Publication:
Assessment of hydrogen-based energy systems for a sustainable future

cris.virtual.department#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtual.orcid#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtualsource.department34a4c40c-ffca-42d5-925b-071784e00412
cris.virtualsource.orcid34a4c40c-ffca-42d5-925b-071784e00412
dc.contributor.authorTarique, Altaf Hasan
dc.contributor.supervisorSher Afghan Khan
dc.contributor.supervisorMuhammad Hanafi Azami
dc.contributor.supervisorFarrukh Khalid
dc.date.accessioned2025-09-18T04:11:49Z
dc.date.available2025-09-18T04:11:49Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractHydrogen-based systems are essential for transitioning to a sustainable and low-carbon future. They provide a clean, efficient, and versatile energy solution by utilizing hydrogen as a fuel, which produces only water as a byproduct when burned or used in fuel cells. Therefore, the current research explores innovative energy systems for hydrogen production and their integration into sustainable energy frameworks. Three advanced techniques for hydrogen generation are analysed, each leveraging renewable energy sources to reduce dependence on fossil fuels. The first system employs a thermochemical cycle to convert excess electrical energy into hydrogen, enabling efficient energy storage and utilization. After analysis of system 1, the results reveal that the system generates 0.36 kg/h of hydrogen, which is utilised via SOFCs to produce power and electricity. Additionally, 1002 kW of electricity and 3.6 kW of heating can be supplied via the developed system. The overall system can achieve energy and exergy efficiencies of 20.6% and 22.1%, respectively. However, the thermochemical cycle can achieve maximum energy and exergy efficiencies of 79.6% and 62.9%, respectively. The second system comprises a solar PV-driven AEM electrolyser for hydrogen production. Subsequently, the produced hydrogen is fed to the fuel cell for electricity. The system's performance based on different kinds of energy and exergy efficiencies has been examined for the Kuching and Kota Kinabalu cities. After the analysis, it is concluded that system 2 can produce a maximum hydrogen production rate of 0.29 kg/h at 0.19 kW/m2 global radiation for the Kuching city whereas, for the Kota Kinabalu city, the highest hydrogen production rate can be 0.26 kg/h at 0.25 kW/m2 global radiation. Furthermore, the system's overall energy and exergy efficiencies are evaluated as 5.1% and 5.4%, respectively. Also, the effect of current density on the hydrogen production rate is analysed, and the result suggests that the hydrogen production rate decreases with a rise in current density. The third system of the current study consists of a photoelectrochemical AEM reactor, which uses low-cost earth metal-based electrocatalysts to produce hydrogen. Like PV-assisted AEM electrolyser, the performance of the PEC AEM reactor is assessed for different operating conditions when utilized in two different cities, i.e., Kuching and Kota Kinabalu. It is concluded that system 3 can produce a maximum hydrogen rate of 0.25 kg/h in Kuching and Kota Kinabalu. Furthermore, it exhibits the same energy and exergy efficiencies for both cities, i.e., 9.1% and 9.6%, respectively. The study also finds that while the hydrogen mass flow rate increases with higher solar irradiation and illuminated areas, the overall energy and exergy efficiencies decline with larger photocathode illumination areas. After comparing the three systems, it is concluded that system 1 (thermochemical cycle-based hydrogen production) outperforms all the systems in terms of energy and exergy efficiencies. The proposed hydrogen production system, like thermochemical cycles and PEC AEM reactors, can be used for various sectors, enabling a cleaner, more sustainable energy ecosystem. The future applications can include energy storage and grid balancing, ammonia and fertilizer production, carbon capture integration, etc. The current study's results help researchers improve efficiency, reduce costs, and enhance the sustainability of the different hydrogen production and storage systems.
