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?