La energía renovable es económicamente y ambientalmente atractiva pero variable por naturaleza. La necesidad de energía de la minería es costosa, continua y creciente. La mejora de la eficiencia energética puede reducir la brecha entre el suministro de ER y la demanda de producción.

Por Russell A. Carter, Editor Colaborador

La minería es un negocio altamente consumidor de energía. Ésta consume enormes cantidades de energía para excavar y procesar productos minerales comercializables. Aunque es difícil comparar los costos operativos entre las minas ubicadas en diferentes distritos o regiones, comúnmente se calcula que un sitio típico puede incurrir en costos de energía que representan de 10% a 30% de los costos operativos globales. En algunos países ricos en minerales, la industria minera es, por lejos, el mayor usuario de energía eléctrica, alcanzando más del 20% del consumo nacional en Chile y más de un 50% en Zambia, por ejemplo. El Centro de Inversión Sostenible de la Universidad de Columbia (CCSI) predice que con el incremento de la demanda de minerales y las decrecientes leyes minerales, la demanda energética de la minería aumentará un 36% en 2035.

La elevada cantidad de electricidad necesaria para la minería moderna puede ser muy sorprendente cuando se desglosa en ejemplos cotidianos. Por ejemplo, las palas eléctricas a cable de 120 toneladas de carga útil pueden consumir en un día la electricidad que un hogar promedio en EE.UU. utilizaría en un año. Los costos de la infraestructura energética pueden ser igualmente desalentadores. First Quantum Minerals habría gastado aproximadamente $230 millones para suministrar energía desde el sistema interconectado nacional de Zambia hasta su mina Sentinel de $2.1 billones y a la vecina ciudad de Kalumbila. 

Aunque el acceso a la energía es necesario para casi cualquier tipo de operación minera, los estudios de la industria indican que no siempre ha estado a la cabeza de los problemas de la industria en general. Por ejemplo, en 2008, año punta del súper ciclo de la minería, la empresa multinacional de servicios profesionales Ernst & Young (EY) clasificó “el acceso a la energía” en el noveno lugar de los 10 principales riesgos empresariales que enfrenta la industria minera, y se mantuvo en el noveno lugar hasta hace poco conforme al informe de 2017-2018. En el informe de 2019-2020, sin embargo, un nuevo problema titulado “combinación energética” aparecía en el sexto lugar en la lista de riesgos.

¿Qué es la combinación energética, y por qué es de repente más importante que, por ejemplo, los problemas de la fuerza laboral, la disrupción tecnológica, el fraude de la industria, o la percepción de las amenazas del mercado de los productos básicos del Nuevo Mundo, todo lo cual arrastró a la energía al nivel de riesgo asignado? He aquí el porqué, según EY:

“Los costos energéticos representan ya una parte significativa de los costos operativos de la mina, y debido a que las minas están empezando a extenderse a profundidades más allá de las normas vigentes, su demanda energética está creciendo aún más. Para minimizar estos riesgos, las empresas están optando por una combinación de fuentes energéticas: combustibles fósiles, energía hidroeléctrica y energía renovable.” En su opinión, los elementos de “riesgo” son:

• Implicaciones sociales y a nivel de reputación al optar por fuentes de energía.

• La viabilidad de las fuentes de energía, particularmente en lugares remotos.

• Gestión de la disponibilidad de energía a lo largo de toda la vida útil de la mina y medidas para contrarrestar la volatilidad de los precios del combustible.

Esto se adapta a un patrón. En el actual entorno empresarial, los métodos tradicionales para lograr una serie de funciones mineras críticas, tales como las comunicaciones, la recopilación de datos y la gestión de activos, se consideran cada vez más como costosos, ineficientes y obsoletos y las fuentes y usos energéticos convencionales están listos para su inclusión en esta categoría. Sin embargo, la industria minera raramente se beneficia de una sola solución, debido a las diferentes características y necesidades de las operaciones individuales. Dentro de una sola empresa, ya sea si su asignación es combinación energética, eficiencia energética u optimización energética, puede haber solo uno de varios temas que compiten por lograr atención financiera y administrativa. Pero, cualquiera sea el nivel de eficiencia energética que ocupa en la jerarquía de los problemas operacionales de una organización, esto puede desglosarse en dos problemas más simples: En cómo se obtiene la energía y cómo se consume. En este artículo, Equipo Minero proporciona un análisis rápido de los desarrollos de la industria que abordan estas dos áreas, destacando nuevas alianzas, tecnologías y equipos diseñados para resolver algunos problemas relacionados con la energía.

