Изучение использования геотермальной энергии в горнодобывающих операциях в интересах устойчивого развития

Понимание геотермальной энергии и ее значения для добычи полезных ископаемых

Геотермальная энергия возникает в результате распада радиоактивных материалов в ядре Земли и остаточного тепла от планетарного образования. Эта тепловая энергия поступает путем бурения скважин в подземные резервуары горячей воды или пара, которые затем могут использоваться для привода турбин для выработки электроэнергии или обеспечения прямого тепла промышленным процессам. Технология классифицируется на три основных типа: гидротермальные (обычные), улучшенные геотермальные системы (EGS) и неглубокие геотермальные наземные тепловые насосы.

Гидротермальные ресурсы, обнаруженные в вулканических регионах или районах с высокой тектонической активностью, являются наиболее коммерчески развитыми. EGS, напротив, предполагает создание искусственных резервуаров путем впрыска воды в горячие, сухие горные образования, значительно расширяя географический потенциал геотермальной энергии. Мелкие геотермальные системы используют относительно низкие температуры (10-30 ° C) вблизи поверхности для нагрева и охлаждения с помощью тепловых насосов, которые могут быть развернуты почти в любом месте. Глобальный технический потенциал для геотермальной генерации электроэнергии оценивается в более чем 200 ГВт, в то время как приложения прямого использования могут превышать 1000 ГВт, если полностью использовать.

Для горнодобывающих операций ключевое преимущество геотермальной энергии заключается в ее способности обеспечивать базовую мощность - постоянную, надежную энергию круглосуточно - в отличие от солнечной или ветровой, которые являются прерывистыми. Многие шахты работают в отдаленных местах с ограниченным доступом к сети и часто полагаются на дорогие дизельные генераторы. Геотермальные ресурсы могут быть размещены совместно с месторождениями полезных ископаемых, особенно в тектонических активных поясах, в которых находится много баз и драгоценных металлов. Это географическое перекрытие создает неотразимую возможность для синергии между двумя отраслями промышленности.

Энергоемкость современных горных работ

Горнодобывающая промышленность относится к числу наиболее энергоемких отраслей промышленности. По данным Международного совета по горному делу и металлу, промышленность потребляет около 4–6% мировой энергии и составляет примерно 7% от общего объема выбросов парниковых газов, если включить в нее производство электроэнергии в верхнем течении. Энергия, необходимая для добычи меди, варьируется в зависимости от сырьевых товаров: добыча меди использует примерно 25–60 кВтч на тонну переработанной руды, в то время как добыча золота может превышать 100 кВтч на тонну из-за глубоких подземных работ и интенсивных процессов горения.

Дизель остается доминирующим топливом для мобильного оборудования (грузовики, погрузчики, буровые установки) в наземных и подземных шахтах, в то время как электроэнергия в сетях приводит к дроблению, измельчению, вентиляции и перекачке. Оба источника в значительной степени способствуют углеродному следу. Переход на низкоуглеродные альтернативы, такие как геотермальные, может снизить операционный риск от волатильности цен на топливо, сократить выбросы и улучшить социальную лицензию для работы на рынках, ориентированных на углерод.

Основные преимущества геотермальной энергии для горнодобывающего сектора

Устойчивость и сокращение выбросов

Геотермальные электростанции выделяют в среднем 45 граммов CO2 на киловатт-час (gCO2/kWh) - менее 5% угольной электростанции (около 1000 гCO2/kWh) и часть даже природного газа (≈ 500 гCO2/kWh). Для шахты, потребляющей 100 ГВтч ежегодно, переход от угольной электроэнергии к геотермальной может устранить выбросы 100 000 тонн CO2 в год. Кроме того, прямое геотермальное тепло может заменить природный газ или нефть в рудосушливых, плавильных и других тепловых процессах, еще больше уменьшая углеродные следы.

Эффективность и стабильность затрат

В то время как геотермальные проекты требуют значительных капитальных инвестиций (обычно 2000-5000 долларов США за установленный кВт для гидротермальных установок), их эксплуатационные расходы низки, потому что топливо (тепло) бесплатно. Соглашения о покупке электроэнергии (PPA) от геотермальных установок часто предлагают фиксированные ставки в течение 20-30 лет, защищая шахты от эскалации затрат на ископаемое топливо. Исследование Министерства энергетики США показало, что геотермальная электроэнергия может быть произведена за 4-8 центов / кВтч, конкурентоспособная с ископаемым топливом, когда включена цена на углерод. Для шахты с 30-летним сроком службы экономия от отказа от дизельного топлива может составлять сотни миллионов долларов.

Надежность и мощность базовой нагрузки

Геотермальные установки имеют коэффициент мощности 85-95%, что означает, что они генерируют энергию почти непрерывно. Эта надежность имеет решающее значение для операций по добыче, которые работают 24/7 и не могут позволить себе простои. Напротив, солнечные панели в пустынной шахте могут достичь только 25-30% коэффициента мощности без аккумулятора, что добавляет стоимость. Геотермальная силовая установка может обеспечить постоянную нагрузку на дробилки, конвейеры и вентиляторы без колебаний, которые могут повредить оборудование.

Местное сообщество и экономическое развитие

Развитие геотермальных ресурсов вблизи шахты создает местные рабочие места в бурении, строительстве и обслуживании. Она также обеспечивает унаследованный актив: после закрытия шахты геотермальная установка может продолжать поставлять чистую электроэнергию в близлежащие общины, способствуя долгосрочной экономической диверсификации. В таких странах, как Кения и Индонезия, геотермальные проекты электрифицировали сельские районы, поддерживая горнодобывающие операции, обеспечивая социальные и экологические сопутствующие выгоды.

