Approaches to Enhance the Sustainability of Energy Systems in Kuwait: Environmental Impact and Cost Estimation of Changing Fuels in Kuwait's Electricity Grid

ن الهدف الرئيسي لهذا البحث هو تصميم نموذج متكامل لمحطات توليد الطاقة وإنتاج الماء في دولة الكويت، من خلاله يمكن دراسة المردود البيئي والاقتصادي لعدة سيناريوات وخطط قبل تطبيقها على أرض الواقع. دراسة هذا النموذج يتيح معرفة وفهم أهم العوامل المؤثرة في عملية إنتاج الطاقة والمياه في دولة الكويت. الفصل الأول يحلل الوضع الراهن للمحطات من خلال دراسة: استهلاك الوقود، تكلفته الاقتصادية، توليد الطاقة وعمليات إنتاج المياه المحلاة، وكان الاستنتاج الرئيسي في هذا الفصل هو عدم وجود رؤية واضحة لدى وزارة الكهرباء والماء في كيفية اختيار نوع الوقود المستخدم او معرفة كيفية توزيعه على المحطات، مما قد يزيد من تكلفة استخدام الوقود. بعد ذلك تم استخدام البيانات التي تم تجميعها من مصادر حكومية مختلفة وذلك لحساب كميات الملوثات الهوائية الناتجة من كل محطة لكل ساعة باليوم لمدة ست سنوات (2010 – 2015). ومن خلال هذه البيانات تم أيضا التنبؤ بمقدار استهلاك الطاقة والانبعاثات الهوائية المصاحبة له إلى سنة 2030. من المتوقع زيادة إنتاج الطاقة الكهربائية بمعدل 2.8% سنوياً إلى سنة 2030 مقارنة مع معدلات استهلاك الطاقة لسنة 2015. لذلك يجب على الكويت زيادة معدل إنتاج الطاقة من المصادر المتجددة وذلك لتقليل كميات الانبعاثات الهوائية ولتحقيق مبدأ الاستدامة البيئية. تم أيضا استخدام برامج هندسية لجودة الهواء وذلك لمحاكاة كيفية توزيع الملوثات الهوائية الناتجة على المناطق السكنية وما حولها. وتم دراسة خطتين (سيناريوين) لتقليل مستويات غاز ثاني أكسيد الكبريت الضار. بعد ذلك قمنا بتصميم نموذج يدير عملية توزيع الوقود على المحطات باستخدام تقنية (Optimization) وكان الهدف الرئيسي هو: تقليل التكلفة الاقتصادية للمحطات وتقليل الأثر البيئي الضار لها. في هذا النموذج تم الأخذ بعين الاعتبار استخدام الطاقة الشمسية في الشبكة الكهربائية وأيضا زيادة استخدام محطات "التناضح العكسي" لتحلية المياه. وتم أيضا دراسة مدى جدوى فرض ضريبة بيئية متمثلة بقيمة تضاف على كل طن من الكربون يُنتج من محطات توليد الطاقة وإنتاج الماء. في الفصل الأخير من المشروع قمنا بدراسة إمكانية تخفيض تكلفة الوقود للحد الأقصى. فتم تعديل برنامج إدارة توزيع الوقود بناء على هذا الهدف. بعد ذلك قمنا بعملية تشغيل لبرنامج محاكاة جودة الهواء لمعرفة مدى تأثير هذا التوفير الاقتصادي على البيئة. وجدنا زيادة ملحوظة للانبعاثات الغازية الضارة نتيجة اعتماد المحطات على استخدام النفط الخام والمتوفر بأسعار محلية ليست مكلفة حيث أن الهدف الرئيسي كان تقليل التكلفة الاقتصادية للشبكة الكهربائية. الأمر الملحوظ هنا كان عدم اعتماد الدولة على الغاز الطبيعي المستورد والذي قد يسبب مشكلة أمن قومي في حال انقطاعه من الدول المصدرة له.

The air quality impact and amount of water that is used by electric power systems are of great concern. Electricity generation systems are major sources of criteria air pollutants and carbon emissions; they also affect water resources due to their high water requirement for cooling and condensing the steam that is generated in thermal cycles. In Kuwait, electricity generation systems are highly linked to fresh water production because power plants simultaneously generate power and produce fresh water. Therefore, the application of any air pollution control technology on power plants can affect the amount of water that is consumed and produced. The aim of this research is to assess different mechanisms for managing environmental impact and enhancing the sustainability of electricity generation units. Specifically, the study will investigate the impact of switching power plants fuels on the concentration levels of air pollution and water consumption. The optimum cost that is associated with each scenario will also be estimated by using an optimization model while accounting for supply-demand constraints. This work will demonstrate the extent to which system operation decisions (i.e., based on switching the fuel type) can mitigate the forms of impact and enhance the resilience and sustainability of the energy system in Kuwait. The sustainability is measured through indicators including air quality (e.g., NOx, $02, and CO emissions), greenhouse gas emissions (e.g., C02 emissions), water availability, economic cost, and electricity supply-demand balance. An integrated system model that has several components, such as the air quality model, optimization, and geographic models, will be built to test the cascading effects that one model has on the others. The electric grid of Kuwait will be used as a source of data and as a geographic and temporal domain.