Laut Branchenberichten wird die Mine jedes Jahr tiefer – um 30 Meter.
Mit zunehmender Tiefe steigt auch der Bedarf an Belüftung und Kühlung, und Howden weiß das aus Erfahrung mit den tiefsten Minen Südafrikas.
Howden wurde 1854 von James Howden in Schottland als Schiffsmaschinenbauunternehmen gegründet und expandierte in den 1950er Jahren nach Südafrika, um den Bedarf der Bergbau- und Energiewirtschaft zu decken. In den 1960er Jahren trug das Unternehmen maßgeblich dazu bei, die tiefen Goldminen des Landes mit allen notwendigen Belüftungs- und Kühlsystemen auszustatten, um die Erzgewinnung kilometerweit unter der Erde sicher und effizient zu gestalten.
„Anfangs wurde in der Mine nur die Belüftung zur Kühlung eingesetzt, aber mit zunehmender Abbautiefe war eine mechanische Kühlung erforderlich, um die wachsende Wärmebelastung in der Mine auszugleichen“, sagte Teunes Wasserman, Leiter der Abteilung Minenkühlung und Kompressoren bei Howden, gegenüber IM.
In vielen Tiefgoldminen Südafrikas wurden Freon™-Zentrifugalkühler über und unter Tage installiert, um die notwendige Kühlung für das Personal und die Ausrüstung unter Tage zu gewährleisten.
Trotz der Verbesserung des Status quo erwies sich das Wärmeabfuhrsystem der Untertagemaschine als problematisch, da ihre Kühlleistung durch die Temperatur und die verfügbare Abluftmenge begrenzt war, so Wasserman. Gleichzeitig führte die schlechte Grubenwasserqualität zu starker Verschmutzung der in diesen frühen Zentrifugalkältemaschinen verwendeten Rohrbündelwärmetauscher.
Um dieses Problem zu lösen, begannen die Bergwerke, kalte Luft von der Oberfläche in den Boden zu pumpen. Dies erhöht zwar die Kühlleistung, jedoch beansprucht die notwendige Infrastruktur Platz im Silo, und das Verfahren ist sowohl energie- als auch energieintensiv.
Um diese Probleme zu lösen, wollen Bergwerke die Menge an kalter Luft, die durch Kaltwasseranlagen in den Untertagebereich geleitet wird, maximieren.
Dies veranlasste Howden, in südafrikanischen Minen Amino-Schraubenkühler einzuführen, zunächst in Kombination mit bereits vorhandenen Zentrifugalkühlern an der Oberfläche. Dadurch konnte die Kühlmittelmenge, die diesen tiefen Untertage-Goldminen zugeführt werden kann, deutlich erhöht und die durchschnittliche Oberflächenwassertemperatur von 6–8 °C auf 1 °C gesenkt werden. Die Mine kann die bestehende Rohrleitungsinfrastruktur, von der ein Großteil bereits installiert ist, weiter nutzen und gleichzeitig die Kühlleistung für tiefer liegende Schichten erheblich steigern.
Etwa 20 Jahre nach der Einführung des WRV 510 entwickelte Howden, ein führender Marktteilnehmer in diesem Bereich, den WRV 510, einen großvolumigen Schraubenkompressor mit einem 510-mm-Rotor. Er war damals einer der größten Schraubenkompressoren auf dem Markt und entsprach der benötigten Größe der Kältemaschinenmodule zur Kühlung der tiefen südafrikanischen Minen.
„Das ist ein Wendepunkt, denn Bergwerke können nun einen einzigen 10-12-MW-Kältemittelkühler anstelle mehrerer Kühler installieren“, sagte Wasserman. „Gleichzeitig eignet sich Ammoniak als umweltfreundliches Kältemittel hervorragend für Kombinationen aus Schraubenkompressoren und Plattenwärmetauschern.“
Die Bestimmungen zum Umgang mit Ammoniak wurden in Spezifikationen und Sicherheitsstandards für Ammoniak in der Bergbauindustrie formalisiert, wobei Howden eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess spielte. Diese wurden aktualisiert und in südafrikanisches Recht übernommen.
Dieser Erfolg zeigt sich unter anderem an der Installation von Ammoniak-Kälteanlagen mit einer Kapazität von mehr als 350 MW durch die südafrikanische Bergbauindustrie, die als die größte der Welt gilt.
