Energieeffizienz • Energie-Intensität im Kupfer- und Goldbergbau

Zusammenfassung: Minenbetriebe stehen vor zahlreichen Herausforderungen, wie sinkende Rohstoffpreise, abnehmende Metallgehalte im Erz und höhere Energiepreise. Gerade weil die Erzaufbereitung besonders energieintensiv ist, stehen Energieeinsparungen wieder im Fokus. In dem vorliegenden Beitrag wird gezeigt, welche Überlegungen im Kupfer- und Goldbergbau eine wichtige Rolle spielen.

1 Einführung

In den letzten Jahren konnten viele Minenunternehmen in der Erzaufbereitung von Basismetallen, Gold, Silber und Platingruppenmetallen ihren spezifischen Energieaufwand verringern und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit verbessern. Die Gründe sind vielschichtig und betreffen beispielsweise die Schließung unrentabler Minen, technologische Verbesserungen wie moderne Mahlverfahren oder ein verbessertes Energiemanagement. Doch es gibt auch gegenläufige Tendenzen. So soll beispielsweise für Chiles Kupferproduktion der Elektrizitätsbedarf von 2015 bis 2026 um 53,5 % zunehmen, obwohl in dem Zeitraum nur ein Anstieg der Kupferproduktion um 7,5 % geplant ist. Wenn man sich mit den Gründen dazu beschäftigt, erkennt man, dass nicht nur die Art des Aufbereitungsverfahrens eine Rolle spielt, sondern auch abnehmende Metallgehalte im Erz und die Wasserversorgung der Minen.

2 Marktdaten für den Kupfer- und Goldbergbau

Der Kupfer- und Goldbergbau nimmt nach Eisenerz die führenden Plätze im weltweiten Umsatz-Ranking bei den mineralischen Rohstoffen ein. Trotz einer zwischenzeitlichen Absatzkrise ist die Nachfrage nach Kupfer und Gold ungebrochen. Bild 1 zeigt die Entwicklung der Kupfer-Minenproduktion in den letzten 10 Jahren. Dabei ist die Produktion mit durchschnittlichen jährlichen Wachstumsraten (CAGR) von 3,0 % auf 20,2 Millionen t (Mt) gestiegen. Die jährlichen Wachstumsschwankungen lagen zwischen 8,9 % und -0.2 %. Bei der Goldproduktion sind die Verhältnisse ähnlich (Bild 2). Die CAGR der Produktion lag bei 3,6 % in den letzten 10 Jahren. 2016 wurden 3260 t Gold gewonnen, nach 2350 t im Jahr 2007 und einem relativ geringfügigen Einbruch in der Goldgewinnung während der Finanzkrise 2008.

Grundsätzlich ist es einleuchtend, dass höhere Produktionen nur mit einem größeren Energieaufwand realisierbar sind. In diesem Fachbeitrag soll insbesondere der elektrische Energieaufwand näher betrachtet werden. Der elektrische Energieaufwand und der Brennstoffbedarf halten sich bei der Gold- und Kupfergewinnung jeweils in etwa die Waage. Von Interesse ist besonders der spezifische Energieaufwand pro Tonne gewonnenem Kupfer bzw. Gold. Daten dazu werden in erster Linie von den Minenbetrieben bereitgestellt. In geringerem Umfang sind Daten von einzelnen Minenverbänden erhältlich. Weitere Datenquellen stellen Energieaudits und die Projektbeschreibungen von Consulting-Unternehmen bei Ausbau- und Neuprojekten für Kupfer- und Goldminen dar. Für andere mineralische Rohstoffe ist die Situation grundsätzlich ähnlich.

