La mine s'approfondit chaque année – de 30 m, selon les rapports de l'industrie.
Plus la profondeur augmente, plus les besoins en ventilation et en refroidissement augmentent également, et Howden le sait par expérience grâce à son travail dans les mines les plus profondes d'Afrique du Sud.
Fondée en 1854 en Écosse par James Howden, la société Howden, initialement spécialisée dans l'ingénierie maritime, s'est implantée en Afrique du Sud dans les années 1950 pour répondre aux besoins des industries minière et énergétique. Dès les années 1960, elle a contribué à équiper les mines d'or profondes du pays de tous les systèmes de ventilation et de refroidissement nécessaires à l'extraction sûre et efficace du minerai à plusieurs kilomètres sous terre.
« Au départ, la mine utilisait uniquement la ventilation comme méthode de refroidissement, mais à mesure que la profondeur d'exploitation augmentait, un refroidissement mécanique était nécessaire pour compenser la charge thermique croissante dans la mine », a déclaré Teunes Wasserman, chef de la division Refroidissement et compresseurs miniers de Howden, à IM.
De nombreuses mines d'or profondes d'Afrique du Sud ont installé des refroidisseurs centrifuges Freon™ en surface et en sous-sol pour assurer le refroidissement nécessaire au personnel et aux équipements souterrains.
Malgré l'amélioration de la situation, le système de dissipation de chaleur de la machine souterraine s'est avéré problématique, sa capacité de refroidissement étant limitée par la température et la quantité d'air extrait disponible, a expliqué Wasserman. Parallèlement, la mauvaise qualité de l'eau de la mine a entraîné un encrassement important des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes utilisés dans ces premiers refroidisseurs centrifuges.
Pour résoudre ce problème, les mines ont commencé à pomper de l'air froid de la surface vers le sous-sol. Bien que cela augmente la capacité de refroidissement, l'infrastructure nécessaire occupe de l'espace dans le silo et le processus est énergivore.
Pour remédier à ces problèmes, les mines cherchent à maximiser la quantité d'air froid acheminée au sol grâce à des unités d'eau glacée.
Cela a incité Howden à introduire des refroidisseurs à vis à base d'aminofluorescence dans les mines d'Afrique du Sud, initialement en complément des refroidisseurs centrifuges de surface existants. Cette innovation a permis d'accroître considérablement la quantité de fluide de refroidissement pouvant être fournie à ces mines d'or souterraines profondes, entraînant une baisse de la température moyenne de l'eau en surface de 6-8 °C à 1 °C. La mine peut ainsi utiliser l'infrastructure de canalisations existante, dont une grande partie est déjà en place, tout en augmentant significativement le refroidissement des couches profondes.
Environ vingt ans après le lancement du WRV 510, Howden, acteur majeur du marché, a développé le WRV 510, un compresseur à vis de grande taille doté d'un rotor de 510 mm. À l'époque, il s'agissait de l'un des plus grands compresseurs à vis disponibles sur le marché, dont la taille correspondait aux besoins des modules de refroidissement des mines profondes d'Afrique du Sud.
« C’est une véritable révolution, car les mines peuvent désormais installer un seul refroidisseur de 10 à 12 MW au lieu de plusieurs », a déclaré Wasserman. « Par ailleurs, l’ammoniac, un fluide frigorigène écologique, est parfaitement adapté aux systèmes combinant compresseurs à vis et échangeurs de chaleur à plaques. »
Les considérations relatives à l'ammoniac ont été formalisées dans des spécifications et des normes de sécurité pour l'industrie minière, Howden ayant joué un rôle important dans le processus de conception. Ces spécifications ont été mises à jour et intégrées à la législation sud-africaine.
Ce succès est attesté par l'installation de plus de 350 MW de capacité de réfrigération à l'ammoniac par l'industrie minière sud-africaine, considérée comme la plus importante au monde.
Mais l'innovation de Howden en Afrique du Sud ne s'est pas arrêtée là : en 1985, l'entreprise a ajouté une machine à glace de surface à sa gamme croissante de refroidisseurs pour mines.
