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Unsere Technologie
Technologie zur Herstellung von erneuerbarem Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser
Wasserstoff (H2) ist das dritthäufigste Element auf der Erde und der sauberste Brennstoff im Universum, (Dresselhaus, Mildred et al. (15. Mai 2003). "Basic Research Needs for the Hydrogen Economy"). Im Gegensatz zu Kohlenwasserstoff-Brennstoffen wie Öl, Kohle und Erdgas, bei deren Nutzung Kohlendioxid und andere Verunreinigungen in die Atmosphäre freigesetzt werden, entsteht bei der Nutzung von Wasserstoff-Brennstoffen nur reines Wasser (H2O). Leider kommt auf der Erde fast kein reiner Wasserstoff in der Natur vor und muss daher aus wasserstoffhaltigen Molekülen wie Wasser extrahiert werden. In der Vergangenheit waren die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff als alternativem Kraftstoff höher als die Kosten für die Energie, die zu seiner Herstellung verwendet wurde. Dies ist das Dilemma der Wasserstoffwirtschaft, und eines, das wir angehen wollen.
Seit über einem Jahrhundert ist die Wasserelektrolyse, also die Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff durch den Durchfluss von elektrischem Strom, eine etablierte Technologie zur Herstellung von Wasserstoff. Der erzeugte Wasserstoff verbrennt zu Wasser, das unbegrenzt wieder in die Natur zurückgeführt werden kann. In der Praxis benötigen die derzeitigen kommerziellen Wasserelektrolyse-Technologien jedoch beträchtliche Energie aus kohlebetriebenem Strom und erfordern außerdem ultrareines Wasser, um ein Verschmutzen der Systemkomponenten zu verhindern. Wir glauben, dass dies die größten Hindernisse für eine erschwingliche Produktion von Wasserstoff sind.
Der perfekte und nachhaltige Energiekreislauf
Wie sich herausstellt, hat Mutter Natur seit Anbeginn der Zeit mit Hilfe von Sonnenlicht Wasserstoff hergestellt, indem sie Wassermoleküle (H2O) in ihre Grundelemente - Wasserstoff und Sauerstoff - gespalten hat. Das ist genau das, was Pflanzenblätter jeden Tag mittels Photosynthese tun. Da der erzeugte Wasserstoff sofort in der Pflanze verbraucht wird, können wir nicht einfach Bäume wachsen lassen, um Wasserstoff zu erzeugen.
Wenn eine Technologie entwickelt werden kann, die die Photosynthese zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff nachahmt, glauben wir, dass damit ein wirklich nachhaltiger, kostengünstiger und erneuerbarer Energiekreislauf geschaffen werden kann, um die Erde mit Energie zu versorgen. Allerdings sind die Kosten das größte Hindernis bei der Verwirklichung dieser Vision.
Wasserspaltung
Bei der Aufspaltung eines Wassermoleküls wird die zugeführte Energie in die chemischen Bindungen übertragen. Der hergestellte Wasserstoff ist also im Grunde nur ein Träger oder ein batterieähnlicher Speicher für die zugeführte Energie. Wenn die zugeführte Energie aus fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas stammt, dann wird die Energie der fossilen Brennstoffe einfach in Wasserstoff übertragen. Handelt es sich um erneuerbare Energien wie Sonnen- und Windenergie, dann wird neue und saubere Energie in Wasserstoff gespeichert.
Obwohl das Konzept der Wasserspaltung sehr ansprechend ist, müssen die folgenden Herausforderungen angegangen werden, damit erneuerbarer Wasserstoff kommerziell nutzbar ist:
Energieineffizienz - Da Wasserstoff ein Energieträger ist, kann er höchstens 100% der zugeführten Energie speichern. Bei konventionellen Elektrolysesystemen geht jedoch ein großer Teil der zugeführten Energie in Systemkomponenten, Drähten und Elektroden verloren, so dass nur ein kleiner Teil der Elektrizität in die Wasserstoffmoleküle gelangt. Dies führt zu hohen Produktionskosten und ist das grundlegende Problem bei der Wasserspaltung zur Wasserstofferzeugung. Dieses Problem wollen wir mit unserer kostengünstigen und energieeffizienten Partikeltechnologie angehen.
