La miniera si fa sempre più profonda ogni anno, raggiungendo i 30 metri, secondo quanto riportato dagli esperti del settore.
Con l'aumentare della profondità, cresce anche il bisogno di ventilazione e raffreddamento, e Howden lo sa bene per esperienza, avendo lavorato nelle miniere più profonde del Sudafrica.
La Howden fu fondata nel 1854 da James Howden in Scozia come azienda di ingegneria navale e fece il suo ingresso in Sudafrica negli anni '50 per soddisfare le esigenze delle industrie minerarie ed energetiche. Negli anni '60, l'azienda contribuì a dotare le miniere d'oro profonde del paese di tutti i sistemi di ventilazione e raffreddamento necessari per estrarre il minerale in modo sicuro ed efficiente a chilometri di profondità.
"Inizialmente, la miniera utilizzava solo la ventilazione come metodo di raffreddamento, ma con l'aumentare della profondità di estrazione, si è reso necessario il raffreddamento meccanico per compensare il crescente carico termico all'interno della miniera", ha dichiarato a IM Teunes Wasserman, responsabile della divisione Raffreddamento e Compressori per Miniere di Howden.
In molte miniere d'oro sotterranee del Sudafrica sono stati installati refrigeratori centrifughi a Freon™ sia in superficie che nel sottosuolo, per garantire il raffreddamento necessario al personale e alle attrezzature sotterranee.
Nonostante il miglioramento della situazione attuale, il sistema di dissipazione del calore della macchina sotterranea si è rivelato problematico, poiché la capacità di raffreddamento della macchina era limitata dalla temperatura e dalla quantità di aria di scarico disponibile, ha affermato Wasserman. Allo stesso tempo, la qualità dell'acqua della miniera causava un grave intasamento degli scambiatori di calore a fascio tubiero utilizzati in questi primi refrigeratori centrifughi.
Per risolvere questo problema, le miniere hanno iniziato a pompare aria fredda dalla superficie verso il sottosuolo. Sebbene ciò aumenti la capacità di raffreddamento, l'infrastruttura necessaria occupa spazio nei silos e il processo è sia energetico che ad alta intensità di energia.
Per affrontare questi problemi, le miniere intendono massimizzare la quantità di aria fredda immessa nel sottosuolo tramite unità di acqua refrigerata.
Questo ha spinto Howden a introdurre i refrigeratori a vite ad aminoacidi nelle miniere del Sudafrica, inizialmente in tandem con i refrigeratori centrifughi di superficie già esistenti. Ciò ha comportato un cambiamento radicale nella quantità di refrigerante che può essere fornita a queste miniere d'oro sotterranee profonde, con conseguente riduzione della temperatura media dell'acqua in superficie da 6-8 °C a 1 °C. La miniera può utilizzare la stessa infrastruttura di condotte, molte delle quali sono già installate, aumentando significativamente la quantità di refrigerante fornita agli strati più profondi.
Circa 20 anni dopo l'introduzione del WRV 510, Howden, azienda leader del settore, sviluppò il WRV 510, un compressore a vite di grandi dimensioni con rotore da 510 mm. All'epoca era uno dei compressori a vite più grandi sul mercato e le sue dimensioni corrispondevano a quelle del modulo di raffreddamento necessario per raffreddare le miniere profonde del Sudafrica.
"Questo cambia completamente le carte in tavola, perché le miniere possono installare un singolo refrigeratore da 10-12 MW invece di molti", ha affermato Wasserman. "Allo stesso tempo, l'ammoniaca, in quanto refrigerante ecologico, si presta bene alle combinazioni di compressori a vite e scambiatori di calore a piastre."
Le considerazioni relative all'ammoniaca sono state formalizzate nelle specifiche e negli standard di sicurezza per l'ammoniaca destinata all'industria mineraria, con Howden che ha svolto un ruolo importante nel processo di progettazione. Tali standard sono stati aggiornati e incorporati nella legislazione sudafricana.
Questo successo è testimoniato dall'installazione, da parte dell'industria mineraria sudafricana, di oltre 350 MW di capacità di refrigerazione ad ammoniaca, considerata la più grande al mondo.