Face à l'épuisement des options de refroidissement en surface et souterraines ou à leur coût jugé trop élevé, les mines ont besoin d'une nouvelle solution de refroidissement pour étendre l'exploitation minière à des niveaux plus profonds.
Howden a installé sa première usine de fabrication de glace (exemple ci-dessous) en 1985 à l'EPM (East Rand Proprietary Mine) à l'est de Johannesburg, qui a une capacité de refroidissement totale finale d'environ 40 MW et une capacité de glace de 4320 t/h.
Le principe de l'opération repose sur la formation de glace en surface et son transport à travers la mine jusqu'à un barrage de glace souterrain. L'eau de ce barrage est ensuite recyclée dans des stations de refroidissement souterraines ou utilisée comme eau de procédé pour le forage de puits. La glace fondue est ensuite pompée vers la surface.
Le principal avantage de ce système de production de glace réside dans la réduction des coûts de pompage, ce qui diminue d'environ 75 à 80 % les coûts d'exploitation associés aux systèmes de refroidissement par eau glacée de surface. Selon Wasserman, cela s'explique par « l'énergie frigorifique intrinsèque stockée lors des changements de phase de l'eau », précisant qu'un débit de glace de 1 kg/s équivaut à celui de 4,5 à 5 kg/s d'eau gelée.
Grâce à « l’efficacité supérieure du positionnement », le barrage souterrain peut être maintenu à une température de 2 à 5 °C afin d’améliorer les performances thermiques de la station de refroidissement d’air souterraine, maximisant ainsi la capacité de refroidissement.
Un autre avantage de la pertinence particulière d'une centrale à glace en Afrique du Sud, pays connu pour son réseau électrique instable, réside dans la capacité du système à être utilisé comme méthode de stockage de chaleur, où la glace est créée et accumulée dans des barrages de glace souterrains et pendant les périodes de pointe.
Ce dernier avantage a conduit au développement d'un projet de partenariat industriel soutenu par Eskom, dans le cadre duquel Howden étudie l'utilisation de machines à glaçons pour réduire la demande de pointe en électricité, avec des cas tests à Mponeng et Moab Hotsong, les mines souterraines les plus profondes du monde.
« Nous avons gelé le barrage la nuit (après les heures de travail) et utilisé l'eau et la glace fondue pour refroidir la mine aux heures de pointe », a expliqué Wasserman. « Les unités de refroidissement de base sont arrêtées pendant ces périodes, ce qui réduit la charge sur le réseau électrique. »
Cela a conduit au développement d'une machine à glace clé en main à Mponeng, où Howden a réalisé les travaux, y compris les équipements de génie civil, électriques et mécaniques pour une machine à glace de 12 MW et 120 t/h.
Les ajouts récents à la stratégie de refroidissement de base de Mponeng comprennent de la glace molle, de l'eau glacée en surface, des refroidisseurs d'air de surface (BAC) et un système de refroidissement souterrain. la présence dans les eaux minières de concentrations élevées de sels dissous et de chlorures pendant le travail.
L'expérience considérable de l'Afrique du Sud et son approche axée sur les solutions, et non seulement sur les produits, continuent de transformer les systèmes de réfrigération dans le monde entier, affirme-t-il.
Comme l'a mentionné Wasserman, à mesure que les mines s'enfoncent toujours plus profondément et que l'espace qu'elles occupent augmente, il est facile d'imaginer des solutions comme celle-ci se retrouver dans d'autres parties du monde.
