ECOLOGICAL IMPACT OF WIND-DIESEL POWER PLANTS ON ECOSYSTEM AND POPULATION HEALTH

Full Text

Восточные регионы России (Дальний Восток, Восточная Сибирь) относят к экологически благополучным. Они обладают многочисленными объектами природного наследия, разнообразным животным и растительным миром. Эти территории вносят огромный вклад в поддержание глобальных функций биосферы, являясь своеобразным фильтром для загрязненных потоков воздуха [4]. Вместе с тем восточные регионы рассматриваются как стратегический потенциал для топливно-энергетического комплекса страны. В этих районах добываются 75 % нефти, 92 % газа, 15 % угля. К 2025 году намечается значительное их развитие. Прогнозируемое увеличение численности населения и количества объектов, нуждающихся в гарантированном электроснабжении, потребует широкомасштабной электрификации территорий [7]. При этом важная роль отводится малой распределенной энергетике. 3 Окружающая среда Экология человека 2015.12 Большинство экосистем восточных регионов характеризуются повышенной уязвимостью, и даже относительно небольшая антропогенная нагрузка может стать причиной необратимых изменений их естественных качеств [19]. Увеличение числа объектов электроэнергетики, обеспечивающих производство и распределение электроэнергии, приведет к повышению концентрации вредных веществ в атмосфере, увеличению уровня шума и электромагнитных полей, что может негативно сказаться на здоровье населения и экосистемах. Решение социально-экономических задач должно иметь экологическую направленность, то есть обеспечивать сохранение окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов [9]. Развитие малой распределенной энергетики предполагает строительство в непосредственной близости от потребителей генерирующих энергоустановок малой мощности, преимущественно ветродизельных электростанций (ВДЭС) [21]. Вопросы негативного воздействия объектов малой распределенной энергетики, в том числе ВДЭС, на человека и окружающую среду пока мало изучены. Их размещение вблизи мест постоянного нахождения людей обусловливает актуальность и необходимость проведения настоящих исследований. Цель исследований заключалась в изучении экологического воздействия на здоровье населения и окружающую среду восточных регионов России ветродизельных электростанций. Задачи исследования состояли в экологической оценке загрязнения атмосферы и физического загрязнения от ВДЭС. Методы Объектом исследования явились населенные пункты восточных регионов страны в условиях действия таких возникающих при работе ВДЭС вредных факторов, как загрязнение атмосферы, шум, электромагнитные поля. Выполнены расчеты приведенных масс выбрасываемых вредных веществ, удельных величин эмиссии парниковых газов, образования кислотных осадков и эвтрофикации (насыщение водоемов биогенными элементами) для 692 типов дизельных двигателей мощностью от 10 до 1 000 кВт, которые могут быть использованы в составе ВДЭС. Поскольку выхлопные газы дизельных двигателей содержат вредные вещества, имеющие различные величины предельно допустимой концентрации, их суммарное токсичное воздействие на человека принято оценивать по величине приведенной массы выброса [6]. Для определения приведенных масс годового выброса вредных веществ в атмосферу (М) и предельно допустимой концентрации вредных веществ (ПДКсс, ПДКрз) рассчитаны значения показателя относительной агрессивности (А): А. = а. ■ а. ■ 5. ■ 1. ■ ß, (1) ; і і і і г г х 7 где a - показатель относительной опасности при сутствия примеси в воздухе, вдыхаемом человеком (безразмерная величина); ai - поправка, учитывающая вероятность накопления исходной примеси или вторичных загрязнителей в компонентах окружающей среды (безразмерная величина); 5i - поправка, учитывающая действие на различные реципиенты помимо человека (безразмерная величина); 1 - поправка на вероятность вторичного заброса примесей в атмосферу после их оседания на поверхностях (безразмерная величина); ßj - поправка на вероятность образования при участии исходных примесей, выброшенных в атмосферу, других (вторичных) загрязнителей, более опасных, чем исходные (безразмерная величина). Приведенные массы годового выброса вредных веществ в атмосферу (М) [1] определялись по формуле: М = Е (А. ■ m), (2) где i - вид загрязняющего вещества (i = 1... N); mt - масса годового выброса