Энергетика

Экологические аспекты использования ветроэнергетических установок

Развитие ветроэнергетики в мире набирает обороты. Эта тенденция в значительной мере определяется заботой большинства стран о своем экологическом благополучии и как следствие — ужесточением экологических требований.

Расширение масштабов применения ВЭУ изменит обстановку и улучшит экологическую ситуацию, обеспечит экономию топливных ресурсов.

К концу 2005 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в мире составляла около 60 ГВт, всеми этими установками в том же году выработано около 150 млрд кВт · ч электроэнергии. Использование ВЭУ позволило в 2005 г. уменьшить выбросы диоксида углерода на 0,24%, что в абсолютном выражении составляет 42,5 млн т.

Рассмотрим факторы и последствия воздействия ВЭУ на природную среду.

Вред, наносимый животным и птицам

С самого начала развития ветроэнергетики возникали вопросы о возможном вреде, наносимом ВЭУ животным и птицам. Агрегаты в то время были небольших размеров, мощностью до 100 кВт. Такие ВЭУ имеют высокую частоту вращения лопастей (300–450 об/мин), что является препятствием для прямого пролета птиц. Первое время при размещении мелких ВЭУ вблизи гнездований птицы гибли довольно часто. В дальнейшем размеры ВЭУ росли, частота вращения лопастей падала, и число погибших птиц резко уменьшилось. В настоящее время частота вращения ВЭУ мощностью 1–2 МВт составляет от 10 до 30 об/мин, а ВЭУ мощностью 3–4,5 МВт — 8–14 об/мин. Это значит, что для птиц лопасти стали достаточно медленно движущимся объектом.

ВЭУ значительно менее опасны для птиц, чем высоковольтные линии электропередач. Ветропарк мощностью 7,5 МВт по опасности сопоставим с одним километром магистрального шоссе. Птицы быстро адаптируются к присутствию ВЭУ и учатся избегать ротора турбины, а перелетные птицы часто меняют курс на большом расстоянии от ВЭУ. Оценка ежегодной смертности птиц от различных причин, выполненная в Нидерландах, показывает, что смертность от ветротурбин в 300 раз ниже, чем от движущегося транспорта, и в 70 раз ниже, чем от охотников.

Шум

В целом ВЭУ не слишком шумные машины по сравнению с другими механизмами соизмеримой мощности (таблица 1).

Имеются два источника шума от ВЭУ. Один из них — механическое и электрическое оборудование ВЭУ (редуктор и генератор). Эта составляющая шума называется механической. Другая составляющая возникает от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки, и она называется аэродинамической.

Таблица 1. — Уровень шума в сравнении с шумом от ВЭУ

Источник шума/деятельность Уровень шума, дБ
Болевой порог человеческого слуха140
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м105
Шум от отбойного молотка в 7 м95
Шум от грузовика при скорости 48 км/ч на удалении от него в 100 м65
Общий шумовой фон в офисе60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч55
Шум от ветрофермы в 350 м от нее35–45
Шумовой фон в тихой спальне20
Шумовой фон ночью в деревне20–40

Механический шум обычно представляет собой главную проблему, но он может быть значительно снижен за счет применения «тихих» редукторов, подъема основного оборудования на значительную высоту и применения звукоизолирующих материалов в гондоле. За последнее время большое распространение получили ВЭУ фирмы Enercom. Это безредукторные установки с переменной частотой вращения и мощностью от 600 кВт до 3,5 МВт. В таких ВЭУ резко сократился уровень шума при увеличении КПД за счет исключения одного звена передачи механической энергии.

Уровень аэродинамического шума зависит от формы лопастей, взаимодействия воздушного потока с лопастями и башней, от типа регулирования ВЭУ (поворотно-лопастная или без поворота лопастей), от условий турбулентности воздуха.

Большинство современных ВЭУ в непосредственной близости от места их сооружения генерируют при скорости ветра 10 м/с шум порядка 95–103 дБ. Это соответствует уровню шума на обычном промышленном предприятии. Однако уже на расстоянии 100 м от ВЭУ уровень шума понижается до 50 дБ, на расстоянии 300 м — менее 40 дБ. На большем удалении работа ВЭУ трудно прослушивается на фоне шума окружающей среды. Именно исходя из этого во многих странах приняты законы, ограничивающие минимальное расстояние от ВЭУ до жилых домов до 300 м.

Визуальное воздействие

Это воздействие наиболее сложно поддается количественной оценке. Реакция на вид ВЭУ очень субъективна. Многие люди воспринимают их положительно, как символ чистой энергии, в то время как другие находят их нежелательным добавлением к пейзажу.

Большая часть ветротурбин сегодня устанавливается на трубных башнях, которые являются более эстетичными, чем решетчатые башни, распространенные в ранней стадии развития ветроэнергетики. Для улучшения эстетического вида ветротурбин и визуального обоснования новых проектов во многих крупных фирмах привлекаются профессиональные дизайнеры и ландшафтные архитекторы.

Проведенные в Европе исследования показали, что когда живущие поблизости от ветропарка люди вовлечены в ветроэнергетический бизнес (являются его акционерами или меньше платят за электроэнергию), их отношение к установкам становится в целом положительным. В целом ветроагрегаты вызывают положительные эмоции.

Влияние на прохождение радио- и телевизионных сигналов

В связи с ростом единичной мощности ВЭУ и, соответственно, с увеличением высоты башни ВЭУ свыше 100 м и размеров лопастей до 40–60 м обостряется вопрос грозозащиты лопастей. Лопасти крупных ВЭУ выполняются из стекловолокна, а для их защиты от ударов молнии внутри них закладываются алюминиевые проводники довольно значительного сечения, по которым ток при ударе молнии уходит в землю. Такие лопасти становятся своего рода зеркалами для прохождения радио- и телесигналов. ВЭУ, оснащенная подобными устройствами, становится препятствием для сигналов военных радаров. Большие площади земель вдоль морских побережий и в прибрежных акваториях являются площадками для крупных ветроферм. Это приводит к столкновению интересов военных, наблюдающих с помощью радаров за прибрежной акваторией и воздушным пространством, и ветроэнергетики.