3 Spezifische Daten zur Kupfergewinnung in Chile

Momentan stagniert die Kupfergewinnung in Chile (Bild 3). Im Jahr 2013 wurde ein Höchststand in der Minenförderung mit 5,776 Mt erreicht, 2016 waren das 5,553 Mt, entsprechend einem Anteil von 27,5 % an der weltweiten Minenproduktion in Höhe von 20,2 Mt. Die Chilean Copper Commission (Cochilco) plant, die Minenproduktion ausgehend von 2015 bis zum Jahr 2026 um jährlich 0,5 % auf etwa 6,2 Mt zu erhöhen. Von Cochilco wurde in 2015 eine Studie über den künftigen Elektrizitätsbedarf des chilenischen Kupferbergbaus herausgegeben. Darin sind alle derzeitigen und künftigen Projekte erfasst. Bild 4 zeigt, wie sich der künftige Elektrizitätsbedarf von 22,1 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2015 auf 34,1 TWh verändern wird. Dargestellt sind die verschiedenen Verbraucher.

Größter Verbraucher ist das konventionelle Aufbereitungsverfahren mit dem Konzentrator, wie es für sulfidische Erze durch Brechen, Vermahlen und nachfolgende Flotation zum Einsatz kommt, gefolgt von Verfahren für oxydische Kupfererze mit Haufenlaugung, Solventextraktion und Elektrogewinnung (LS-SX-EW). Der Anteil der Erzgewinnung mittels Konzentrator wird von 72 % im Jahr 2015 auf 89 % in 2026 steigen. Entsprechend steigt der Elektrizitätsbedarf für die Konzentrator-Verfahren von 13,2 TWh um 69 % auf 22,3 TWh im Jahr 2026, während die LS-SX-EW-Verfahren von 4,5 TWh um 40 % auf 2,7 TWh abnehmen. Interessant ist ebenfalls die Zunahme um fast 460 % für die Meerwasserentsalzung/Pumpenverfahren. Die Zunahmen beim Mining (+38 %), Refining (+30 %) und Services (+26 %) im Rahmen der geplanten zusätzlichen Minenproduktion sind etwas moderater, übersteigen aber deutlich die geplanten Produktionszuwächse.

Seit Jahren sind die Kupfergehalte im Erz rückläufig, da die Ausbeutung der höherwertigen Vorkommen weiter voranschreitet. Im weltweiten Maßstab enthalten die geförderten Erze durchschnittlich weniger als 1,0 % Cu (Bild 5). In Chile liegen die Kupfergehalte noch deutlich darunter. 2015 betrug der durchschnittliche Kupfergehalt der Erze nur 0,65 %. Für das Jahr 2026 werden in Chile nur noch Kupfergehalte der Erze von unter 0,5 % erwartet. Damit steigen natürlich die zu verarbeitenden Erzmengen aus dem Minenbetrieb. Im internationalen Vergleich schneidet der chilenische Kupfererzbergbau immer schlechter ab. Nachdem 2010 etwa 35 % der weltweiten Kupferproduktion mit höheren Kupfergehalten als die Minen in Chile abschnitten, wird dieser Wert auf 43 % in 2020 ansteigen.

Bild 6 zeigt die Entwicklung des Elektrizitätsbedarfs für die Verfahren mit Konzentrator sowie LS-SX-EW. Während in dem Fall mit Konzentrator der spezifische Elektrizitätsbedarf pro t Material von 79,3 MJ/t um 4 % auf 82,5 MJ/t zugenommen hat, verringerte sich der Kraftbedarf für die LS-SX-EW-Verfahren von 43,2 MJ/t um fast 23 % auf 33,3 MJ/t. Man erkennt gleichzeitig, dass für die LS-SX-EW-Verfahren der Kraftbedarf pro t Material deutlich niedriger liegt, wobei dieser Nachteil bei dem Konzentrator-Verfahren aber durch höhere Ausbeuten ausgeglichen wird. Gemäß Bild 7 liegt derzeit in Chile der spezifische Elektrizitätsbedarf pro Tonne produziertem Kupfer für das Konzentrator-Verfahren als auch für das LS-SX-EW-Verfahren bei etwa 12,0 GJ/t Kupfer (Cu). Für die Anlagen mit Konzentrator ist dieser Wert in den letzten 10 Jahren aber insgesamt schneller gestiegen.

