Пластиковый мусор превращается из ночного кошмара любого уважающего себя экологически сознательного гражданина в один из ресурсов для перехода к водородной экономике. Недавно в японском промышленном городе Кавасаки открылась гостиница, энергию для которой получают из переработанных бутылок, пакетов и даже использованных постояльцами зубных щеток. Рассказываем, как «японский Челябинск» пришел к такой практике и какую роль в этом сыграла Toshiba.
Разные виды пластмасс изобрели еще в XIX веке. В 1862 году британец Александр Паркс пытался создать дешевый заменитель для слоновой кости — основного материала бильярдных шаров. Смешав нитроцеллюлозу, камфору и спирт, он разогрел полученное вещество, а потом остудил. Так появился паркезин — первый полусинтетический пластик. В последующие годы были изобретены другие виды пластиков, но эра их коммерческого успеха началась гораздо позже — в середине XX века.
В 1967 году на экраны в США вышел фильм «Выпускник». В одной из сцен бизнесмен МакГуайр подзывает на доверительную беседу выпускника колледжа Бена (его играет молодой Дастин Хоффман) и говорит: «Я хочу сказать тебе одно слово. Только одно. Пластик. У пластика большое будущее. Подумай об этом». Диалог позже вошел в топ-100 киноцитат по версии Американского кинематографического института. Источник: wsinful / YouTube
И действительно, эпоха пластика наступила во второй половине XX века — одновременно с быстрым ростом массового потребления. По данным журнала The Economist, с 1950-х на планете произвели 6,3 млрд тонн пластика, из которых переработали только 9%, а утилизировали — 12%. Где же остальной?
А остальной либо погребен в земле, либо дрейфует в Мировом океане. И улучшения ситуации пока нет: в 2010-е ежегодно изготовлялось 300-400 млн тонн пластика. Эксперты Программы по окружающей среде ООН (UNEP) констатировали в 2014 году: «К сожалению, рыночная экономика не справилась с задачей принимать во внимание внешние факторы, связанные с окружающей средой, в том числе социальное, экологическое и экономическое влияние морского пластика. Текущая “пластиковая экономика” характеризуется как линейная модель производства и потребления, при которой образуется непредсказуемое количество отходов, что приводит к ее полной неэффективности».
Основные источники и пути загрязнения пластиком мирового океана. Примечательно, что 40% пластиковых отходов — это упаковка. Источник: «Пластиковый мусор и микропластик в Мировом океане. Глобальное предостережение и исследование, призыв к действиям и руководство по изменению направления политики». ЮНЕП, 2016, Найроби / UNEP (2016).
Наибольшие скопления пластика обнаруживаются в прибрежных водах, особенно в регионах с высокой плотностью населения, а также в районах интенсивного рыболовства и развитого прибрежного туризма. Один из таких — Япония, и в этой стране борьба с пластиковыми отходами идет уже давно и небезрезультатно. По данным ООН, в стране восходящего солнца общий коэффициент утилизации пластика составляет 82%. Но добились этого японцы не сразу.
Японский Челябинск: как Кавасаки превратился в экогород
После Второй мировой войны в Японии сформировались крупные промышленные зоны, которые обеспечили бурный рост экономики. Обратной стороной медали стало нарастание экологических проблем, которые не только вредили природе, но и уносили человеческие жизни. К примеру, в 1950-1960 гг. неоднократно фиксировались вспышки болезни Минаматы (паралич с летальным исходом), которую вызывал сброс фабриками неорганической ртути в реки.
Центром развития японской индустрии (и сопутствующих экологических проблем) была прибрежная промышленная зона Кавасаки — около 50 предприятий на территории в 100 гектаров. В 1970-1980-е гг. здесь зародилось мощное экологическое движение, которое заставило местные власти действовать. В 1970 году город подписал соглашения о предотвращении загрязнения воздуха с 39 фабриками. В 1972 году был создан центр мониторинга вредных выбросов. В 1978 году внедрен автоматизированный контроль выхода оксидов азота на 32 крупнейших заводах.
Одновременно развивалась система утилизации отходов, предполагающая переработку большей части мусора.
На создание и отладку системы переработки отходов города Кавасаки ушло более 50 лет. Источник: Kawasaki Environmental Research Institute
В 1997 году город Кавасаки был выбран японским правительством в качестве «полигона» для реализации проекта «Экогорода». Государственная программа предполагала субсидии на 600 млн долл. США для 24 экогородов, а также прямые инвестиции в 60 проектов в этих городах на 1,6 млрд долл.
Причем Кавасаки сразу получил «специализацию» в повторном использовании отходов. К 2004 году здесь построили индустриальный парк (Kawasaki Zero-Emission Industrial Park), насчитывающий 15 предприятий, включенных в переработку отходов. Предприятия местной промзоны постепенно объединяются в единую сеть потребления и распределения вторсырья. Ее частью станет городская распределительная сеть водорода. Как она работает?
