Integrating Solar Photovoltaics to Decarbonize the Desalination industry in Algeria: A Case study of a Large-Scale Reverse Osmosis Plant in El Oued

Abstract

Water scarcity is among the most pressing concerns for many parts of the globe, especially the arid and semi-arid areas like North Africa. Reverse Osmosis (RO) desalination units operated with fossil-based energy are predominantly used to secure clean water for these regions. Due to the rapid population growth—exceeding 44 million in Algeria as of 2024—this sector consumes substantial energy, with RO plants typically requiring 3 to 6 kWh per cubic meter of water. Consequently, the desalination sector contributes significantly to greenhouse gas emissions, estimated at over 1.5 million tons of CO₂ annually in Algeria alone. Given Algeria's exceptional solar potential—averaging over 6.5 kWh/m²/day in the southern regions—the government has set ambitious goals to achieve 22 GW of renewable energy capacity by 2035. However, the intermittent nature of solar resources and high initial investment costs necessitate hybrid energy systems (HES), combining renewable sources with the national grid or energy storage solutions. This thesis investigates the viability of integrating photovoltaic (PV) solar energy into the operation of large-scale desalination plants, focusing on a case study of a 30,000 m³/day RO unit in the Wilaya of El Oued. The research evaluates the techno-economic feasibility and environmental impacts of various scenarios with different PV penetration levels and electricity feed-in policies. Using HOMER Pro software, the study simulates optimal configurations for a grid-connected PV system, considering real energy consumption data and tariff structures. Simulation results show that integrating PV can reduce grid electricity demand by over 50% and achieve a levelized cost of energy (LCOE) as low as 0.029 USD/kWh under projected 2030 costs. Moreover, annual CO₂ emissions could be reduced by more than 16,000 tons. These findings provide strong evidence for policymakers to support the deployment of solar energy as a means to decarbonize the water sector and enhance national energy-water security. The findings of this thesis are significant and could help policy makers to make best decisions on the deployment of solar energy to decarbonise water sector in the country. ندرة المياه هي من بين أكثر القضايا إلحاحًا في العديد من مناطق العالم، خاصة المناطق الجافة وشبه الجافة مثل شمال إفريقيا. تسُتخدم وحدات تحلية المياه بالتناضح العكسي (RO) التي تعمل بالطاقة الأحفورية بشكل رئيسي لتأمين المياه النظيفة لهذه المناطق. بسبب النمو السكاني السريع—الذي يتجاوز 44 مليون نسمة في الجزائر اعتبارًا من عام 2024 —يستهلك هذا القطاع طاقة كبيرة، حيث تتطلب محطات التحلية بالتناضح العكسي عادةً من 3 إلى 6 كيلووات ساعة لكل متر مكعب من المياه. وبالتالي، يساهم قطاع التحلية بشكل كبير في انبعاثات غازات الدفيئة، حيث تقدر بأكثر من 1.5 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا في الجزائر وحدها . نظرًا للإمكانات الشمسية الاستثنائية في الجزائر—بمتوسط يزيد عن 6.5 كيلووات ساعة/م ² /يوم في المناطق الجنوبية— وضعت الحكومة أهدافًا طموحة لتحقيق قدرة 22 جيجاوات من الطاقة المتجددة بحلول عام 2035 . ومع ذلك، فإن الطبيعة المتقطعة لموارد الطاقة الشمسية والتكاليف الاستثمارية العالية في البداية تستلزم أنظمة الطاقة الهجينة (HES) ، التي تجمع بين المصادر المتجددة والشبكة الوطنية أو حلول تخزين الطاقة . تبحث هذه الأطروحة في جدوى دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) في تشغيل محطات تحلية المياه الكبيرة، مع التركيز على دراسة حالة لوحدة RO بسعة 30,000 م ³ /اليوم في ولاية الوادي. تقيّم الدراسة الجدوى التقنية والاقتصادية والتأثيرات البيئية لمختلف السيناريوهات بمستويات مختلفة من اختراق الطاقة الشمسية الكهروضوئية وسياسات تغذية الكهرباء. باستخدام برنامج HOMER Pro ، تحاكي الدراسة التكوينات المثلى لنظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة، مع الأخذ في الاعتبار بيانات استهلاك الطاقة الحقيقية وهياكل التعريفات . تظُهر نتائج المحاكاة أن دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية يمكن أن يقلل من طلب الكهرباء من الشبكة بأكثر من 50 % ويحقق تكلفة موحدة للطاقة (LCOE) تصل إلى 0.029 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة تحت التكاليف المتوقعة لعام 2030 . علاوة على ذلك، يمكن تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية بأكثر من 16,000 طن. توفر هذه النتائج دليلاً قويا لصانعي السياسات لدعم نشر الطاقة الشمسية كوسيلة لإزالة الكربون من قطاع المياه وتعزيز الأمن الوطني للطاقة والمياه.