Karim, Saad (2026) Efficient Renewable Pathways for Neom: a Thermo Economic Comparison of Ammonia, Hydrogen, and Multi-Generation System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc. Thesis _ Saad Karim.pdf Restricted to Repository staff only until 1 October 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يعتمد مسار الطاقة المتجددة المخطط له في نيوم على استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح لإنتاج الهيدروجين الأخضر، والذي يتم بعد ذلك تحويله إلى أمونيا لأغراض التخزين والتصدير. ومع ذلك، لم تتم مقارنة هذا المسار بشكل كامل مع بدائل أخرى للطاقة المتجددة ضمن الإطار نفسه من حيث التحليل الديناميكي الحراري، والتحليل الاقتصادي، وتقييم السلامة الكيميائية. لذلك، تقارن هذه الدراسة بين ثلاثة أنظمة طاقة متجددة على نطاق المرافق في نيوم: النظام الأول، وهو مسار لتخزين الهيدروجين يعتمد على الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح؛ والنظام الثاني، وهو مسار لإنتاج الأمونيا يعتمد على الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح؛ والنظام الثالث، وهو مسار توليد متعدد يعتمد على برج شمسي وينتج الكهرباء، والأمونيا، والتبريد، والمياه العذبة، والأكسجين، والماء الساخن. تبحث الدراسة في عدة معاملات رئيسية، تشمل مدخلات الموارد المتجددة، وتكوين النظام، وكفاءة الطاقة، وكفاءة الإكسرجي، وتدمير الإكسرجي على مستوى المكونات، وتوليد الكهرباء، وإنتاج الهيدروجين والأمونيا، ومخرجات التوليد المتعدد، والتكلفة المستوية للكهرباء، والتكلفة المستوية للهيدروجين، والتكلفة المستوية للأمونيا، وصافي القيمة الحالية، وفترة الاسترداد، ومعدل العائد الداخلي، إضافةً إلى مؤشري الحريق والانفجار والسمية المعتمدين على منهجية تحديد المخاطر وتقييمها. تؤثر هذه المعاملات بشكل مباشر في الأداء النهائي لكل نظام. إذ تؤثر مدخلات الموارد المتجددة في الإنتاج الشهري للكهرباء والوقود، بينما توضح كفاءتا الطاقة والإكسرجي مدى فعالية كل نظام في تحويل الطاقة المتجددة إلى مخرجات مفيدة. كما يحدد تدمير الإكسرجي المصادر الرئيسية للفواقد الديناميكية الحرارية. أما المؤشرات الاقتصادية، فتحدد القدرة التنافسية من حيث التكلفة وجاذبية الاستثمار لكل مسار، في حين تُقيّم قيم مؤشري FEDI وTDI المخاطر النسبية المرتبطة بالحريق والانفجار والسمية الناتجة عن التعامل مع الهيدروجين والأمونيا. أظهرت النتائج أن النظام الأول حقق أعلى كفاءة إكسرجية بنسبة 14.8%، وأدنى متوسط لقيم مؤشري FEDI/TDI بلغ 83.81/106.60، مما يجعله المسار الأكثر أمانًا والأعلى من حيث كفاءة الإكسرجي. كما وفر النظام الثاني أسرع استرداد لرأس المال، حيث بلغت فترة الاسترداد 11.86 سنة، وحقق أعلى معدل عائد داخلي بنسبة 13.36%، مما يجعله الخيار الأكثر جاذبية لإنتاج الأمونيا الموجهة للتصدير. أما النظام الثالث، فقد حقق أعلى كفاءة طاقية بنسبة 28.17%، وأعلى صافي قيمة حالية بلغ 1.66 × 10¹⁰ دولار أمريكي، وأدنى تكلفة مستوية للكهرباء بلغت 0.035 دولار/كيلوواط ساعة، مما يدل على أنه يوفر أقوى قيمة متكاملة على المدى الطويل بفضل تعدد مخرجاته المفيدة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه لا يوجد مسار واحد يتفوق على جميع المسارات وفقًا لجميع المعايير. ويُعد النظام الأول الخيار الأفضل عند إعطاء الأولوية للسلامة وكفاءة الإكسرجي، بينما يُعد النظام الثاني الأنسب لتصدير الأمونيا وتحقيق استرداد أسرع للاستثمار. أما النظام الثالث، فيوفر أقوى مسار متكامل طويل الأمد لنيوم، بشرط إدارة تعقيده التشغيلي الأعلى ومتطلبات السلامة الخاصة به بشكل مناسب

English Abstract

NEOM’s planned renewable energy pathway uses solar photovoltaic and wind power to produce green hydrogen, which is then converted into ammonia for storage and export. However, this pathway has not been fully compared with other renewable energy alternatives under the same thermodynamic, economic, and chemical-safety framework. Therefore, this study compares three utility-scale renewable energy configurations for NEOM: System 1, a PV–wind hydrogen-storage pathway; System 2, a PV–wind ammonia-production pathway; and System 3, a solar-tower-based multigeneration pathway producing electricity, ammonia, cooling, freshwater, oxygen, and hot water. The study investigates several key parameters, including renewable-resource inputs, system configuration, energy efficiency, exergy efficiency, component-level exergy destruction, electricity generation, hydrogen and ammonia production, multigeneration outputs, levelized cost of electricity, levelized cost of hydrogen, levelized cost of ammonia, net present value, payback period, internal rate of return, and Hazard Identification and Ranking (HIRA) based Fire and Explosion Damage Index (FEDI) and Toxic Damage Index (TDI). These parameters directly influence the final system performance. Renewable-resource inputs affect monthly electricity and fuel production, while energy and exergy efficiencies indicate how effectively each system converts renewable energy into useful outputs. Exergy destruction identifies the major sources of thermodynamic losses. Economic indicators determine the cost competitiveness and investment attractiveness of each pathway, while FEDI and TDI values evaluate the relative fire, explosion, and toxicity risks associated with hydrogen and ammonia handling. The results show that System 1 achieved the highest exergetic efficiency of 14.8% and the lowest average FEDI/TDI values of 83.81/106.60, making it the safest and most exergetically efficient pathway. System 2 provided the fastest capital recovery, with a payback period of 11.86 years and the highest internal rate of return of 13.36%, making it the most attractive option for export-oriented ammonia production. System 3 achieved the highest energetic efficiency of 28.17%, the highest net present value of 1.66 × 10¹⁰ USD, and the lowest levelized cost of electricity of 0.035 $/kWh, showing the strongest long-term integrated value due to its multiple useful outputs. Overall, the results indicate that no single pathway is superior under all criteria. System 1 is preferable when safety and exergetic performance are prioritized, System 2 is preferable for ammonia export and faster investment recovery, and System 3 offers the strongest long-term integrated pathway for NEOM if its higher process complexity and safety requirements are properly managed.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research > Environment Research > General Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Salem Bashmal,
Thesis Committee Members:	Awad Alquaity, Hussein A Mohammed Mohammed,
Depositing User:	SAAD KARIM
Date Deposited:	06 Oct 2026 07:02
Last Modified:	06 Oct 2026 07:02
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144773