع القابلة للتنفيذ وبين الإنتاج المتكامل للهيدروجين والمياه والطاقة تحت ظروف المملكة العربية السعودية.

English Abstract

This thesis develops an integrated framework for renewable-energy site selection and multigeneration system assessment in Saudi Arabia. The first part of the work applies a global machine-learning workflow, coupled with geographic information system mapping and SHAP-based feature weighting, to identify suitable locations for utility-scale solar and wind development. Random Forest provided the best predictive performance for both technologies, with an AUC of 0.948 for solar suitability and 0.952 for wind suitability. The resulting national suitability maps, together with geothermal favorability and infrastructure considerations, support the selection of Yanbu Industrial City as the reference location for the system study. The second part of the thesis models an integrated plant that combines photovoltaic generation, wind turbines, geothermal power, proton exchange membrane electrolysis, steam methane reforming, and three desalination routes: reverse osmosis, multi-effect distillation, and humidification–dehumidification. The base configuration produced 20,285 tonnes/year of hydrogen and 565,000 m³/year of freshwater. Hydrogen production was dominated by the electrolyzer pathway, while reverse osmosis provided the largest share of freshwater output. The levelized costs were 0.0436 $/kWh for electricity, 0.9796 $/m³ for freshwater, 5.0422 $/kg for electrolytic hydrogen, 1.5334 $/kg for reforming-based hydrogen, and 4.3226 $/kg for net hydrogen. The overall energy and exergy efficiencies were 10.14% and 10.73%, respectively. Multi-objective optimization showed that lower hydrogen cost and higher exergy efficiency generally occur when the steam methane reforming contribution increases, whereas minimum carbon intensity is achieved when that contribution is driven close to zero. The thesis therefore demonstrates a consistent link between deployable renewable siting and integrated hydrogen–water–power production under Saudi Arabian conditions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Hussain Alqahtani,
Thesis Committee Members:	Bekir Yilbas, Abdulrahman Almerbati,
Depositing User:	FADEL ABDELRAHMAN
Date Deposited:	10 Jun 2026 05:57
Last Modified:	10 Jun 2026 05:57
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144558