Fuente: Informe, Las energías renovables para la minería en África pasan a la siguiente etapa–El enfoque cambia a la optimización de costos, THEnergy-Voltalia, Febrero 2019.

Recobrando el Ritmo

Aunque los recientes desarrollos indican que el índice de aceptación y la aplicación de estrategias para la eficiencia energética parece estar aumentando. Según EY, ha luchado por superar años de inercia y retrasos causados por:

• No utilizar a terceros para desarrollar, financiar y suministrar activos de ER.

• Energías renovables consideradas como “no esenciales,” con importantes recursos internos/costos de oportunidad.

• Limitada estrategia energética global divisional o regional.

• Falta de una clara visión estratégica o respuesta a enfoques de parte de los desarrolladores de energías renovables.

Sin embargo, un comunicado de prensa distribuido recientemente por Voltalia, un proveedor de energía francés especializado en fuentes de ER y THEnergy, una agencia de consultoría enfocada en energías renovables para micro-redes/mini-redes y redes autónomas, señala cambios positivos y mayores oportunidades en la industria. Específicamente, esto es en cuanto al suministro de energía en regiones remotas o donde la red eléctrica está incompleta, es poco fiable o está experimentando presión por la creciente demanda, como África.

La publicación señala que las empresas mineras han adoptado cada vez más sistemas de energía eólica y solar para reducir sus costos energéticos en minas de redes autónomas remotas. El enfoque inicial se centró en las capacidades de integración en terreno, ya que las mineras estaban preocupadas de que la inclusión de energías renovables intermitentes, como la solar y la eólica, pudiera afectar la fiabilidad del suministro eléctrico e incluso conducir a pérdidas de producción. Sin embargo, según el informe, las energías renovables combinadas con diésel, HFO o gas en diversas aplicaciones de micro-red han demostrado ser una fuente de energía fiable para las minas remotas, y “…para casi todas las minas, la integración de las energías renovables tendrá un impacto positivo en su posición del costo energético. Las empresas mineras no tienen que invertir su propio dinero. Los proveedores independientes de energía (IPPs, según siglas en inglés) invierten en la infraestructura de energía renovable y venden electricidad a las minas a través de acuerdos de compra de energía (PPA, según siglas en inglés).”

Según Thomas Hillig, director gerente de THEnergy, los grandes IPPs aprovechan las economías de escala en componentes para plantas de energía solar y eólica, no sólo para proyectos mineros remotos sino que también para plantas mucho más grandes conectadas a la red.

Uno de los ejemplos más recientes de operadores de minas en cuanto a transacciones con proveedores independientes de energía es Resolute Mining, quien firmó un acuerdo de desarrollo conjunto (JDA, según sus siglas en inglés) con Ignite Energy Projects Pty Ltd., un financista, desarrollador y operador de proyectos de energía en África, para desarrollar una nueva planta de energía solar híbrida independiente de 40 megavatios (MW) en la mina de oro Syama de la empresa en Malí.

La planta de energía solar híbrida Syama combinará las tecnologías solar, por batería y aceite combustible pesado (HFO). Se espera que el innovador proyecto sea la planta de energía híbrida autónoma totalmente integrada más grande del mundo para una operación minera autónoma. La nueva planta de energía reemplazará a la histórica central diésel existente de 28-MW en Syama y se espera que esté plenamente operativa a fines del 2020.

