Versatzbergbau: High Yield Extraction (HYE)-Technologie von K-UTEC

Die High Yield Extraction (HYE)-Technologie ist eine neue Entwicklung zur Verbesserung der Ressourceneffizienz durch die Rückführung von Aufbereitungsrückstände als Versatz in abgebauten Hohlräumen bei gleichzeitiger Verringerung der Umweltbelastung.

Die Mineralien- und Metallgewinnungsindustrie ist seit Jahrtausenden, seitdem die Menschheit begonnen hat, Feuerstein zur Werkzeugherstellung abzubauen, von großer globaler Bedeutung. Gleichzeitig nahmen auch die Umweltauswirkungen der Bergbauaktivitäten zu. Hervorzuheben ist die an Bedeutung zunehmende Herausforderung, wo und wie Halden aus dem Bergbau und der Verarbeitung zu entsorgen bzw. umweltfreundlich zu bewirtschaften sind, denn heute existieren weltweit mehrere tausend Haldenanlagen. Die Auswirkungen des Bergbaus und der damit verbundenen Entsorgung von Abraum an der Bodenoberfläche oder im Meer sind vielfältig. Um nur einige zu nennen: Kontamination von Boden und Grundwasser durch Ableitung von Leckagen, Oberflächenabsenkung (z.B. Senklochbildung) und extensive Landnutzung.

Wenngleich die Bergbauindustrie Arbeitsplätze schafft, das Wirtschaftswachstum fördert und die Gesellschaft bei der technologischen Entwicklung unterstützt, fordert die Öffentlichkeit mehr Gehör für ihr Anliegen diverser Themen neuer und bestehender mineralgewinnender Betriebe betreffend, sowie für eine bessere Umverteilung des Gewinns. Die Politik beugte sich dem Druck der Bevölkerung und erhöhte den regulatorischen Druck auf die Bergbaubetriebe. Um diesem Trend zu begegnen, steht die Bergbauindustrie vor großen Nachhaltigkeitsherausforderungen, zu denen die Umweltauswirkungen, d.h. die Abfallwirtschaft von Bergbau- und Verarbeitungsabfällen gehören. Ein Beispiel für den regulatorischen Druck auf die Bergbauindustrie in Bezug auf die Abfallwirtschaft ist die europäische Richtlinie über die Bewirtschaftung von Abfällen aus der mineralgewinnenden Industrie. In dieser Richtlinie werden die europäischen Mitgliedstaaten zur Handlung aufgefordert, eine Entsorgung mineralischer Abfälle ohne Gefährdung der menschlichen Gesundheit und der Umwelt sicherzustellen, z.B. durch einen Abfallwirtschaftsplan. Die Ziele eines solchen Plans zeigen auf, welche Rolle den Versatz bei der Verwertung von Abfällen aus der Gewinnung von Mineralien und Metallen unter Berücksichtigung des Grundsatzes der nachhaltigen Entwicklung spielen sollte:

„Die Betreiber sollten erwägen, mineralische Abfälle nach der Gewinnung des Minerals wieder in den gewonnenen Schacht zurückzuführen, soweit dies technisch und wirtschaftlich machbar und umweltfreundlich ist“ (Europäisches Parlament und Rat 2006).

Die K-UTEC AG Salt Technologies (K-UTEC), deren Wurzeln fest in der globalen Kali- und Lithiumindustrie verankert sind, vertritt die Vision, dass ein „emissionsfreier“ Abbau nicht nur prinzipiell möglich ist, sondern auch eine erträgliche und rentable Führung von Bergbaubetrieben ermöglicht. K-UTEC hat innovative Prozessrouten für Kalium und Lithium geschaffen, um die enormen Abfallmengen, die bei der Gewinnung und Aufbereitung dieser Mineralien anfallen, zu bewältigen. Dies geschieht, indem K-UTEC sowohl die verkaufsfähige Produktpalette erweitert, als auch Abfallstoffe im Versatz von Hohlräumen verwendet. Die verbleibende Frage ist, ob der „emissionsfreie“ Abbau, d.h. die Erweiterung der Produktpalette und die Verfüllung von Reststoffen aus der Verarbeitung, wirtschaftlich vertretbar ist. Obwohl diese Frage praktisch nur projektspezifisch beantwortet werden kann, sollte die Prämisse einer signifikanten Steigerung der Ressourceneffizienz durch sekundäre Pfeilergewinnung oder den Einsatz von High Yield Mining Methoden wie dem Strebausbau theoretisch zu einer positiven Antwort beitragen.