Doch Howdens Innovationskraft in Südafrika hörte damit nicht auf: 1985 erweiterte das Unternehmen sein wachsendes Angebot an Grubenkühlern um eine Oberflächeneismaschine.
Da die Möglichkeiten der Oberflächen- und Untertagekühlung entweder ausgeschöpft sind oder als zu teuer gelten, benötigen Bergwerke eine neue Kühllösung, um den Abbau in tiefere Schichten ausdehnen zu können.
Howden installierte seine erste Eisproduktionsanlage (Beispiel unten) im Jahr 1985 in der EPM (East Rand Proprietary Mine) östlich von Johannesburg. Sie verfügt über eine Gesamtkühlleistung von rund 40 MW und eine Eisproduktionsleistung von 4320 t/h.
Das Verfahren basiert auf der Eisbildung an der Oberfläche und dem Transport des Eises durch die Mine zu einem unterirdischen Eisdamm. Dort wird das Wasser aus dem Eisdamm in unterirdischen Kühlstationen zirkuliert oder als Prozesswasser für Bohrungen verwendet. Das Schmelzwasser wird anschließend wieder an die Oberfläche gepumpt.
Der Hauptvorteil dieses Eisbereitungssystems liegt in den reduzierten Pumpkosten, wodurch die Betriebskosten von Oberflächenkühlsystemen um etwa 75–80 % gesenkt werden. Dies beruht auf der in den Phasenübergängen des Wassers gespeicherten Kühlenergie, erklärte Wasserman. Er erläuterte, dass 1 kg/s Eis die gleiche Kühlleistung wie 4,5–5 kg/s gefrorenes Wasser besitzt.
Dank der „überlegenen Positionierungseffizienz“ kann der unterirdische Damm auf 2-5°C gehalten werden, um die thermische Leistung der unterirdischen Luftkühlstation zu verbessern und so die Kühlleistung weiter zu maximieren.
Ein weiterer Vorteil, der die besondere Relevanz eines Eiskraftwerks in Südafrika, einem Land, das für sein instabiles Stromnetz bekannt ist, unterstreicht, ist die Möglichkeit, das System als Wärmespeicher zu nutzen, wobei Eis in unterirdischen Eisdämmen erzeugt und während Spitzenzeiten gespeichert wird.
Dieser Vorteil führte zur Entwicklung eines von Eskom unterstützten Industriepartnerschaftsprojekts, im Rahmen dessen Howden den Einsatz von Eismaschinen zur Reduzierung der Spitzenstromnachfrage untersucht. Testfälle werden in Mponeng und Moab Hotsong, den tiefsten Untertageminen der Welt, durchgeführt.
„Wir haben den Damm nachts (nach Betriebsschluss) eingefroren und das Wasser sowie das Schmelzwasser während der Spitzenzeiten zur Kühlung der Mine genutzt“, erklärte Wasserman. „Die Hauptkühlanlagen werden während der Spitzenzeiten abgeschaltet, wodurch die Belastung des Stromnetzes reduziert wird.“
Dies führte zur Entwicklung einer schlüsselfertigen Eismaschine in Mponeng, wo Howden die Arbeiten einschließlich der baulichen, elektrischen und mechanischen Ausrüstung für eine 12 MW, 120 t/h Eismaschine durchführte.
Zu den jüngsten Ergänzungen der Kernkühlstrategie von Mponeng gehören Weicheis, oberflächengekühltes Wasser, Oberflächenluftkühler (BACs) und ein Untertagekühlsystem. Das Vorhandensein erhöhter Konzentrationen gelöster Salze und Chloride im Grubenwasser während der Arbeiten.
Südafrikas reicher Erfahrungsschatz und der Fokus auf Lösungen statt nur auf Produkte tragen weiterhin zur Transformation von Kühlsystemen auf der ganzen Welt bei, sagt er.
Wie Wasserman bereits erwähnte, werden Lösungen wie diese, die man auch in anderen Teilen der Welt findet, immer deutlicher, wenn immer mehr Minen tiefer vordringen und mehr Platz in den Minen zur Verfügung steht.
