Die Mine wird jedes Jahr tiefer – laut Branchenberichten 30 m.
Mit zunehmender Tiefe steigt auch der Bedarf an Belüftung und Kühlung, und Howden weiß dies aus Erfahrung bei der Arbeit mit den tiefsten Minen Südafrikas.
Howden wurde 1854 von James Howden in Schottland als Schiffsbauunternehmen gegründet und expandierte in den 1950er Jahren nach Südafrika, um die Bedürfnisse der Bergbau- und Energieindustrie zu erfüllen. In den 1960er Jahren stattete das Unternehmen die tiefen Goldminen des Landes mit allen erforderlichen Belüftungs- und Kühlsystemen aus, um kilometerweit Erz sicher und effizient zu fördern.
„Anfangs wurde in der Mine nur Belüftung als Kühlmethode verwendet, aber mit zunehmender Abbautiefe wurde eine mechanische Kühlung erforderlich, um die steigende Wärmebelastung in der Mine auszugleichen“, erklärte Teunes Wasserman, Leiter der Abteilung Minenkühlung und Kompressoren von Howden, gegenüber IM.
In vielen Tiefsee-Goldminen in Südafrika sind über und unter der Erde Freon™-Kreiselkühler installiert, um die notwendige Kühlung für das Personal und die Ausrüstung unter Tage zu gewährleisten.
Trotz der Verbesserung des Status quo erwies sich das Wärmeableitungssystem der Untertagemaschine als problematisch, da die Kühlleistung der Maschine durch Temperatur und verfügbare Abluftmenge begrenzt war, so Wasserman. Gleichzeitig führte die Qualität des Grubenwassers zu starker Verschmutzung der Rohrbündelwärmetauscher, die in diesen frühen Kreiselkühlern verwendet wurden.
Um dieses Problem zu lösen, begannen die Minen, kalte Luft von der Oberfläche in den Boden zu pumpen. Dies erhöht zwar die Kühlleistung, die notwendige Infrastruktur nimmt jedoch Platz im Silo ein, und der Prozess ist sowohl energie- als auch energieintensiv.
Um diese Probleme zu lösen, möchten Bergwerke die Menge an kalter Luft, die durch Kühlwassereinheiten in den Boden geleitet wird, maximieren.
Dies veranlasste Howden, Amino-Schneckenkühler in südafrikanischen Minen einzuführen, zunächst parallel zu den bestehenden Oberflächen-Zentrifugalkühlern. Dies führte zu einer deutlichen Erhöhung der Kühlmittelmenge, die diesen tief unter Tage liegenden Goldminen zugeführt werden kann, wodurch die durchschnittliche Oberflächenwassertemperatur von 6–8 °C auf 1 °C gesenkt werden konnte. Die Mine kann die gleiche, vielfach bereits installierte Minen-Pipeline-Infrastruktur nutzen und gleichzeitig die in tiefere Schichten eingebrachte Kühlmenge deutlich erhöhen.
Etwa 20 Jahre nach der Einführung des WRV 510 entwickelte Howden, ein führender Anbieter auf diesem Gebiet, den WRV 510, einen großen Blockschraubenkompressor mit einem 510-mm-Rotor. Er war damals einer der größten Schraubenkompressoren auf dem Markt und entsprach der Größe des Kühlmoduls, das zur Kühlung der südafrikanischen Tiefseeminen benötigt wurde.
„Das ist ein entscheidender Vorteil, da Bergwerke nun eine einzige 10-12-MW-Kältemaschine anstelle mehrerer installieren können“, sagte Wasserman. „Gleichzeitig eignet sich Ammoniak als umweltfreundliches Kältemittel gut für Kombinationen aus Schraubenkompressoren und Plattenwärmetauschern.“
Ammoniakaspekte wurden in Spezifikationen und Sicherheitsnormen für die Bergbauindustrie formalisiert, wobei Howden eine wichtige Rolle im Designprozess spielte. Diese wurden aktualisiert und in die südafrikanische Gesetzgebung aufgenommen.
Dieser Erfolg wird durch die Installation einer Ammoniak-Kälteleistung von über 350 MW durch die südafrikanische Bergbauindustrie belegt, die als die größte der Welt gilt.
