Techno-Economic Feasibility Study of Solar-Powered Hydrogen Supply Pathways in Bahrain

Linked Agent
Abdalla, Ahmed Youssef , Thesis advisor
Date Issued
2024
Language
English
Extent
[1], 12, 138, [1] pages
Place of institution
Sakhir, Bahrain
Thesis Type
Thesis (Master)
Institution
University of Bahrain, College of Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering
English Abstract
Abstract : Renewable energy (RE) has become a major research focus for its role in sustainable solutions and environmental challenges. Concurrently, integrating energy storage systems (ESS) with RE addresses intermittency and optimizes energy balance. In recent years, green hydrogen (GH) derived from RE sources has emerged as a promising energy carrier with superior attributes. This study investigates the unexplored potential of GH as an energy storage solution in the context of the Kingdom of Bahrain. It seeks to assess the technical and economic characteristics of integrating GH with the PV- powered system across different locations and scenarios under Bahrain's circumstances. The study comprises three main stages: modeling and simulating the proposed system across four suggested sites in Bahrain, evaluating various scenarios and pathways in the winning site, and conducting sensitivity analysis for different input variables. The proposed system integrates PV modules with a regenerative fuel cell (RFC) block and a battery pack for surplus energy storage. All modeling and simulation processes were performed using HOMER Pro Software. In the results, Al-Dur Industrial Area exhibited the most favorable technical and economic characteristics for implementing the proposed system, with an annual energy yield of approximately 1,677.33 kWh/kWp. The levelized cost of energy (LCOE) at the winning site was determined to be $0.398/kWh (BD 0.151/kWh), which is considered high relative to local electricity rates. Conversely, the levelized cost of hydrogen (LCOH) exhibited a notably elevated value of $478/kg (BD 181.64/kg), primarily due to limited annual H2 production. Furthermore, while increasing annual H2 production reduces the LCOH, it also leads to substantial cost increases due to the higher capacity required for H2 production and the associated costs of RFC components. These findings suggest that utilizing GH technology is currently not a feasible option, especially on a large scale. Furthermore, the scenarios at the winning site revealed that the configuration utilizing a battery pack was deemed the most feasible, followed by the hybrid system. The GH-integrated configuration ranked last and could potentially increase total expenditures by up to 49% compared to the conventional PV-battery combination. However, the grid-connected configuration demonstrated better results, achieving a 77.8% reduction in the NPC and avoiding approximately 30 tons of CO2 emissions annually through PV generation. Therefore, this scenario emerged as the most favorable option in the current context with an LCOE of $0.0753/kWh (BD 0.029/kWh). Subsequently, the first sensitivity analysis identified the optimal PV orientation and its impact on annual PV generation. In addition, it was found that the capital cost of PV modules and PEME system has the most significant impact on the NPC and LCOE. The analysis also highlighted that the electrolyzer's capacity significantly affects both the LCOE and LCOH, with a strong correlation with the number of batteries. Accordingly, optimizing system sizing based on technical and economic constraints is crucial for enhancing the project's feasibility.