4 Grundlagen zum Energiebedarf bei Minenbetrieben

Die mineralogischen Eigenschaften der Erze beeinflussen zunehmend die erforderlichen Aufbereitungsverfahren. Bei der Kupfergewinnung werden sulfidische Erze durch Vermahlung und Flotation zu Konzentraten angereichert, anschließend erfolgen pyrometallurgische Prozesse zur Erzeugung von Reinkupfer. Oxidische Erze werden nach einer Vermahlung durch Haufenlaugung mit Schwefelsäure behandelt und durch SX/EW-Verfahren zu Kathodenkupfer verarbeitet. Im weltweiten Maßstab überwiegt die Konzentrat-Erzeugung mit etwa 85 % Marktanteil. Bei der Goldgewinnung haben sich die Cyanidlaugung bzw. CIL (Carbon-In-Leach)-Prozesse mit fast 90 % Marktanteil durchgesetzt. Zu dem weltweiten Energiebedarf dieser Verfahren existieren bisher nur Schätzungen.

Eine Darstellung des Energieaufwands der unterschiedlichen Verfahren und Verfahrensstufen bei der Kupfergewinnung ist vereinfacht in Bild 8 für einen Kupfergehalt des Erzes von 0,5 % dargestellt. Die Energieaufwände sind in kJ/t Material und kJ/lb (Pfund Kupfer) angegeben. Den geringsten Energiebedarf liefert das sogenannte Run-of-Mine (ROM)-Leaching mit anschließendem SX/EW-Verfahren, den höchsten Energiebedarf erfordert der Prozess mit SAG/Kugelmühlen und anschließender Flotation und Pyrometallurgie. In den Prozessen sind verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie der Energieaufwand reduziert werden kann. Bild 9 zeigt zusätzlich, wie sich der Energiebedarf für die unterschiedlichen Verfahren in Abhängigkeit des Kupfergehaltes im Erz verändert. Entsprechend erhält man theoretische Energieaufwände von weniger als 10 MJ/lb Cu bis zu mehr als 80 MJ/lb Cu.

Der größte Energieaufwand in der Kupfer- und Goldgewinnung entfällt auf Zerkleinerungs- und Vermahlungsprozesse. Aus dem Energieaudit von zumeist australischen Kupfer- und Goldminen folgt, dass 36 % der erforderlichen Energie auf die Zerkleinerung entfällt [1]. Frühere Studien hatten Werte zwischen 18 % und 50 % ergeben. Bild 10 zeigt, dass die spezifische Zerkleinerungsenergie eine Funktion des Kupfergehaltes im Erz, aber auch von der Durchsatzleistung der Mine und damit der eingesetzten Technologie ist. So sind einerseits mit abnehmenden Kupfergehalten höhere spezifische Energien von über 4 MWh/t Cu erforderlich, andererseits setzen bei größeren Minen sogenannte Skaleneffekte ein, die schlechtere Kupfergehalte teilweise kompensieren und womit Leistungen von weniger als 1 MWh/t Cu möglich sind.

Die klassische Vermahlung mit SAG- und Kugelmühlen (Bild 11) kommt immer mehr ins Hintertreffen [2, 3]. Hochdruckwalzenmühlen (HPGR) werden sowohl bei der Kupfer- als auch bei der Vermahlung von Golderz verstärkt eingesetzt. Die erste nennenswerte Anwendung erfolgte 1995 in der Kupfermine Cyprus Sierrita, USA [4], allerdings konnten infolge des extrem abrasiven Erzes keine wirtschaftlichen Standzeiten der Mahlwalzen erreicht werden. Dies änderte sich mit dem Projekt „Cerro Verde“, einer Kupfer-Molybdän-Mine in Peru im Jahr 2006 und später in 2011, als SAG-Mühlen vollständig durch 4 HPGR mit jeweils 2100 t/h Leistung ersetzt wurden [5]. In der Morenci Kupfermine von Freeport-MyMoRan in Arizona/USA ging 2014 die größte bisher ausgeführte HPGR für Durchsätze von bis zu 5400 t/h in Betrieb (Bild 12). Pilotuntersuchungen hatten gezeigt, dass mit der HPGR Energieeinsparungen von 13,5 % gegenüber Mahlverfahren mit SAG-Mühlen realisierbar sind. Bis 2014 gingen bereits über 35 HPGR für die Kupfervermahlung in Betrieb.