Die Rückführung von Rückständen aus der Gewinnung und Verarbeitung in abgebauten Hohlräumen wurde bei einer Reihe von historischen und aktuellen Bergbaubetrieben angewendet. Diese Praxis ist jedoch nicht alltäglich, da die meisten bei den Extraktionsmaßnahmen anfallenden Abfälle an der Bodenoberfläche in Bergeteichen und/oder Deponien entsorgt werden. Die Gründe dafür sind vielfältig, liegen aber hauptsächlich darin, dass die konventionelle Haldenentsorgung, d.h. in Teichen, die kostengünstigste Entsorgungsart ist. Es stellt sich die Frage, welche Kosten in einer wirtschaftlichen Bewertung des Deponiekonzeptes enthalten sind, die diese Aussage untermauert. Die langfristigen Kosten, die der Gesellschaft durch Umweltschäden und -ereignisse entstehen, werden bei wirtschaftlichen Bewertungen in der Entwurfs- und Betriebsphase oft aus offensichtlichen Gründen vernachlässigt oder weggelassen.

Um eine nachhaltige Fortführung der rohstoffgewinnende Industrie zu gewährleisten, die auch die Anliegen der Öffentlichkeit ernst nimmt, sollten ihre typischen Herausforderungen, wie beispielsweise die Gefahr der Absenkung an der Oberfläche und die Verschmutzung von Boden, Oberflächen- und Grundwasser, in einer neuen Vision der umweltfreundlichen und gleichzeitig wirtschaftlichen Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen näher betrachtet werden. Weitere zentrale Fragen sind der parallele Abbau und der Versatz unter Verwendung einer abbindenden (d.h. aushärtenden) Suspension auf der Basis von Abfallstoffen und Bindemitteln, die zu einer hohen Ressourceneffizienz bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltbelastung führen.

In den letzten Jahren hat K-UTEC, sich am Markt orientierend, hauptsächlich Verarbeitungstechnologien für (minderwertigere) polymineralische Kaliumerze entwickelt. Darüber hinaus konnte das Unternehmen in den letzten zwei Jahrzehnten durch seine bedeutende Rolle in der mitteleuropäischen Abfallwirtschaft umfangreiche Erfahrungen im Bereich der komplexen, chemischen Systeme von Versatzmischungen sammeln. Der Kalibergbau in Mitteldeutschland erstreckt sich über einen Zeitraum von mehr als 150 Jahren. Die daraus resultierende Absenkung der Tagesoberfläche hat die Stabilisierung mehrerer Kaliumbergwerke erforderlich gemacht. Diese wurde durch den Versatz der Abbauholräume mit Versatzmischungen auf Basis von Sekundärrohstoffen aus Müllverbrennungsanlagen, wie zum Beispiel Flugasche und Rauchgasreinigungssalzen, erreicht. Beide Technologien, d.h. die Verarbeitung von (minderwertigen) polymineralischen Erzen und von komplexen, chemischen Versatzsystemen, wurden entwickelt und bis zur Technological Readiness Level (TRL) 9 umgesetzt, mit anderen Worten, diese Technologien werden im industriellen Maßstab eingesetzt.