Meinhardt sagte: „Howden exportiert seine Tiefbergbaukühlungstechnologie seit Jahrzehnten nach Südafrika. Beispielsweise lieferten wir in den 1990er Jahren Kühllösungen für Untertage-Goldminen in Nevada.“
„Eine interessante Technologie, die in einigen südafrikanischen Minen eingesetzt wird, ist die Speicherung von thermischem Eis zur Lastübertragung – Wärmeenergie wird in großen Eisdämmen gespeichert. Das Eis wird während der Spitzenzeiten produziert und genutzt“, erklärte er. „Herkömmliche Kälteanlagen sind für eine maximale Umgebungstemperatur ausgelegt, die in den Sommermonaten bis zu drei Stunden täglich erreichen kann. Durch die Speicherung von Kühlenergie lässt sich diese Kapazität jedoch reduzieren.“
„Wenn Sie einen Tarif mit relativ hohen Spitzenzeiten haben und in den Nebenzeiten auf günstigere Tarife umsteigen möchten, können diese Eisproduktionslösungen eine überzeugende Geschäftsmöglichkeit darstellen“, sagte er. „Die anfänglichen Investitionskosten für die Anlage können die niedrigeren Betriebskosten ausgleichen.“
Gleichzeitig gewinnt BAC, das in südafrikanischen Minen seit Jahrzehnten eingesetzt wird, weltweit immer mehr an Bedeutung.
Im Vergleich zu herkömmlichen BAC-Systemen weisen die neuesten BAC-Systeme eine höhere thermische Effizienz, niedrigere Grenzwerte für die Grubenlufttemperatur und eine geringere Stellfläche auf. Sie integrieren außerdem ein Modul für bedarfsgesteuerte Kühlung (CoD) in die Howden Ventsim CONTROL-Plattform, das die Lufttemperatur im Kühlraum automatisch an die Bedürfnisse unter Tage anpasst.
Im vergangenen Jahr lieferte Howden drei neue BAC-Systeme an Kunden in Brasilien und Burkina Faso.
Das Unternehmen ist auch in der Lage, kundenspezifische Lösungen für schwierige Betriebsbedingungen zu entwickeln; ein aktuelles Beispiel ist die „einzigartige“ Installation von BAC-Ammoniakkühlern für OZ Minerals in der Carrapateena-Mine in Südaustralien.
„Howden installierte in Australien Trockenkondensatoren mit Howden-Ammoniakkompressoren und geschlossenen Trockenluftkühlern, da kein Wasser zur Verfügung stand“, erklärte Wasserman zu der Installation. „Da es sich um eine Trockeninstallation und nicht um offene Sprühkühler in Wassersystemen handelt, sind diese Kühler auf maximale Effizienz ausgelegt.“
Das Unternehmen testet derzeit eine Lösung zur Überwachung der Betriebszeit für ein 8-MW-Onshore-BAC-Kraftwerk (siehe Abbildung unten), das in der Yaramoko Fortuna Silver Mine (ehemals Roxgold) in Burkina Faso entworfen und gebaut wurde.
Das vom Werk Howden in Johannesburg gesteuerte System ermöglicht es dem Unternehmen, Empfehlungen zu potenziellen Effizienzsteigerungen und Wartungsarbeiten abzugeben, um einen optimalen Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Auch die BAC-Anlage im Minenkomplex Caraiba von Ero Copper in Brasilien ist für die Nutzung dieser Funktion ausgelegt.
Die Plattform Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) baut weiterhin nachhaltige Wertschöpfungsbeziehungen auf und das Unternehmen wird im Jahr 2021 zwei Machbarkeitsstudien für Ventilation On Demand (VoD) im Land durchführen.
Direkt an der Grenze zu Simbabwe arbeitet das Unternehmen an einem Projekt, das Video-on-Demand für automatische Türen in Untertagebergwerken ermöglichen soll. Dadurch können sich die Türen in unterschiedlichen Abständen öffnen und je nach Bedarf des Fahrzeugs genau die richtige Menge an Kühlluft zuführen.
Diese Technologieentwicklung, die auf bestehender Mining-Infrastruktur und handelsüblichen Datenquellen basiert, wird ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Produkte von Howden sein.
Die Howden-Erfahrung in Südafrika: Erfahren Sie, wie Kühllösungen für die schlechte Wasserqualität in den tiefen Goldminen entwickelt werden, wie diese Lösungen so energieeffizient wie möglich gestaltet werden, um Netzprobleme zu vermeiden, und wie einige der strengsten Anforderungen an Luftqualität, Temperatur und Arbeitsschutz weltweit erfüllt werden.
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