Volgens rapporten uit de sector wordt de mijn elk jaar dieper: 30 meter.
Naarmate de diepte toeneemt, neemt ook de behoefte aan ventilatie en koeling toe. Howden weet dit uit ervaring, opgedaan in de diepste mijnen van Zuid-Afrika.
Howden werd in 1854 door James Howden in Schotland opgericht als een bedrijf voor maritieme engineering en betrad in de jaren 50 Zuid-Afrika om te voorzien in de behoeften van de mijnbouw- en energiesector. In de jaren 60 hielp het bedrijf de diepzeegoudmijnen van het land te voorzien van alle ventilatie- en koelsystemen die nodig waren om erts veilig en efficiënt kilometers onder de grond te winnen.
"Aanvankelijk werd in de mijn alleen gebruikgemaakt van ventilatie als koelmethode, maar naarmate de mijndiepte toenam, was mechanische koeling nodig om de toenemende warmtelast in de mijn te compenseren", vertelde Teunes Wasserman, hoofd van de afdeling Mijnkoeling en Compressoren van Howden, aan IM.
Veel diepe goudmijnen in Zuid-Afrika hebben boven en onder de grond Freon™-centrifugaalkoelers geïnstalleerd om het ondergrondse personeel en de apparatuur te voorzien van de benodigde koeling.
Ondanks de verbetering van de status quo bleek het warmteafvoersysteem van de ondergrondse machine problematisch, omdat de koelcapaciteit van de machine beperkt werd door de temperatuur en de hoeveelheid beschikbare uitlaatlucht, aldus Wasserman. Tegelijkertijd veroorzaakte de kwaliteit van het mijnwater ernstige vervuiling van de mantel-en-buis warmtewisselaars die in deze vroege centrifugaalkoelers werden gebruikt.
Om dit probleem op te lossen, begonnen de mijnen koude lucht van de oppervlakte naar de grond te pompen. Hoewel dit de koelcapaciteit vergroot, neemt de benodigde infrastructuur ruimte in beslag in de silo en is het proces zowel energie-intensief als energie-intensief.
Om deze problemen aan te pakken, willen mijnen de hoeveelheid koude lucht die via gekoeldwaterunits naar de grond wordt gebracht, maximaliseren.
Dit zette Howden ertoe aan om aminoschroefkoelers te introduceren in mijnen in Zuid-Afrika, eerst in combinatie met bestaande centrifugaalkoelers aan het oppervlak. Dit heeft geleid tot een grote verandering in de hoeveelheid koelmiddel die aan deze diepondergrondse goudmijnen kan worden geleverd, wat heeft geresulteerd in een daling van de gemiddelde temperatuur van het oppervlaktewater van 6-8 °C naar 1 °C. De mijn kan gebruikmaken van dezelfde pijpleidinginfrastructuur, waarvan er veel al zijn geïnstalleerd, en tegelijkertijd de hoeveelheid koelmiddel die naar diepere lagen wordt geleverd aanzienlijk verhogen.
Ongeveer 20 jaar na de introductie van de WRV 510 ontwikkelde Howden, een toonaangevende marktspeler in de branche, de WRV 510, een grote schroefcompressor met een rotor van 510 mm. Het was destijds een van de grootste schroefcompressoren op de markt en had de benodigde koelmodulegrootte om die diepe Zuid-Afrikaanse mijnen te koelen.
"Dit is een game changer, omdat mijnen nu één koelmachine van 10-12 MW kunnen installeren in plaats van een heleboel koelmachines", aldus Wasserman. "Tegelijkertijd is ammoniak als groen koelmiddel zeer geschikt voor combinaties van schroefcompressoren en platenwarmtewisselaars."
Ammoniakoverwegingen werden geformaliseerd in specificaties en veiligheidsnormen voor ammoniak voor de mijnbouw, waarbij Howden een belangrijke rol speelde in het ontwerpproces. Deze zijn bijgewerkt en opgenomen in de Zuid-Afrikaanse wetgeving.
Dit succes blijkt uit de installatie van meer dan 350 MW aan ammoniakkoelcapaciteit door de Zuid-Afrikaanse mijnbouwsector, die als de grootste ter wereld geldt.
Maar Howden's innovatie in Zuid-Afrika hield daar niet op: in 1985 voegde het bedrijf een oppervlakte-ijsmachine toe aan zijn groeiende assortiment mijnkoelers.
