Zprávy

Existuje několik technologií baterií a nabíjení, které je třeba vzít v úvahu při přechodu na elektromobilitu v podzemní těžbě.

Bateriově poháněná důlní vozidla se ideálně hodí pro podzemní těžbu.Protože nevypouštějí výfukové plyny, snižují požadavky na chlazení a ventilaci, snižují emise skleníkových plynů (GHG) a náklady na údržbu a zlepšují pracovní podmínky.

Téměř všechna zařízení v podzemních dolech jsou dnes poháněna naftou a vytvářejí výfukové plyny.To vede k potřebě rozsáhlých ventilačních systémů pro zachování bezpečnosti pracovníků.Navíc, jak dnešní provozovatelé dolů kopají až do hloubky 4 km (13 123,4 stop), aby získali přístup k ložiskům rudy, tyto systémy se exponenciálně zvětšují.Díky tomu jsou jejich instalace a provoz nákladnější a mají větší spotřebu energie.

Zároveň se mění trh.Vlády stanovují environmentální cíle a spotřebitelé jsou stále více ochotni platit prémii za konečné produkty, které mohou prokázat nižší uhlíkovou stopu.To vyvolává větší zájem o dekarbonizaci dolů.

Nakládací, vytahovací a vyklápěcí stroje (LHD) jsou k tomu vynikající příležitostí.Představují přibližně 80 % energetické potřeby pro hlubinnou těžbu, protože dolu přemisťují lidi a zařízení.

Přechod na vozidla poháněná bateriemi může dekarbonizovat těžbu a zjednodušit ventilační systémy.

To vyžaduje baterie s vysokým výkonem a dlouhou životností – povinnost, která přesahovala možnosti předchozí technologie.Výzkum a vývoj za posledních několik let však vytvořil nový druh lithium-iontových (Li-ion) baterií se správnou úrovní výkonu, bezpečnosti, cenové dostupnosti a spolehlivosti.

Pětileté očekávání

Když si provozovatelé koupí stroje LHD, očekávají kvůli náročným podmínkám životnost maximálně 5 let.Stroje potřebují přepravovat těžké náklady 24 hodin denně v nerovných podmínkách s vlhkostí, prachem a kameny, mechanickými otřesy a vibracemi.

Pokud jde o napájení, operátoři potřebují bateriové systémy, které odpovídají životnosti stroje.Baterie také musí vydržet časté a hluboké cykly nabíjení a vybíjení.Musí také umožňovat rychlé nabíjení, aby se maximalizovala dostupnost vozidla.To znamená 4 hodiny služby najednou, což odpovídá schématu půldenních směn.

Výměna baterie versus rychlé nabíjení

Jako dvě možnosti, jak toho dosáhnout, se objevila výměna baterie a rychlé nabíjení.Výměna baterií vyžaduje dvě identické sady baterií – jednu napájející vozidlo a jednu nabíjet.Po 4hodinové směně se vybitá baterie vymění za čerstvě nabitou.

Výhodou je, že to nevyžaduje nabíjení vysokým výkonem a může být obvykle podporováno stávající elektrickou infrastrukturou dolu.Výměna však vyžaduje zvedání a manipulaci, což představuje další úkol.

Druhým přístupem je použití jediné baterie schopné rychlého nabití během přibližně 10 minut během přestávek, přestávek a změn směn.To eliminuje potřebu vyměňovat baterie a zjednodušuje život.

Rychlé nabíjení se však spoléhá na vysokoenergetické připojení k síti a provozovatelé dolů možná budou muset modernizovat svou elektrickou infrastrukturu nebo instalovat úložiště energie na trati, zejména u větších flotil, které potřebují nabíjet současně.

Li-ion chemie pro výměnu baterií

Volba mezi výměnou a rychlým nabíjením informuje, jaký typ chemie baterie použít.