примеси i-го вида в атмосферу (т/год); А. - показатель относительной агрессивности примеси i-го вида (усл. т/т); N - общее число примесей, выбрасываемых источником в атмосферу. Для расчета удельной величины эмиссии парниковых газов были использованы статистические данные коэффициентов выбросов для различных видов топлива [12] с учетом коэффициентов годовой эмиссии диоксида углерода (СО2) в атмосферу [20]. Удельные величины образования кислотных осадков и эвтрофикации были рассчитаны на основе средних удельных величин выбросов вредных веществ в атмосферный воздух [10] и с учетом потенциалов их образования [16]. Основным источником шума при работе ВДЭС является ветроэнергетическая установка (ВЭУ). Выполнены расчет уровня шума у источника и оценка изменения уровня шума по мере удаления от источника для 97 ВЭУ горизонтального типа в диапазоне мощностей от 1 до 1 000 кВт. Расчеты основаны на использовании выражения для уровня звуковой мощности ВЭУ с учетом фонового шума [2]: где LpA - уровень звуковой мощности, дБА; LAm - измеренный уровень фонового шума, дБА; R1 - наклонное расстояние в метрах от центра ветроколеса до точки установки микрофона, м; S0 - базовая площадь (принимается 1 м2); К0 - корректирующая поправка, соответствующая давлению, которое возникает при измерении уровня звукового давления на наземной плите (принимается 6 дБА). Для ВЭУ горизонтального типа: D R = H + у, (4) где Н - высота до оси ротора, м; D - диаметр ротора, м. 4 Экология человека 2015.12 Окружающая среда Конструктивные параметры ВЭУ определены из информационной базы данных по энергоустановкам на возобновляемых источниках энергии [14]. Уровень фонового шума, складывающегося из шума ветра и посторонних фоновых шумов, оценен на основе шумовых характеристик [3] и принят равным 27 дБА. Для оценки изменения уровня шума по мере удаления от ВЭУ использовано выражение [13]: L = LpA - 20-log (r) + 10-log f) - ßa r - 10-log(Q), (5) где L - уровень шума в расчетной точке, дБА; r - расстояние от источника шума до расчетной точки, м; f - фактор направленности (принимается равным 1); ßa - коэффициент поглощения звука в воздухе (принимается 0,01 дБА/м); Q - пространственный угол излучения источника (принимается 4п рад). Допустимый уровень шума определялся по СН 2.2.4/2.1.8.562-96 [17]. При статистической обработке результатов расчета использовано программное обеспечение Microsoft Excel 2007. Результаты При эксплуатации ВДЭС источником загрязнения атмосферного воздуха является только дизельный двигатель. Его работа сопровождается выбросами в атмосферу таких вредных веществ, как оксиды азота (NO2 и NO), оксид углерода (СО), углеводороды (СН), диоксид серы ^О2), формальдегид (СН2О), сажа (С). В табл. 1 приведены необходимые в расчете приведенных масс выбрасываемых вредных веществ значения ПДК, поправок и показателя относительной агрессивности для этих веществ для дизельных двигателей. Таблица 1 Значения расчетных величин для выбрасываемых в атмосферу веществ Веще ство ПДКсс ПДКрз al ai 5i 1 ßi Аi NO2 0,085 0,04 133 1 1,5 1 1 199 NO 0,04 2 27,4 1 1,5 1 1 41,1 СО 3 20 1 1 1 1 1 1 СН 1,2 600 0,29 1 1 1 1 0,29 SÖ2 0,05 10 11 1 2 1 1 22 СН2О 0,035 0,003 756 1 1 1 1 756 С 0.05 4 17,3 2 1,2 1 1 41,5 Результаты расчета приведенных масс выбрасываемых вредных веществ для 692 дизельных двигателей установленной мощностью от 10 до 1 000 кВт показаны на рис. 1. Зависимость приведенных масс выброса вредных веществ от установленной мощности дизельных двигателей в составе ВДЭС представлена в табл. 2. Удельные значения приведенной массы выбрасываемых вредных веществ, отнесенные к единице мощности (т/год кВт), для дизельных двигателей приведены на рис. 2. Рис. 1. Зависимость приведенной массы выбрасываемых вредных веществ от мощности (Р) дизельных двигателей Таблица 2 Зависимость приведенных масс выброса вредных веществ от установленной мощности дизельных двигателей в составе ветродизельных электрических станций Установленная мощность дизельных двигателей в составе ВДЭС, кВт Приведенные массы выброса вредных веществ, т/год от 400 до 600 от 3000 до 6000 от 600 до 800 от 4000 до 8000 от 800 до 1000 от 5800 до 11800 Рис. 2. Удельная приведенная масса вредных веществ для дизельных двигателей Известно, что объекты малой распределенной энергетики имеют большие удельные показатели