Заставить отходы работать

Превращение отходов в ценный ресурс может сделать города высокоэффективными

20 декабря 2015 г. в китайском городе Шэньчжэне обвалилась гора городских отходов, погубив 69 человек и разрушив десятки зданий. Катастрофа стала реальным проявлением того, что способны натворить горы отходов, изображенные в мультфильме WALL‑E, снятом в 2008 г.,где выражена ужасная, но реальная мысль, что мусор может бесконтрольно накапливаться, вытесняя нас из нашей среды обитания. Эффективный путь превращения существующего сегодня города в экобезопасный и рассчитанный на долгосрочную перспективу, в город, сохраняющий, а не губящий нашу Землю, состоит в уменьшении всех потоков мусора и использовании того, что останется в качестве ресурсов. Отходы одних процессов должны стать исходными материалами для других.

В мире все больше людей переселяются в города, что ставит их на первое место при решении глобальной проблемы ресурсов. Мэрам приходится брать на себя все больше ответственности за разработку решений, особенно в тех странах, где общественность не рвется решать проблемы окружающей среды. Важная роль городов признается и в принятых в 2015 г. в Париже международных соглашениях по климату. Тогда на переговоры по объединению усилий в деле уменьшения выбросов в атмосферу в столицу Франции съехались более 1 тыс. мэров. Изменение строительных норм и инвестиции в эффективное использование энергии — два начальных этапа, где они могут начать действовать намного быстрее, чем национальные правительства.

Городам есть смысл активизироваться. В некоторых из них — в Нью-Йорке, Мехико, Пекине — живет больше людей, чем в иных государствах. Здесь все проблемы управления нашей жизнью сталкиваются в наиболее концентрированной форме. Города могут служить живыми лабораториями по улучшению качества жизни без использования ресурсов Земли, без загрязнения воздуха и воды и без вреда для здоровья людей в этом процессе. Города выбрасывают углекислый газ и расточают энергию, пищу, воду, пространство и время. Уменьшение этого потока отходов и рассмотрение его в качестве ресурса, а не затрат, позволяет разом решить множество проблем, создавая перспективное будущее для миллиардов людей.



Машины раскапывают завалы в Шэньчжэне, образовавшиеся в результате обвала горы мусора, похоронившего десятки зданий

Отходы как выход

История содержит множество уроков об отходах. Лондонский врач Джон Сноу (John Snow) пришел к выводу, что причиной страшных вспышек холеры в Лондоне в 1848 и 1854 гг. было загрязнение общественных колодцев сточными водами. Очевидным решением было создание канализационной системы, но политические лидеры отвергли выводы Сноу, поскольку его идеи не соответствовали господствующей идеологии, а предлагаемые им меры сочли слишком дорогостоящими. Подобным образом отвергаются и выводы современных климатологов, которые говорят, что отходы медленно убивают нас и что решение этой проблемы потребует больших вложений в новую инфраструктуру. Позднее, когда новые лидеры предприняли масштабные государственные работы по втискиванию почти 2 тыс. км канализационных труб в плотную застройку трехмиллионного города, решив этим проблему холеры, Сноу был объявлен героем (возможно, такая же судьба ждет и современных ученых). Эта работа привела также к созданию приятных набережных Темзы, которые и сегодня служат одним из ключевых элементов городской среды Лондона, местом для прогулок множества людей.

Однако сегодня одного удаления отходов недостаточно. После уменьшения их количества необходимо замкнуть цепь и использовать остаток повторно. Итак, стратегия такова: сначала уменьшить количество отходов, а затем заставить их работать.

Это новое мышление начинается с переопределения понятия загрязнений. Известный инженер системы коммунального водоснабжения в Остине, штат Техас, Радж Бхаттарай (Raj Bhattarai) дал мне новое определение загрязнения: ресурсы не на своем месте. Вещества вредоносны, если они находятся в неподходящем месте: в нашем организме, в воздухе или в воде. Но в нужном месте они полезны. Например, твердые отходы можно не отправлять на свалку, да еще оплачивая их вывоз нашими налогами, а сжигать для выработки электроэнергии. А из сточных вод городов-миллионников можно извлекать золото и другие драгоценные металлы на миллионы долларов в год и использовать их на местных производствах.