Ein weiterer wichtiger Einsparbereich betrifft die Nachvermahlung von Produkten aus der Flotation [3, 6, 7]. Die Feinheitsanforderungen dort bewegen sich in einem weiten Bereich von 2 bis 75 µm, die Aufgabekorngrößen liegen unter 200 µm und die Mengen meist im Bereich unter 100 t/h, so dass Kugelmühlen wegen ihres hohen Energiebedarfs in diesem Feinheitsbereich keine sinnvolle Lösung darstellen. Mit der horizontalen Rührwerkskugelmühle IsaMill (Bild 13) können in verschiedenen Anwendungen Energieeinsparungen gegenüber Kugelmühlen von 20-30 % erreicht werden [10]. Hohe Energieeinsparungen ergeben sich auch mit vertikalen Strömungs-Rührwerkskugelmühlen (Bild 14). Beide Mühlentypen kommen wegen ihres relativ niedrigen Energiebedarfs inzwischen auch vermehrt bei der Sekundär- und Tertiärvermahlung als Ersatz für Kugelmühlen zum Einsatz [8, 9, 10].

Mit abnehmenden Wertstoffgehalten in den Erzen haben sich ebenfalls die Durchsatzmengen bei der Flotation (Bild 15) erhöht. Um höheren Flotationsvolumen Rechnung zu tragen, haben die Hersteller ein Scale-up der Flotationszellen vorgenommen. Sogenannte Superzellen sind jetzt mit Volumen bis 600 m3 verfügbar [11]. Dabei ist von besonderem Interesse, dass durch eine verbesserte hydrodynamische Performance der größeren Zellen gegenüber kleinen Zellen mit konventioneller Technologie die Energiekosten im besten Fall um bis zu 40 % gesenkt werden können. Die Einsparungen, die dabei für die gesamte Aufbereitungslinie erzielt werden, sind insofern zu relativieren, als für die Flotation meist weniger als 10 % der Energiekosten für die Vermahlung erforderlich sind.

Zwei weitere Bereiche, die ebenfalls zu den merklichen Energieverbrauchern zählen, sind das mechanische Handling des Materials sowie der Pumpentransport von Flüssigkeiten und Schlämmen. Mechanische Förderanlagen (Bild 16) sind für die Beschickung der Aufbereitungsanlagen unerlässlich. Daneben existieren verschiedene mechanische Transporte in der Mine selbst. Der Anteil der elektrischen Energie dazu macht weniger als 5 % einer Aufbereitungslinie aus. Etwas anders sieht die Situation beim Pumpenaufwand aus. Insbesondere, wenn Meerwasser-Entsalzungsanlagen und die Fernwasser-Versorgung der Minen einbezogen werden, können die Anteile der elektrischen Energie auf über 15 % steigen. Hohe Energieverluste entstehen insbesondere beim vorzeitigen Verschleiß von Schlammpumpen, der durch spezielle Designs wie Verschleißringe in der Pumpe reduziert werden kann.

5 Energieintensität ausgewählter Minenunternehmen

Australische Wissenschaftler haben den Energiebedarf von insgesamt 68 Kupfer- und Goldminen ausgewertet, die sämtliche derartige Minen in Australien umfassen sowie 24 % der weltweiten Kupferminen und 15 % der weltweiten Goldminen [1]. Daten für SAG- und Kugelmühlen waren vollständig vorhanden, Daten für Brecher und für die Nachvermahlung nur teilweise, so dass einige Ergebnisse geschätzt wurden. In Bild 17 sind die Ergebnisse für die spezifische Mahlenergie für die Vermahlung von Kupfererz dargestellt. Der durchschnittliche Verbrauch liegt bei 1,223 MWh/t Cu. Auf der Abzisse ist die kumulative Kupferproduktionsmenge der betrachteten Minen dargestellt. Eine entsprechende Graphik existiert für die analysierten Goldminen (Bild 18). Hier sind Minen mit einer Produktion von 11 Millionen Unzen (Moz) erfasst. Die durchschnittliche spezifische Mahlenergie liegt bei 353 kWh/oz.