Doch Howdens Innovationen in Südafrika hörten hier nicht auf: 1985 ergänzte das Unternehmen sein wachsendes Sortiment an Minenkühlern um eine Oberflächeneismaschine.
Da die Kühloptionen an der Oberfläche und im Untergrund maximiert werden oder als zu teuer erachtet werden, benötigen Bergwerke eine neue Kühllösung, um den Bergbau auf noch tiefere Ebenen ausdehnen zu können.
Howden installierte seine erste Eisherstellungsanlage (Beispiel unten) 1985 in der EPM (East Rand Proprietary Mine) östlich von Johannesburg, die über eine Gesamtkühlleistung von rund 40 MW und eine Eiskapazität von 4320 t/h verfügt.
Grundlage des Betriebs ist die Bildung von Eis an der Oberfläche und dessen Transport durch die Mine zu einem unterirdischen Eisdamm. Dort wird das Wasser in unterirdischen Kühlstationen zirkuliert oder als Prozesswasser für Bohrlöcher verwendet. Das geschmolzene Eis wird anschließend wieder an die Oberfläche gepumpt.
Der Hauptvorteil dieses Eisbereitersystems liegt in den geringeren Pumpkosten, die die Betriebskosten von Oberflächenkühlwassersystemen um etwa 75–80 % senken. Dies liege an der inhärenten „Kühlenergie, die in den Phasenübergängen des Wassers gespeichert ist“, so Wasserman. 1 kg/s Eis entspräche der gleichen Kühlleistung wie 4,5–5 kg/s gefrorenes Wasser.
Aufgrund der „überlegenen Positionierungseffizienz“ kann der unterirdische Damm bei 2–5 °C gehalten werden, um die thermische Leistung der unterirdischen Luftkühlstation zu verbessern und so wiederum die Kühlkapazität zu maximieren.
Ein weiterer Vorteil der besonderen Bedeutung eines Eiskraftwerks in Südafrika, einem Land, das für sein instabiles Stromnetz bekannt ist, ist die Fähigkeit des Systems, als Wärmespeichermethode verwendet zu werden, bei der Eis in unterirdischen Eisdämmen und während Spitzenzeiten erzeugt und angesammelt wird.
Der letztgenannte Vorteil hat zur Entwicklung eines von Eskom unterstützten Industriepartnerschaftsprojekts geführt, in dessen Rahmen Howden den Einsatz von Eismaschinen zur Reduzierung der Spitzenlast bei der Stromnachfrage untersucht. Dazu werden Testfälle in Mponeng und Moab Hotsong durchgeführt, den tiefsten Untertageminen der Welt.
„Wir haben den Damm nachts (nach Feierabend) eingefroren und Wasser und geschmolzenes Eis als Kühlquelle für die Mine während der Spitzenzeiten genutzt“, erklärte Wasserman. „Die Basiskühlanlagen werden während der Spitzenzeiten abgeschaltet, was die Netzbelastung reduziert.“
Dies führte zur Entwicklung einer schlüsselfertigen Eismaschine in Mponeng, wo Howden die Arbeiten einschließlich der Bau-, Elektro- und mechanischen Ausrüstung für eine 12-MW-Eismaschine mit 120 t/h übernahm.
Zu den jüngsten Ergänzungen der zentralen Kühlstrategie von Mponeng zählen Weicheis, Oberflächenkühlwasser, Oberflächenluftkühler (BACs) und ein unterirdisches Kühlsystem. Das Vorhandensein erhöhter Konzentrationen gelöster Salze und Chloride im Grubenwasser während der Arbeit.
Südafrikas großer Erfahrungsschatz und sein Fokus auf Lösungen, nicht nur auf Produkte, verändern weiterhin Kühlsysteme auf der ganzen Welt, sagt er.
Wie Wasserman erwähnte, ist es angesichts der zunehmenden Tiefe und Platzverhältnisse in den Minen leicht, ähnliche Lösungen auch in anderen Teilen der Welt zu finden.