El proyecto será financiado y construido bajo un modelo IPP por el cual Ignite Energy, bajo los términos de un acuerdo de compra de energía exclusivo, será responsable del diseño, construcción, propiedad, financiación y operación de la nueva central de energía con carácter exclusivo y suministrará energía a Resolute sobre una base garantizada sujeta a una tarifa máxima en un plazo de 12 a 20 años.

El director gerente y CEO John Welborn dijo que la planta de energía solar híbrida Syama proporcionará a la mina ahorros de costos de electricidad a largo plazo de hasta 40%, al tiempo que reducirá las emisiones de carbono y proporcionará beneficios tangibles a las comunidades locales de Malí. “El proyecto es un componente clave para entregar el costo esperado de sostenibilidad de sub-US$750 por onza a la mina de oro subterránea Syama.”

La empresa dijo que la planta comprenderá una combinación avanzada de la moderna generación de energía solar fotovoltaica (Solar PV), generación basada en HFO y un sistema de gestión de energía a batería. Los costos del combustible HFO se espera que sean hasta un 50% más bajos que el diésel, con unidades generadoras modernas más grandes y sustancialmente más eficientes que los motores actuales de Resolute, que se remontan al momento en que la central eléctrica Syama fue originalmente establecida por BHP en la década de 1980, con una flota de generadores diésel que se ha ido ampliando progresivamente para satisfacer las necesidades operacionales. El costo actual para generar energía en Syama oscila entre $0.20/kWh y $0.24/kWh, dependiendo de los precios del combustible diésel.

Los PPAs no son la única opción para las empresas mineras que buscan acuerdos de suministro de energías renovables o más ecológicas, según el CCSI. Otras posibilidades incluyen:

• Créditos de Atributo Energético – La empresa minera compra créditos producidos por las plantas eléctricas de ER.

• Energía ecológica interconectada a la red – La empresa minera compra productos ecológicos premium o paga tarifas ecológicas a una instalación.

• Colaboración Industrial – Varias empresas se comprometen a comprar electricidad procedente de un IPP, haciendo un proyecto de ER viable.

• Auto-generación – El proyecto de ER es construido y es propiedad de la empresa minera.

Por ejemplo, como parte de un programa de reducción de costos e impulsado para gestionar su huella de carbono, la operación Loulo de Barrick Gold en Malí planea instalar una planta de energía solar híbrida autónoma de 24-MW para apoyar a su central térmica de 63-MW. La empresa dijo que la planta solar tiene el potencial de ahorrar 10 millones de litros de combustible al año, reduciendo a la vez las emisiones anuales de carbono de Loulo en 42.000 toneladas métricas ™.

Barrick dijo que el proyecto de ER es parte de su estrategia para abandonar la energía térmica en África, donde la falta de infraestructura significa que muchas minas necesitan contar con energía diésel auto-generada, haciendo que éste sea su ítem de mayor costo.

Según un estudio de factibilidad de energía solar, se espera que la planta fotovoltaica reemplace los 50.000 MWh/año de generación térmica. La introducción del componente solar reducirá el costo energético del complejo en aproximadamente 2 centavos/kWh. La construcción del proyecto, el cual informó Barrick que cumple con sus criterios de inversión del 20% IRR, comenzará a fines de este año y está programado para su puesta en marcha a finales del 2020. La planta utilizará los últimos modelos de predicción meteorológica, los cuales permitirán que el sistema de gestión de energía se cambie entre la energía solar y térmica sin comprometer la micro-red.

Mientras tanto, la mina de oro Granny Smith de Gold Fields está planeando instalar una micro-red alimentada por más de 20.000 paneles solares y respaldada por un sistema de baterías de 2-MW/1-MWh.

La empresa minera contrató a la empresa eléctrica móvil y modular Aggreko para diseñar, construir y operar los sistemas de baterías y generación de energía solar de 8-MW en la mina, ubicada al este de Laverton en Australia Occidental.

El vicepresidente ejecutivo de Gold Fields Australasia Stuart Mathews, dijo, “Esperamos que la micro-red de energía renovable estará lista y en marcha en Granny Smith el último trimestre de 2019 y será una incorporación positiva a nuestra suite de soluciones de energía en terreno a través de otras operaciones, lo cual nos permitirá reducir nuestra huella de carbono.”