Bedarf an sauberem Wasser - Die konventionelle Elektrolyse erfordert hochgereinigtes, sauberes Wasser, um ein Verschmutzen der Systemkomponenten zu verhindern. Dies hindert die derzeitige Technologie daran, große Mengen an verfügbarem Wasser aus Meeren, Flüssen, Industrieabfällen und Siedlungsabfällen als Ausgangsmaterial zu verwenden. Unsere Technologie ist so konzipiert, dass jedes natürliche Wasser oder Abwasser für die unbegrenzte Produktion von erneuerbarem Wasserstoff verwendet werden kann.
Technologie
Die Wasserelektrolyse in ihrer einfachsten Form ist die Übertragung von "Eingangselektronen" in den folgenden chemischen Reaktionen:
Kathode (Reduktion): 2H2O + 2e-R H2 + 2OH-
Anode (Oxidation): 4OH- RO2 + 2H2O + 4 e-
Aus diesen Gleichungen kann man ableiten, dass, wenn jedes zugeführte Elektron (e-) eingesetzt wird und nicht verloren geht, ein Maximum an zugeführten Elektronen (d.h. Energie) übertragen und in den Wasserstoffmolekülen (H2) gespeichert wird. Wenn es außerdem eine sehr hohe Anzahl von Kathoden- und Anodenreaktionsbereichen innerhalb eines gegebenen Wasservolumens gäbe, dann könnte eine sehr hohe Anzahl dieser Reaktionen gleichzeitig im gesamten Medium stattfinden, um jedes Wassermolekül in Wasserstoff aufzuspalten, wo immer Elektronen verfügbar sind.
SunHydrogen-Panel
Da unsere Partikel die natürlichen Temperaturbedingungen der Photosynthese nachahmen sollen, können sie in sehr preisgünstigen Reaktoren untergebracht werden. Um die kommerzielle Nutzung unserer in sich geschlossenen Partikeltechnologie zu erleichtern, entwickeln wir ein modulares System, das die tägliche Produktion und Speicherung von Wasserstoff vor Ort für die jederzeitige Nutzung zur Stromerzeugung ermöglicht.
Wir bezeichnen unser Produkt als SunHydrogen-Panel, das sich aus den folgenden Komponenten zusammensetzt
1.§Das Panel-Gehäuse - Das neuartige (zum Patent angemeldete) Gerätedesign ist das erste seiner Art, das Sauerstoff und Wasserstoff im Wasserspaltprozess sicher trennt, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Dieses Gerät beherbergt das Wasser, die Solarpartikel/Zellen und ist mit Ein- und Auslässen für Wasser und Gase ausgestattet. Durch die Verwendung einer speziellen Membran zur Trennung der Sauerstoffseite von der Wasserstoffseite wird der Protonentransport erhöht, was der Schlüssel zur sicheren Steigerung des Wirkungsgrades von Solar zu Wasserstoff ist. Unser Design kann skaliert und für den kommerziellen Einsatz hergestellt werden.
2. Die NanoPartikel- oder Solarzelle - Unsere patentierten Photoelektrochemisch Aktiven Heterostrukturen (PAH) bestehen aus Milliarden von winzigen Solarzellen in 1cm2, die galvanisch in einer Schutzstruktur abgeschieden werden, um die Ladung zu liefern, die die Wassermoleküle spaltet.
Im Zuge der Optimierung unserer Nanopartikel, um effizient zu sein und nur erdverbundene Materialien zu verwenden (ein fortlaufender Prozess), haben wir mit handelsüblichen Triple-Junction-Silizium-Solarzellen experimentiert, um Tests mit unserem Generatorgehäuse und anderen Komponenten durchzuführen. Aufgrund dieser Experimente glauben wir, dass wir ein System auf den Markt bringen können, das diese leicht verfügbaren Zellen nutzt, während unsere Nanopartikel noch optimiert werden. Diese Solarzellen absorbieren ebenfalls das Sonnenlicht und erzeugen die notwendige Ladung für die Aufspaltung der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff.
3. Sauerstoff-Evolution-Katalysator - Dieser proprietäre Katalysator, der an der Universität von Iowa entwickelt wurde, wird auf die Solarzelle oder Nanopartikel aufgebracht und oxidiert effizient Wassermoleküle, um Sauerstoffgas zu erzeugen. Der Sauerstoffentwicklungskatalysator muss robust sein, um den langen Betriebsstunden des Geräts zur Wasserstofferzeugung standzuhalten und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Er ist so konzipiert, dass er in alkalischen Umgebungen effizient und stabil ist.
