Clusteranalytischer Technologievergleich zur Quantifizierung von ökonomischen Einsatzpotentialen alternativer Transporttechniken in Natursteintagebauen mit dem Ziel der Energieeffizienzerhöhung

Braun, Tobias; Lottermoser, Bernd G.; Preuße, Axel; Niemann-Delius, Christian

doi:39211

Clusteranalytischer Technologievergleich zur Quantifizierung von ökonomischen Einsatzpotentialen alternativer Transporttechniken in Natursteintagebauen mit dem Ziel der Energieeffizienzerhöhung = Cluster-analytical technology comparison for the quantification of economic application potentials of alternative transport techniques in quarries to increase energy efficiency

Braun, Tobias^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. RWTH Tobias Braun

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XXII, 245 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lottermoser, Bernd G. (Thesis advisor)^RWTH* ; Preuße, Axel (Thesis advisor)^RWTH* ; Niemann-Delius, Christian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11419
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/774247/files/774247.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bandanlage (frei) ; Bergbau (frei) ; Clusteranalyse (frei) ; Nachhaltigkeit (frei) ; Steinbruch (frei) ; Transport (frei) ; belt conveyor (frei) ; cluster analysis (frei) ; sustainable mining (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Gewinnung von Natursteinen ist mit einem Energieaufkommen von ca. 10,4 % am Bruttoproduktionswert eines der energieintensivsten produzierenden Gewerbe in Deutschland. Dem innerbetrieblichen Transport kommt in Tagebauen zur Gewinnung von Natursteinen eine besondere Bedeutung zu, da dies den energieintensivsten und teuersten Prozessschritt darstellt. Derzeit gibt es in Deutschland ca. 1.000 aktive Natursteintagebaue. In 90 % dieser Betriebe werden aktuell dieselbetriebene Schwerlastkraftwagen (SKW) zum innerbetrieblichen Transport eingesetzt. Nachhaltigere Transportalternativen wie die Bandanlage werden bisher nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Vor diesem Hintergrund ist das Ziel dieser Arbeit, energetische und ökonomische Optimierungspotentiale durch den Einsatz alternativer Transporttechniken in deutschen Natursteintagebauen zu quantifizieren. Die Analyse der Abbausystematik und der Prozesstechnik in Natursteintagebauen zeigt, dass für einen energetischen und wirtschaftlichen Vergleich verschiedener Transporttechniken die Prozessschritte Laden, Transportieren und Vorbrechen betrachtet werden müssen. Zur Realisierung dieser Prozessschritte kommen grundsätzlich vier verschiedene Betriebsmittelkombinationen in Frage. Neben dem konventionellen Transport mit SKW in Kombination mit einem stationären Primärbrecher und einem Hydraulikbagger zum Laden des Materials wird der vollständige Transport mit Bandanlagen in Kombination mit einem mobilen Primärbrecher und ebenfalls einem Hydraulikbagger zum Laden des Materials berücksichtigt. Zudem wird der Kombinierte Transport von Bandanlagen verbunden durch einen semimobilen Primärbrecher mit SKW und einem Hydraulikbagger oder Radladern im Load & Carry Betrieb untersucht. Die Recherche der relevanten Literatur zeigt, dass bereits Anwendungsbeispiele für Bandanlagen in Natursteinbetrieben untersucht wurden, jedoch keine Untersuchungen hinsichtlich eines branchenbezogenen Anwendungspotentials existieren. Zudem setzen die allgemeinen Einschätzungen der grundsätzlichen Rahmenbedingungen für den wirtschaftlich positiven Einsatz von Bandanlagen hohe Fördertonnagen, große Transportdistanzen und große Hubhöhen voraus. Selbst die optimistischeren Einschätzungen einer erforderlichen Mindestfördertonnage für den wirtschaftlich vorteilhaften Einsatz von Bandanlagen von 1 Mio. t/a schließen den Einsatz von Bandanlagen in mehr als 90 % der deutschen Natursteintagebaue aus. Um allgemeine Anwendungspotentiale für den Einsatz von Bandanlagen zu identifizieren und diese gleichzeitig spezifisch zuordenbar zu machen, wird als methodisches Vorgehen ein clusteranalytischer Technologievergleich in fünf Schritten verfolgt. Dabei werden im ersten Schritt die erforderlichen Daten erfasst, bevor diese im Rahmen einer Clusteranalyse strukturiert und spezifische Referenztagebaue definiert werden. Im dritten Schritt resultiert die Erarbeitung einer Berechnungssystematik in der Erstellung eines Planungs- und Kalkulationstools für einen standardisierten Technologievergleich. Die Auswertung und Interpretation der Berechnungsergebnisse ist Inhalt des vierten Schritts. Im letzten Schritt erfolgt die Validierung der Ergebnisse anhand von Fallbeispielen. Basierend auf den Clustermerkmalen Tagebaugröße und -teufe werden elf Custer definiert, für welche jeweils durch die Ermittlung von Durchschnittswerten innerhalb eines Cluster ein Referenztagebau bestimmt wird. Diese Referenztagebaue werden als Anwendungsszenarien herangezogen, deren Ergebnisse näherungsweise auf die anderen Betriebe innerhalb eines Clusters übertragen werden können. Durch die Definition der erforderlichen Berechnungsgrundlagen wird die Basis für die Entwicklung eines Planungs- und Kalkulationstools zum quantitativen Vergleich verschiedener Transporttechniken gelegt. Basierend auf individuell einzugebenden Tagebauparametern vergleicht das Tool die Transporttechniken hinsichtlich statischer Vergleichskosten und berücksichtigt dabei immer die jeweils wirtschaftlich günstigste Betriebsmittelkombination einer Transporttechnik. Zudem vergleicht das Tool den Energiebedarf in den betrachteten Prozessschritten und die resultierenden THG-Emissionen. Im Rahmen der Ergebnisauswertung werden zwei unterschiedliche Szenarien betrachtet. Im Status quo-Szenario wird der Vergleich der Transporttechniken für die jeweils extremste Sohle eines Tagebaus durchgeführt. Das Szenario Entwicklungsmodell dient der Berechnung von Durchschnittskosten über die gesamte Lebensdauer eines Tagebaus. In einer abschließenden Sensitivitätsanalyse werden der Einfluss veränderter Tagebauparameter auf die Ergebnisse ermittelt und allgemeine Einsatzrestriktionen für den wirtschaftlich vorteilhaften Einsatz von Bandanlagen definiert. Durch die Anwendung des Planungs- und Kalkulationstools auf reale Tagebaubetriebe und den anschließenden Vergleich mit den tatsächlich vorliegenden Gegebenheiten wird das Tool validiert und die Reliabilität der ermittelten Ergebnisse bestätigt. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass der Einsatz von Bandanlagen in 70 % der deutschen Natursteintagebaue zu wirtschaftlichen Vorteilen mit einem Gesamteinsparungspotential von 63 Mio. €/a im Vergleich zur Anwendung von SKW führt und ein branchenweites wirtschaftliches Energieeinsparungspotential von 40 % bezogen auf die betrachteten Prozessschritte besteht. Es stellt sich zudem heraus, dass bereits ab einer jährlichen Fördertonnage von 400.000 t/a wirtschaftliche Vorteile durch den Einsatz von Bandanlagen in Natursteintagebauen erzielt werden können.

