MORSKE TEHNOLOGIJE

1. MORSKE TEHNOLOGIJE Morsko rudarstvo Predavanje 5 Doc.dr.sc. Gorana Jelić Mrčelić

2. ... in the ocean depths, there are mines of zinc, iron, silver and gold which would be quite easy to exploit. Jules Verne (1870)

3. Morsko rudarstvo je tehnološki sustav istraživanja i vađenja ruda iz podmorja, kako s površine morskog dna tako i iz samog morskog dna, uz pomoć odobalnih tehničkih postrojenja. Između 1970 i 2000 oko 1 milijardu dolara potrošeno je na studije o iskorištavanju. • u Tajlandu 50% ukupne proizvodnje kositra dobiva se iz podmorja, u Indoneziji 55% • Japan iz podmorja crpi više od 20% godišnje proizvodnje granulata, Danska oko 12 % • vađenje ugljena iz podmorskih žila u Velikoj Britaniji predstavlja 20 % ukupne proizvodnje - u bivšoj državi je kod luke Koromačno u Istri pronadena žila ugljena koja se proteže s kopna

4. Oblici minerala koji se susreću u moru i podmorju mogu se podijeliti u ove grupe: • otopljeni minerali (npr. natrijev klorid) • čvrste naslage – kore na morskom dnu ili rudne žile u morskom dnu (npr. ugljen, kositar, željezo...) • sipke naslage (mulj, peleti, noduli): • erozivnog porijekla (s kopna), • biološkog porijekla (od uginulih morskih organizama), • kemijskog porijekla (izlučene iz morske vode) koje se nalaze na dubinama većim od 1 000 m, pa se slabo komercijalno iskorištavaju.

5. Način nastajanja sipkih naslaga

6. Rasprostranjenost minerala po dubini: • kontinentalni prag (šelf) do dubine 150 m: pijesak, šljunak, nakupine minerala, nastavak kopnenih rudnih žila; • padina kontinentalnog praga (slaz) do 2000 m: nakupine minerala, fosfati u nodulima; • oceanski grebeni i uzvisine od 1500 m do 2000 m: naslage nastale hidrotermalnom mineralizacijom (polimetalni sulfidi); • dubinske zaravni (abisal) od 3500 m do 6000 m: polimetalninoduli.

7. Neki gospodarski važni minerali iz podmorja 1. Manganski noduli su grumenja crne boje, veličine od loptice golfa do veličine krumpira. Sastoje se od željeznog i manganovog oksida, a sadrže i potencijalno ekonomski isplative količine bakra, nikla, kobalta i manje koncentracije titana i molibdena. Nalaze se na morskom dnu od 4 000 do 6 000 m. Otkriveni su 1803, a od 1960-tih prepoznati kao rude. Porijeklo: • terigeno (s kopna), • vulkansko i • hidrotermalno

8. Rasprostranjenost nodula u oceanima

9. 2. Hidrotelmalni izvori (eng. hydrothermal vents) Izvori tople vode, uobičajeno temperature 350°C (mogu ići i do 420°C) koja u sebi sadrži otopljene velike koncentracije metala, sumpora i drugih elemenata, talože ih u dodiru s hladnom morskom vodom u dubinama (2°C). Uglavnom su veličine omanje kuće, ali veliki izvori u Trans-atlantičkoj geotraverzi (TAG) istočno od Miami-a mogu se usporediti s nogometnim stadionom. Najveće ležište (eng. vms deposit) koje se koristilo je Atlantis II u Crvenom moru. 1970 njemačka tvrtka Preussag iskorištavala ga je u korist Sudana i Saudijske Arabije.

10. 3. Polimetalni sulfidi mogu biti u obliku mulja u područjima podmorskih vulkanskih aktivnosti (kao u Crvenom moru) ili velikih nakupina kore uz ugasle podvodne vulkane (eng. black smokers) i hidrotermalne izvore. 4. Manganska korica je kora manganovog oksida na morskom dnu, na dubinama od 800 do 2 400 m. Sadrži kobalt, nikal, nešto platine i fosfata, te rijetke zemljine elemente. 5. Fosforiti (spojevi fosfora) se koriste kao fosfatno gnojivo. Mogu biti u obliku peleta, nodula, kore, nepravilnih oblika i konglomerata na kontinentskom pragu, uglavnom u područjima visoke organske produkcije (biološko podrijetlo).

