Aktualności

Istnieje kilka technologii akumulatorów i ładowania, które należy wziąć pod uwagę przy przejściu na elektromobilność w górnictwie podziemnym.

Górnicze pojazdy akumulatorowe idealnie nadają się do górnictwa podziemnego.Ponieważ nie emitują spalin, zmniejszają wymagania w zakresie chłodzenia i wentylacji, zmniejszają emisje gazów cieplarnianych (GHG) i koszty konserwacji oraz poprawiają warunki pracy.

Prawie wszystkie dzisiejsze podziemne urządzenia kopalniane są napędzane olejem napędowym i wytwarzają spaliny.Powoduje to potrzebę rozbudowanych systemów wentylacyjnych w celu utrzymania bezpieczeństwa pracowników.Co więcej, ponieważ dzisiejsi operatorzy kopalń kopią na głębokość nawet 4 km (13 123,4 stóp), aby uzyskać dostęp do złóż rudy, systemy te stają się wykładniczo większe.To sprawia, że ​​są one bardziej kosztowne w instalacji i eksploatacji oraz bardziej energochłonne.

Jednocześnie zmienia się rynek.Rządy wyznaczają cele środowiskowe, a konsumenci coraz chętniej płacą premię za produkty końcowe, które mogą wykazywać niższy ślad węglowy.To powoduje większe zainteresowanie dekarbonizacją kopalń.

Maszyny do załadunku, transportu i zrzutu (LHD) są do tego doskonałą okazją.Stanowią one około 80% zapotrzebowania na energię w górnictwie podziemnym, ponieważ przemieszczają ludzi i sprzęt przez kopalnię.

Przejście na pojazdy zasilane bateryjnie może doprowadzić do dekarbonizacji górnictwa i uproszczenia systemów wentylacyjnych.

Wymaga to baterii o dużej mocy i długiej żywotności – zadanie przekraczające możliwości poprzedniej technologii.Jednak badania i rozwój w ciągu ostatnich kilku lat stworzyły nowy rodzaj akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) o odpowiednim poziomie wydajności, bezpieczeństwa, przystępności i niezawodności.

Pięcioletnie oczekiwania

Kupując maszyny LHD, operatorzy oczekują co najwyżej 5-letniego okresu eksploatacji ze względu na trudne warunki.Maszyny muszą transportować ciężkie ładunki 24 godziny na dobę w nierównych warunkach z wilgocią, pyłem i kamieniami, wstrząsami mechanicznymi i wibracjami.

Jeśli chodzi o moc, operatorzy potrzebują systemów akumulatorowych, które odpowiadają żywotności maszyny.Akumulatory muszą również wytrzymać częste i głębokie cykle ładowania i rozładowania.Muszą również być zdolne do szybkiego ładowania, aby zmaksymalizować dostępność pojazdu.Oznacza to 4 godziny pracy na raz, co odpowiada półdniowej zmianie.

Wymiana baterii a szybkie ładowanie

Wymiana baterii i szybkie ładowanie pojawiły się jako dwie opcje, aby to osiągnąć.Wymiana baterii wymaga dwóch identycznych zestawów baterii – jednego zasilającego pojazd i jednego ładującego.Po 4-godzinnej zmianie zużyty akumulator wymieniany jest na świeżo naładowany.

Zaletą jest to, że nie wymaga ładowania dużą mocą i może być zwykle wspierane przez istniejącą infrastrukturę elektryczną kopalni.Jednak wymiana wymaga podnoszenia i przenoszenia, co stwarza dodatkowe zadanie.

Innym podejściem jest użycie jednego akumulatora zdolnego do szybkiego ładowania w ciągu około 10 minut podczas przerw, przerw i zmian biegów.Eliminuje to konieczność wymiany baterii, ułatwiając życie.

Jednak szybkie ładowanie opiera się na połączeniu z siecią o dużej mocy, a operatorzy kopalni mogą być zmuszeni do modernizacji infrastruktury elektrycznej lub zainstalowania przydrożnego magazynu energii, zwłaszcza w przypadku większych flot, które muszą ładować jednocześnie.

Chemia litowo-jonowa do wymiany baterii

Wybór między zamianą a szybkim ładowaniem informuje, jakiego rodzaju chemii baterii użyć.

Li-ion to termin ogólny obejmujący szeroki zakres elektrochemii.Można ich używać pojedynczo lub łączyć, aby zapewnić wymagany cykl życia, żywotność kalendarzową, gęstość energii, szybkie ładowanie i bezpieczeństwo.

Większość akumulatorów litowo-jonowych jest wykonana z grafitu jako elektrody ujemnej i ma różne materiały jako elektrodę dodatnią, takie jak tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC), tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (NCA) i fosforan litowo-żelazowy (LFP). ).

Spośród nich zarówno NMC, jak i LFP zapewniają dobrą zawartość energii przy wystarczającej wydajności ładowania.To sprawia, że ​​każdy z nich jest idealny do wymiany baterii.

Nowa chemia do szybkiego ładowania

Dla szybkiego ładowania pojawiła się atrakcyjna alternatywa.Jest to tlenek tytanianu litu (LTO), który ma elektrodę dodatnią wykonaną z NMC.Zamiast grafitu jego elektroda ujemna jest oparta na LTO.

