Modeling the integration of green hydrogen into Kenya's power system for fertilizer production

The growing global focus on green hydrogen has opened new opportunities to decarbonize hard-to-abate sectors and stimulate sustainable industrial development. Kenya, endowed with abundant renewable energy resources, aims to exploit this potential to establish a domestic hydrogen-based value chain. Among the possible applications, the local produc- tion of nitrogen-based fertilizers represents a strategic use case to enhance food security and reduce dependence on imports. This thesis evaluates the techno-economic feasibility of producing green hydrogen from renewable electricity supplied by the Kenyan power grid and its subsequent use in the production of Calcium Ammonium Nitrate (CAN) fertilizer. The national energy system is modeled using Hypatia, an open-source optimization tool that minimizes the total system cost under multiple demand and supply scenarios. The analysis investigates the interaction between hydrogen production and the power system over a 20-year horizon (2024–2043), considering different electricity demand growth rates and hydrogen market configurations (domestic and export-oriented). Results indicate that Kenya’s power system can technically sustain hydrogen production without requiring additional generation capacity under moderate demand scenarios. How- ever, the levelized cost of fertilizer production remains higher than current market prices. Despite this, local production could stabilize prices, mitigate exposure to international volatility, and generate industrial and employment benefits. Sensitivity analyses show that even under constraints such as limited electricity imports or the absence of nuclear power, alternative configurations based on renewable expansion can achieve comparable outcomes. Overall, the study demonstrates that green hydrogen-based fertilizer production in Kenya is technically feasible and could become economically competitive through supportive policies, making it a promising pathway for sustainable industrial growth and energy transition.

La crescente attenzione globale verso l’idrogeno verde ha aperto nuove opportunità per decarbonizzare i settori difficili da elettrificare e promuovere uno sviluppo industriale sostenibile. Il Kenya, dotato di abbondanti risorse energetiche rinnovabili, mira a sfruttare tale potenziale per creare una filiera nazionale basata sull’idrogeno. Tra le possibili ap- plicazioni, la produzione locale di fertilizzanti azotati rappresenta un caso strategico per migliorare la sicurezza alimentare e ridurre la dipendenza dalle importazioni. Questa tesi valuta la fattibilità tecnico-economica della produzione di idrogeno verde da elettricità rinnovabile fornita dalla rete elettrica nazionale keniota e il suo successivo impiego nella produzione di fertilizzante Calcium Ammonium Nitrate (CAN). Il sistema energetico nazionale è stato modellato utilizzando Hypatia, uno strumento open-source di ottimizzazione che minimizza il costo totale del sistema considerando diversi scenari di domanda e offerta. L’analisi esamina l’interazione tra la produzione di idrogeno e il sistema elettrico su un orizzonte temporale di 20 anni (2024–2043), tenendo conto di differenti tassi di crescita della domanda elettrica e di configurazioni di mercato dell’idrogeno (domestico ed orientato all’esportazione). I risultati indicano che il sistema elettrico del Kenya può tecnicamente sostenere la pro- duzione di idrogeno senza necessità di ulteriore capacità di generazione negli scenari di domanda moderata. Tuttavia, il costo livellato di produzione del fertilizzante risulta superiore ai prezzi di mercato attuali. Nonostante ciò, la produzione locale potrebbe stabilizzare i prezzi, ridurre l’esposizione alla volatilità internazionale e generare benefici industriali e occupazionali. Le analisi di sensitività mostrano che, anche in condizioni di vincolo come la limitazione delle importazioni di elettricità o l’assenza di energia nucleare, configurazioni alternative basate sull’espansione delle rinnovabili consentono di ottenere risultati comparabili. Nel complesso, lo studio dimostra che la produzione di fertilizzanti tramite idrogeno verde in Kenya è tecnicamente fattibile e potrebbe divenire economicamente competitiva grazie a politiche di sostegno, rappresentando un percorso promettente per la crescita industriale sostenibile e la transizione energetica.