Modelling green hydrogen development in Egypt: a techno-economic and energy system analysis

Green hydrogen has emerged as a pivotal element in the global energy transition, offering a sustainable alternative to fossil fuels in achieving net-zero carbon goals. Egypt is positioning itself as a major green hydrogen producer, leveraging abundant solar and wind resources, a strategic geographic location, and supportive policies. With over USD 64 billion in planned investments and 32 international agreements, the country aims to produce 1.5 million tons of hydrogen annually by 2030. This thesis explores hydrogen’s role in Egypt’s power sector through scenario analysis using the Hypatia energy system optimization model (ESOM). The research integrates various hydrogen production pathways—grey, green, blue, and pink—while assessing cost-effectiveness, sustainability, and infrastructure needs. The study extends the Egypt reference energy system by developing a multi-regional framework to optimize site selection based on renewable resource availability. It evaluates two demand scenarios—a moderate hydrogen demand scenario and an ambitious hydrogen demand scenario—to assess hydrogen’s economic and environmental impact within a multi-objective optimization framework (minimizing costs and CO₂ emissions). Under the moderate hydrogen demand scenario, the findings suggest that combined-cycle gas turbines, wind, photovoltaic solar, and bio waste power plants are the most cost-optimal technologies for Egypt’s future power generation mix. While solar and wind play a crucial role in meeting Egypt’s REN42 target, their integration results in an 8.11% increase in total system costs compared to a business-as-usual (BAU) scenario. However, achieving Egypt’s hydrogen production target under this scenario would require a 30.05% increase in system costs to secure a 75.76% clean hydrogen share within the model horizon. In the high hydrogen demand scenario, the results indicate a significant reliance on nuclear power to meet the growing hydrogen demand, with pink hydrogen contributing over 41% of the total hydrogen supply. This highlights the need for further diversification of energy sources to balance economic feasibility with sustainability goals. By leveraging data-driven modelling techniques, this research provides evidence-based insights to guide policy and investment decisions. The findings contribute to Egypt’s Vision 2030, supporting renewable energy expansion, economic growth, and global climate goals, ultimately reinforcing the country’s position as a leading hub for hydrogen production and clean energy development.

L'idrogeno verde è emerso come un elemento fondamentale nella transizione energetica globale, offrendo un'alternativa sostenibile ai combustibili fossili per il raggiungimento degli obiettivi di azzeramento delle emissioni di carbonio. L'Egitto si sta posizionando come un importante produttore di idrogeno verde, sfruttando l'abbondanza di risorse solari ed eoliche, una posizione geografica strategica e politiche di supporto. Con oltre 64 miliardi di dollari di investimenti pianificati e 32 accordi internazionali, il paese punta a produrre 1,5 milioni di tonnellate di idrogeno all'anno entro il 2030. Questo tesi analizza il ruolo dell'idrogeno nel settore energetico egiziano attraverso un'analisi di scenario utilizzando il modello di ottimizzazione del sistema energetico Hypatia (ESOM). La ricerca integra diversi percorsi di produzione dell'idrogeno—grigio, verde, blu e rosa—valutandone la convenienza economica, la sostenibilità e le esigenze infrastrutturali. Lo studio estende il modello Hypatia sviluppando un quadro multi-regionale per ottimizzare la selezione dei siti in base alla disponibilità delle risorse rinnovabili. Esamina due scenari di domanda—uno scenario di domanda moderata di idrogeno e uno scenario di domanda ambiziosa—per valutare l'impatto economico e ambientale dell'idrogeno all'interno di un quadro di ottimizzazione multi-obiettivo (minimizzazione dei costi e delle emissioni di CO₂). Nello scenario di domanda moderata di idrogeno, i risultati suggeriscono che le turbine a gas a ciclo combinato, l’energia eolica, il fotovoltaico e le centrali a biomasse siano le tecnologie più economicamente ottimali per il futuro mix di generazione elettrica dell’Egitto. Sebbene il solare e l’eolico svolgano un ruolo cruciale nel raggiungimento dell’obiettivo REN42 dell’Egitto, la loro integrazione comporta un aumento dell’8,11% dei costi totali del sistema rispetto a uno scenario di business-as-usual (BAU). Tuttavia, il raggiungimento dell'obiettivo di produzione di idrogeno dell'Egitto in questo scenario richiederebbe un aumento del 30,05% dei costi del sistema per garantire una quota di idrogeno pulito del 75,76% entro l'orizzonte del modello. Nello scenario di domanda elevata di idrogeno, i risultati indicano una forte dipendenza dall'energia nucleare per soddisfare la crescente domanda di idrogeno, con l'idrogeno rosa che contribuisce per oltre il 41% alla fornitura totale di idrogeno. Questo evidenzia la necessità di una maggiore diversificazione delle fonti energetiche per bilanciare la fattibilità economica con gli obiettivi di sostenibilità. Sfruttando tecniche di modellazione basate sui dati, questa ricerca fornisce approfondimenti basati su evidenze per guidare le decisioni politiche e di investimento. I risultati contribuiscono alla Vision 2030 dell’Egitto, supportando l’espansione delle energie rinnovabili, la crescita economica e gli obiettivi climatici globali, rafforzando infine la posizione del paese come hub di riferimento per la produzione di idrogeno e lo sviluppo dell’energia pulita.