Meinhardt a déclaré : « Howden exporte sa technologie de refroidissement des mines profondes vers l'Afrique du Sud depuis des décennies. Par exemple, nous avons fourni des solutions de refroidissement pour les mines d'or souterraines du Nevada dans les années 1990. »
« Une technologie intéressante utilisée dans certaines mines sud-africaines consiste à stocker de la glace thermique pour le transfert de charge : l’énergie thermique est stockée dans de grands barrages de glace. La glace est produite et utilisée aux heures de pointe », a-t-il expliqué. « Traditionnellement, les groupes frigorifiques sont conçus pour une température ambiante maximale pouvant atteindre trois heures par jour pendant les mois d’été. Cependant, grâce au stockage de l’énergie frigorifique, il est possible de réduire cette capacité. »
« Si vous avez un abonnement avec un tarif de pointe assez élevé et que vous souhaitez passer à des tarifs plus avantageux pendant les heures creuses, ces solutions de production de glace peuvent s'avérer très rentables », a-t-il déclaré. « L'investissement initial dans l'installation peut compenser la réduction des coûts d'exploitation. »
Dans le même temps, le BAC, utilisé dans les mines sud-africaines depuis des décennies, acquiert une importance mondiale de plus en plus grande.
Comparativement aux modèles BAC traditionnels, la dernière génération de BAC offre une efficacité thermique supérieure, des limites de température d'air plus basses dans la mine et un encombrement réduit. Elle intègre également un module de refroidissement à la demande (CoD) dans la plateforme Howden Ventsim CONTROL, qui ajuste automatiquement la température de l'air du collier en fonction des besoins du sous-sol.
Au cours de l'année écoulée, Howden a livré trois BAC de nouvelle génération à des clients au Brésil et au Burkina Faso.
L'entreprise est également en mesure de produire des solutions sur mesure pour des conditions d'exploitation difficiles ; un exemple récent est l'installation « unique » de refroidisseurs d'ammoniac BAC pour OZ Minerals à la mine de Carrapateena en Australie-Méridionale.
« En Australie, faute d'eau disponible, Howden a installé des condenseurs secs avec des compresseurs d'ammoniac Howden et des refroidisseurs d'air sec en circuit fermé », a déclaré M. Wasserman à propos de cette installation. « Comme il s'agit d'une installation à sec et non de refroidisseurs à pulvérisation ouverts installés dans des systèmes d'eau, ces refroidisseurs sont conçus pour une efficacité maximale. »
L'entreprise teste actuellement une solution de surveillance de la disponibilité pour une centrale BAC terrestre de 8 MW (photo ci-dessous) conçue et construite à la mine d'argent Yaramoko Fortuna (anciennement Roxgold) au Burkina Faso.
Le système, piloté par l'usine Howden de Johannesburg, permet à l'entreprise de formuler des recommandations sur les améliorations potentielles en matière d'efficacité et de maintenance, afin d'assurer un fonctionnement optimal de l'usine. L'unité BAC du complexe minier de Caraiba, à Ero Copper (Brésil), est également conçue pour utiliser cette fonctionnalité.
La plateforme Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) continue de développer des relations durables à valeur ajoutée et la société lancera deux études de faisabilité sur la ventilation à la demande (VoD) dans le pays en 2021.
Juste à la frontière zimbabwéenne, l'entreprise travaille sur un projet qui permettra la diffusion de vidéos à la demande pour les portes automatiques des mines souterraines, leur permettant de s'ouvrir à intervalles variables et de fournir la quantité exacte d'air de refroidissement en fonction des besoins spécifiques du véhicule.
Ce développement technologique, utilisant l'infrastructure minière existante et des sources de données prêtes à l'emploi, constituera une partie importante des futurs produits de Howden.
L'expérience Howden en Afrique du Sud : découvrez comment concevoir des solutions de refroidissement adaptées à la mauvaise qualité de l'eau dans ses mines d'or profondes, comment optimiser l'efficacité énergétique de ces solutions pour éviter les problèmes de réseau, et comment respecter les exigences les plus strictes en matière de qualité de l'air, de température et de santé au travail. La réglementation mondiale continuera de porter ses fruits pour les mines du monde entier.
International Mining Team Publishing Ltd, 2 Claridge Court, Lower Kings Road, Berkhamsted, Hertfordshire, Angleterre HP4 2AF, Royaume-Uni