Sustainable design of renewable energy systems for water desalination in the Kingdom of Saudi Arabia. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) PhD Dissertation - Abdulrahman Salem Mubarak AL-Buraiki.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 15 June 2027. Download (12MB)

Arabic Abstract

تقدم أطروحة الدكتوراه الحالية تصميما مستداما لأنظمة الطاقة المتجددة في تطبيقات تحلية المياه في المملكة العربية السعودية. تبدأ الدراسة على مستوى الدولة من خلال تقديم نموذج جغرافي مكاني متعدد المعايير لاتخاذ القرار، استُخدم لتحديد المواقع المثلى لمحطات تحلية المياه بتقنية التناضح العكسي والمشغلة بأنظمة الطاقة المتجددة على امتداد المناطق الساحلية الشرقية والغربية من المملكة العربية السعودية، مع الأخذ في الاعتبار ثلاثة أنظمة طاقة متجددة لتشغيل محطات التناضح العكسي، وهي: الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والنظام الهجين الشمسي/الرياح. وقد أظهر النموذج الجغرافي المكاني متعدد المعايير أن المنطقة الساحلية الغربية من المملكة تُعد أكثر ملاءمة لمحطات تحلية المياه بالتناضح العكسي المشغلة بالطاقة الشمسية والأنظمة الهجينة، في حين أن المنطقة الشرقية تُعد أكثر ملاءمة لمحطات التحلية المشغلة بطاقة الرياح. وبالانتقال من المستوى الوطني إلى مستوى أنظمة الطاقة نفسها، أُجريت ثلاث دراسات حالة لتقييم جدوى أنظمة الطاقة المتجددة في تلبية الطلب على المياه. في الدراسة الأولى، بحث استرداد الطاقة الفائضة من نظام طاقة متجددة كهروضوئي/حراري لاستخدامه في نظام تحلية هجين. وفي هذه الحالة، تم استخدام نظام هجين يجمع بين التقطير الغشائي (MD) والتناضح العكسي (RO). أما في الدراسة الثانية، تم تحديد الحجم الأمثل لنظام مستقل مكوّن من الألواح الكهروضوئية والبطاريات لتغطية متطلبات الكهرباء لمجتمع سكني. وبسبب محدودية سعة تخزين البطاريات، لوحظ وجود كمية كبيرة من الطاقة الفائضة والمهدرة والتي تم استغلالها في هذه الدراسة لتشغيل وحدة تحلية بالتناضح العكسي، لتلبية احتياجات المجتمع السكني نفسه من المياه. لتحقيق أفضل استغلال للطاقة المهدرة، تم دراسة ثلاثة أنظمة لتخزين الطاقة تشمل التخوين بالبطاريات، والتخزين بخزانات المياة ، ونظام التخزين الهجين المكون من البطاريات وخزانات المياة. وأما في الدراسة الثالثة فقد تم دراسة نشر أنظمة الطاقة المتجددة للأحمال الكبيرة. ففي هذه الدراسة تم استخدام أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة، التي تشمل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الجوفية، لتلبية احتياجات الكهرباء والمياه في خمسة مواقع على امتداد المنطقة الساحلية الغربية من المملكة العربية السعودية، حيث تتوفر إمكانات الطاقة الحرارية الجوفية. ونظرًا لأن الاستخدام الأمثل لأنظمة الطاقة المتجددة الهجينة يتأثر بعوامل تقنية واقتصادية واجتماعية وبيئية متعددة، فقد أُجري تقييم متعدد المعايير لاتخاذ القرار باستخدام طريقتي AHP-TOPSIS، مع الأخذ في الاعتبار اثني عشر معيارًا تقنيًا واقتصاديًا واجتماعيًا وبيئيًا مختلفًا لاختيار نظام الطاقة المتجددة الهجين الأمثل لكل موقع. تقدم نتائج واستنتاجات هذه الرسالة رؤى مفيدة للتصميم المستدام لأنظمة الطاقة المتجددة المستخدمة في تحلية المياه في المملكة العربية السعودية.

English Abstract

Increasing freshwater scarcity and the growing energy crisis pose critical challenges to water security. Integrating renewable energy systems (RESs) with desalination technologies offers a promising and sustainable solution. In this PhD dissertation, a sustainable design of RESs for water desalination applications in the Kingdom of Saudi Arabia (KSA) was investigated. The study first introduced a national-level geospatial multi-criteria decision-making model to identify optimal sites for renewable-energy-powered reverse osmosis (RO) desalination plants across the eastern and western coastal regions of KSA. Three RES configurations were considered, including solar, wind, and hybrid solar/wind systems. The findings showed that the western coastal region is more suitable for solar-powered RO plants, with Excellent Suitability Class (ESC) and Good Suitability Class (GSC) sites accounting for 23.44% of the regional area, compared with 15.26% in the eastern region. In contrast, the eastern region performed better for wind-powered RO plants, where ESC and GSC sites represented 16.29% of the regional area, compared with 15.04% in the western region. For hybrid solar/wind-powered RO plants, the western coastal region showed higher suitability, with ESC and GSC sites representing 24.38% of the region, compared with 16.64% in the eastern region. Moving from the national level to the system level, three case studies were conducted to assess the viability of RESs in meeting specific electricity and water demands while minimizing cost and maximizing renewable energy utilization. In the first case study, a hybrid photovoltaic/thermal (PVT) system integrated with battery storage was optimized for electricity and freshwater production. A hybrid membrane distillation/reverse osmosis (MD-RO) desalination subsystem was considered to cover the water demand. The MD unit was driven by the thermal energy recovered from the PVT collector and produced the achievable amount of freshwater, while the RO unit produced the remaining required amount. Furthermore, the excess electricity generated by the PVT system, which could not be accommodated by the battery storage, was utilized to operate additional MD units through electric heaters. In the second case study, a standalone PV/battery system was initially sized to cover a community’s electricity demand. Due to battery storage limitations, a large amount of excess electricity was observed, which was utilized to drive an RO desalination unit to produce freshwater and satisfy the community’s water demand. In this case, three alternative storage options were investigated to drive desalination process and reduce wasted energy including battery storage, water-tank storage and hybrid battery/water-tank storage. In the third case study, hybrid renewable energy systems (HRESs), including solar, wind, and geothermal energy systems, were optimized to satisfy both electricity and water demands for five locations along the western coastal region of KSA, where geothermal energy potential exists. Since HRES optimization is affected by several technical, economic, social, and environmental factors, a multi-criteria decision-making assessment was conducted using the AHP-TOPSIS method to select the most suitable HRES configuration for each location. The dissertation findings provide useful insights into the sustainable design of renewable-energy-driven desalination systems in KSA.