4. Wasserstoff-Evolution-Katalysator - Notwendig für das Sammeln von Elektronen, um Protonen für die Erzeugung von Wasserstoffgas zu reduzieren, haben wir erfolgreich einen Prozess entwickelt, um eine ultraniedrige Beladung von Platin-Wasserstoff-Katalysator auf Schaumstoff-Elektroden mit zehnmal niedrigerer Beladung mit über 67-mal höheren Aktivitäten zu integrieren.
5. Beschichtungstechnologien - Zwei wichtige Beschichtungstechnologien wurden entwickelt, um die Nanopartikel und Solarzellen vor Fotokorrosion unter Wasser zu schützen. Eine transparente förderliche Beschichtung, um unsere Nanopartikel und Solarzellen vor Fotokorrosion zu schützen und Ladungen effizient auf Katalysatoren für Sauerstoff- und Wasserstoff-Evolutionsreaktionen zu übertragen. Eine Polymerkombination, die die Triple-Junction-Solarzellen vor jeglicher korrosiven Wasserumgebung schützt, um eine lange Lebensdauer des Wasserstofferzeugungsgeräts zu gewährleisten.
6. Ein Konzentrator, der zwei Sonnen entspricht - Dieser kostengünstige Fresnel-Linsen-Konzentrator zur Erhöhung des Sonnenlichts auf zwei Sonnen reduziert unseren notwendigen Platzbedarf für ein System mit 1000 KG pro Tag um 40%.
Unser Geschäfts- und Kommerzialisierungsplan sieht zwei Generationen unserer Paneele oder Generatoren vor. Die erste Generation, die zu Demonstrationszwecken hergestellt wird, verwendet handelsübliche Solarzellen, die mit einem stabilisierenden Polymer und Katalysatoren beschichtet sind und in unsere proprietären Paneele eingesetzt werden, um effizient und sicher Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und so sehr reinen und umweltfreundlichen Wasserstoff zu erzeugen, der aus dem Panel abgeleitet, unter Druck gesetzt und zur Verwendung in einer Brennstoffzelle gespeichert werden kann, um elektrische Geräte zu betreiben.
Die zweite Generation unserer Paneele wird eine auf Nanopartikeln basierende Technologie aufweisen, bei der Milliarden von autonomen Solarzellen galvanisch auf poröse Aluminiumoxidplatten aufgebracht und in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt und in unsere proprietären Paneele eingesetzt werden. Für diese Generation haben wir mehrere Patente erhalten und wir schätzen, dass sie Wasserstoff für weniger als 4 $ pro Kilogramm vor der Druckbeaufschlagung produzieren wird.
Unser Team an der Universität von Iowa hat einen Meilenstein von weit über 1000 aufeinanderfolgenden Stunden kontinuierlicher Wasserstoffproduktion unter Verwendung vollständig eingetauchter Solarzellen ohne externe Vorspannung erreicht und damit eine simulierte Produktion erreicht, die einem Jahr entspricht. Wir glauben, dass dies ein Rekord für vollständig eingetauchte Zellen ist. Wir sind nun bereit, unsere Technologie aus dem Labor herauszuholen und arbeiten mit mehreren Anbietern zusammen, um unsere erste Generation von erneuerbaren Wasserstoff-Paneelen zu kommerzialisieren und herzustellen, die Sonnenlicht und Wasser zur Wasserstofferzeugung nutzen.
Wir gehen davon aus, dass das SunHydrogen Panel ein in sich geschlossenes System zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff sein wird, das nur Sonnenlicht und eine beliebige Wasserquelle benötigt. Folglich kann es fast überall installiert werden, um am oder in der Nähe des Verteilungspunktes Wasserstoffkraftstoff für den lokalen Gebrauch zu produzieren. Wir glauben, dass dieses Modell der Wasserstoffproduktion eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung von sauberem Wasserstoffkraftstoff in großem Maßstab angeht, nämlich den Transport von Wasserstoff.