Использование земли

Сами ВЭУ занимают только 1% всей территории парка. На остальной площади ветропарка вполне можно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что и происходит в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки обычно полностью находится под землей, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни установки. Нет никаких данных о том, что ветроустановки нарушают ведение пахотных работ или скотоводства. Данные о потребностях в площадях земельных участков при производстве электроэнергии различными способами приведены в таблице 2.

Таблица 2. — Удельная потребность в площади земельного участка для производства
1 ГВт · ч электроэнергии

Технология выработки энергииУдельный показатель площади земельного участка для производства 1 ГВт·ч за 30 лет (м2)
Геотермальный источник404
Энергия ветра800–1335
Солнечные элементы на полупроводниках3237
Пассивный солнечный нагрев3561
Уголь3642

В заключение отметим, что присущие ветроэнергетике экологические проблемы хотя и нуждаются в решении, но в целом не уменьшают ее достоинств, связанных прежде всего с сокращением потребления ископаемых видов топлива и вредных выбросов в атмосферу.

Влияние ветроэнергетики на природную среду

Факторы воздействия ВЭС на природную среду, а также последствия этого влияния и основные мероприятия по снижению и устранению отрицательных проявлений приведены в табл. 18.3.1. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Методы устранения негативного влияния ВЭУ на окружающую среду
Таблица 18.3.1
Методы устранения негативного влияния ВЭУ на окружающую среду

Под мощные промышленные ВЭС необходима площадь из расчета от 5 до 15 МВт/км2 в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь от 70 до 200 км2. Выделение таких площадей в промышленных регионах сопряжено с большими трудностями, хотя частично эти земли могут использоваться и под хозяйственные нужды. Например, в Калифорнии в 50 км от г. Сан-Франциско на перевале Алтамонт-Пасс земля, отведенная под парк мощной ВЭС, одновременно служит для сельскохозяйственных целей.

Проблема использования территории упрощается при размещении ВЭС на акваториях. Например, предложения по созданию мощных ВЭС на мелко-водных акваториях Финского залива и Ладожского озера не связаны с изъятием больших территорий из хозяйственного, пользования. Из отводимой площади акватории для ВЭС непосредственно под сооружения для ВЭУ понадобится лишь около 2 %. В Дании дамба, на которой установлен парк ВЭУ, одновременно является пирсом для рыболовных судов. Использование территории, занятой ветровым парком, под другие цели зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. У больших ВЭУ лопасть при отрыве может быть отброшена на 400–800 м.

Наиболее важный фактор влияния ВЭС на окружающую среду – это акустическое воздействие. В зарубежной практике выполнено достаточно исследований и натурных изменений уровня и частоты шума для различных ВЭУ с ветроколесами, отличающимися конструкцией, материалами, высотой над землей, и для разных природных условий (скорость и направление ветра, подстилающая поверхность и т. д.).

Шумовые эффекты от ВЭУ имеют разную природу и подразделяются на механические (шум от редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические воздействия. Последние, в свою очередь, могут быть низкочастотными (менее 16-20 Гц) и высокочастотными (от 20 Гц до нескольких кГц). Они вызваны вращением рабочего колеса и определяются следующими явлениями: образованием разряжения за ротором или ветроколесом с устремлением потоков воздуха в некую точку схода турбулентных потоков; пульсациями подъемной силы на профиле лопасти; взаимодействием турбулентного пограничного слоя с задней кромкой лопасти.

Удаление ВЭС от населенных пунктов и мест отдыха решает проблему шумового эффекта для людей. Однако шум может повлиять на фауну, в том числе на морскую фауну в районе экваториальных ВЭС. По зарубежным данным, вероятность поражения птиц ветровыми турбинами оценивается в 10%, если пути миграции проходят через ветровой парк. Размещение ветровых парков повлияет на пути миграции птиц и рыб для экваториальных ВЭС.

Высказываются предположения, что экранирующее действие ВЭС на пути естественных воздушных потоков будет незначительным и его можно не принимать во внимание. Это объясняется тем, что ВЭУ используют небольшой приземный слой перемещающихся воздушных масс (около 100-150 м) и притом не более 50 % их кинетической энергии. Однако мощные ВЭС могут оказать влияние на окружающую среду: например, уменьшить вентиляцию воздуха в районе размещения ветрового парка. Экранирующее действие ветрового парка может оказаться эквивалентным действию возвышенности такой же площади и высотой порядка 100-150 м.

Помехи, вызванные отражением электромагнитных волн лопастями ветровых турбин, могут сказываться на качестве телевизионных и микроволновых радиопередач, а также различных навигационных систем в районе размещения ветрового парка ВЭС на расстоянии нескольких километров. Наиболее радикальный способ уменьшения помех – удаление ветрового парка на соответствующее расстояние от коммуникаций. В ряде случаев помех можно избежать, установив ретрансляторы. Этот вопрос не относится к категории трудноразрешимых, и в каждом случае может быть найдено конкретное решение

Неблагоприятные факторы ветроэнергетики:

  • шумовые воздействия, электро-, радио- и телевизионные помехи;
  • отчуждение земельных площадей;
  • локальные климатические изменения;
  • опасность для мигрирующих птиц и насекомых;
  • ландшафтная несовместимость, непривлекательность, визуальное невосприятие, дискомфортность;
  • изменение традиционных морских перевозок, неблагоприятные воздействия на морских животных.