11. 6. Hidrati metana su “kavezi” od molekula vode u obliku leda koji su zarobili čestice metana. Potencijalni su izvor energije. HM su stabilni pri temperaturama i tlakovima koje vladaju na morskom dnu od 300 do 500 m. Područja u kojim ih nalazimo je nestabilno morsko dno. • Porjeklo HM: • od biogenog metana (bakterije) -razbacana ležišta male komercijalne vrijednosti, koja nalazimo ih u područjima brze akumulacije organskog sedimenta; • od prirodnog plina koji migrira na površinu oceanskog dna s odgovarajućim uvjetima temperature i tlaka. To su uglavnom lokalizirana ležišta uz hidrotermalne izvore.

12. Ležišta HM mogu se prepoznati po mrlji sličnoj naftnoj mrlji na površini

13. Proces dobivanja minerala iz podmorja možemo podjeliti u sedam koraka: • Pronalaženje i ispitivanje ležišta • Dobivanje koncesije • Kopanje i/ili sakupljanje minerala • Podizanje minerala na površinu i transport • Prerada minerala • Rafinacija i prodaja minerala • Uklanjanje štete nastale u okolišu

14. Pronalaženje i istraživanje nalazišta Velik dio istraživanja mineralnih ležišta je već obavljen, tako da već postoje podaci za početno planiranje. Ono obuhvaća utvrdivanje : • topografije podmorja i sastava tla, • koncentracije, veličine i vrste naslage, • pomorskih i meteoroloških uvjeta i • ekonomske isplativnosti. Sastoji se od tri faze: I. faza – snimanje II. faza - vađenje uzoraka III. faza – izrada financijskog modela

15. I. Prva faza – snimanje pomoću složenih elektronskih uredaja (satelita, hidroakustičnih uređaja, TV kamera, senzora i autonomnih AUV i daljniskih podvodnih plovila ROV). Prva faza – snimanje pomoću satelitskih i hidroakustičnih uredaja

16. Prva faza – postavljanje senzora

17. Prva faza – vertikala plutajućih SENZORA (transponderi, transmiteri, hvatači sedimenta...) postavljenih na potencijalnom ležištu

18. II. Druga faza - vađenje uzoraka bušenjem, jaružanjem ili grabljenjem, ovisno o vrsti nalazišta. U tu svrhu koriste se: • preuredeni postojeći brodovi za bušenje nafte i plina, • samopodižuće platforme, • daljinski upravljana plovila (Remoted Operated Vehicles), • podmornice.

19. III. Treća faza – izrada financijskog modela. Ako je planirana prodaja toliko veća od troškova da omogućava profit, obično najmanje 20 %nakon plaćanja poreza, tada je ležište ekonomski isplativo. Ako to nije slučaj moraju se: • smanjiti troškovi, ili • povećati prodaja, ili pak • naći nova ležišta. Ukoliko je ležište ekonomski isplativo izrađuje se plan vađenja minerala koji mora biti odobren od vlasti.

20. 2.Dobivanjekoncesije Ukoliko je ležište unutar gospodarske zone (EEZ – exclusive economic zone) u vlasništvu je države kojoj EEZ pripada. Izvan granica EEZ ležište pripada „zajedničkom nasljeđu čovječanstva“ (eng. common heritage of mankind) i o njemu brine organizacija UN International Seabed Authority (Kingston, Jamajka). U većini zemalja zakoni o vađenju minerala iz podmorja napravljeni su prema zakonima o vađenju nafte iz podmorja, jer godišnja vrijednost u offshore industriji nafte iznosi preko 100 milijardi USD vs. oko 2 milijarde USD u podmorskom rudarstvu.

21. U oba slučaja koncesija se izdaje bona fide kompaniji (u dobroj vjeri) nakon: • plaćanja pristojbi, • popunjavanja planovaistraživanja i vađenja minerala, • studija o utjecaju na okoliš, • planova za otklanjanje šteta nastalih u okolišu. U SAD-u koncesija se dobiva putem aukcije, a kompanija plaća i godišnje troškove po jedinici površine, te postotak od vrijednosti iskopanog minerala (npr. za naftu 25 USD po akri i 12.5 % vrijednosti nafte).

22. Primjer nalazišta: The Eastern Manus Basin (EMB) površine 4000 km2 Japansko – francuska podvodna ekspedicija izradila je detaljnu mapu i izvršila uzorkovanje. Koristili su dubinsku kameru, dredžu i korer za sediment, koji su tegljeni s broda. Otkrivena su bogata ležišta zlata – vjerojatno dio zlatne provincije koja se proteže 25 000 km od Japana do New Zealanda. Otkriće je privuklo je tvrtku Nautilus Minerals, kojisu sada vlasnici ekskluzivne istraživačke licence (eng. exclusive exploration license) od strane vlade Papua New Guinea.