Ma l'innovazione di Howden in Sudafrica non si è fermata qui: nel 1985 l'azienda ha aggiunto una macchina per il ghiaccio di superficie alla sua gamma in continua espansione di sistemi di raffreddamento per miniere.
Poiché le opzioni di raffreddamento in superficie e nel sottosuolo sono state sfruttate al massimo o sono considerate troppo costose, le miniere necessitano di una nuova soluzione di raffreddamento per poter espandere ulteriormente l'attività estrattiva a livelli più profondi.
Nel 1985 Howden ha installato il suo primo impianto di produzione di ghiaccio (vedi esempio sotto) presso la miniera EPM (East Rand Proprietary Mine) a est di Johannesburg, che ha una capacità di raffreddamento totale finale di circa 40 MW e una capacità di produzione di ghiaccio di 4320 t/h.
Il principio alla base dell'operazione è la formazione di ghiaccio in superficie e il suo trasporto attraverso la miniera fino a una diga di ghiaccio sotterranea, dove l'acqua viene poi fatta circolare in stazioni di raffreddamento sotterranee o utilizzata come acqua di processo per la perforazione dei pozzi. Il ghiaccio fuso viene quindi pompato nuovamente in superficie.
Il principale vantaggio di questo sistema di produzione di ghiaccio è la riduzione dei costi di pompaggio, che a sua volta riduce i costi operativi associati ai sistemi di raffreddamento ad acqua di superficie di circa il 75-80%. Tutto si riduce all'"energia di raffreddamento intrinseca immagazzinata nelle transizioni di fase dell'acqua", ha affermato Wasserman, spiegando che 1 kg/s di ghiaccio ha la stessa capacità di raffreddamento di 4,5-5 kg/s di acqua congelata.
Grazie all'“efficienza di posizionamento superiore”, la diga sotterranea può essere mantenuta a 2-5 °C per migliorare le prestazioni termiche della stazione di raffreddamento ad aria sotterranea, massimizzando ulteriormente la capacità di raffreddamento.
Un ulteriore vantaggio, particolarmente rilevante in Sudafrica, paese noto per la sua rete elettrica instabile, è la possibilità di utilizzare il sistema come metodo di accumulo termico, grazie alla produzione e all'accumulo di ghiaccio in bacini sotterranei e durante i periodi di picco della domanda.
Quest'ultimo vantaggio ha portato allo sviluppo di un progetto di partenariato industriale supportato da Eskom, nell'ambito del quale Howden sta studiando l'utilizzo di macchine per la produzione di ghiaccio per ridurre i picchi di domanda di elettricità, con casi di studio a Mponeng e Moab Hotsong, le miniere sotterranee più profonde del mondo.
"Congelavamo la diga di notte (fuori orario) e utilizzavamo acqua e ghiaccio fuso come fonte di raffreddamento per la miniera durante le ore di punta", ha spiegato Wasserman. "Le unità di raffreddamento della base vengono spente durante i periodi di picco, il che riduce il carico sulla rete elettrica."
Ciò ha portato allo sviluppo di un impianto per la produzione di ghiaccio "chiavi in ​​mano" a Mponeng, dove Howden ha completato i lavori, comprese le opere civili, elettriche e meccaniche, per un impianto da 12 MW e 120 t/h.
Le recenti aggiunte alla strategia di raffreddamento principale di Mponeng includono ghiaccio morbido, acqua refrigerata in superficie, raffreddatori ad aria in superficie (BAC) e un sistema di raffreddamento sotterraneo. La presenza nelle acque della miniera di elevate concentrazioni di sali disciolti e cloruri durante il lavoro.
Secondo lui, la vasta esperienza del Sudafrica e la sua attenzione alle soluzioni, non solo ai prodotti, continuano a trasformare i sistemi di refrigerazione in tutto il mondo.
Come ha accennato Wasserman, con la progressiva esplorazione di miniere sempre più profonde e con spazi sempre più ampi, è facile immaginare soluzioni simili adottate anche in altre parti del mondo.
Meinhardt ha dichiarato: "Howden esporta la sua tecnologia di raffreddamento per miniere profonde in Sudafrica da decenni. Ad esempio, negli anni '90 abbiamo fornito soluzioni di raffreddamento per miniere d'oro sotterranee in Nevada.