dc.description.abstractarabicتُعدّ الأنظمة القائمة على الهيدروجين أساسية للانتقال إلى مستقبل مستدام ومنخفض الكربون. فهي تُوفّر حلاًّ طاقةً نظيفًا وفعّالًا ومتعدد الاستخدامات من خلال استخدام الهيدروجين كوقود، والذي يُنتج الماء فقط كمنتج ثانوي عند حرقه أو استخدامه في خلايا الوقود. لذلك، يستكشف البحث الحالي أنظمة طاقة مبتكرة لإنتاج الهيدروجين ودمجها في أطر الطاقة المستدامة. ويتم تحليل ثلاث تقنيات متقدمة لتوليد الهيدروجين، كل منها يستفيد من مصادر الطاقة المتجددة لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري. يستخدم النظام الأول دورةً كيميائيةً حراريةً لتحويل الطاقة الكهربائية الزائدة إلى هيدروجين، مما يُتيح تخزين الطاقة واستخدامها بكفاءة. بعد تحليل النظام الأول، أظهرت النتائج أن النظام يُولّد 0.36 كجم/ساعة من الهيدروجين، والذي يُستخدم عبر خلايا الوقود الأحفوري لإنتاج الطاقة والكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، يمكن توفير 1002 كيلو واط من الكهرباء و3.6 كيلو واط من التدفئة من خلال النظام المتطور. يمكن للنظام الكلي تحقيق كفاءة في الطاقة والطاقة الحركية بنسبة 20.6٪ و22.1٪ على التوالي. ومع ذلك، يمكن للدورة الكيميائية الحرارية تحقيق أقصى كفاءة في الطاقة والطاقة الحركية بنسبة 79.6٪ و62.9٪ على التوالي. يتكون النظام الثاني من محلل كهربائي AEM يعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين. بعد ذلك، يتم تغذية الهيدروجين المنتج إلى خلية الوقود للحصول على الكهرباء. تم فحص أداء النظام بناءً على أنواع مختلفة من كفاءة الطاقة والطاقة الحركية لمدينتي كوتشينغ وكوتا كينابالو. بعد التحليل، استنتج أن النظام الثاني يمكن أن ينتج أقصى معدل إنتاج للهيدروجين يبلغ 0.29 كجم / ساعة عند إشعاع عالمي 0.19 كيلو واط / متر مربع لمدينة كوتشينغ، بينما بالنسبة لكوتا كينابالو. علاوةً على ذلك، قُيِّمت كفاءة الطاقة الكلية للنظام وكفاءته الحرارية بنسبة 5.1% و5.4% على التوالي. كما حُلِّل تأثير كثافة التيار على معدل إنتاج الهيدروجين، وتشير النتيجة إلى أن معدل إنتاج الهيدروجين ينخفض مع زيادة كثافة التيار. يتكون النظام الثالث من الدراسة الحالية من مفاعل AEM كهروضوئي كيميائي، يستخدم محفزات كهربائية منخفضة التكلفة قائمة على معادن الأرض لإنتاج الهيدروجين. وكما هو الحال مع مُحلِّل AEM الكهربائي بمساعدة الخلايا الكهروضوئية، يُقيَّم أداء مفاعل AEM PEC في ظروف تشغيل مختلفة عند استخدامه في مدينتين مختلفتين، هما كوتشينغ وكوتا كينابالو. وخلصت الدراسة إلى أن النظام الثالث يُمكنه إنتاج معدل هيدروجين أقصى قدره 0.25 كجم/ساعة في كوتشينغ وكوتا كينابالو. علاوة على ذلك، يُظهر نفس كفاءة الطاقة والطاقة الاسترجاعية لكلا المدينتين، أي 9.1% و9.6% على التوالي. كما وجدت الدراسة أنه بينما يزداد معدل تدفق كتلة الهيدروجين مع زيادة الإشعاع الشمسي والمناطق المضاءة، تنخفض كفاءة الطاقة والطاقة الاسترجاعية الإجمالية مع زيادة مناطق إضاءة الكاثود الضوئي. بعد مقارنة الأنظمة الثلاثة، استنتج أن النظام 1 (إنتاج الهيدروجين القائم على الدورة الكيميائية الحرارية) يتفوق على جميع الأنظمة من حيث كفاءة الطاقة والطاقة الاسترجاعية. يمكن استخدام نظام إنتاج الهيدروجين المقترح، مثل الدورات الكيميائية الحرارية ومفاعلات PEC AEM، في قطاعات مختلفة، مما يتيح نظامًا بيئيًا للطاقة أنظف وأكثر استدامة. يمكن أن تشمل التطبيقات المستقبلية تخزين الطاقة وموازنة الشبكة، وإنتاج الأمونيا والأسمدة، ودمج احتجاز الكربون، وما إلى ذلك. تساعد نتائج الدراسة الحالية الباحثين على تحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتعزيز استدامة أنظمة إنتاج وتخزين الهيدروجين المختلفة
dc.description.callnumberet TP 245 H9 T18A 2025
dc.description.cpsemailcps2u@iium.edu.my
dc.description.degreelevelDoctoral
dc.description.emailaltaftarique@gmail.com
dc.description.identifierThesis : Assessment of hydrogen-based energy systems for a sustainable future / by Altaf Hasan Tarique
dc.description.identityG2110777Altafhasantarique
dc.description.kulliyahKulliyyah of Engineering (KOE)
dc.description.nationalityINDIA
dc.description.notesThesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2025.
dc.description.physicaldescription1 online resource (xxi, 124 leaves) ; color illustrations.
dc.description.programmeDoctor of Philosophy in Engineering
dc.identifier.urihttps://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/33229
dc.language.isoen
dc.publisherKuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2025
dc.rightsOWNED BY STUDENT
dc.subject.lcshHydrogen
dc.subject.lcshRenewable energy sources
dc.titleAssessment of hydrogen-based energy systems for a sustainable future
dc.typeDoctoral Theses
dspace.entity.typePublication
oairecerif.author.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
G2110777Altafhasantarique_SEC.pdf
Size:
20.23 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Full text.