Wytyczne doboru środków prewencji w celu ograniczania zagrożeń przy użytkowaniu urządzeń do pozyskiwania energii wiatrowej

Autor: dr inż. Marriusz Dąbrowski, CIOP-PIB, 2016 r.

Wstęp

W latach 2014-2028 przedsiębiorstwa energetyczne planują oddać do eksploatacji łącznie ponad 18 GW nowych mocy wytwórczych, z czego 7,5 GW to inwestycje w energetykę wiatrową. [1]. Według danych Ministerstwa Gospodarki [2] w latach 2005-2010 moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w Polsce zwiększyła się czternastokrotnie, a prognozy wskazują zwiększenie udziału elektrowni wiatrowych w produkcji energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii do 47% w 2020 r.

Na świecie notuje się stały wzrost liczby wypadków w elektrowniach wiatrowych zwanych również turbogeneratorami wiatrowymi [3]. W tematycznej bazie Caithness Windfarm [4] zarejestrowano ponad 1,5 tys. zdarzeń wypadkowych i różnego typu awarii związanych z elektrowniami wiatrowymi. Dotyczą one m.in. wypadków podczas prac transportowych, upadków, przygnieceń, przypadków uderzenia oderwaną z wirnika bryłą lodu, uszkodzeń konstrukcji (złamania wieży lub łopatki turbiny) oraz innych uszkodzeń mechanicznych, pożarów i eksplozji, przekroczeń dopuszczalnego hałasu oraz awarii elektrycznych (rys.1).

Wypadki związane z elektrowniami wiatrowymi w Polsce zgłaszane są do bazy danych Państwowej Inspekcji Pracy [5] od 2009 roku. Związane były one z pracami na etapie budowy elektrowni (montaż stalowych klinów do szalunku podstawy turbiny wiatrowej, prace spawalnicze prowadzone ok. 2 m poniżej poziomu posadowienia turbiny, szlifowanie spoiny wykonywanej podstawy wieży wiatrowej na wysokości ponad 3 m oraz ręczne malowanie płyty betonowej ustawionej ukośnie do pionu w specjalnym stojaku. Trzy z pośród tych wypadków było ciężkich (poparzenie płonącą benzyną, złamanie kręgosłupa po upadku z wysokości, amputacja pourazowa obu nóg po ich przygnieceniu betonową płytą, a jeden był śmiertelny (zmiażdżenie głowy w szczelinie na klin do szalunku podstawy turbiny wiatrowej).

W Sprawozdaniu Głównego Inspektora Pracy [6] wskazane zostały istotne nieprawidłowości podczas użytkowania elektrowni wiatrowych w Polsce wynikające często z niedostatecznej świadomości zagrożeń zarówno wśród pracodawców jak i pracowników. Dotyczą one zarówno stosowania ochronnych środków technicznych (np.: dojść do stanowisk pracy, dróg ewakuacyjnych, środków ochrony indywidualnej) jak i organizacyjnych (wydawania pisemnych poleceń, wykonywania prac, opracowania instrukcji wykonywania prac itp.). Wnioskiem z tego raportu jest postulat wzmocnienia działań prewencyjnych adresowanych do obu ww. grup.

* Nie uwzględniono wypadków powodowanych wyrzuceniem brył lodu powodujących urazy lub śmierć

Rys. 1. Wypadki i inne incydenty związane z elektrowniami wiatrowymi wg danych Caithness Windfarm [5]

Terminologia związana z pozyskiwaniem energii wiatrowej

• odnawialne źródło energii – odnawialne, niekopalne źródła energii obejmujące energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aerotermalną, energię geotermalną, energię hydrotermalną, hydroenergię, energię fal, prądów i pływów morskich, energię otrzymywaną z biomasy, biogazu, biogazu rolniczego oraz z biopłynów [7]
• instalacja odnawialnego źródła energii -  instalacja stanowiącą wyodrębniony zespół:

a) urządzeń służących do wytwarzania energii i wyprowadzania mocy, w których energia elektryczna lub ciepło są wytwarzane z odnawialnych źródeł energii lub

b) obiektów budowlanych i urządzeń stanowiących całość techniczno-użytkową służący do wytwarzania biogazu rolniczego

- a także połączony z tym zespołem magazyn energii, w tym magazyn biogazu rolniczego; [7]

• farma wiatrowa (park wiatrowy) - zespół urządzeń produkujących energię elektryczną wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe lub inaczej: zespół elektrowni wiatrowych wraz z infrastrukturą towarzyszącą.
• elektrownia wiatrowa (turbogenerator wiatrowy, wiatrak) - autonomiczna jednostka wytwórcza składająca się z:

-    wieży nośnej z fundamentem;

-    gondoli;

-    turbiny wiatrowej;

-    kabli wyprowadzających energię;

-    układów sterowania elektrownią wiatrową wraz z układami pomiarowymi oraz systemami telekomunikacji. [3]