La construcción del sistema de energía renovable comenzará en mayo y, cuando se termine, será una de las micro-redes hibridas autónomas más grandes del mundo y se integrará a la generación existente de gas natural de 24.2-MW de Aggreko.

El director gerente George Whyte de Aggreko AusPac dijo que los activos de almacenamiento solar, térmico y a batería serán integrados y administrados por la plataforma del software de control de Aggreko. “El sistema solar con baterías está pensado para reducir el consumo de combustible en un 10%-13% y producir cerca de 18 GWh de energía limpia al año,” dijo Whyte.

Aunque la energía solar fotovoltaica reducirá la necesidad de operar generadores termoeléctricos, la planta de baterías otorgará servicios esenciales tales como el desplazamiento de la capacidad de rotación excedente, el control de la velocidad de la rampa fotovoltaica y el voltaje transitorio / soporte de frecuencia.

Suministro Estable

A medida que las tecnologías y los sistemas de ER proliferan, los sistemas de energía necesitarán ajustarse según corresponda para acomodar mejor la entrada de fuentes de energías renovables variables (VRE) como las plantas solares y eólicas mejorando la flexibilidad del sistema, según un informe publicado por REN21, una red global de la política de ER. Sin embargo, la tecnología de las energías renovables está evolucionando para mejorar la facilidad de integración y los generadores de energía solar fotovoltaica y eólica de punta pueden ofrecer una variedad de servicios pertinentes del sistema para estabilizar la red de distribución eléctrica, informó la organización.

En los países que pueden tener cientos de comunidades remotas y una gran cantidad de operaciones mineras fuera de la red, la naturaleza intermitente y las fluctuaciones de energía de las fuentes de ER, combinado con la baja inercia de los pequeños sistemas de energía aislados, dan lugar a problemas de estabilidad y calidad de la energía que requieren un control de balance carga-generación dinámico avanzado. Además, con múltiples activos de generación en un sistema, el despacho de energía resulta complicado. Como NRCan, agencia federal de recursos naturales de Canadá señaló, las micro-redes remotas y aisladas requieren de un sistema de control resistente en tiempo real. Reconociendo esta necesidad, la empresa de consultoría en ingeniería Hatch recibió $2.22 millones para crear un controlador comercialmente viable que facilite la integración de las fuentes de energías renovables y el almacenamiento de energía en micro-redes remotas, maximizando al mismo tiempo el rendimiento y manteniendo la estabilidad del sistema.

Hatch, empleando la investigación realizada en la Universidad de Waterloo, diseñó y creó la Micro-red Hatch (HµGrid), descrita como un controlador de nivel industrial. HµGrid incorpora módulos de medición del sistema de alimentación, configuración de potencia dinámica, control supervisor, despacho económico óptimo, así como el almacenamiento de energía, límite de generador, carga inteligente y gestión de producción.

Cuando se producen fluctuaciones en una red eléctrica, los primeros segundos determinan si se producirá un apagón. En agosto pasado, Siemens introdujo lo que llama “el eslabón perdido en la transición energética” — su estabilizador de frecuencia SVC Plus Frequency Stabilizer (FS). Siemens afirma ser el primer proveedor del mundo que combina la capacidad de compensación de la potencia reactiva con el uso de los llamados súper-condensadores. El modo de carga de los súper-condensadores es electrostático, lo cual significa que los electrones se mueven en lugar de las moléculas. Como resultado, éstos se cargan y descargan mucho más rápido que los acumuladores.

Según la empresa, el SVC Plus FS puede alimentar la potencia reactiva necesaria para la operación estable de la red en menos de 50 milisegundos. Al mismo tiempo, se pueden transferir hasta 200 MW de la energía eléctrica almacenada en los súper-condensadores a la red a plena carga. Como resultado, el voltaje y la frecuencia, y por lo tanto también la red, permanecen estables. Este procedimiento automático se activa cuando el voltaje o la frecuencia sobrepasan o disminuyen por debajo de ciertos límites. Esta capacidad, dijo la empresa, es particularmente importante en redes eléctricas que están expuestas a alimentaciones volátiles. Por ejemplo, de fuentes de ER cada vez más distribuidas.

