Nyheter

Det er flere batteri- og ladeteknologier som må vurderes ved overgang til elektromobilitet i underjordisk gruvedrift.

Batteridrevne gruvekjøretøyer er ideelt egnet for underjordisk gruvedrift.Fordi de ikke avgir avgasser, reduserer de krav til kjøling og ventilasjon, reduserer utslipp av klimagasser (GHG) og vedlikeholdskostnader, og forbedrer arbeidsforholdene.

Nesten alt underjordisk gruveutstyr i dag er dieseldrevet og lager eksosgasser.Dette driver behovet for omfattende ventilasjonssystemer for å opprettholde sikkerheten for arbeiderne.Ettersom dagens gruveoperatører graver så dypt som 4 km (13 123,4 fot) for å få tilgang til malmforekomster, blir disse systemene eksponentielt større.Det gjør dem mer kostbare å installere og drifte og mer energikrevende.

Samtidig er markedet i endring.Regjeringer setter miljømål og forbrukere er i økende grad villige til å betale en premie for sluttprodukter som kan demonstrere et lavere karbonavtrykk.Det skaper mer interesse for avkarbonisering av gruver.

Laste, hale og tømme (LHD) maskiner er en utmerket mulighet til å gjøre dette.De representerer rundt 80 % av energibehovet for underjordisk gruvedrift når de flytter mennesker og utstyr gjennom gruven.

Bytte til batteridrevne kjøretøy kan dekarbonisere gruvedrift og forenkle ventilasjonssystemer.

Dette krever batterier med høy effekt og lang levetid – en plikt som var utenfor mulighetene til tidligere teknologi.Imidlertid har forskning og utvikling de siste årene skapt en ny rase litium-ion (Li-ion) batterier med riktig nivå av ytelse, sikkerhet, rimelighet og pålitelighet.

Fem års forventning

Når operatører kjøper LHD-maskiner, forventer de en levetid på maksimalt 5 år på grunn av de tøffe forholdene.Maskiner må transportere tung last 24 timer i døgnet under ujevne forhold med fuktighet, støv og steiner, mekaniske støt og vibrasjoner.

Når det kommer til strøm, trenger operatører batterisystemer som matcher maskinens levetid.Batteriene må også tåle hyppige og dype lade- og utladingssykluser.De må også være i stand til hurtiglading for å maksimere kjøretøyets tilgjengelighet.Dette betyr 4 timers tjeneste om gangen, tilsvarende halvdagsskiftmønsteret.

Batteribytte kontra hurtiglading

Batteribytte og hurtiglading dukket opp som de to alternativene for å oppnå dette.Batteribytte krever to identiske sett med batterier – ett som driver kjøretøyet og ett på lading.Etter et 4-timers skift skiftes det brukte batteriet ut med et nyladet.

Fordelen er at denne ikke trenger høy effektlading og typisk kan støttes av gruvens eksisterende elektriske infrastruktur.Omstillingen krever imidlertid løft og håndtering, noe som skaper en ekstra oppgave.

Den andre tilnærmingen er å bruke et enkelt batteri som er i stand til å hurtiglades innen rundt 10 minutter under pauser, pauser og skiftskift.Dette eliminerer behovet for å bytte batterier, noe som gjør livet enklere.

Hurtiglading er imidlertid avhengig av en nettforbindelse med høy effekt, og gruveoperatører må kanskje oppgradere sin elektriske infrastruktur eller installere energilagring langs veien, spesielt for større flåter som må lade samtidig.

Li-ion kjemi for batteribytte

Valget mellom bytte og hurtiglading informerer om hvilken type batterikjemi som skal brukes.

Li-ion er et paraplybegrep som dekker et bredt spekter av elektrokjemi.Disse kan brukes individuelt eller blandet for å levere nødvendig sykluslevetid, kalenderlevetid, energitetthet, hurtiglading og sikkerhet.

De fleste Li-ion-batterier er laget med grafitt som negativ elektrode og har forskjellige materialer som den positive elektroden, for eksempel litiumnikkel-mangan-koboltoksid (NMC), litiumnikkel-kobolt aluminiumoksid (NCA) og litiumjernfosfat (LFP) ).

Av disse gir både NMC og LFP godt energiinnhold med tilstrekkelig ladeytelse.Dette gjør en av disse ideelle for batteribytte.

En ny kjemi for hurtiglading

For hurtiglading har det dukket opp et attraktivt alternativ.Dette er litiumtitanatoksid (LTO), som har en positiv elektrode laget av NMC.I stedet for grafitt er dens negative elektrode basert på LTO.

