Экологические аспекты ветроэнергетики

Воздействие ветроэнергетических установок (ВЭУ) на окружающую среду и разработка природоохранных и компенсационных мероприятий изучены в нашей стране в гораздо меньшей степени, чем научные и технические основы создания ВЭУ, их строительства и эксплуатации. О ВЭУ создается идеализированное представление как о экологически «чистых» источниках энергии, хотя более корректно было бы говорить об ослаблении их воздействия на природу по сравнению с традиционной электроэнергетикой.

Экологическая оценка проектов ВЭУ должна определяться совокупностью всех факторов воздействия на окружающую среду, а затраты на обеспечение требуемого уровня экологической «чистоты» ВЭУ - учитываться при экономических расчетах эффективности создания и использования ВЭУ.

Экологические факторы воздействия ВЭУ на человека и фауну, требующие особого внимания и оценки, можно разделить на три группы:

1.Активные факторы: физическое воздействие на орнитофауну, акустический шум; вибрация; электромагнитное излучение, аварийные ситуации;

2.Пассивные факторы: помехи прохождения радиоволн; отторжение (блокировка) земельных территорий; психосоциальные («загрязнение» ландшафта, комфортность и др.)

3. Косвенные факторы: загрязнение окружающей среды в процессе производства ВЭУ.

Воздействие на фауну

Проводимые до настоящего времени серьезные исследования практически исключительно касались влияния работы ВЭУ на орнитофауну. Это обусловлено тем, что в странах с развитой ветроэнергетикой (западная Европа, Великобритания) наиболее интенсивное строительство ВЭУ ведется в обладающих наибольшими ресурсами ветровой энергии прибрежных зонах, дельтах рек, у больших озер,. Эти же зоны представляют собой места наибольшего скопления птиц. На птиц ВЭУ влияют непосредственно при столкновениях во время локальных миграций, так как сезонные миграции проходят на большой высоте. ВЭУ также делают зону своего размещения неблагоприятной и непривлекательной с точки зрения обитания птиц - кормления, отдыха, размножения.

Недавно по заказу комиссии ЕС консультационная фирма СЕА (экологические проблемы энергетики) совместно с Институтом экологической биологии Лейденского университета провела очередные исследования по проблеме «ВЭУ и птицы». По методике «черного ящика» выполнен анализ всех опубликованных в печати результатов исследований. Проанализированы ветроэнергетические программы стран Европы с точки зрения целесообразности выбора мест для размещения ВЭУ и опрошены ведущие экологические организации стран Северной Европы (Швеция, Нидерланды, Германия, Дания).

Некоторые исследователи считают, что в расчете на 1 км длины группа ВЭУ (25 ВЭУ мощностью по 300 кВт), влияет на птиц так же, как и автострада. Результаты исследований показывают, что группа ВЭУ мощностью 7,5 МВт, расположенная в прибрежной зоне, не более опасна для птиц, чем ЛЭП. Аналогичными исследованиями в Нидерландах установлено, что количество происшествий с птицами на 1 км группы ВЭУ такое же, как и для автомагистралей и несравнимо меньше, чем для ЛЭП. Специализированный журнал Wind Kraft Journal (Германия) отмечает отсутствие обоснованных результатов исследований о влиянии ВЭУ на орнитофауну, и приводит пример того, как между башнями группы из 100 ВЭУ в Тэндпибе (Дания) кормятся большие стаи полевых птиц, диких гусей, и на башнях ВЭУ гнездятся дикие птицы.

Отечественные данные по данному вопросу отсутствуют.

Акустический шум

В настоящее время в мировой практике действуют три документа, определяющие методики измерения шумовых характеристик ВЭУ для их сертификации. Эти документы изданы International Energy Agency (IEA), American Wind Energy Association (AWEA) и Commision of the Europen Communities (CEC). Однако изложенные в документах процедуры отличаются, так как приспособлены к национальным нормативам, что затрудняет взаимное проникновение ВЭУ на рынки сотрудничающих стран. Поэтому не вызывает сомнения необходимость создания единой сертификационной процедуры, основанной на полученном в последнее время опыте измерений акустических характеристик ВЭУ и ведущихся исследованиях.

Основные источники акустического шума и вибраций ВЭУ — гондола, ступица ветрового колеса(ВК), лопасти и башня. Существенное значение могут иметь резонансные колебания (особенно для ВЭУ с переменной частотой вращения ВК), шумы мультипликатора и эффективность применяемых шумопоглощающих (изолирующих) элементов.

Так, в лаборатории инженерной механики MITI (Ибараки, Япония) были проведены исследования акустических характеристик ВЭУ мощностью 15 кВт с ВК диаметром 15 м при скорости ветра 8 м/с. Ось вращения ВК — горизонтальная, на высоте 14,7 м. Коробка передач содержит мультипликатор (зубчатые шестерни) и коническую зубчатую передачу. Вал генератора расположен вертикально в цилиндрической металлической башне, имеющей фланцевые соединения на высотах 1,0, 6,5, и 13 м от ее основания.

Измерения собственных частот башни и акустических характеристик работающей ВЭУ показали, что имеют место флуктуации уровня шума, обусловленные крутильными колебаниями вала ветроколеса. Эти колебания вала передачи возникают при малых нагрузках. Кроме того, обнаружено, что частоты колебаний зубчатых передач могут оказаться в резонансе с частотами собственных колебаний башни. В результате возникают значительные вибрации.