Siemens compra los súper-condensadores a Maxwell Technologies, y es responsable de la administración de los condensadores var estáticos y súper-condensadores, conexión a la red e integración del sistema. Se dice que el SVC Plus FS ocupa aproximadamente dos tercios menos de espacio en comparación con una solución de almacenamiento de batería a una potencia de referencia de 50 MW.

Y, aunque es poco probable que algún mecanismo artificial sea capaz de controlar la variabilidad de las fuentes eólica y solar, su predictibilidad puede ser un asunto diferente, gracias a los avances en el campo de la tecnología de la Inteligencia Artificial (IA). Deepmind, una empresa de investigación de IA de Alphabet Inc., empresa matriz de Google, informó recientemente un exitoso esfuerzo para aplicar el aprendizaje automático para predecir la potencia de salida del parque eólico con más de un día de antelación.

Sims Witherspoon, un gerente de programa en Deepmind, y Will Fadrhonc, programa Energía Libre de Carbono conducido en Google, escribió en un blog de febrero que un programa que se inició el año pasado aplicó algoritmos de aprendizaje automático a 700 MW de capacidad de energía eólica en la zona central de Estados Unidos. Estos parques eólicos, parte de la matriz global de proyectos de energías renovables de Google, generan colectivamente tanta electricidad como sea necesaria para una ciudad de mediano tamaño.

“Utilizando una red neuronal entrenada en predicciones meteorológicas ampliamente disponibles y datos históricos de turbina, hemos configurado el sistema DeepMind para predecir la producción eólica con 36 horas de antelación a la generación real,” dijeron. “Basados en estas previsiones, nuestro modelo recomienda cómo optimizar los compromisos de entrega por hora a la red eléctrica con un día completo de antelación. Esto es importante porque las fuentes de energía que pueden ser programadas (es decir, pueden entregar una cantidad determinada en un tiempo establecido) son a menudo más valiosas para la red.

“A pesar de que continuamos perfeccionando nuestro algoritmo, nuestro uso del aprendizaje automático a través de nuestros parques eólicos ha producido resultados positivos. Hasta la fecha, el aprendizaje automático ha aumentado el valor de nuestra energía eólica en aproximadamente un 20%, en comparación con el escenario básico de los compromisos no basados en el tiempo con la red.”

Los autores no explican en que se basó el incremento de “valor” de la energía eólica, pero es probable que gran parte de esta cifra podría atribuirse al ahorro de los costos operacionales.

Uso Eficiente

Independientemente de la fuente, cómo se usa la electricidad en terreno es crucial para lograr una mayor eficiencia energética. La trituración consume alrededor de un 50% o más de la electricidad en la mayoría de las operaciones, con motores, accionamientos y bombas utilizando la mayor parte de esa cantidad. Por esa razón, es rentable trabajar estrechamente con proveedores de equipos para motores y accionamientos que puedan ofrecer modelos, sistemas y asesoramientos específicos para optimizar el uso de la energía, particularmente sobre cómo la nueva tecnología, junto con una adecuada selección de componentes y mantención atenta, pueden hacer la diferencia desde el punto de vista energético. Aquí hay dos ejemplos:

Para clientes que buscan mejoras en general en el rendimiento de la planta, incluyendo la eficiencia energética, el anuncio de ABB, sobre la adjudicación de un contrato de KAZ Minerals el año pasado, ofrece una visión respecto a mejoras integradas de amplio alcance disponibles. ABB anunció que va a entregar una solución exhaustiva de energía y procesos que duplicará la capacidad de la planta de procesamiento de mineral de sulfuro de KAZ Minerals en Aktogay, Kazajstán. Según ABB, este proyecto es el tercer pedido importante del cliente y reutilizará la ingeniería y la configuración de las soluciones de las otras dos líneas de producción de la empresa en la zona. KAZ Minerals es el mayor productor de cobre en Kazajstán.