Die Kombination dieser beiden Erfahrungen hat zur Entwicklung der vorgeschlagenen HYE-Technologie geführt. Diese Entwicklung wurde durch die Durchführung mehrerer grundlegender und angewandter Forschungsprojekte verstärkt, in denen Technologien zur Kaliumgewinnung und -verarbeitung unter Minimierung der Umweltbelastung entwickelt wurden. Schlüsselelement der HYE-Technologie ist die Herstellung einer Versatzmischung auf Basis von Verarbeitungsabfällen und speziellen Bindemitteln. Da ein großer Teil der Verarbeitungsabfälle aus Kaliumerzen, Flüssigkeiten oder Schlämmen besteht, ist die Herstellung von Versatzsuspensionen aus flüssigen Abfällen, festen Abfällen und Bindemitteln der sinnvollste Prozess. Der zusätzliche Vorteil dieser Versatzschlämme ist die Möglichkeit des hydraulischen Transports und der Platzierung mit Pumpen und Rohrleitungen.

Der Einsatz von speziellen Bindemitteln ermöglicht die volle Kontrolle über die Abbindeeigenschaften der Versatzschlämme sowohl in der Abbindezeit als auch in der Endversatzfestigkeit. Für den Einsatz in der HYE-Technologie stehen mehrere mineralische Bindemittel zur Verfügung, die überwiegend aus der mineralgewinnenden Industrie bezogen werden können. Weitere Forschungen zu Bindemitteln aus Sekundärrohstoffen werden bereits durchgeführt, um die Kosten für die Versatzproduktion weiterhin zu senken. Neben dem Bindemittelanteil können die flüssigen Prozessabfälle in einem Versatzgemisch vorverarbeitet werden, z.B. durch Verdampfung und anschließende Teilkristallisation von Salzen im flüssigen Abfall, um extrem feste Versatzmaterialien für den Einsatz in sehr tiefen Bergwerken zu erhalten. K-UTEC ist in der Lage, Versatzmischungen aus kaliumverarbeitenden Abfällen mit einer einachsigen Druckfestigkeit herzustellen, die mit der Anwendung in (tiefen) Untertagebergwerken kompatibel ist, um so die Hängewand ausreichend zu stützen.

longwall mining with backfilling enabling a near 100% extraction ratio – © K-UTEC

Resümee: K-UTEC entwickelt Versatztechnologien, z.B. Bindemittelsysteme und die dazugehörige Infrastruktur, um die zuvor erläuterte Unternehmensvision im Bereich der Kaliumgewinnung und -verarbeitung verwirklichen zu können. Die sich noch in der Entwicklung befindende Technologie ist jedoch auch auf andere Salz-, Mineralien- und Metallgewinnungsbetriebe anwendbar. Durch den Einsatz spezieller chemischer Bindungssysteme sind die Immobilisierung toxischer Komponenten und die Entwicklung von Versatzmischungen mit ausreichender Festigkeit für die Stabilisierung bergbaulicher Hohlräume. K-UTEC möchte akademische und industrielle Partner für eine Zusammenarbeit zur Erfüllung dieser Vision gewinnen. Das ultimative Ziel im Rahmen der Technologieentwicklung ist es, einen neuen Standard in der nachhaltigen Erzgewinnung und -verarbeitung zu setzen, indem der Stand der Technik auf ein neues Niveau gehoben wird.

Lesen Sie mehr dazu hier: http://www.k-utec.de

Eco Mining Concepts Mitglieder stellen innovative Projektideen bei Minera San Pedro vor

Minera San Pedro und Eco Mining Concepts luden die Netzwerkmitglieder ein, innovative Ideen für nachhaltige Pilotprojekte vorzustellen – ausgewählte Vorschläge wurden dann bei dem Besuch der Mine San Pedro evaluiert. Unter den eingereichten Ideen waren die Vorschläge von Fraunhofer Chile Research und Mankuk erfolgreich.

Während sich Fraunhofer Chile Research auf Solarenergie für den Bergbau fokussiert, schlug Mankuk ein Projekt im Bereich der Weiterverwertung von Altreifen vor. Im folgenden Interview berichtet Alexander von Frey, Geschäftsführer von Mankuk, mehr über dieses Projekt und die Zusammenarbeit mit dem Reifenaufwertungsunternehmen Kona Fuel.