Omdat de mogelijkheden voor koeling aan het oppervlak en ondergronds worden gemaximaliseerd of te duur worden geacht, hebben mijnen behoefte aan een nieuwe koeloplossing om de mijnbouw verder uit te kunnen breiden naar diepere lagen.
Howden installeerde zijn eerste ijsfabriek (zie voorbeeld hieronder) in 1985 bij de EPM (East Rand Proprietary Mine) ten oosten van Johannesburg. Deze fabriek heeft een totale koelcapaciteit van ongeveer 40 MW en een ijscapaciteit van 4320 ton/uur.
De basis van de operatie is de vorming van ijs aan het oppervlak en het transport hiervan door de mijn naar een ondergrondse ijsdam. Het water uit de ijsdam wordt vervolgens gecirculeerd in ondergrondse koelstations of gebruikt als proceswater voor boorputten. Het gesmolten ijs wordt vervolgens terug naar de oppervlakte gepompt.
Het belangrijkste voordeel van dit ijsmachinesysteem zijn de lagere pompkosten, waardoor de bedrijfskosten van oppervlaktewaterkoelsystemen met ongeveer 75-80% dalen. Dit komt neer op de inherente "koelenergie die is opgeslagen in de faseovergangen van water", aldus Wasserman, die uitlegde dat 1 kg/s ijs dezelfde koelcapaciteit heeft als 4,5-5 kg/s bevroren water.
Dankzij de “superieure positioneringsefficiëntie” kan de ondergrondse dam op 2-5°C worden gehouden om de thermische prestaties van het ondergrondse luchtkoelstation te verbeteren, waardoor de koelcapaciteit opnieuw wordt gemaximaliseerd.
Een ander voordeel van de bijzondere relevantie van een ijsenergiecentrale in Zuid-Afrika, een land dat bekendstaat om zijn onstabiele elektriciteitsnet, is de mogelijkheid om het systeem te gebruiken als warmteopslagmethode, waarbij ijs wordt gecreëerd en verzameld in ondergrondse ijsdammen en tijdens piekperioden.
Dat laatste voordeel heeft geleid tot de ontwikkeling van een door Eskom ondersteund industrieel partnerschapsproject, waarbij Howden onderzoek doet naar het gebruik van ijsmachines om de piekvraag naar elektriciteit te verminderen. Testgevallen worden uitgevoerd in Mponeng en Moab Hotsong, de diepste ondergrondse mijnen ter wereld.
"We hebben de dam 's nachts (buiten kantoortijden) bevroren en tijdens piekuren water en gesmolten ijs gebruikt als koelbron voor de mijn", legt Wasserman uit. "De basiskoelunits worden tijdens piekuren uitgeschakeld, waardoor de belasting van het net wordt verminderd."
Dit leidde tot de ontwikkeling van een kant-en-klare ijsmachine bij Mponeng, waar Howden het werk voltooide, inclusief de civiele, elektrische en mechanische apparatuur voor een ijsmachine van 12 MW, 120 t/u.
Recente toevoegingen aan de kernkoelstrategie van Mponeng zijn onder meer zachtijs, oppervlaktegekoeld water, oppervlakteluchtkoelers (BAC's) en een ondergronds koelsysteem. de aanwezigheid van verhoogde concentraties opgeloste zouten en chloriden in het mijnwater tijdens werkzaamheden.
De rijkdom aan ervaring en de focus van Zuid-Afrika op oplossingen, niet alleen op producten, blijven koelsystemen over de hele wereld transformeren, zegt hij.
Zoals Wasserman al zei, naarmate er steeds meer mijnen dieper en dieper worden, is het makkelijk om dit soort oplossingen ook in andere delen van de wereld te zien.
Meinhardt zei: "Howden exporteert al tientallen jaren zijn technologie voor diepmijnkoeling naar Zuid-Afrika. Zo leverden we in de jaren negentig al mijnkoeloplossingen voor ondergrondse goudmijnen in Nevada.