Огонь, вода и труба: как пластик превращается в энергию
В 2015 году в Кавасаки разработали «Стратегию создания водородного общества» (Kawasaki Hydrogen Strategy Towards Achieving a Hydrogen Society). В рамках нее предполагается организовать цепочки поставок водорода (в том числе из-за границы) в Кавасаки, где это газ будет перерабатываться в энергию с помощью систем компании Toshiba.
В 2017 году автономная электростанция H2One от Toshiba уже начала давать электричество и тепло на железнодорожную станцию Musashi-Mizonokuchi в Кавасаки, о чем мы рассказывали на Хабре ранее. Станция генерирует водород из воды методом электролиза, а электропитание для этого процесса обеспечивает встроенная солнечная батарея. Затем водород преобразовывается в энергию для станции.
Но водород можно получать не только из воды, но и из переработанного пластика. В 2018 году Toshiba оснастила гостиницу KAWASAKI KING SKYFRONT Tokyu REI hotel установкой H2Rex. В отличие от H2One она не вырабатывает водород, а получает его из внешнего источника, затем преобразуя газ в электричество и тепло для отеля.
Как пластик превращается в водород? Это происходит на заводе нашего партнера по водородной стратегии — компании Showa Denko K.K.. Пластиковые отходы поступают сюда из городской системы сбора мусора, в том числе из прибрежной зоны Кавасаки, посредством процесса открытых торгов. Здесь использованный пластик разлагается с помощью термической газификации. При этом органическая часть отходов преобразуется в водород, а также выделяется окись углерода. Окись углерода из этого процесса используется для производства продуктов на основе углерода, например, сухого льда. Водород же идет на производство аммиака, поступает на водородные автозаправки, а также используется для выработки электроэнергии в гостинице.
Из 195 тонн пластиковых отходов можно получить 175 тонн аммиака. Источник: Showa Denko
C завода Showa Denko водород попадает в трубопровод, который ведет к гостинице, расположенной в 5км от завода. Трубопровод обеспечивает стабильную подачу газа и не выделяет при этом CO2 во время транспортировки, как, например, автомобили с ДВС. С использованием сети таких трубопроводов можно сократить общие выбросы углекислого газа примерно на 80% во всей цепочке по сравнению с существующим методом.
Из трубопровода газ попадает в H2Rex — водородный генератор компании Toshiba. Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло.
H2Rex безвреден для природы. Единственный побочный продукт производства — вода, которая используется в работе генератора. Кстати, пластиковые отходы гостиницы (зубные щетки, упаковки, одноразовая посуда) поставляются прямиком на завод Showa Denko. Источник: Toshiba Energy
Коэффициент использования водорода при этом достигает 96%. Помимо этого, тепло, вырабатываемое топливными элементами, можно использовать для нагревания воды или отопления.
H2Rex, в отличие от обычных энергоустановок (к примеру, турбинных генераторов, превращающих тепло в пар, который приводит в движение турбину), не преобразует тепловую энергию в кинетическую, а вырабатывает ее с помощью электрохимической реакции водорода и атмосферного кислорода. Источник: Toshiba Energy
Помимо этого, структура топливных элементов Toshiba исключает необходимость внешнего увлажнителя — для этого используется вырабатываемая генератором вода.
Еще одна особенность — низкая температура запуска (60-70 градусов) твердополимерных топливных элементов, которые используются в H2Rex. Благодаря этому их не нужно сильно нагревать для выработки энергии, а значит установку можно быстро запускать и останавливать в течение дня. Также эти элементы легко подстраивать под заданную нагрузку, что делает их удобными в применении в отраслях с нестабильным энергопотреблением (скажем, в сфере услуг, где есть дневные пиковые нагрузки и ночные «штили»).
Сколько дает энергии H2Rex? За год одна установка способна обеспечить электричеством 100 домовладений (700,8 тыс. кВт⋅ч) или нагреть воду для 12,1 тыс. ванн (24,2 млн литров теплой воды).
Далее везде: где еще будут производить и использовать водородную энергию?
К 2050 году 20% электроэнергии в Японии будут производить из водорода. Также Стране восходящего солнца понадобятся около 80 танкеров — они будут транспортировать водород в жидком виде. Японские корпорации уже начали строительство глобальной сети производства и поставки водорода как источника энергии. В 2019 году японская компания заложила водородный терминал в Гастингсе (шт. Виктория, Австралия). Помимо удовлетворения местных нужд в топливе, водород здесь будет превращаться в жидкость, заливаться в танкеры и отправляться в разные страны, в том числе и Японию.
Интересно, что будет с ценами на нефть в 2050 году?