In Chile fallen jährlich rund 130.000 Tonnen Reifen als Abfall an. Ein Drittel davon stammt aus dem Bergbau und der Bauindustrie. Mit diesem Prozentsatz trägt der chilenische Bergbau eine große Verantwortung für die Umwelt, da die meisten dieser Reifen letztendlich als Abfall und nicht als Ressourcen behandelt werden und somit meistenteils auf Deponien endgelagert werden. Das Recycling von Bergbaureifen ist also ein großer Schritt zu mehr Nachhaltigkeit: Wie und unter welchen Bedingungen können entsorgte Reifen wieder verwendet werden?

Alle verfügbaren Bergbaureifen können wiederverwendet werden. Kona Fuel führte ein Pilotprojekt durch, bei dem vier Reifen erfolgreich geschnitten und in einem seiner Reaktoren im Werk Talcahuano verarbeitet wurden. Einer der großen Vorteile des Pyrolyseverfahrens besteht darin, dass jeder Reifentyp verwertet werden kann. Bei den größeren Bergbaureifen ist ein Vorprozess erforderlich, um ihre Größe zu verringern und sie in den Reaktoren verarbeiten zu können. Im Falle des OTR-Reifens 63 (der größte vorhandene) muss dieser nur in 8 Segmente zerschnitten werden, um recycelbar zu sein.

Die Bergbauindustrie hat ein großes Potenzial, ihre Reifen in Kraftstoff oder Energie für ihre eigenen Prozesse umzuwandeln. Erfahrung und Technologie dafür sind vorhanden. Reifen als Abfall im Bergbau zu sehen, gehört der Vergangenheit an: sie sind nicht nur notwendige Elemente für den Produktionsprozess, sondern auch eine Quelle für Kraftstoff und/oder Energie.

Welche Rolle spielen Technologien und Digitalisierung beim Reifenrecycling?

Nachhaltiges und massenhaftes Recycling von Reifen ist eine große Herausforderung, bei der neue Technologien einen großen Mehrwert bringen können. Derzeit ist die Pyrolyse eine davon, aber zweifellos ist es notwendig, sich technologisch weiter zu entwickeln, um die Effizienz und Qualität des aus dem Prozess resultierenden Kraftstoffs (Raffination) zu erhöhen und einen grösseren Handelswert zu erhalten. Trotz technologischer Verbesserungen sind regulatorische Anreize in dieser Hinsicht sehr wichtig, da die Trägheit großer Bergbauunternehmen vielfach die Umsetzung neuer Projekte in diese Richtung erschwert, insbesondere wenn es sich um ein neues, sich gerade entwickelndes Thema handelt. Ausserdem ist es für erfolgreiche Projekte in diesem Bereich notwendig, ein Gleichgewicht zwischen technologischen Aspekten (und den daraus resultierenden Kosten) und normativen Aspekten (also der Notwendigkeit / Verpflichtung, diese Art von Projekten durchzuführen) zu schaffen und damit die Grundlagen für Entstehung und den Ausbau der Reifenrecyclingindustrie zu schaffen.

 Wie kann nicht nur die Umwelt, sondern auch der chilenische Bergbau vom Reifenrecycling (wirtschaftlich) profitieren?

Durch die Möglichkeit Reifen im Bergbaubetrieb zu verwerten, entfallen die Notwendigkeit, Sammelflächen und –zentren  zu betreiben, sowie der Umwelthaftung und Garantie durch Bergbauunternehmen für diese Reifen, die normalerweise als Abfall eingestuft werden. Statt als Abfall zu enden,  werden die Reifen in den Kreislauf zurückgeführt und in Energie und Kraftstoff für den Bergbaubetrieb umgewandelt.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die Verwertung neue Rohstoffe und Produkte generiert, die aus preislicher Sicht wettbewerbsfähig sind. So kann beispielsweise der aus der Pyrolyse von Reifen resultierende flüssige Kraftstoff den Dieselkraftstoff in Erzeugungsanlagen ersetzen. Es entsteht also ein alternativer Kraftstoff von guter Qualität zu geringenen Kosten.