Эта идея хорошо согласуется с более широкой концепцией так называемой циркулярной экономики, или экономики замкнутого цикла, где виды деятельности общества и процессы взаимовыгодно питают друг друга. Попросту говоря, отходы — это то, что вы получаете, если не проявляете достаточного воображения.



Для отопления теплиц, где выращиваются помидоры, Ванкувер сжигает метан, собираемый со свалок

Меньше — это больше

Одно из очевидных мест, с которых можно начать действия по уменьшению количества отходов, — это водопровод. Из-за утечек из него обычно теряется 10–40% воды. А поскольку на очистку этой воды и подачу ее в систему расходуется энергия, утечки — это и потери энергии. Само потребление энергии невероятно расточительно. Больше половины потребляемой городом электроэнергии теряется в виде тепла из дымовых труб, выхлопных труб автомобилей, с тыльной стороны нагревательных приборов и кондиционеров, а также от бытовых электроприборов.

Повышение КПД всей этой техники уменьшает количество энергии, которое нам приходится вырабатывать, распределять и очищать. Еще один поток отходов — мусор. В США на душу населения ежесуточно создается почти 2 кг мусора. Несмотря на попытки компостировать, повторно использовать и сжигать часть этого мусора, немного больше половины его вывозится на свалки. Один из путей уменьшения количества мусора состоит в уменьшении объемов упаковки, а оно дает и другие преимущества. В частности, крупные розничные сети вроде Walmart обнаружили, что с уменьшением объемов упаковки уменьшается и количество грузовиков, потребных для доставки товаров, а также становится больше места на полках для их выставления.

Пищевые отходы сами по себе крайне огорчительны. Несмотря на голод и нехватку пищи во многих местах мира, американцы выбрасывают от 25 до 50% пригодной пищи. Выращивание продовольственных культур, производство и хранение продуктов и приготовление пищи требуют огромных территорий, затрат энергии, и количеств воды, поэтому пищевые отходы оказывают существенное влияние на экологию. Такие инициативы, как кампания «Я ценю пищу» в США и подобная в Великобритании, — это начало пути к решению данной жизненно важной проблемы.

Практический пример: Калуннборг



В датском индустриальном парке Калуннборгский симбиоз компании координируют потоки энергии, воды и других материалов, которыми они обмениваются между собой. Отходы или побочные продукты одних продаются другим в качестве сырья, принося доход и уменьшая общее количество сбросов, затраты на материалы и вред, причиняемый окружающей среде. В процессы этого обмена для производства ферментов, инсулина, биогаза, гипсокартона и других продуктов включены около 30 субстанций — от сточных вод и отходов тепла до этанола.

Заставить отходы работать

После уменьшения потока отходов города должны использовать отходы одного городского процесса в качестве ресурса для другого. Пока это делается редко, но притягательные проекты множатся. Современные системы превращения отходов в энергию, например в швейцарском Цюрихе, обеспечивают чистое сжигание мусора, а некоторые, в частности в Палм-Бич, штат Флорида, извлекают более 95% металлов из золы, образующейся в результате сжигания мусора. Некоторые сельские поселения, например Юнде в Германии, вырабатывают из навоза достаточное количество биогаза, чтобы отапливать или снабжать электроэнергией значительную долю своих жилых домов. Моя исследовательская группа из Техасского университета в Остине показала, что на цементном заводе в Нью-Браунфелсе, штат Техас, в качестве топлива можно вместо каменного угля использовать не поддающиеся переработке пластики, что исключает выбросы углекислого газа и уменьшает воздействие угледобычи на природу.