“Una tecnologia interessante utilizzata in alcune miniere sudafricane è l'immagazzinamento di ghiaccio termico per il trasferimento di energia: l'energia termica viene immagazzinata in grandi dighe di ghiaccio. Il ghiaccio viene prodotto durante le ore di punta e utilizzato nelle ore di punta”, ha affermato. “Tradizionalmente, le unità di refrigerazione sono progettate per una temperatura ambiente massima che può raggiungere le tre ore al giorno durante i mesi estivi. Tuttavia, se si ha la possibilità di immagazzinare energia frigorifera, è possibile ridurre tale capacità.”
"Se avete un piano tariffario con una tariffa di punta piuttosto elevata e desiderate passare a tariffe più economiche durante i periodi di bassa stagione, queste soluzioni per la produzione di ghiaccio possono rappresentare un'ottima opportunità commerciale", ha affermato. "L'investimento iniziale per l'impianto può compensare i minori costi operativi."
Al contempo, il carbone attivo granulare (BAC), utilizzato nelle miniere sudafricane da decenni, sta acquisendo sempre maggiore importanza a livello globale.
Rispetto ai tradizionali sistemi BAC, l'ultima generazione di questi sistemi offre una maggiore efficienza termica, limiti di temperatura dell'aria in miniera inferiori e un ingombro ridotto. Inoltre, integrano un modulo di raffreddamento su richiesta (CoD) nella piattaforma Howden Ventsim CONTROL, che regola automaticamente la temperatura dell'aria nel collettore per adattarla alle esigenze del sottosuolo.
Nel corso dell'ultimo anno, Howden ha consegnato tre BAC di nuova generazione a clienti in Brasile e Burkina Faso.
L'azienda è inoltre in grado di realizzare soluzioni personalizzate per condizioni operative difficili; un esempio recente è l'installazione "unica" di refrigeratori ad ammoniaca BAC per OZ Minerals presso la miniera di Carrapateena nell'Australia Meridionale.
"In Australia, in assenza di acqua disponibile, Howden ha installato condensatori a secco con compressori ad ammoniaca Howden e raffreddatori ad aria secca a circuito chiuso", ha affermato Wasserman a proposito dell'installazione. "Considerato che si tratta di un'installazione 'a secco' e non di raffreddatori a spruzzo aperti installati in sistemi idrici, questi raffreddatori sono progettati per la massima efficienza."
L'azienda sta attualmente testando una soluzione di monitoraggio del tempo di attività per un impianto BAC onshore da 8 MW (nella foto sotto) progettato e costruito presso la miniera d'argento Yaramoko Fortuna (precedentemente Roxgold) in Burkina Faso.
Il sistema, controllato dallo stabilimento Howden di Johannesburg, consente all'azienda di fornire consulenza su potenziali miglioramenti dell'efficienza e sulla manutenzione necessaria per mantenere l'impianto in funzione al massimo delle sue potenzialità. Anche l'unità BAC del complesso minerario di Caraiba a Ero Copper, in Brasile, è progettata per utilizzare questa funzionalità.
La piattaforma Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) continua a costruire relazioni sostenibili a valore aggiunto e l'azienda avvierà due studi di fattibilità per la ventilazione su richiesta (VoD) nel paese nel 2021.
Proprio al confine con lo Zimbabwe, l'azienda sta lavorando a un progetto che consentirà la gestione video su richiesta delle porte automatiche nelle miniere sotterranee, permettendo loro di aprirsi a intervalli variabili e di fornire la giusta quantità di aria di raffreddamento a seconda delle specifiche esigenze del veicolo.
Questo sviluppo tecnologico, che utilizza infrastrutture di mining già esistenti e fonti di dati standard, costituirà una parte importante dei futuri prodotti di Howden.
L'esperienza di Howden in Sudafrica: scopri come progettare soluzioni di raffreddamento per affrontare la scarsa qualità dell'acqua nelle miniere d'oro profonde, come rendere le soluzioni il più efficienti possibile dal punto di vista energetico per evitare problemi alla rete elettrica e come soddisfare alcuni dei requisiti più rigorosi in materia di qualità dell'aria, temperatura e salute sul lavoro. La regolamentazione a livello mondiale continuerà a dare i suoi frutti per le miniere di tutto il mondo.
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