В качестве другого примера приведем результаты исследований акустического шума двух ВЭУ мощностью 2 и-3 МВт. Основной источник шума этих ВЭУ — коробка передач. Факторами, определяющими уровень ее шума, считаются тип передачи, условия работы, конструкция, рабочие характеристики, размещение.

Уровень акустического шума планетарной передачи, обычно применяемой для таких ВЭУ, может быть приблизительно рассчитан по эмпирической формуле в функции передаваемой мощности. Другие источники шума, такие, как генератор, гидравлическое оборудование и лопасти, легко поддаются контролю известными методами.

Измерения уровня шума указанных ВЭУ показали, что площадь излучающих частей намного больше, чем сечение передачи звука изнутри кабины. Это приводит к увеличению уровня шума у основания башни на 5 дБ. Для звукоизоляции используются двойные стальные стенки с минеральным заполнителем (удельная масса поверхности 30 кг/м ).

Результаты измерений уровней шума, излучаемого различными частями ВЭУ, показывают их относительную значимость: гондола — 55, ступица — 47, лопасти — 49, башня — 29 дБ(А). Измерения проводились в точке на уровне земли в 115 м от башни по направлению ветра. Как видно, сравнительно сильное излучение идет от ступицы ВК. Это обусловлено тем, что она является внешней частью рабочего подшипника и выполнена из стали. Излучение от башни относительно невелико, так как она изготовлена из армированного бетона.

Наряду с исследованиями акустического шума отдельных ВЭУ в последнее время все большее внимание уделяется проблемам, возникающим при создании ВЭС. Так, в Нидерландах выполняется программа исследований ВЭС, в которой кроме таких важных задач, как оценка потерь энергии отдельных ВЭУ в составе ВЭС, взаимное экранирование ВЭУ, нагрузки на ВЭУ, работающих в турбулентном потоке, пульсации мощности ВЭС, управление ВЭС, создание помех телевидению, включены также вопросы шумового эффекта ВЭС в целом. Эта программа выполняется на базе ВЭС, работающей в энергосистеме Dutch Electricity Generating Board. ВЭС состоит из 18 ВЭУ мощностью по 300 кВт. Наибольший шум в этих ВЭУ создает редуктор, а в целом оборудование, размещенное внутри гондолы, генерирует шум на 2 дБ больше, чем лопасти ВК. При увеличении скорости ветра с 3 до 13 м/с и соответствующем увеличении генерирующей мощности уровень шума возрастает на 10 дБ

Вибрации.

В период строительства ВЭС, строительные работы могут оказывать обычное для строительно-монтажных операций вибрационное воздействие на площадку строительства. Меры снижения негативных воздействий принимаются строительными организациями в виде уменьшения вибраций оборудования и использования виброгасителей.

В период эксплуатации ВЭС, источником вибрации являются движущиеся, части ВЭУ, а именно лопасти ротора. По подтвержденным на практике расчетам, конструкция ВЭУ не передает вибрации на окружающую территорию, при условии, что вес ее неподвижной части в 16, и более, раз превышает вес ее подвижной части. Вес вращающихся частей ВЭУ предполагаемых для установки на ВЭС составляет приблизительно 15 тонн, вес неподвижной части - комплекса фундамента ВЭУ - около 400 тонн, т.е. вес неподвижной части больше чем в 20 раз превышает вес ее подвижной части. Таким образом, вибрация отдельных вращающихся элементов ВЭУ полностью затухает на уровне несущего элемента основания, и не будет влиять на прилегающую площадь.

Загрязнение атмосферы

Внедрение ВЭУ позволяет снизить загрязнение атмосферы вредными выбросами. Например, в Нидерландах планировалось установить ВЭС суммарной мощностью 1500 и 2000 МВт к 2005 и 2010 годам соответственно. При этом сокращение выбросов NOX составит 3,247 и 4,011 тыс. тонн, S02 — 0,665 и 0,763 тыс. тонн, С02 — 1,772 и 2,314 млн. тонн. Данные приведены с учетом развития электроэнергетики страны (изменение цен на топливо, затрат на охрану окружающей среды, внедрение новых типов тепловых электростанций, сокращение выработки энергии на АЭС). В провинции Альберта (Канада) каждый киловатт-час, произведенный на ВЭУ, предотвращает попадание в атмосферу 0,935 кг оксидов углерода, азота и серы. С помощью возобновляемых источников энергии (включая, естественно, ветроэнергетику) в Великобритании к 2010 г. может быть произведено 30% электроэнергии, при этом выбросы СО2 уменьшатся на 10%.

Воздействие на землепользование

В период эксплуатации ВЭС, ВЭУ будут видны на значительном расстоянии. Если турбины находятся между наблюдателями и солнцем, особенно в раннее и позднее время суток и в зимнее время, когда солнечные лучи падают под малым углом, может возникнуть стробоскопический эффект от мелькания теней, которые движущиеся роторы отбрасывают на землю или на другие объекты. Но даже при самых неблагоприятных условиях, мелькание тени будет кратковременным.

Зоны туризм и отдыха

Развитие ветроэнергетики может оказывать существенное влияние на привлекательность той или иной территории для туризма и отдыха. Обычно это характерно для проектов строительства ветропрков, так как вид большого количества ветроагрегатов может, как привлекать, так и отпугивать туристов. В этих случаях необходимо учитывать мнение общественности о таких проектах.