Некоторую ценность может представлять даже мусор, вывезенный на свалки. Города могут собирать метан, выделяющийся при разложении отходов, вместо того чтобы сжигать его или просто позволять ему уходить в атмосферу, где он захватывает гораздо больше тепла, чем эквивалентное количество углекислого газа. А сжигая собранный метан, можно получать электроэнергию. На свалках Ванкувера метан собирают и используют для отопления теплиц, где выращивают помидоры.Однако весь метан со свалок не соберешь, и это вдохновило власти Ванкувера дать жителям отдельные емкости для мусора и органических материалов (остатков пищи, скошенной во дворах травы, обрезанных веток деревьев). Власти рассчитывают, что горожане будут использовать их по назначению, и создают службу городских инспекторов, которые должны проверять, правильно ли разгружают мусоровозы раздельно собранный мусор. Собирая метан, выделяемый органическими отходами, город вырабатывает твердые остатки, способные повышать плодородие почв. Такой подход разом решает несколько проблем: экономит деньги, которые пришлось бы потратить на закупку электроэнергии, уменьшает потребность в территориях для свалок, исключает ненужное использование и повреждение земель и при этом повышает эффективность земледелия.

Примерно так же поступает Остин со шламом сточных вод, пропуская его через анаэробные биореакторы для получения биогаза, который город продает или использует на месте для получения тепла. А твердые остатки этого процесса он превращает в популярное удобрение Dillo Dirt. Продавая его, город зарабатывает деньги, чем компенсирует часть затрат на переработку сточных вод.



Калуннборг: трубы, по которым отработанный пар с электростанции DONG Energy передается компаниям для использования его в производственных целях

Хотя среди населения растет популярность компостирования, которое достойно поощрения, неправильное его проведение ведет к увеличению выбросов метана. Жителям Остина лучше измельчать остатки пищи и спускать их в канализацию, чтобы городские водоочистные предприятия промышленного масштаба выполняли компостирование более эффективно.

Большие возможности кроются и в отходах тепла. Использовать их трудно, поскольку недостаточно высокие температуры сложно преобразовывать в электроэнергию. NASA разработало термоэлектрогенераторы для выполнения этой работы на космических аппаратах, но технология агентства дорога и малоэффективна. Однако появляются новые материалы, которые позволяют преобразовывать тепло в электроэнергию с более высоким КПД. Начать можно с горячих сточных вод, поступающих в канализацию, когда мы моем посуду, стираем или принимаем душ. В Сандвике, пригороде столицы Норвегии Осло, расположены большие теплообменники, отбирающие тепло из канализационных труб для обогрева десятков близлежащих зданий и очистки дорог и тротуаров ото льда. А летом включение тепловых насосов позволяет использовать часть этого тепла для охлаждения тех же зданий. Властям Ванкувера эта идея так понравилась, что они позаимствовали ее, дабы использовать сточные воды для отопления сотен домов и Олимпийской деревни. Дальнейшим развитием этой идеи стал Калуннборгский симбиоз в Дании — выдающийся пример «мышления с замкнутым циклом». В этом индустриальном парке расположены семь компаний и муниципальные организации, занимающиеся энергоснабжением, водоснабжением, водоочисткой и переработкой твердых отходов.

Все они связаны между собой таким образом, что отходы одних из них служат ресурсами для других. По трубам, проводам и коробам движутся в разных направлениях пар, газы, вода, электроэнергия и твердые отходы, обеспечивая повышение общей эффективности и уменьшая итоговый объем отходов, включая выбросы СО2. В частности, тепло от нефтеперерабатывающего завода передается на электростанцию, где используется для очистки и стабилизации летучей золы, образующейся при сжигании каменного угля. А отходы пара из нефтеперерабатывающего завода идут компании Novo Nordisk, которая использует тепло этого пара для выработки почти половины всего производимого в мире инсулина с использованием бактерий и дрожжей. Весь парк функционирует как единый живой организм — и он продемонстрировал рост экономики без увеличения или даже с уменьшением выбросов в атмосферу.

