Herausforderungen für die Nutzung solarer Prozesswärme in Chiles Bergbauindustrie
Auf Grund der hervorragenden klimatischen Bedingungen basierend auf einer hohen Direktstrahlung aufgrund der Höhenlage und dem dadurch ausgezeichneten solarer Ertrag und wurden die optimalen Voraussetzungen für den Einsatz der Solarthermie in Chile schon sehr früh erkannt. Im Jahr 1872 erbaute der schwedische Ingenieur Charles Wilson eine 5.000 m² große solarthermische Anlage, um aus Brackwasser Trinkwasser zu erzeugen. Die Anlage stellte im Durchschnitt 20.000 Liter Trinkwasser pro Tag zur Verfügung und war bis 1914 in Betrieb.
Von Christoph Brunner und Werner Weiss
Da die Atacama-Wüste, in der eine Vielzahl der Bergbauunternehmen angesiedelt sind, zwischen dem 18° und 25°südlichen Breitengrad liegt, ergeben sich wenig saisonale Schwankungen in der solaren Einstrahlung. Positiv ist ebenfalls die durchschnittliche Seehöhe der Hochplateaus von 2.000 bis 4.000 Metern, auf der man geringere solare Absorption, Diffusion und Dispersion vorfindet. Darüber hinaus bietet das sehr trockene Klima Chiles mit über 90% völlig klaren Tagen und einem durchschnittlichen „Clearness Index“ von über 0,7, zusätzlich hervorragende Bedingungen. Aufgrund dieser Vorteile sind die solaren Erträge Chiles durchschnittlich 30% besser als in Europa.
Aktuell sind drei solare Prozesswärmeanlagen im Bergbaubereich in Betrieb, welche die Wärme für die elektrolytische Gewinnung von Kupfer bereitstellen. Eine Anlage mit Parabolrinnenkollektoren mit 2 MW Leistung befindet sich in der „Minera El Tesoro“, eine in der „Constanza Mine“ mit 350 kW Flachkollektoren (solarer Deckungsgrad von 80%) und eine weitere in der „Minera Gabriela Mistral“ mit 39.000 m² Flachkollektoren (solarer Deckungsgrad von 80%). Weitere Projekte sind in Planung, in der Ausschreibungsphase oder es werden gerade erste Machbarkeitsuntersuchungen durchgeführt.
Anforderungen an den Bergbau
Im Norden des Landes beträgt der Energiebedarf des Bergbaus am chilenischen Gesamtenergiebedarf mehr als 80%, in Zentralchile ist dieser Anteil mit 30% deutlich geringer. Insgesamt plant die nationale Energiekommission den Anteil des Bergbausektors am Energiebedarf auf 60% auszuweiten. Für die Gewinnung von Kupfer in den Bergbaubetrieben wird Energie hauptsächlich für das Brechen und Mahlen von Erz, den Materialientransport, Pumpen sowie elektrolytische Kupfergewinnung benötigt. In manchen Prozessen, beispielsweise der elektrolytischen Prozessen ist Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau erforderlich.
Da der Markt und hier im speziellen die Industrie in der das Metall verarbeitet wird (zum Beispiel die Automobilindustrie) in fünf bis zehn Jahren verstärkt auf die Reduktion des CO2 Fußabdrucks setzen wird, müssen die Bergbaubetriebe bereits jetzt darauf reagieren. Die Energieversorgung der oft abgelegenen Betriebsstätten erfolgt mittels Tank-LKWs, die das Öl zu den Abbaugebieten transportieren. Außerdem sollen die Betriebskosten planbar bleiben, wodurch sich ein großer Vorteil für erneuerbare Energien und im speziellen für Solarthermie ergibt.
Es ist jedoch nicht einfach, den Bergbausektor zu überzeugen, neue Prozesse zu verwenden. Der erste Versuch Solarenergie in der elektrolytischen Veredelung zu nutzen war in der „Minera El Abra“ im Jahr 2002, die erste Umsetzung einer Anlage war Ende 2012. Daran ist zu sehen, dass sich der Bergbausektor, angesichts der Größe der Investitionen, nur vorsichtig bewegt. Aufgrund dessen muss eine besondere strategisch vorgegangen werden, um die Industrie zu überzeugen, dass Solaranlagen machbar, praktisch und von erheblichem Nutzen sind.
Abbildung 2: Erstes Solarfeld in Chile 1872 [1]
Weltweit größte Solaranlage - Minera Gabriela Mistral
Mitte Oktober 2013 eröffnete Chiles Präsident Sebastián Piñera das weltweit größte Solarfeld mit einer Leistung von 27,5 MWth und einer Kollektorfläche von 39.300 m². Das System liefert Wärme an die „Gaby copper mine“ der staatlichen Bergbaugesellschaft „Codelco“. Die Mine befindet sich in der hohen Zentralwüste, 100 km südlich der Stadt Calama, in einer Region, in der es kaum regnet. Die Größe der Anlage übertrifft die der Anlage in Riad, Saudi-Arabien, welche Ende 2011 fertiggestellt wurde.