Bild 19 zeigt den spezifischen Energieverbrauch der Unternehmen Teck Resources und Barrick Gold bei der Kupfererzaufbereitung. Die spezifischen Daten sind in GJ/t Cu aufgetragen und liefern somit ein Maß für die Energie-Intensität der Kupfererzeugung. Bei Teck Resources sind 4 Minen in Kanada, Chile und Peru mit einer Produktionsmenge von insgesamt 324 kt in 2016 erfasst, Barrick Gold verfügt nur über die Lumwana-Kupfermine in Sambia mit einer Produktionsmenge von zuletzt 123 kt. Bei beiden Unternehmen ist in den letzten 3 Jahren ein Trend zu geringeren Energieintensitäten zu erkennen. Die Energieintensität der Lumwana-Mine liegt mit 24,5 GJ/t Cu deutlich unter dem von Teck durchschnittlich erzielten Wert von 43,7 GJ/t Cu in 2016.

In Bild 20 ist die Energie-Intensität für das Unternehmen Gold Fields dargestellt. Gold Fields betreibt 3 Goldminen in Südafrika, Australien und Ghana sowie eine Kupfer/Gold­mine in Peru. Im Jahr 2016 wurden 2,15 Moz Gold (gerechnet als Goldäquivalent) gewonnen, das entspricht fast der Vorjahresmenge von 2,16 Moz. Für die Goldgewinnung wurde 2016 ein Energieeinsatz von 0,063 GJ/t Erzmaterial nach 0,072 GJ/t im Jahr 2014 eingesetzt. Die Energie-Intensität für die Goldgewinnung betrugt 5,27 GJ/oz im Jahr 2016 nach 4,56 GJ/oz in 2014. Damit ist die Energie-Intensität mit einer CAGR von 7,5 % in den zwei Jahren gestiegen. Ein solcher Anstieg ist nur mit deutlich abnehmenden Goldraten im Erz zu erklären.

Bild 21 zeigt die Energie-Intensität von Barrick Gold bei der Goldgewinnung in ausgewählten Minen. Insgesamt verfügt Barrick Gold über 9 Goldminen in Argentinien (Veladero), Kanada, Dominikanische Republik, Peru und den USA (Cortez, Goldstrike, Turquoise Ridge und Golden Sunlight). 2016 wurden insgesamt 5,52 Moz Gold produziert, womit man die Nr. 1 weltweit ist, vor Newmont Mining und AngloGold Ashanti. Die durchschnittliche Energie-Intensität der 9 Goldminen sank von 5,33 GJ/oz im Jahr 2014 auf 5,11 GK/oz in 2016. Die dargestellten 3 Minen haben aber deutlich unterschiedliche Energie-Intensitätslevel und -verläufe. Goldstrike zählt bei Barrick Gold zu den Minen mit der höchsten Energieintensität, allerdings konnte der Wert reduziert werden. Turquoise Ridge weist den niedrigsten Bedarf mit geringen Veränderungen in den letzten Jahren aus. Veladoro hatte einen ansteigenden Bedarf.