Применение геотермальной энергии в горных работах

Производство электроэнергии для шахтных энергетических систем

Наиболее простым применением является строительство геотермальной электростанции — либо флеш-пара, либо бинарного цикла — которая питает электричество непосредственно в шахте. Флэш-станции подходят для высокотемпературных резервуаров (> 180 ° C) и успешно используются в проекте плавильного завода Alcoa в Исландии и на месторождении Вайракей в Новой Зеландии. Бинарные циклические установки работают при более низких температурах (100-180° C) и идеально подходят для умеренно-температурных ресурсов, распространенных в вулканических дугах. Например, геотермальная установка в Неваде поставляет энергию на близлежащий золотой рудник, иллюстрируя возможность интеграции геотермальной в горнодобывающую нагрузку.

Прямая теплота для переработки минералов

Многие этапы переработки полезных ископаемых требуют температур выше 200 °C, таких как плавка меди, переработка глинозема (процесс Байера) и сушка концентратов. Геотермальные жидкости при 150-300°C могут обеспечивать прямое тепло через теплообменники, вытесняя котлы природного газа или угля. В Чилийском регионе Атакама пилотный проект оценивает геотермальное тепло для выщелачивания оксидов меди, потенциально снижая затраты энергии до 30%. Кроме того, геотермальный пар может использоваться для предварительного нагрева в автоклавах при огнеупорной обработке золота, повышая общую эффективность.

Отопление и охлаждение на месте

Подземные шахты естественным образом вырабатывают тепло от геотермальных градиентов и оборудования, часто требуя обширного охлаждения вентиляции. Мелкие геотермальные тепловые насосы могут эффективно обеспечивать охлаждение шахты летом и отопление офисов, переодевания и хранения оборудования зимой. Системы наземного цикла замкнутого цикла, установленные в скважинах вокруг шахты, могут снизить потребление энергии кондиционирования воздуха на 40-70% по сравнению с обычными чиллерами. В более холодном климате, таком как Канада, эти системы также предотвращают замерзание водопроводов и удерживают хвостовые пруды от обледенения.

Нагрев воды и опреснение

В шахтах используются большие объемы воды для пылеподавления, переработки и удовлетворения потребностей в питьевой воде. Геотермальное тепло может обеспечить опреснительные установки (например, многоэффектную перегонную перегону) для обработки солоноватой воды, особенно в засушливых районах добычи. Это приложение также решает проблемы нехватки воды при производстве чистой энергии. В Кении геотермальное поле Олькария поставляет как электричество, так и прямое тепло для цветочной фермы вблизи концессии на добычу полезных ископаемых, демонстрируя преимущества для всего сектора.

Сокращение углеродного следа от минного транспорта

В то время как электротранспортные средства выходят на рынок, им требуется зарядная инфраструктура. Геотермальная электроэнергия может питать электрические системы троллейбусного обслуживания на дорогах или станциях зарядки аккумуляторов для подземных погрузчиков. Хотя это не замена прямого сгорания, переход на электрогрузовики с геотермальным питанием устраняет выхлоп дизельного топлива и снижает эксплуатационные расходы на вентиляцию.

Реальные мировые тематические исследования

Исландия: Сварценгийская электростанция и Alcoa Smelter

Геотермальная установка Svartsengi (75 МВт электрическая, 150 МВт тепловая) обеспечивает электроэнергией и горячей водой жилые районы и отрасли промышленности на полуострове Рейкьянес. В частности, близлежащий плавильный завод Alcoa в Грюндартанги почти полностью работает на геотермальной электроэнергии из национальной сети, поддерживаемой гидроэнергией. Эта интеграция помогает плавильному заводу работать с одним из самых маленьких углеродных следов в алюминиевой промышленности. Хотя сам по себе глиноземный корм для плавильного завода не является шахтой, глиноземный корм для плавильного завода поставляется из бокситов, отгруженных за границу, но энергоемкий процесс сокращения декарбонизируется геотермальными. Опыт в Исландии показывает, что крупномасштабная обработка полезных ископаемых может быть успешно сопряжена с геотермальными ресурсами.

Кения: Геотермальные месторождения Мененгай и Олькария поддерживают добычу полезных ископаемых

Кения является лидером в геотермальной отрасли Восточной Африки, с установленной мощностью более 800 МВт. Месторождение Мененгай (105 МВт) и месторождения Олкария (более 500 МВт) поставляют электроэнергию в национальную сеть, которая обеспечивает несколько операций по добыче золота и титана. Горнодобывающий сектор Кении, хотя и зарождается, получает выгоду от высокого геотермального проникновения в страну. Компания по геотермальному развитию Мененгай также пилотировала сушку сельскохозяйственной продукции и образцов полезных ископаемых прямого использования, сигнализируя о будущей интеграции с переработкой полезных ископаемых. Геотермальное содержание лития в рассоле в Олкарии даже оценивается для добычи лития, создавая круговую экономику, где геотермальный ресурс поддерживает как энергетическое, так и критическое производство полезных ископаемых.

США: Брэди Хот-Спрингс — Геотермальная энергия для золотого рудника

В Брэди Хот-Спрингс, в провинции Бассейн и Рейндж в Неваде, находится геотермальная двойная установка мощностью 26 МВт, управляемая Ormat Technologies. Завод продает электроэнергию через соглашение о покупке электроэнергии частично на близлежащую золотую шахту, шахту Флориды Каньон (принадлежит Argonaut Gold.] Шахта использует непрерывную геотермальную энергию для своих операций по фрезеровке и выщелачиванию кучи, уменьшая зависимость от сети (которая часто основана на ископаемом топливе) и снижая эксплуатационные расходы. Этот пример показывает, как геотермальные ресурсы среднего размера могут экономически обслуживать одну шахту.