Dzięki temu akumulatory LTO mają inny profil wydajności.Mogą akceptować ładowanie bardzo dużą mocą, dzięki czemu czas ładowania może wynosić zaledwie 10 minut.Mogą również obsługiwać trzy do pięciu razy więcej cykli ładowania i rozładowania niż inne rodzaje chemii litowo-jonowej.Przekłada się to na dłuższe życie kalendarza.

Ponadto LTO charakteryzuje się wyjątkowo wysokim poziomem bezpieczeństwa, ponieważ może wytrzymać nadużycia elektryczne, takie jak głębokie rozładowanie lub zwarcia, a także uszkodzenia mechaniczne.

Zarządzanie baterią

Innym ważnym czynnikiem projektowym dla producentów OEM jest elektroniczne monitorowanie i sterowanie.Muszą zintegrować pojazd z systemem zarządzania akumulatorem (BMS), który zarządza wydajnością, jednocześnie chroniąc bezpieczeństwo w całym systemie.

Dobry BMS będzie również kontrolował ładowanie i rozładowywanie poszczególnych ogniw, aby utrzymać stałą temperaturę.Zapewnia to stałą wydajność i maksymalizuje żywotność baterii.Zapewni również informację zwrotną na temat stanu naładowania (SOC) i stanu zdrowia (SOH).Są to ważne wskaźniki żywotności baterii, przy czym SOC pokazuje, jak długo operator może pracować pojazdem podczas zmiany, a SOH jest wskaźnikiem pozostałego czasu pracy kalendarza.

Możliwość plug-and-play

Jeśli chodzi o specyfikację systemów akumulatorów do pojazdów, bardzo sensowne jest stosowanie modułów.Można to porównać z alternatywnym podejściem polegającym na zwróceniu się do producentów akumulatorów o opracowanie systemów akumulatorów dostosowanych do potrzeb każdego pojazdu.

Dużą zaletą podejścia modułowego jest to, że producenci OEM mogą opracować podstawową platformę dla wielu pojazdów.Następnie mogą dodawać szeregowo moduły akumulatorowe, aby zbudować łańcuchy, które zapewniają wymagane napięcie dla każdego modelu.To reguluje moc wyjściową.Następnie mogą łączyć te ciągi równolegle, aby zbudować wymaganą pojemność magazynowania energii i zapewnić wymagany czas trwania.

Duże obciążenia występujące w górnictwie podziemnym oznaczają, że pojazdy muszą dostarczać dużą moc.Wymaga to systemów akumulatorowych o napięciu 650-850V.Chociaż podwyższenie do wyższych napięć zapewniłoby wyższą moc, doprowadziłoby to również do wyższych kosztów systemu, dlatego uważa się, że systemy pozostaną poniżej 1000 V w przewidywalnej przyszłości.

Aby osiągnąć 4 godziny nieprzerwanej pracy, projektanci zazwyczaj szukają pojemności magazynowania energii na poziomie 200-250 kWh, chociaż niektórzy będą potrzebować 300 kWh lub więcej.

To modułowe podejście pomaga producentom OEM kontrolować koszty rozwoju i skrócić czas wprowadzania produktu na rynek, zmniejszając potrzebę testowania typu.Mając to na uwadze, firma Saft opracowała akumulator typu plug-and-play, dostępny zarówno w elektrochemii NMC, jak i LTO.

Praktyczne porównanie

Aby poznać porównanie modułów, warto przyjrzeć się dwóm alternatywnym scenariuszom dla typowego pojazdu LHD, opartym na wymianie akumulatorów i szybkim ładowaniu.W obu scenariuszach pojazd waży 45 ton bez ładunku i 60 ton w pełni załadowany przy ładowności 6-8 m3 (7,8-10,5 jarda3).Aby umożliwić podobne porównanie, Saft zwizualizował akumulatory o podobnej wadze (3,5 tony) i objętości (4 m3 [5,2 jarda3]).

W scenariuszu wymiany baterii bateria może być oparta na chemii NMC lub LFP i obsługiwać 6-godzinne przesunięcie LHD z koperty rozmiaru i wagi.Dwa akumulatory o napięciu znamionowym 650 V i pojemności 400 Ah wymagałyby 3-godzinnego ładowania po wymianie pojazdu.Każdy z nich miałby trwać 2500 cykli w ciągu całego życia kalendarzowego 3-5 lat.

W przypadku szybkiego ładowania pojedyncza bateria pokładowa LTO o tych samych wymiarach miałaby napięcie 800 V i pojemność 250 Ah, zapewniając 3 godziny pracy przy 15-minutowym ultraszybkim ładowaniu.Ponieważ chemia może wytrzymać o wiele więcej cykli, dostarczyłaby 20 000 cykli, przy przewidywanym okresie życia kalendarzowego 5-7 lat.

W prawdziwym świecie projektant pojazdu mógłby zastosować takie podejście, aby spełnić preferencje klienta.Na przykład wydłużenie czasu trwania zmiany poprzez zwiększenie pojemności magazynowania energii.

Elastyczny projekt

Docelowo to operatorzy kopalń zdecydują, czy wolą wymianę baterii, czy szybkie ładowanie.A ich wybór może się różnić w zależności od mocy elektrycznej i miejsca dostępnego w każdej z ich lokalizacji.

Dlatego ważne jest, aby producenci LHD zapewnili im elastyczność wyboru.