"Een interessante technologie die in sommige Zuid-Afrikaanse mijnen wordt gebruikt, is de opslag van thermisch ijs voor lastoverdracht – thermische energie wordt opgeslagen in grote ijsdammen. IJs wordt geproduceerd tijdens piekuren en gebruikt tijdens piekuren", zei hij. "Traditioneel zijn koelunits ontworpen voor een maximale omgevingstemperatuur die in de zomermaanden kan oplopen tot drie uur per dag. Als je echter de mogelijkheid hebt om koelenergie op te slaan, kun je die capaciteit verminderen."
"Als je een abonnement hebt met een vrij hoog piektarief en je wilt overstappen naar lagere tarieven tijdens daluren, kunnen deze ijsproductieoplossingen een sterke businesscase vormen", zei hij. "Het initiële kapitaal voor de installatie kan de lagere operationele kosten compenseren."
Tegelijkertijd wint BAC, dat al tientallen jaren in Zuid-Afrikaanse mijnen wordt gebruikt, wereldwijd steeds meer aan belang.
Vergeleken met traditionele BAC-ontwerpen hebben de nieuwste generatie BAC's een hogere thermische efficiëntie dan hun voorgangers, lagere temperatuurlimieten voor de mijnlucht en een kleinere footprint. Ze integreren ook een Cooling-on-Demand (CoD)-module in het Howden Ventsim CONTROL-platform, die de temperatuur van de kraaglucht automatisch aanpast aan de behoeften van de ondergrond.
Het afgelopen jaar heeft Howden drie nieuwe generatie BAC's geleverd aan klanten in Brazilië en Burkina Faso.
Het bedrijf is ook in staat om op maat gemaakte oplossingen te produceren voor moeilijke bedrijfsomstandigheden; een recent voorbeeld is de 'unieke' installatie van BAC-ammoniakkoelers voor OZ Minerals in de Carrapateena-mijn in Zuid-Australië.
"Howden heeft droge condensors met Howden-ammoniakcompressoren en gesloten drogeluchtkoelers in Australië geïnstalleerd vanwege de afwezigheid van beschikbaar water", aldus Wasserman over de installatie. "Aangezien dit een 'droge' installatie is en geen open sproeikoelers die in watersystemen zijn geïnstalleerd, zijn deze koelers ontworpen voor maximale efficiëntie."
Het bedrijf test momenteel een oplossing voor uptime-monitoring voor een 8 MW BAC-centrale op land (zie hieronder) die is ontworpen en gebouwd in de Yaramoko Fortuna Silver-mijn (voorheen Roxgold) in Burkina Faso.
Het systeem, aangestuurd door de Howden-fabriek in Johannesburg, stelt het bedrijf in staat advies te geven over mogelijke efficiëntieverbeteringen en onderhoud om de fabriek optimaal te laten functioneren. De BAC-unit in het Caraiba-mijncomplex in Ero Copper, Brazilië, is ook ontworpen om deze functie te gebruiken.
Het Total Mine Ventilation Solutions (TMVS)-platform blijft duurzame relaties met toegevoegde waarde opbouwen en het bedrijf zal in 2021 twee haalbaarheidsstudies voor Ventilation On Demand (VoD) in het land lanceren.
Het bedrijf is direct aan de grens met Zimbabwe bezig met een project om video-on-demand mogelijk te maken voor automatische deuren in ondergrondse mijnen. Hierdoor kunnen de deuren met wisselende tussenpozen opengaan en precies de juiste hoeveelheid koellucht leveren, afhankelijk van de specifieke behoeften van het voertuig.
Deze technologische ontwikkeling, die gebruikmaakt van bestaande mijnbouwinfrastructuur en kant-en-klare gegevensbronnen, zal een belangrijk onderdeel zijn van de toekomstige producten van Howden.
De Howden-ervaring in Zuid-Afrika: leer hoe je koeloplossingen ontwerpt die de slechte waterkwaliteit in de diepzeegoudmijnen aanpakken, hoe je oplossingen zo energiezuinig mogelijk maakt om problemen met het elektriciteitsnet te voorkomen en hoe je voldoet aan een aantal van de strengste eisen op het gebied van luchtkwaliteit. Wereldwijde eisen op het gebied van temperatuur en gezondheid op de werkplek. Regelgeving zal zijn vruchten blijven afwerpen voor mijnen over de hele wereld.
International Mining Team Publishing Ltd 2 Claridge Court, Lower Kings Road Berkhamsted, Hertfordshire Engeland HP4 2AF, VK