Dette gir LTO-batterier en annen ytelsesprofil.De tåler lading med svært høy effekt slik at ladetiden kan være så lite som 10 minutter.De kan også støtte tre til fem ganger flere lade- og utladingssykluser enn de andre typene Li-ion-kjemi.Dette gir en lengre kalenderlevetid.

I tillegg har LTO ekstremt høy iboende sikkerhet da den tåler elektrisk misbruk som dyp utladning eller kortslutning, samt mekanisk skade.

Batterihåndtering

En annen viktig designfaktor for OEM-er er elektronisk overvåking og kontroll.De må integrere kjøretøyet med et batteristyringssystem (BMS) som styrer ytelsen samtidig som de beskytter sikkerheten i hele systemet.

En god BMS vil også kontrollere ladningen og utladningen av individuelle celler for å opprettholde en konstant temperatur.Dette sikrer jevn ytelse og maksimerer batterilevetiden.Den vil også gi tilbakemelding om ladetilstand (SOC) og helsetilstand (SOH).Dette er viktige indikatorer på batterilevetid, med SOC som viser hvor mye lenger operatøren kan kjøre kjøretøyet under et skift, og SOH er en indikator på gjenværende kalenderlevetid.

Plug-and-play-evne

Når det gjelder å spesifisere batterisystemer for kjøretøy, er det mye fornuftig å bruke moduler.Dette sammenlignes med den alternative tilnærmingen med å be batteriprodusenter om å utvikle skreddersydde batterisystemer for hvert kjøretøy.

Den store fordelen med den modulære tilnærmingen er at OEM-er kan utvikle en grunnleggende plattform for flere kjøretøy.De kan deretter legge til batterimoduler i serie for å bygge strenger som leverer den nødvendige spenningen for hver modell.Dette styrer effektuttaket.De kan deretter kombinere disse strengene parallelt for å bygge den nødvendige energilagringskapasiteten og gi den nødvendige varigheten.

De tunge lastene som er på spill i underjordisk gruvedrift betyr at kjøretøyer må levere høy kraft.Det krever batterisystemer vurdert til 650-850V.Selv om oppgradering til høyere spenninger vil gi høyere effekt, vil det også føre til høyere systemkostnader, så det antas at systemene vil forbli under 1000V i overskuelig fremtid.

For å oppnå 4 timers kontinuerlig drift, leter designere vanligvis etter energilagringskapasitet på 200-250 kWh, selv om noen vil trenge 300 kWh eller høyere.

Denne modulære tilnærmingen hjelper OEM-er med å kontrollere utviklingskostnadene og redusere tiden til markedet ved å redusere behovet for typetesting.Med tanke på dette utviklet Saft en plug-and-play batteriløsning tilgjengelig i både NMC og LTO elektrokjemi.

En praktisk sammenligning

For å få en følelse av hvordan modulene sammenlignes, er det verdt å se på to alternative scenarier for et typisk LHD-kjøretøy basert på batteribytte og hurtiglading.I begge scenariene veier kjøretøyet 45 tonn ubelastet og 60 tonn fullastet med en lastekapasitet på 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).For å muliggjøre en like-for-like-sammenligning, visualiserte Saft batterier med tilsvarende vekt (3,5 tonn) og volum (4 m3 [5,2 yd3]).

I scenariet for batteribytte kan batteriet være basert på enten NMC- eller LFP-kjemi og vil støtte et 6-timers LHD-skift fra størrelsen og vekten.De to batteriene, vurdert til 650V med 400 Ah kapasitet, vil kreve en 3-timers lading når de byttes av kjøretøyet.Hver vil vare 2500 sykluser over en total kalenderlevetid på 3-5 år.

For hurtiglading vil et enkelt innebygd LTO-batteri med samme dimensjoner bli vurdert til 800V med 250 Ah kapasitet, og levere 3 timers drift med en 15-minutters ultrarask lading.Fordi kjemien tåler mange flere sykluser, ville den levert 20 000 sykluser, med en forventet levetid på 5-7 år.

I den virkelige verden kan en kjøretøydesigner bruke denne tilnærmingen for å møte kundens preferanser.For eksempel å forlenge skiftets varighet ved å øke energilagringskapasiteten.

Fleksibel design

Til syvende og sist vil det være gruveoperatørene som velger om de foretrekker batteribytte eller hurtiglading.Og deres valg kan variere avhengig av den elektriske kraften og plassen som er tilgjengelig på hver av deres nettsteder.

Derfor er det viktig for LHD-produsenter å gi dem fleksibiliteten til å velge.