6 Marktausblick

Geringere Metallgehalte im Erz veranlassen die Minenbetreiber nach Lösungen zu suchen, wie der Energiebedarf weiter reduziert werden kann. Würden keine Anstrengungen unternommen, würde der Energiebedarf deutlich ansteigen. Von den Minenunternehmen werden zunehmend Energieaudits vorgenommen, um zu erfassen, wo die größten Energieverbraucher vorhanden sind und um zu sehen, wie die Performance verbessert werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt bei den Mahlverfahren als dem größten Energieverbraucher. Für neue Projekte sind energetisch günstigere Mahlverfahren mit HPGR anstelle SAG-Mühlen und vertikalen und horizontalen Rührwerkskugelmühlen anstelle von Kugelmühlen zu berücksichtigen. Eine wichtige Rolle dabei spielt die Optimierung von Mahlkreisläufen [13].

Bei Leistungssteigerungen und Brownfield-Projekten geht es darum, vorhandene Maschinen zu ergänzen oder durch leistungsfähigeres Equipment zu ersetzen. Dabei spielen HPGR-Mühlen und Rührwerkskugelmühlen ebenfalls eine wichtige Rolle, um mit einfachen Mitteln durch einen weiteren Mahlkreislauf oder andere Schaltungen höhere Durchsätze zu erzielen. Dies betrifft auch die Nachvermahlung bei der Flotation und den Austausch vorhandener Flotationszellen durch neue, leistungsfähigere und größere Zellen zur Erzielung längerer Verweilzeiten und besserer Ausbeuten. In jüngster Zeit wird auch verstärkt eine Selektion der Erze durch sensorgestützte Verfahren diskutiert. In jeden Fall haben Minenbetriebe heute zahlreiche Optionen, um Energieeinsparungen zu erzielen und um gleichzeitig die Cash-Kosten zu senken.

Literatur • Literature

 

[1] Ballantyne, G.R., Powell, M.S.: Benchmarking Comminution Energy Consumption for the Processing of Copper and Gold Ores. Minerals Engineering 2014, Vol. 65, pp. 109-114

[2] Staples, P. et all: Are SAG Mills Loosing Market Confidence? Presentation at 6th International Conference on Semiautogenous and High Pressure Grinding Technology, 20-24 September 2015, Vancouver/Canada

[3] Harder, J: Energy Trends – Advances in Fine Grinding and Classification. AT MINERAL PROCESSING, 01-02/2015, pp. 42-55

[4] Patzeld, N.: HPGRs for Hard Rock Applications. Proc. of the Randol Innovative Metallurgy Forum 2005, Perth/Australia

[5] Harder, J: Trends in the grinding of hard rock for raw materials production. AT AUFBEREITUNGS TECHNIK, 08/2018, pp. 38-48

[6] Rahal, D. et all: Knelson-Deswig Milling Technology: Bridging the Gap Between Low and High Stirred Mills. Presentation at 43rd Annual Canadian Mineral Processors Meeting, 2011. Ottawa/Canada

[7] Knorr, B.R., Allen J.: Selection Criteria of Stirred Milling Technologies. Conference Proceedings of Comminution 2010, 13.-16. April 2010, Cape Town/South Africa. ISBN: 978-1-61738-713-5, pp. 573-589

[8] Voigt, P. et all: Economic Recovery and Upgrade of Metals from Middling and Tailing Streams: Presentation at 49th Annual Canadian Mineral Processors Conference, 17-19 January 2017. Ottawa/Canada

[9] Jankovic A., Valery, W.: Design and Operation of Vertimill® for Secondary Grinding. Presented at the 36th International Conference on Mining and Metallurgy, 29.09-02.10.2004, Bor Lake/Serbia and Montenegro

[10] Harder, J.: Improved Yields – Trends in the grinding of non-ferrous metal ores. AT MINERAL PROCESSING, 7-8/2012, pp. 49-62

[11] Harder, J: Progress in Flotation – Current trends in the processing of metal ores. AT MINERAL PROCESSING, 11/2015, pp. 52-64

[12] Rinne, A., Peltola, A.: On Lifetime Costs of Flotation Operations.
Minerals Engineering, 21 (2008), pp. 846-850

[13] Lane, G. et all: Comminution Circuit Design Considerations. Presentation 49th Annual Canadian Minerals Processors Conference. 17-19 January 2017, Ottawa/Canada

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