по сравнению с объектами крупной энергетики (традиционные электростанции). Это подтверждается результатами расчетов. Так, удельные приведенные массы выброса вредных веществ при работе дизельных двигателей в составе ВДЭС в 3-8 раз превышают известные значения [11] удельных показателей выброса вредных веществ при работе крупных тепловых электростанций (ТЭС). В табл. 3 сведены результаты расчета удельных величин эмиссии парниковых газов, образования кислотных осадков и эвтрофикации для ветровых и дизельных электростанций в сравнении со средними 5 Окружающая среда Экология человека 2015.12 значениями для ТЭС (установленной мощностью до 1 000 МВА). Таблица 3 Удельные величины эмиссии парниковых газов, образования кислотных осадков, эвтроф икации Источник энергии Удельная величина эмиссии парниковых газов, кг СО2 экв/ кВт-ч Удельная величина образования кислотных осадков, г SO2 экв / кВт-ч Удельная величина эвтрофи-кации, г (РО4)3-экв / кВт-ч ТЭС 0,294 2,73 0,17 Ветровые ЭС 0 0 0 Дизельные ЭС 0,202 5,39 1,15 Из данных табл. 3 следует: • удельная величина эмиссии парниковых газов для ТЭС превышает аналогичную величину для ВДЭС примерно в 1,45 раза; • удельные выбросы кислотных осадков от дизельных двигателей превышают удельные величины для ТЭС почти в 2 раза; • удельные выбросы веществ, вызывающих эв-трофикацию, от дизельных двигателей более чем в 6,5 раза выше удельных величин для ТЭС. То есть удельные выбросы кислотных осадков и веществ, вызывающих эвтрофикацию, для ВДЭС будут выше, чем при работе ТЭС. На рис. 3 представлены результаты расчета уровней шума в зависимости от удаленности расчетной точки для 97 ВЭУ горизонтального типа мощностью от 1 до 1 000 кВт. Допустимое значение уровня шума (ЬдОП) составляет 45 дБА. Из представленных результатов видно, что уровень шума у ВДЭС может достигать 90 дБА, но по мере удаления его уровень снижается. Чем меньше мощность ВЭУ, тем меньшее удаление от источника необходимо для достижения допустимого значения. Для большинства ВЭУ мощностью до 500 кВт уровень шума снижается до допустимого значения при удалении расчетной точки на 80-100 м. Обсуждение результатов Известно, что выбросы вредных веществ при работе электростанций на органическом топливе представляют наибольшую опасность для здоровья населения вследствие своей токсичности. Использование дизельного двигателя в составе ВДЭС сопровождается выхлопными газами, содержащими вредные вещества. Оксиды азота (NO2 и NO) могут частично окисляться до двуокиси (N02). Диоксид азота оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и слизистую оболочку глаза. Воздействие оксида углерода (СО) может повлечь изменение состава крови (вытесняет молекулы О2 в гемоглобине) и привести к нарушению нервной деятельности. Углеводороды (СН) могут влиять на эндокринный аппарат организма, сердечно-сосудистую систему, нарушать функции печени, приводят к снижению в крови содержания гемоглобина и эритроцитов. Вдыхание паров формальдегида (СН2О) отрицательно влияет на работу дыхательной, зрительной, нервной систем. При длительном воздействии на организм человека может возникнуть подавленное психическое состояние, мигрень, затрудняется дыхание. Сажа (С) может выступать в качестве универсального переносчика разнообразных химических агентов различной степени токсичности в организм человека. Диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NOJ - газы, способные образовывать кислотные осадки. Выпадение кислотных осадков, вызванное поступлением в атмосферу кислых газов, является причиной широкого спектра негативных последствий: вред, наносимый лесам, озерам и экосистемам, вырождение популяций рыб, разрушение зданий и исторических памятников. Кроме того, содержание SO2 в воздухе является маркером экспозиции для оценки особенностей влияния промышленных загрязнений на здоровье работающих на открытой территории [18]. Эвтрофикация представляет собой процесс увеличения содержания биогенных веществ в водных системах. Она может привести к тому, что некоторые виды растений начнут бурно развиваться, в то время как другие постепенно исчезать. Результаты расчета показывают, что удельные приведенные массы годового выброса вредных веществ в атмосферу для ВДЭС выше, чем для крупных тепловых электростанций. Также расчеты показали, что для ВДЭС будут выше удельные значения