23. Prednosti ležišta EMB: • u vlasništvu je države, a ne UN (Area ili Zone) pa je i lakši dogovor • nalazi se u podmorju: • nema sukoba interesa s raznim korisnicima, • tehnički nezahtjevno a time i jeftino jer nema kopanja već samo skupljanje polimetalnih sulfida, • manja šteta za okoliš nego na kopnu jer nema velikih rupa u podmorju, a morska voda koja je alkalna neutralizira kisele rudne vode.

24. 3. Kopanje i/ili sakupljanje materijala U slučaju polimetalnih sulfida, manganske kore ili podvodnih ležišta fosforita potrebno je kopanje (bušeća glava s jednostavnim zupčanicima koji se rotiraju – slično kao kopanje ruda na kopnu). Kad je mineral razbijen u dovoljno male komade sakuplja se da bi se podigao na površinu - grabljama ili pomoću vakuuma (zračno ili hidraulično). Jaružanjem (sakupljanjem) se vadi: pijesak, šljunak (za proizvodnju cementa kao i za nasipavanje plaža), koralji i školjke,željezna ruda.

25. Nekada se između operacija sakupljanja minerala i njihovog podizanja vrši: • prosijavanje (magnetski separator) da bi se uklonio nepotrebni morski sediment (balast), • mljevenje rude do pravilne optimalne veličine čestica radi podizanja na površinu airliftom ili hydraliftom, bez da zakrče cijev.

26. 4. Podizanje minerala na površinu i transport Sredstva za vađenje ruda iz podmorja dijelimo ovisno o dubinama mora i vrsti rudnih naslaga: • za male dubine (do 100 m dubine) • za velike dubine (do 6 000 m)

27. Za male dubine (do 100 m dubine): • grabilice koje koriste mehaničke »čeljusti« obješene na čelično uže - sve su manje u upotrebi; • usisni jaružari - povlačenjem usisne cijevi po dnu uz pomoć sisaljke na brodu obavljaju kopanje i podizanje materijala na površinu - za dubine mora do 50 m, ili8 uz pomoću sisaljke na morskom dnu pogonjene elekričnim ili hidrauličkim motorom - za dubine mora do 100m;

28. Za velike dubine (do 6 000 m): • brodovi s beskonačnom trakom vjedra (engl. CLB – continuous line bucket) - vjedra obješena na slobodno beskonačno čelično uže skupljaju materijal s velikih dubina. Mane su: loša kontrola na dnu, potencijalno veća opasnost od šteta u okolišu i mogućnost zastoja; • sustav samostalnih dubinskih sakupljača nodula ili samohodnih jaružara - koristeći vlastiti pogon sakupljaju materijal na dnu i donose ga na površinu u plovnu bazu; • sustav povezanih dubinskih sakupljača nodula - površinska plovna jedinica (brod tipa slurry carrier - nosač emulzije bušenja) prevozi rudaču do kopna nakon što je podvodnim sisaljkama pokupio rudu s podvodnog privremeng skladišta gdje su je sakupili samohodni sakupljači ili jaružari - u razvitku; • brodovi/poluuronjive platforme s hidrauličkim sustavom crpljenja - Hydrolift; • brodovi/poluuronjive platforme s hidropneumatskim sustavom crpljenja – Airlift.

29. Najučinkovitiji su sustavi koji koriste cijevi da bi prenjeli na površinu „tekuće blato“ (mineral pomješan s vodom): • Airlift (u cijevi 1/3 blata) - zrak se širi u cijevi dižući se prema gore i povlači za sobom blato. Radi vrlo dobro do nekoliko stotina metara, pa čak i do dubine 6 000 m, ali ga je teže kontrolirati. • Hydrolift - radi i na velikim dubinama i lako ga je kontrolirati, ali je manje efikasan od zračnog sustava. Sredstva za bušenje i vađenje vodenim mlazom - sustav dviju cijevi (cijev u cijevi) gdje morska voda pod tlakom iz unutrašnje cijevi razara površinski šloj i stvara kašu koja se podiže prostorom međucijevima.

30. Sea Tow dredža za pijesak i tegljač. Barža je opremljena usisnom cijevi i dizalicom. Kada se usidri cijev se pomiče i kupi materijal s dna.

