Geothermal Energy Potential of Active Northern Underground Mines: Designing a System Relying on Mine Water

Abstract

Mines in northern regions must heat underground workings, surface buildings, or process water due to frigid weather conditions. Mining companies commonly use fossil fuels for heating, which creates environmental challenges. An eco-conscious alternative, based on local resources and low electricity consumption, is the use of geothermal energy from the mine dewatering system. The Éléonore mine, an active underground mine located in a remote area in northern Québec (Canada), was selected as a case study. The geothermal resource was characterized to design a geothermal heat pump system (GHPS) adapted to mining operations. The energy balance was calculated to establish the heating energy requirements of the mine. Subsequently, the physicochemical properties of the water from different sampling points along the dewatering system were analyzed. Finally, a preliminary GHPS was designed to assess the amount of geothermal energy that can be extracted from the dewatering system of the mine. Under current conditions, a GHPS installed at the exit of the dewatering system could provide 39% of the 26.6 GWh/yr needed to heat the underground workings, reducing heating costs by 33% and greenhouse gas emissions by 1993 t/yr. A hydrogeological numerical model developed for the mine further suggests that a GHPS is sustainable throughout the life of the mine. Thus, this research indicates that, with adequate assessment, GHPSs have the potential to heat active mining operations and contribute to their energy needs in an environmental, affordable, and constant manner.

Chinese

由于气候寒冷, 北方地区的矿井必须为井下工作面、地面建筑或工艺用水供暖。采矿公司常用化石燃料供暖, 却又带来了环境难题。考虑当地资源特点和低电耗要求, 具有生态意识的替代方案是利用矿井排水系统的地热能。选取加拿大魁北克省北部偏远地区的生产矿井Éléonore矿为案例, 研究了该矿井的地热资源特征, 以设计适应采矿作业环境的地源热泵系统 (GHPS) 。首先, 计算了矿井的能量平衡, 确定了矿井供暖所需能量。随后, 分析了沿矿井排水系统不同采样点水样的物理化学特征。最后, 设计出初步的地源热泵系统 (GHPS), 估算了从矿井排水系统中可以提取的地热能源数量。在目前情况下, 如果地源热泵安装于矿井排水系统的出口处, 它能为井下工作面的供暖提供所需能量26.6 GWh/yr的39%, 降低33%供暖成本, 减少1993 t/yr温室气体排放。矿井的水文地质数值模型进一步表明, 地源热泵系统 (GHPS) 能够在矿井的整个生命周期内可持续运行。因此, 研究显示, 在经充分评估之后, 地源热泵系统 (GHPS) 有望为采矿作业供暖, 能够以环保的、可负担的和稳定的方式满足能源需求。

Zusammenfassung

Bergwerke in nördlichen Regionen müssen aufgrund der eisigen Witterungsbedingungen unterirdische Anlagen, überirdische Gebäude und Brauchwasser beheizen. Bergbauunternehmen verwenden zum Heizen in der Regel fossile Brennstoffe, was zu Umweltproblemen führt. Eine umweltbewusste Alternative, die auf lokalen Ressourcen und geringem Stromverbrauch basiert, ist die Nutzung geothermischer Energie aus dem Entwässerungssystem der Mine. Das Bergwerk Éléonore, ein aktives Untertagebergwerk in einem abgelegenen Gebiet im Norden von Québec (Kanada), wurde als Fallstudie ausgewählt. Die geothermische Ressource wurde charakterisiert, um ein geothermisches Wärmepumpensystem (GHPS) zu entwerfen, das an den Bergbaubetrieb angepasst ist. Die Energiebilanz wurde berechnet, um den Heizenergiebedarf des Bergwerks zu ermitteln. Anschließend wurden die physikochemischen Eigenschaften des Wassers an verschiedenen Probenahmestellen entlang des Entwässerungssystems analysiert. Schließlich wurde ein vorläufiges GHPS entworfen, um die Menge an geothermischer Energie abzuschätzen, die aus dem Entwässerungssystem des Bergwerks gewonnen werden kann. Unter den derzeitigen Bedingungen könnte ein am Ausgang des Entwässerungssystems installiertes GHPS 39% der 26,6 GWh/Jahr liefern, die für die Beheizung des unterirdischen Grubengebäudes benötigt werden. Dadurch würden sich die Heizkosten um 33% und die Treibhausgasemissionen um 1.993 t/Jahr verringern. Ein für das Bergwerk entwickeltes numerisches hydrogeologisches Modell deutet außerdem darauf hin, dass ein GHPS während der gesamten Lebensdauer des Bergwerks nachhaltig ist. Diese Untersuchung zeigt also, dass GHPS bei angemessener Beurteilung das Potenzial haben, aktive Bergbaubetriebe zu beheizen und ihren Energiebedarf auf umweltfreundliche, erschwingliche und konstante Weise zu decken.

Resumen

Las minas de las regiones septentrionales deben calefaccionar los trabajos subterráneos, los edificios de la superficie o el agua de proceso debido a las frías condiciones meteorológicas. Las empresas mineras suelen utilizar combustibles fósiles para la calefacción, lo que crea problemas medioambientales. Una alternativa ecológica, basada en los recursos locales y el bajo consumo de electricidad, es el uso de la energía geotérmica del sistema de desagüe de la mina. La mina Éléonore, una mina subterránea activa situada en una zona remota del norte de Quebec (Canadá), fue seleccionada como caso de estudio. Se caracterizó el recurso geotérmico para diseñar un sistema de bomba de calor geotérmica (GHPS) adaptado a las operaciones mineras. Se calculó el balance energético para establecer las necesidades de energía de calefacción de la mina. Posteriormente, se analizaron las propiedades fisicoquímicas del agua de diferentes puntos de muestreo a lo largo del sistema de desagüe. Por último, se diseñó un GHPS preliminar para evaluar la cantidad de energía geotérmica que puede extraerse del sistema de desagüe de la mina. En las condiciones actuales, una GHPS instalada a la salida del sistema de desagüe podría proporcionar el 39% de los 26,6 GWh/año necesarios para calefaccionar las labores subterráneas, reduciendo los costos de calefacción en un 33% y las emisiones de gases de efecto invernadero en 1993 t/año. Un modelo numérico hidrogeológico desarrollado para la mina sugiere además que un GHPS es sostenible durante toda la vida de la mina. De este modo, esta investigación indica que, con una evaluación adecuada, las GHPS tienen el potencial de calentar las explotaciones mineras activas y de contribuir a sus necesidades energéticas de manera ambiental, asequible y constante.