Jede Stufe des SunHydrogen-Panels kann unabhängig skaliert werden, je nach Wasserstoffbedarf und Dauer der Speicherung, die für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Ein kleines System kann verwendet werden, um kontinuierlich erneuerbaren Strom für ein kleines Haus zu erzeugen, oder ein großes System kann verwendet werden, um Wasserstoff für eine Gemeinde zu erzeugen.
Herstellung von SunHydrogen-Panels
Wir arbeiten derzeit an der Herstellung von 100 SunHydrogen-Demonstrationspanels, die zur Vorführung unserer Gen 1-Technologie an verschiedenen Orten in den Vereinigten Staaten und international eingesetzt werden. Wir gehen davon aus, dass diese Demonstrationstafeln das nationale und globale Bewusstsein für unsere neue, umweltfreundliche Wasserstofferzeugungstechnologie erweitern werden. Mit dem daraus resultierenden gesteigerten Interesse werden potentielle Kunden unserer Technologie in der Lage sein, die Funktionsweise der Panels aus erster Hand zu beobachten und potentielle Einsatzmöglichkeiten in ihren Geschäftsbetrieben zu bestimmen.
Geistiges Eigentum
Am 14. November 2011 reichten wir eine vorläufige Patentanmeldung beim U.S. Patent and Trademark Office ein, um die geistigen Eigentumsrechte für "Photoelektrochemisch aktive Heterostrukturen, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verfahren und Systeme zur Herstellung der gewünschten Produkte zu schützen." Am 14. März 2017 wurde der Teil des Patents, der den strukturellen Aufbau von photoelektrochemisch aktiven Heterostrukturen (PAH) abdeckt, als United States Patent No. 9,593,053B1 erteilt, am 3. April 2018 wurde der Teil des Patents, der das Verfahren zur Herstellung von PAH abdeckt, als United States Patent No. 9,593,053B2 erteilt. Das Patent schützt das firmeneigene Design und die Herstellungsmethode eines eigenständigen Solar-zu-Wasserstoff-Geräts, das aus Millionen von solarbetriebenen, Wasser spaltenden Nanopartikeln pro Quadratzentimeter besteht. Diese Nanopartikel sind mit einer separaten, zum Patent angemeldeten Schutzschicht überzogen, die Korrosion während längerer Zeiträume der Wasserstoffproduktion verhindert. Das Ziel dieser Nanopartikel ist eine hohe Umwandlungseffizienz und niedrige Kosten.
Ein wichtiger Aspekt der patentierten Technologie sind die integrierten Strukturen von hochdichten Arrays von Solarzellen in Nanogröße als Teil der Nanopartikel zur Wasserstoffproduktion. Die Technologie ermöglicht die Herstellung von ultradünnen Platten für die Solar-Wasserstoff-Produktion, die im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen, die in Aufdachanlagen eingesetzt werden, wesentlich weniger Material benötigen.
Im März 2015 haben wir gemeinsam mit der UCSB eine vollständige Gebrauchsmusteranmeldung für die "Multi-junction artificial photosynthetic cell with enhanced photovoltages" eingereicht. Das Patent deckt unsere Halbleiterdesigns ab, um die Photovoltagen der nanoskaligen Solarzellen in den PAH-Strukturen zu erhöhen. Die Halbleiterdesigns, die Mehrfachübergänge in den PAH-Strukturen stapeln, wären eine effiziente und wirtschaftliche Lösung für die Photovoltaik- und die photoelektrochemische Industrie. Dieses Patent wurde in Australien im April 2018, in China und Europa im März 2019 und in den USA im Oktober 2018 erteilt.
Am 21. Dezember 2016 meldeten wir gemeinsam mit der University of Iowa ein Patent für "Integrated Membrane Solar Fuel Production Assembly" an, um das geistige Eigentum für unser Generatorgehäusesystem zu schützen, das Sauerstoff und Wasserstoff im Wasserspaltungsprozess sicher trennt, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Diese Vorrichtung beherbergt das Wasser, die Solarpartikel/Zellen und ist mit Ein- und Auslässen für Wasser und Gase ausgestattet. Durch die Verwendung einer speziellen Membran zur Trennung der Sauerstoffseite von der Wasserstoffseite wird der Protonentransport erhöht, was der Schlüssel zur sicheren Steigerung des Wirkungsgrads von Solar zu Wasserstoff ist. Im September 2017 haben wir das Gebrauchsmuster für diese wichtige Erfindung eingereicht und das Verfahren läuft.
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