Meinhardt sagte: „Howden exportiert seine Tiefkühltechnologie seit Jahrzehnten nach Südafrika. So haben wir beispielsweise bereits in den 1990er Jahren Kühllösungen für unterirdische Goldminen in Nevada geliefert.“
„Eine interessante Technologie, die in einigen südafrikanischen Minen zum Einsatz kommt, ist die Speicherung von Thermaleis zur Lastübertragung – thermische Energie wird in großen Eisdämmen gespeichert. Eis wird in Spitzenzeiten produziert und verbraucht“, sagte er. „Traditionell sind Kühlaggregate für eine maximale Umgebungstemperatur ausgelegt, die in den Sommermonaten drei Stunden pro Tag erreichen kann. Wenn man jedoch die Möglichkeit hat, Kühlenergie zu speichern, kann man diese Kapazität reduzieren.“
„Wenn Sie einen Tarif mit relativ hohen Spitzentarifen haben und außerhalb der Spitzenzeiten auf günstigere Tarife umsteigen möchten, können diese Eisherstellungslösungen ein überzeugendes Geschäftsargument sein“, sagte er. „Das Anfangskapital für die Anlage kann die niedrigeren Betriebskosten ausgleichen.“
Gleichzeitig gewinnt BAC, das seit Jahrzehnten in südafrikanischen Minen eingesetzt wird, weltweit immer mehr an Bedeutung.
Im Vergleich zu herkömmlichen BAC-Designs zeichnen sich BACs der neuesten Generation durch einen höheren thermischen Wirkungsgrad, niedrigere Grenzwerte für die Grubenlufttemperatur und einen geringeren Platzbedarf aus. Sie integrieren außerdem ein Cooling-on-Demand-Modul (CoD) in die Howden Ventsim CONTROL-Plattform, das die Kragenlufttemperatur automatisch an den Bedarf im Untergrund anpasst.
Im vergangenen Jahr hat Howden drei BACs der neuen Generation an Kunden in Brasilien und Burkina Faso geliefert.
Das Unternehmen ist auch in der Lage, maßgeschneiderte Lösungen für schwierige Betriebsbedingungen zu produzieren; ein aktuelles Beispiel ist die „einzigartige“ Installation von BAC-Ammoniakkühlern für OZ Minerals in der Carrapateena-Mine in Südaustralien.
„Howden hat in Australien aufgrund fehlenden Wassers Trockenkondensatoren mit Ammoniakkompressoren und geschlossenen Trockenluftkühlern installiert“, so Wasserman über die 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 Betriebszeitüberwachung für ein 8-MW-BAC-Kraftwerk an Land (siehe Abbildung unten), das in der Yaramoko Fortuna Silver-Mine (ehemals Roxgold) in Burkina Faso geplant und gebaut wurde.
Das vom Howden-Werk in Johannesburg gesteuerte System ermöglicht es dem Unternehmen, Empfehlungen zu möglichen Effizienzsteigerungen und Wartungsarbeiten abzugeben, um den optimalen Betrieb des Werks zu gewährleisten. Auch die BAC-Anlage im Caraiba-Bergbaukomplex in Ero Copper, Brasilien, ist für diese Funktion ausgelegt.
Die Plattform Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) baut weiterhin nachhaltige, wertschöpfende Beziehungen auf und das Unternehmen wird im Jahr 2021 zwei Machbarkeitsstudien zum Thema Ventilation On Demand (VoD) im Land starten.
Direkt an der Grenze zu Simbabwe arbeitet das Unternehmen an einem Projekt, das Video-on-Demand für automatische Türen in Untertagebergwerken ermöglichen soll. So können sich diese in unterschiedlichen Intervallen öffnen und je nach den spezifischen Bedürfnissen des Fahrzeugs genau die richtige Menge an Kühlluft liefern.
Diese Technologieentwicklung unter Verwendung vorhandener Bergbauinfrastruktur und handelsüblicher Datenquellen wird ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Produkte von Howden sein.
Die Howden-Erfahrung in Südafrika: Erfahren Sie, wie Sie Kühllösungen entwickeln, um mit der schlechten Wasserqualität in den dortigen Tiefengoldminen umzugehen, wie Sie Lösungen so energieeffizient wie möglich gestalten, um Netzprobleme zu vermeiden, und wie Sie einige der strengsten Anforderungen an die Luftqualität, Temperatur und Arbeitsgesundheit weltweit erfüllen. Die Regulierung – wird sich für Minen auf der ganzen Welt auch weiterhin auszahlen.
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