Решения на основе данных

Можно ли воспроизвести модель Калуннборгского симбиоза в более крупном масштабе в городах всего мира? Можно, но лишь при условии, что эти города будут «умными». Индустриальный парк гибок, поскольку число арендаторов и лиц, принимающих решения, в нем невелико, тогда как в городе много индивидуальностей и организаций, которые ежедневно самостоятельно принимают решения в областях энерго- и водоснабжения и обращения с отходами. Их объединение требует культурных сдвигов в сторону кооперации, подталкиваемой развитием «умных» технологий. «Умные» города будут полагаться на повсеместный сбор данных и дешевую их обработку в сочетании с машинным обучением и искусственным интеллектом. Это сочетание позволит выявлять неэффективные звенья и оптимизировать операции, уменьшая количество отходов и затраты и при этом автоматически управляя работой всего оборудования.

К счастью, создание «умных» городов — привлекательная цель проектировщиков, которые хотят приспособиться к растущей плотности населения без ухудшения качества его жизни. Например, в Индии, где проблемы населения и его здоровья очень остры, премьер-министр Нарендра Моди (Narendra Modi) объявил о намерении превратить 100 муниципалитетов небольшого и среднего размеров в «умные» города в качестве возможного решения.

Само название «умные» звучит как обвинение большинства городов в неразумности. Но это обвинение представляется уместным, поскольку похоже, что муниципалитеты, перегруженные отходами, работают вслепую. Национальный научный фонд США только что запустил крупную исследовательскую программу «"Умные" и взаимосвязанные сообщества» (Smart & Connected Communities), чтобы помочь городам лучше использовать данные. Кстати, это название напоминает, что одного «ума» недостаточно, необходима еще и взаимосвязь систем и людей.

Работа «умных» городов в очень большой степени зависит от больших объемов данных, собираемых широкой сетью датчиков, и передовых алгоритмов для быстрой оценки ситуаций, извлечения выводов и принятия решений на основе этих данных. Взаимосвязанные сети передают результаты анализа данных всему оборудованию, работающему в городе. Начать следует с «разумных» измерительных приборов, которые должны круглосуточно строго отслеживать расходы электроэнергии, природного газа и воды, а также работу бытового и промышленного электронного оборудования. Нужны также аппаратура для отслеживания движения транспорта в реальном времени, мониторы загрязнения воздуха и детекторы утечек. В Остине консорциум Pekan Street собирает данные от сотен домов для оценки того, как доступ к этим потокам информации может помочь потребителям изменить свое поведение таким образом, чтобы уменьшить потребление и сэкономить расходы. Некоторые города, например Финикс, и военные базы, например Форт-Карсон в штате Колорадо, уже пообещали стать самодостаточными пользователями электроэнергии и воды и не производить отходов. Для достижения этих грандиозных целей потребуются огромные количества взаимосвязанных данных.

Улучшение систем городского транспорта может стать для горожан первым намеком на преимущества «умного» города, сократив затраты времени на поездки. Для уменьшения воздействия транспорта на природу необходимы использование более чистых видов топлива, повышение эффективности транспортных средств, увеличение их заполнения, сокращение дальности и продолжительности поездок и уменьшение их числа. Если люди будут жить ближе к местам работы, они смогут добираться на работу пешком, на велосипедах или общественным транспортом. Исследования показывают, что создание выделенных велодорожек намного увеличило число пользователей велосипедов, а поскольку велосипеды занимают гораздо меньше места, чем автомобили, они могут уменьшить загруженность дорог и количество заторов.

Сэкономить место в городе и затраты времени на парковку могут также автомобили без водителей. Использование постоянно находящихся в работе автономных автомобилей совместного пользования вместо частных, паркуемых у дома или места работы, способно намного уменьшить потребность в парковочных местах, освободив большое пространство и тем самым уменьшив загруженность дорог. Специалисты из Центра транспортных исследований Техасского университета в Остине с помощью сложных моделей установили, что внедрение автомобилей совместного использования на порядок уменьшит потребное городу число машин и снизит выбросы в атмосферу, несмотря на то что общий пробег автомобилей несколько возрастет, поскольку они будут находиться в движении постоянно. А их пассажиры, не будучи заняты управлением, смогут отдыхать, читать электронную почту, звонить по телефону или заниматься другими делами. Все это даст экономический эффект и позволит людям проводить на рабочих местах меньше времени и раньше поспевать домой к ужину.