Arabic Abstract
الملخص :

أصبحت الطاقة المتجددة (RE) محورًا رئيسا في الأبحاث؛ نظرًا لدورها في الحلول المستدامة والتحديات البيئية. وفي الوقت نفسه، فإن دمج أنظمة تخزين الطاقة (ESS) مع الطاقة المتجددة يعالج مشكلة التقطع ويحقق توازنا أفضل بين الطاقة المولدة والطلب في السنوات الأخيرة، برز الهيدروجين الأخضر (GH) المستمد من مصادر الطاقة المتجددة كحامل طاقة واعد يتمتع بصفات متفوقة. تتحرى هذه الدراسة الإمكانات غير المستكشفة للهيدروجين الأخضر كحل لتخزين الطاقة في إطار مملكة البحرين. كما تسعى إلى تقييم الخصائص الفنية والاقتصادية لدمج الهيدروجين الأخضر مع النظام الذي يعمل بالطاقة الكهروضوئية عبر مواقع ومخططات افتراضية مختلفة في ظل ظروف البحرين. تتكون الدراسة من ثلاث مراحل رئيسة نمذجة ومحاكاة النظام المقترح عبر أربعة مواقع مقترحة في البحرين، وتقييم المخططات الافتراضية والمسارات المتعددة في الموقع الفائز، وإجراء تحليل الحساسية لمتغيرات المدخلات المختلفة. يدمج النظام المقترح الوحدات الكهروضوئية مع مجمع خلية الوقود التجددي (RFC) وحزمة بطارية لتخزين الطاقة الزائدة. تم تنفيذ جميع عمليات النمذجة والمحاكاة باستخدام برنامج HOMER Pro) في النتائج، أظهرت منطقة الدور الصناعية الخصائص الفنية والاقتصادية الأكثر ملاءمة لتنفيذ النظام المقترح حيث بلغ إنتاجها السنوي من الطاقة حوالي 1,677.33 كيلوواط ساعة كيلوواط وبلغت التكلفة المستوية للطاقة (LCOE) في الموقع الفائز 0.398 دولارا كيلوواط ساعة (0.151) دينارًا بحرينيا / كيلوواط ساعة، وهو ما يعتبر مرتفعا مقارنة بأسعار الكهرباء المحلية. وعلى العكس من ذلك، أظهرت التكلفة المستوية للهيدروجين (LCOH) قيمة مرتفعة بشكل ملحوظ تبلغ 478 دولارا / كيلوجرام (181.64) دينارًا بحرينيا / كيلوجرام)، ويرجع ذلك أساسا إلى محدودية إنتاج الهيدروجين السنوي علاوة على ذلك، بينما يقلل زيادة إنتاج الهيدروجين السنوي من التكلفة المستوية للهيدروجين، فإنه يؤدي أيضا إلى زيادة كبيرة في التكاليف بسبب القدرة العالية المطلوبة لإنتاج الهيدروجين والتكاليف المرتبطة بمكونات مجمع خلية الوقود التجددي تشير هذه النتائج إلى أن استخدام تقنية الهيدروجين الأخضر ليس خيارًا ممكنا حاليا، خاصة على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، كشفت المسارات الافتراضية في الموقع الفائز أن التركيب الذي يستخدم حزمة البطارية يعتبر الأكثر جدوى، يليه النظام الهجين احتل تركيب الهيدروجين الأخضر المدمج المرتبة الأخيرة، والذي يمكن أن يزيد إجمالي النفقات بنسبة تصل إلى 49% مقارنة بالمزيج الكهروضوئي والبطاريات التقليدي. ومع ذلك، أظهر التركيب المتصل بالشبكة نتائج أفضل، حيث حقق انخفاضا بنسبة 77.8% في صافي التكلفة الحالية (NPC)، وتجنبا لما يقرب من 30 طنا من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا من خلال توليد الطاقة الكهروضوئية. ولذلك، برز هذا المسار الافتراضي باعتباره الخيار الأكثر ملاءمة في الإطار الحالي مع تكلفة مستوية للطاقة قدرها 0.0753 دولارا كيلوواط ساعة (0.029 دينارًا بحرينيا / كيلوواط ساعة). وبعد ذلك، حدد تحليل الحساسية الأول التوجيه الكهروضوئي الأمثل وتأثيره على توليد الطاقة الكهروضوئية السنوي. بالإضافة إلى ذلك، وجد أن التكلفة الرأسمالية للوحدات الكهروضوئية ونظام المحلل الكهربائي (PEME) لها التأثير الأكبر على صافي التكلفة الحالية والتكلفة المستوية للطاقة. وكشف التحليل أيضا أن قدرة المحلل الكهربائي تؤثر بشكل كبير على التكلفة المستوية للطاقة والتكلفة المستوية للهيدروجين، مع وجود علاقة قوية بعدد البطاريات وبناء على ذلك، فإن تحسين حجم النظام على أساس القيود التقنية والاقتصادية أمر بالغ الأهمية لتعزيز جدوى المشروع.
Note
Tittel on cover :
دراسة الجدوى التقنية واالقتصادية لمسارات إمداد الهيدروجين بالطاقة الشمسية في البحرين
Identifier
https://digitalrepository.uob.edu.bh/id/b59d30ee-0658-4e92-91f2-a52edef308bf