• wieża nośna - zadaniem wieży jest umieszczenie wirnika turbiny na odpowiedniej wysokości nad poziomem gruntu w celu lepszego wykorzystania wiatru.  Wieże mogą być rurowe, kratownicowe lub betonowe. Wieże elektrowni wiatrowych montuje się na trwałym fundamencie. Najczęściej obecnie stosowanymi wieżami są wieże wykonane z rur ze stali nierdzewnej. Wieżę składa się na miejscu budowy z elementów, co ułatwia znacznie transport i montaż.
• gondola - część elektrowni wiatrowej łącząca turbinę wiatrową z wieżą nośną, zawierająca generator, przekładnię, (jeżeli w danym typie elektrowni występuje), łożyska, przekształtnik energoelektroniczny, układy smarowania, chłodzenia, hamowania, transformator blokowy (w większych elektrowniach) oraz układy sterowania położeniem turbiny względem wiatru; [3]
• turbina wiatrowa - urządzenie zawierające wirnik turbiny, składający się piasty z łopatami oraz układami sterowania ich położeniem, zamieniające energię kinetyczną wiatru na pracę mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika. Zasadnicza część elektrowni wiatrowej, czasem z nią utożsamiana.
• koło wiatrowe - powierzchnia utworzona przez ruch łopat wirnika.

Typowe technologie stosowane do pozyskiwania energii wiatrowej

Budowane aktualnie elektrownie (turbozespoły) wiatrowe mają zazwyczaj poziomą oś obrotu turbiny z trzema łopatami (rys. 2).

Rys. 2. Typowa elektrownia wiatrowa z poziomą osią obrotu: a) gondola; b) łopata turbiny; c) wieża; d) wejście do wieży.

W większości przypadków główny element wyposażenia elektrycznego elektrow­ni wiatrowych podłączonych do systemu elektroenergetycznego (zwykle sieci średniego napięcia) stanowią generatory asynchroniczne lub synchroniczne. W celu dostosowania prędkości wirowania wirnika generatora do prędkości turbin wiatrowych wykorzystuje się przekładnie mechaniczne, jednak w wielu współczesnych turbozespołach wiatrowych stosuje się rozwiązania z bezpośrednim połączeniem generatora z turbiną, dzięki czemu osiągana jest większa sprawność energetyczna.

Drugim istotnym elementem w układzie elektrycznym elektrowni wiatrowej jest transformator blokowy, który może być umieszczony wewnątrz gondoli (w przypadku turbozespołów o większej mocy znamionowej), w dolnej części wieży (u jej podstawy, pod posadzką na poziomie wejścia) lub w osobnym kontenerze, obok wieży.

Obecnie trwają intensywne prace rozwojowe nad konstrukcjami turbozespołów wiatrowych o pionowej osi obrotu.

Rozwiązanie to jest korzystniejsze z następujących względów:

• działa niezależnie od kierunku wiatru (bez potrzeby obracania gondoli z turbiną, jak to ma miejsce z elektrowniach z poziomą osią obrotu);
• ma znacznie większą sprawność energetyczną;
• uruchamia się przy mniejszej prędkości wiatru niezbędnej do działania turbozespołu (ok. 0,8 m/s, podczas gdy w turbozespołach z pionową osią obrotu wymagane jest min. 2 ÷ 3 m/s);
• ma mniejsze rozmiary i umożliwia lepsze wykorzystanie miejsca (możliwe jest bliższe rozmieszczenie poszczególnych turbozespołów w parku wiatrowym);
• nie występuje w tym przypadku efekt stroboskopowy;
• wytwarza znacznie mniejszy hałas.

Wadą tego rozwiązania są jednak nieduże jak na razie moce uzyskiwane z tego typu turbozespołów.

Wymagania prawne i normatywne dotyczące energetyki wiatrowej

Regulacje prawa krajowego w zakresie budowy i eksploatacji farm wiatrowych obejmują jeszcze więcej aktów prawnych w randze ustawy, niż w przypadku farm fotowoltaicznych. Zgodnie z opracowaniem Instytutu Sobieskiego [9] do najistotniejszych należą przepisy ustawy:  

• o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym [10],
• Prawo budowlane [11],
• Prawo energetyczne [12],
• o ochronie gruntów rolnych i leśnych [13],
• Prawo ochrony środowiska [14],
• o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko [15],
• o ochronie przyrody [16],
• Prawo lotnicze [17],
• Prawo wodne [18].

Do najważniejszych aktów wykonawczych dotyczących urządzeń do pozyskiwania energii wiatrowej należy zaliczyć rozporządzenia w sprawie:

• zasadniczych wymagań dla maszyn [19], oraz adresowane do użytkowników
• minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy [20],
• ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [21],
• dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku [22],
• dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów [23],
• rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko [24],
• bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach energetycznych [25].
  
  

Oprócz dokumentów prawnych, istnieje również wiele norm bezpieczeństwa odnoszących się do turbozespołów wiatrowych [26-43]. Zawierają one jednak wymagania odnoszące się do samych urządzeń, a nie do bezpieczeństwa ich użytkowania, które związane jest m.in. ze szkoleniami operatorów elektrowni wiatrowych do prac na wieży, turbinie i w gondoli oraz ucieczkowych technikach alpinistycznych. Pierwsze oficjalne opracowanie specjalistyczne na temat bezpieczeństwa użytkowania elektrowni wiatrowych powstało dopiero w 2014 roku w Niemczech [44].