Создание более «умных» инфраструктур несомненно дает ключ к решению и такой фундаментальной проблемы, как утечка из водопроводных труб. Размещение водомеров по всей водопроводной сети позволит быстро выявлять наличие утечек и определять их места. Исследователи из Бирмингема в Англии разработали систему миниатюрных датчиков давления, которые, расходуя очень мало энергии, выполняют частые проверки для выявления утечек, так что ремонтникам не нужно ждать, пока кто-то сообщит, что на дороге возник фонтан. А со временем мы, глядишь, сможем посылать для ремонта труб «умных» роботов.

Высокоэффективные датчики позволят также обнаруживать и прогнозировать утечки газа раньше, чем они заявят о себе несчастным случаем. Ведь эти утечки — не только бесполезные потери, к тому же вредящие окружающей среде, они еще и опасны, о чем свидетельствуют попадающие на первые страницы газет сообщения о взрывах в городах со стареющей инфраструктурой. Предсказать, где могут возникнуть «умные» города, заботящиеся об уменьшении отходов, трудно. В качестве вероятного кандидата я представляю себе город-миллионник на Среднем Западе, нуждающийся в обновлении, поскольку его экономика была истощена еще десятки лет назад.

На ум приходит Индианаполис, в частности потому, что он нуждается в перестройке систем водоснабжения и канализации, созданных 100 лет назад на основе неудачных решений. Город инвестирует в свою деловую часть и находится на подъеме. Питтсбург стремится из города, узнаваемого по дымовым трубам, стать городом, славящимся своей интеллектуальной элитой, используя для этого имеющиеся у него активы — энергичный центр, составляющий гордость города, новаторское руководство мэра Уильяма Педуто (William Peduto), значимость Университета Карнеги — Меллона и других центров инновации. И вот компания Uber открыла в нем службу автономных автомобилей. Еще один город, приглядывающийся к передовым экспериментам по превращению в «умный», — столица штата Огайо Колумбус с крупным университетом. Министерство транспорта США недавно предоставило ему грант на $40 млн для обновления его подхода к мобильности.

Пути к достижению цели

Превращение расточительных городов в такие, где количество отходов уменьшается, а то, что остается, перерабатывается для повторного использования, будет нелегким делом. Федеральные инвестиции в НИОКР должны сочетаться с правильной политикой на всех уровнях власти. К сожалению, финансирование НИОКР недавно было сокращено, а при администрации Трампа оно может и еще уменьшиться.

Кроме того, инвестиции в НИОКР должны быть социально продуманными. Исследования показывают, что в «умных» городах эти инвестиции направляются больше на технологии, чем на нужды горожан. При неправильной политике преимущества «умного» города могут идти на пользу больше тем, кто и так имеет доступ к интернету и передовым технологиям, что станет лишь увеличивать технологический разрыв вдобавок к другим социоэкономическим разрывам. Наконец, муниципалитеты должны помогать горожанам становиться более продвинутыми, поскольку каждый человек принимает решения по ресурсам всякий раз, когда что-либо покупает или даже просто щелкает выключателем.

Доступ к образованию и данным будет широчайшим. А подключение горожан потребует сотрудничества и взаимодействия: парки, игровые площадки, общественные территории, школы, религиозные и общественные организации были важными элементами преуспевающих городов, структура которых сложилась лет сто назад. И чем более «умными» будут становиться города, тем больше мы будем нуждаться в этих элементах старого мира, чтобы держаться вместе.

Перевод: И.Е. Сацевич

Автор: Майкл Уэббер (Michael E. Webber) — заместитель директора Энергетического института, один из директоров компании Clean Energy Incubator и профессор энергетики Техасского университета в Остине. Его последняякнига — «Жажда власти: энергия, вода и выживание человека» (Thirst for Power: Energy, Water, and Human Survival, 2016).

Источник: Журнал "В мире науки" за сентябрь 2017 года