With an energy consumption of 10.4 % of the gross production value, the extraction of natural stones is one of the most energy-intensive industries in Germany. In-pit haulage is particularly critical in quarries, where those natural stones are extracted, as it is the most energy-intensive and cost-intensive process step. There are currently around 1,000 active quarries in Germany. In 90 % of these quarries, diesel-powered trucks are currently used for transportation. So far, more sustainable transport alternatives such as conveyor belts have only been used in exceptional cases. In this context, the aim of this thesis is to quantify energy and economic optimization potentials by the use of alternative transport techniques in German quarries. The analysis of the mining systematics and the process technology in quarries show that for an energetic and economical comparison of different transport techniques the process steps loading, transportation and primary crushing have to be considered. In order to implement these process steps, four different equipment combinations have to be examined. Besides the conventional transport with trucks in combination with a stationary primary crusher, the transport with belt conveyors in combination with a mobile primary crusher is considered. In addition, the combined transport of belt conveyors connected by a semi-mobile primary crusher with either trucks or wheel loaders in load & carry operation are investigated. The analysis of the relevant literature shows that application examples for belt conveyors in quarries have already been investigated. However, there are no studies with regard to an industry-related application potential. In addition, the general assessment of the basic framework conditions for the economically advantageous use of belt conveyors require high production tonnages, long transport distances and high lifting heights. Even the more optimistic estimates of a minimum production tonnage required for the economically advantageous use of belt conveyors of 1 million t/a rule out the use of belt conveyors in more than 90 % of German quarries. In order to identify general application potentials for the use of belt conveyors and to make them specifically assignable, a five-step cluster analytical technology comparison has been developed. In the first step, the required data is collected before it is structured in a cluster analysis. Eventually, specific reference quarries are defined. In the third step, the development of a calculation system results in the creation of a planning and calculation tool for a standardized technology comparison. The evaluation and interpretation of the calculation results is content of the fourth step. In the last step, the results are validated by the use of case studies. Based on the cluster characteristics pit size and pit depth, eleven clusters are defined, for each of which a reference quarry is defined by determining average values within a cluster. These reference quarries are used as application scenarios whose results can be transferred approximately to the other operations within a cluster. The development of a planning and calculation tool is based on the definition and presentation of the required calculation basis. By entering individual quarry parameters, the tool compares the transport techniques with regard to costs and takes into account the most economically advantageous equipment combination of each transport technique. In addition, the tool compares the energy requirements as well as the resulting greenhouse gas (GHG) emissions. For the evaluation two different scenarios are considered. In the “status quo” scenario, the transport techniques are compared for the most extreme level of a quarry. The second scenario “development model” is used to calculate average costs over the entire lifetime of a quarry. In a final sensitivity analysis, the influence of changing quarry parameters on the results is determined and general application restrictions for the economically advantageous use of belt conveyors are defined. The application of the planning and calculation tool to real quarries and the subsequent comparison with the actual conditions validates the tool and confirms the reliability of the determined results. The results of the work show that the use of belt conveyors could lead to economic advantages with a total savings potential of 63 million €/a in 70 % of German quarries, while compared to the use of trucks. This is paired with an industry-wide economic energy savings potential of 40 %. It also becomes apparent that economic advantages can be achieved from an annual production tonnage of 400,000 t/a onwards through the use of belt conveyors in quarries.

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