вы- Рис. 3. Зависимость уровня шума (L), создаваемого ветроэнергетической установкой в составе ветродизельной электростанции, от удаленности расчетной точки (r) и мощности ВЭУ (Р) б Экология человека 2015.12 Окружающая среда Рис. 4. Массы годового выброса вредных веществ в атмосферу при работе ветродизельных электростанций и крупных тепловых электростанций 240 220 200 130 160 140 120 100 80 60 40 20 Приведенная масса выброса, тыс. т/гад кВт * для дизельных двкг отелей 1 - - для тепловых элект »станций ! ' / / / ✓ ✓ и* Р, кВт 10 100 1000 10000 100000 бросов кислотных осадков и веществ, вызывающих эвтрофикацию. Однако воздействие ВДЭС носит чисто локальный характер. Радиус воздействия в зависимости от мощности ВДЭС составляет от 15 до 100 км (при радиусе воздействия ТЭС до 1 500 км). Вследствие этого в большинстве случаев нельзя суммировать воздействие от нескольких ВДЭС. Поэтому в абсолютных величинах у крупных ТЭС массы годового выброса вредных веществ в атмосферу, как и массы кислотных осадков и эвтрофикации, будут значительно выше (рис. 4). Из рис. 4 следует, что при мощности ТЭС более 5 МВт приведенная масса выброса вредных веществ будет превышать величину выброса для анализируемых дизельных двигателей. Время нахождения газов в атмосфере будет гораздо продолжительнее за счет высоких (до 300 м) труб, что увеличивает вероятность образования кислотных дождей и сокращения концентрации кислорода в воде. Значительное действие на организм человека оказывает шум. Влияние шума на здоровье может быть различным - от простого раздражения до серьезных патологических заболеваний всех внутренних органов и систем [5]. Шумовой раздражитель также негативно влияет на нервную систему человека, сердечно-сосудистую систему, вызывает сильное раздражение. Повышенный шум может стать причиной бессонницы, быстрого утомления, агрессивности, влиять на репродуктивную функцию и способствовать серьезному расстройству психики. Из результатов расчетов уровня шума для ВЭУ следует, что при эксплуатации ВДЭС уровень шума уменьшается до допустимой величины на расстоянии 80-100 м от энергоустановки. То есть при ширине санитарной зоны 100 м шум в жилых домах не превышает допустимых значений. Для сравнения, уровень шума снаружи здания ТЭС в среднем составляет 50-55 дБА при допустимом значении 45 дБА. Но все виды ТЭС удалены от потребителей на достаточно большие расстояния (десятки километров). К экологическим достоинствам применения ВДЭС в системах электроснабжения потребителей восточных регионов можно отнести следующее. ВДЭС вырабатывают электроэнергию на напряжении 0,4 кВ и не являются источником электромагнитного поля промышленной частоты. Объекты крупной энергетики (воздушные линии 110 кВ и трансформаторные подстанции) создают электромагнитные поля. При длительном пребывании человека в электромагнитном поле могут возникнуть неблагоприятные физиологические изменения, связанные с воздействием на нервную и сердечно-сосудистую систему (изменение давления, пульса, аритмия). Леса играют важную роль в жизни людей, поскольку 1 га леса поглощает 4 т/год СО2 и 30-50 т пыли/ год. Средняя продуктивность леса составляет 7 т/га год [15]. Значительные площади восточных регионов заняты лесами. При строительстве высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) протяженностью 100 км необходимо вырубить 200 га леса [8]. Размещение ВДЭС в непосредственной близости от потребителей не требует строительства ЛЭП и, следовательно, вырубки лесов. Проведенные теоретические исследования позволяют сделать вывод о том, что электрификация восточных регионов России на основе развития малой распределенной энергетики в целом будет иметь экологическую направленность. Антропогенная нагрузка при эксплуатации ВДЭС значительно ниже, чем от объектов централизованной энергетики. Однако исследование фактических данных воздействия ВДЭС на экологию с последующей разработкой м

About the authors

E N Sosnina

Nizhny Novgorod State Technical University name after R.E. Alekseev

Email: sosnina@nntu.nnov.ru

O V Masleeva

Nizhny Novgorod State Technical University name after R.E. Alekseev

A V Shalukho

Nizhny Novgorod State Technical University name after R.E. Alekseev

I A Lipuzhin

Nizhny Novgorod State Technical University name after R.E. Alekseev

References

Supplementary files