Nicht nur der Großbergbau kann von dieser Technologie profitieren, sondern auch mittlere oder kleine Bergbaubetriebe, indem diese Anlagen zur Gewinnung von Kraftstoff und/oder Energie für ihre Prozesse implementieren, um Reifen aus anderen Sektoren, vor allem der Automobil- und der Reifenindustrie selbst zu erhalten. Auf diese Weise werden sie zur Umsetzung der Eco-Mining-Praktiken beitragen, indem sie nicht-konventionelle Energie in ihrem Prozess nutzen.

Mankuk ist Partner des Reifenaufwertungsunternehmens Kona Fuel. Wie ist es zu dieser Zusammenarbeit gekommen? Welche Rolle spielt die Kooperation zwischen den verschiedenen Akteuren im chilenischen Bergbau und wie kann diese verbessert werden?

Während der gesamten Beratungs- und Konsultationstätigkeit, die Mankuk anbietet, hatten wir die Möglichkeit, mit verschiedenen Branchen, Kunden, Realitäten und vor allem mit Menschen zu interagieren, die unsere Arbeit schätzen, nicht nur bei der Entwicklung der Beratung selbst, sondern auch bei der Art und Weise, wie wir unsere Dienstleistungen angehen und ausführen. Dadurch entstehen Vertrauensbindungen, die sich in Einzelfällen in Einladungen als strategische Partner von Projekten niederschlagen.

Kollaborative Arbeit ist fundamental für die Entwicklung neuer Technologien – egal in welcher Industrie. Es muss ein Interesse und einen Anreiz für die Verwendung neuer Technologien geben, sowie ein Interesse daran, neue Entwicklungen und Technologien zu evaluieren und auch die dadurch erzeugten neuen Wertstoffe in die Prozesse einzuspeisen.

Ein wichtiger Punkt ist ein gesetzlicher Rahmen, der alle Aspekte dieser Entwicklungen in Betracht zieht. So gibt es beispielsweise im konkreten Fall der Weiterverwertung von Reifen das Gesetz zur Erweiterten Produzentenverantwortung (EPV), das einen Anreiz für das Recycling schafft, aber es gibt keinen Anreiz, der die Verwendung alternativer Wertstoffe  auf gesetzlicher Ebene fördert oder erlaubt, wie beispielsweise im Falle des flüssigen Kraftstoffs. Dies schafft Hindernisse bei der Kommerzialisierung, da es sich nicht um einen „direkt aus Erdöl gewonnenen Kraftstoff“ handelt, was Misstrauen bei der Verwendung erzeugt – so werden neue Projekte in diesem Bereich verhindert.

Das EPV-Gesetz wurde 2016 in Chile verabschiedet. Mit diesem Gesetz wurde die Verantwortung der chilenischen Bergbauindustrie erhöht, als Produzenten eine nachhaltige Entsorgung ihrer Altreifen zu gewährleisten. Chile hat sich in dieser Hinsicht ehrgeizige Ziele gesetzt. Für LKW-Reifen aus dem Bergbau sollen Recyclingquoten von 75 % aller im Jahr 2024 angefallenen Altreifen und 100 % im Jahr 2026 erreicht werden. Können wir heute bereits eine Veränderung im Reifenbergbau nach der Einführung dieses Gesetzes feststellen oder stellt das Recycling noch einen „Tropfen auf den heißen Stein“ dar?

Das Gesetz erzeugt Interesse daran Alternativen zu identifizieren, die es für die Valorisierung der Altreifen und ihre Validierung gibt. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass Unternehmen dann Aktionen realisieren, wenn dies erforderlich ist. Daher müssen wir abwarten, wie die Entwicklung  verläuft und wie die Bergbauindustrie darauf reagiert. Auf jeden Fall ist das EPV-Gesetz ein Ausgangspunkt, der Bewusstsein schafft und nach Alternativen suchen lässt. Dafür müssen wir aber Fortschritte bei der Vermarktung von Nebenprodukten bei der Weiterverwertung von Altreifen erreichen.