31. Najveća barža za iskorištavanje rude (San Diego, USA)

32. Eksperimenti: • Sustav podmornica za prijevoz rude - podmornice koriste jalovinu (otpad) kao balast za spuštanje na dno, gdje balast zamjenjuju rudom. Prilagođavanjem plovnosti dižu se na površinu, iskrcaju rudu na ore carrier, napune balast i vrate sa na dno. Sustav nije dovoljno testiran, ali je potencijalno vrlo elegantan način koji bi istovremeno riješio odlaganje otpada i prenošenje rude na površinu, uz vrlo mali potrošak energije. • Arhimedov robotski kopač - kompanija Ocean Minerals Co. testirala je dvije spirale oblika vijka za pokretanje naprijed i istovremeno skupljanje manganskih nodula.

33. Transport s mjesta vadenja do mjesta za preradbu, ovisno o vrsti sredstva za vađenje ruda i udaljenosti od obale: • kod jaružara koji kopaju u plitkim vodama nedaleko od obale koriste se cjevovodi; • kod jaružara koji ne rade u blizini obale, a nemaju mogućnost skladištenja, koriste se barže sa ili bez vlastitog pogona; • jaružari sakupljači istodobno obavljaju kopanje i skladištenje materijala, te nakon popunjenja kapaciteta sami obavljaju transport (prekinuti tok jaružanja); Kod sustava za vađenje materijala iz velikih dubina uglavnom se primjenjuje načelo privremenog skladištenja na mjestu rudarenja - posebnim se sredstvima (brodovi ili barže) odvija transport do obale. Razvitkom novih sredstava za transport konstruirani su plovni objekti koji obavlju dio preradbe materijala i odbacivanje jalovine, te prevoze samo koristan teret.

34. 5. Preradba minerala Polimetalni noduli - razdvajanje metala vrši se kemijskim putem: • suhim, pirometalurškim postupkom u elektro-pećima s dodatkom nekih kemijskih spojeva, • vlažnim, hidrometalurškim postupkom uz upotrebu kemijskih spojeva, a dobiveni novi spojevi se ispiru vodom. U novije vrijeme eksperimentira se s mikroorganizmima koji u moru utječu na stvaranje i mijenjanje nodula kao mogućnosti za razvoj novih postupaka preradbe.

35. 7. Uklanjanje štete nastale u okolišu 80-tih i 90-tih godina 20. stoljeća nastojalo se utvrditi brzinu kojom se oceansko dno oporavlja nakon operacija vađenja rude – spori proces u trajanju od nekoliko godina do nekoliko desetljeća da bi se prirodno ponovo naselila područja iskapanja. Vrlo se malo može učiniti za ubrzanje tog procesa i nakon što se ukloni sva oprema za iskapanje, najbolje je prepustiti prirodi da ona to sama učini.

36. Štetni efekti jaružanja

37. Dredža za pijesak radi blizu obale. Pijesak koji barža pokupi s dna u blizini obale utjecat će i na samu plažu (erozija obale). 2001 ova je plaža jako erodirala. Uočite smeđa stabla koja su posljedica slanih oluja.

38. Najpoželjnija metoda za odlaganje tekućeg otpada je odlaganje u umjetna jezera ili močvare koje se često umjetno naseljavaju vrstama koje pročišćavaju vodu. Također je moguće otpadne vode provesti preko naslaga vapnenca, a moguće i mikrobiološko pročišćavanje) i na kraju pročišćavanja ona je dovoljno čista da se može vratiti u prirodne vode. Veći problem predstavlja kruti otpad - 75 % ekoloških problema povezano je s odlaganjem jalovine. Tradicionalno se jalovina odlaže u odlagališta. Nalaženje novih primjena jalovine, važan je novi smijer u upravljanju mineralnim otpadom. Manganska jalovina se može koristiti kao fino mljeveni dodatak u betonu i dajući mu veću čvrstoću, gustoću i smanjenu poroznost. Također može služiti kao punilo određenim smolama, asfaltu, gumi, plastici, premazima i keramici. Jalovima pomješana s tlom može poboljšati rast nekih biljnih vrsta - gnojivo.

39. Pitanja za ponavljanje • Što su manganski noduli? • Manganska korica? • Polimetalni sulfidi? • Hidrati metana? • Kako se mogu iskorištavati hidrotermalni izvori u morskom rudarstvu? • Kako se mogu iskorištavati fosforiti u morskom rudarstvu? • Nabrojite sedam koraka dobivanja minerala iz podmorja. • Nabrojite tri faze pronalaženja i istraživanja nalazišta. • Koji su najučinkovitiji su sustavi za podizanje ruda na površinu? • Navedite štetne efekte jaružanja. • Kako je moguće zbrinuti tekući, a kako kruti otpad jaružanja?

40. Hvala na pažnji!