ABB proveerá su solución ABB Ability MineOptimize para el control integral de procesos y energía, la cual incluye el control de todos los procesos y los equipos de electrificación e infraestructura para la planta. ABB Ability MineOptimize es un portfolio que abarca la ingeniería, sistemas, aplicaciones y servicios para ayudar a las empresas mineras a lograr el diseño, construcción y operación más eficiente de cualquier mina a rajo abierto o subterránea y planta de procesamiento o refinación de minerales.

El alcance del suministro de ABB para este proyecto incluye su sistema de automatización digital ABB Ability System 800xA, así como tres sistemas de accionamiento sin engranajes para molienda y un rodillo de molienda de alta presión para manejar la mayor cantidad de mineral que será procesada en esta expansión. La entrega incluye también transformadores de distribución y subestaciones, centros de control de motores, unidades de voltaje medio y bajo, aplicaciones específicas de procesamiento de minerales, y otros equipos eléctricos y de automatización. Además, ABB proporcionará los servicios de ingeniería, instalación y puesta en marcha del proyecto y los servicios de monitoreo y diagnóstico remotos continuos.

ABB dijo que su entrega proporcionará numerosos beneficios operacionales y de seguridad a este proyecto. Ésta supervisará, controlará y gestionará todos los aspectos de la producción, accederá a información crítica desde los dispositivos del sistema y proporcionará análisis de datos detallados para determinar la eficiencia de los procesos e identificará oportunidades de mejora. Asimismo, supervisará y administrará la distribución y el consumo de energía en éste y otros sitios de KAZ Minerals.

También se encuentran disponibles soluciones de software de monitoreo de alimentación eléctrica, enfocados en equipos y sistemas específicos. Por ejemplo, el paquete ABB Ability Smart Sensor de sensores inteligentes se incorporó a una línea de productos de un fabricante de bombas suizo, permitiendo a los usuarios monitorear el consumo de energía de la unidad y aplicar la mantención predictiva para evitar paradas no programadas.

En el mercado de las correas transportadoras, Voith dijo que su BeltGenius ERIC permite a los operadores de minas dar un vistazo a la eficiencia de sus sistemas de correas transportadoras en cualquier momento. El sistema recibe continuamente los datos pertinentes del rendimiento del sistema de correas transportadoras, incluyendo la velocidad de la correa, la tensión de la correa, la potencia motriz efectiva para todos los motores de accionamiento y la temperatura. Luego, estos parámetros son transmitidos a un servidor en Voith. El servidor contiene un gemelo digital del sistema, en el cual se almacena toda la información relevante sobre las correas transportadoras, como la longitud de la correa, el ancho de la correa, el diámetro de los rodillos de acarreo, las poleas motrices, las poleas de retorno, la configuración de las estaciones de transferencia, la topografía y el ángulo de las canaletas. Al utilizar esta información, ERIC determina un valor de eficiencia normalizado referido al consumo de energía para el transporte de material horizontal, conocido como indicador de eficiencia energética (ENPI, según siglas en inglés). Este indicador permite al operador evaluar rápidamente qué tan eficiente está operando actualmente la correa transportadora. Los datos son visualizados en la interfaz de usuario individual del cliente, en la forma de un tablero de control en línea.

Voith dice que esta normalización permite a los operadores de minas la posibilidad de comparar fácilmente todos los sistemas existentes en términos de su rendimiento energético. El gemelo digital compara la potencia instalada con la energía realmente utilizada. Esto, según Voith, permite al operador identificar las reservas de potencia y utilizar de forma óptima la capacidad del sistema de correas transportadoras existentes sin poner en peligro la seguridad del sistema.

Voith también ofrece la opción de equipar segmentos de correas individuales con chips de RFID. Con esta opción, las correas y las secciones del sistema menos eficientes son más fáciles de identificar a través de la interacción entre el gemelo digital y el RFID, según la empresa.

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