Prozess der Kupfergewinnung
Abbildung 3 zeigt den grundlegenden Prozess einer Kupfermine, vom Bergwerk bis hin zum Metall. Bei der Kupfergewinnung wird zuerst das Kupfererz aus einer Tagbaumine gesprengt, verladen und zu den Vorbrechern transportiert. Danach wird das Erz zerkleinert und gesiebt, wobei das feine Sulfid-Erz (Korngröße ca. bis 0,5 mm) zu Schaumflotationszellen gebracht wird, um Kupfer rückzugewinnen. Aus dem gröberen Erz wird in einem Leachingprozess das Kupfer durch verdünnte Schwefelsäurelösung gelöst. Daraufhin wird die Leachinglösung mit dem gelösten Kupfer einer Lösungsmittelextraktion unterzogen. Die Lösungsmittelextraktion konzentriert und reinigt die Kupferlösung, sodass das Kupfer, bei einer hohen elektrischen Stromausbeute der elektrolytischen Veredelungszellen, rückgewonnen werden kann. Dies geschieht durch die Zugabe einer chemischen Substanz in den Extraktor, welche sich gezielt mit dem Erz bindet und Kupfer extrahiert. Dadurch ist das Kupfer leicht abzutrennen, wobei so viel Lösungsmittel wie möglich für die Wiederverwendung rückgewonnen wird. Die konzentrierte Kupferlösung wird in Schwefelsäure gelöst und zu Elektrolytzellen gebracht, um Kupferplatten (Elektroden) herzustellen. Aus den Kupferplatten werden z.B. Produkte für Elektroinstallationen und die allgemeine Versorgungstechnik hergestellt.
Der Hauptprozess in der Kupfermine ist die elektrolytische Veredelung, während der das Kupfer in einem Bad auf 46-51°C erhitzt wird und durch Elektrolyse, welche ebenfalls ein Prozess mit hohem Strombedarf ist, abgeschieden wird. Die Solaranlage bei Minera Gabriela Mistral speist die gewonnene Wärmeenergie in den Prozess der Elektrolyse ein. Der Primärkreis des Solarfeldes arbeitet bei 85/55°C, der Sekundärkreis bei 80/60°C. Die zusätzlich notwendige thermische Energie wird durch Erdöl zur Verfügung gestellt, das über LKWs zur Abbaustätte gebracht wird. Durch die 39.300 m² große Anlage werden täglich durchschnittlich 20.000 Liter Erdöl pro Tag eingespart, was 250 LKW Ladungen im Jahr entspricht [3].
Abbildung 3: Schema der grundlegenden Prozesse einer Kupfermine. Quelle: Talvivaara Mining Company [2]
Größte Herausforderungen
Da Wasser sehr knapp ist und praktisch alle Wasserrechte Bergbauunternehmen gehören, müssen bei der Errichtung und beim Betrieb von thermischen Anlagen langfristige Verträge mit den Unternehmen geschlossen werden, um einen reibungslosen Betrieb der Anlagen zu ermöglichen.
Sandstürme sind in dieser Gegend eine häufig auftretende Erscheinung, wobei sich feiner Staub auf Anlagenteilen absetzt. Des Weiteren stellt die salzige Umgebung große Herausforderungen an das Material auf Grund von Säuretropfenbildung. Neben diesen äußeren Einflüssen ist auch, wie bereits erwähnt, die konservative Grundhaltung vieler Bergbauunternehmen zu ihren Produktionstechnologie eine der größten Herausforderungen bei der Realisierung neuer solarthermischer Anlagen.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Rahmenbedingungen für den Einsatz für solare Prozesswärme in der Industrie hervorragend ist. Der Bergbau könnte sich auf nachhaltige Art und Weise entwickeln und die Solarenergie hätte eine große Chance hier eine entscheide Rolle zu spielen.
Autorenbeschreibung
DI Christoph Brunner ist Leiter des Bereichs Industrielle Prozesse und Energiesysteme bei AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)
Dipl.-Päd. Ing. Werner Weiss ist Geschäftsführer von AEE INTEC
Literatur
- [1] http://historiadelagua.files.wordpress.com/2011/07/wilson-1.jpg (2.9.2014)
- [2] Talvivaara Production Process http://www.talvivaara.com/operations/Production_process (2.9.2014)
- [3] Präsentation von Leo Holm (2014), The Gaby project: Large Scale Solar Plant for Chilean Copper Mines, online http://solarthermalworld.org/content/gaby-project-large-scale-solar-plant-chileean-copper-mines-2014 (27.8.2014)