Li-ion je zastřešující termín, který pokrývá širokou škálu elektrochemie.Ty lze používat jednotlivě nebo ve směsi, aby zajistily požadovanou životnost cyklu, kalendářní životnost, hustotu energie, rychlé nabíjení a bezpečnost.

Většina lithium-iontových baterií je vyrobena s grafitem jako zápornou elektrodou a má různé materiály jako kladnou elektrodu, jako je lithium nikl-mangan-kobaltový oxid (NMC), lithium-nikl-kobalt hliníkový oxid (NCA) a lithium-železo fosfát (LFP). ).

Z nich NMC a LFP poskytují dobrý energetický obsah s dostatečným nabíjecím výkonem.Díky tomu je každý z nich ideální pro výměnu baterií.

Nová chemie pro rychlé nabíjení

Pro rychlé nabíjení se objevila atraktivní alternativa.Jedná se o oxid titaničitý lithný (LTO), který má kladnou elektrodu vyrobenou z NMC.Namísto grafitu je jeho záporná elektroda na bázi LTO.

To dává LTO bateriím jiný výkonnostní profil.Mohou akceptovat nabíjení velmi vysokým výkonem, takže doba nabíjení může být pouhých 10 minut.Mohou také podporovat třikrát až pětkrát více cyklů nabíjení a vybíjení než jiné typy chemie Li-ion.To se promítá do delší životnosti kalendáře.

Kromě toho má LTO extrémně vysokou vlastní bezpečnost, protože odolá elektrickému namáhání, jako je hluboké vybití nebo zkrat, stejně jako mechanické poškození.

Správa baterie

Dalším důležitým konstrukčním faktorem pro OEM je elektronické monitorování a ovládání.Potřebují integrovat vozidlo se systémem správy baterie (BMS), který řídí výkon a zároveň chrání bezpečnost v celém systému.

Dobrý BMS bude také řídit nabíjení a vybíjení jednotlivých článků, aby se udržela konstantní teplota.To zajišťuje konzistentní výkon a maximalizuje životnost baterie.Poskytne také zpětnou vazbu o stavu nabití (SOC) a zdravotním stavu (SOH).Jedná se o důležité ukazatele životnosti baterie, přičemž SOC ukazuje, jak dlouho může obsluha vozidlo během směny provozovat, a SOH je ukazatelem zbývající životnosti v kalendáři.

Možnost plug-and-play

Pokud jde o specifikaci bateriových systémů pro vozidla, má velký smysl používat moduly.To je srovnatelné s alternativním přístupem, kdy se požaduje od výrobců baterií, aby vyvinuli bateriové systémy šité na míru pro každé vozidlo.

Velkou výhodou modulárního přístupu je, že OEM mohou vyvinout základní platformu pro více vozidel.Poté mohou přidávat bateriové moduly do série a vytvářet řetězce, které dodávají požadované napětí pro každý model.Tím se řídí výstupní výkon.Poté mohou tyto řetězce paralelně kombinovat, aby vytvořily požadovanou kapacitu pro skladování energie a poskytly požadovanou dobu trvání.

Těžká zátěž při hlubinné těžbě znamená, že vozidla musí dodávat vysoký výkon.To vyžaduje bateriové systémy dimenzované na 650-850V.Zatímco zvýšení na vyšší napětí by poskytlo vyšší výkon, vedlo by to také k vyšším nákladům na systém, takže se předpokládá, že systémy zůstanou v dohledné budoucnosti pod 1 000 V.

Pro dosažení 4 hodin nepřetržitého provozu návrháři obvykle hledají kapacitu pro skladování energie 200-250 kWh, ačkoli někteří budou potřebovat 300 kWh nebo více.

Tento modulární přístup pomáhá výrobcům OEM kontrolovat náklady na vývoj a zkrátit dobu uvedení na trh snížením potřeby typového testování.S vědomím toho Saft vyvinul bateriové řešení plug-and-play dostupné v elektrochemii NMC i LTO.

Praktické srovnání

Chcete-li získat představu o srovnání modulů, stojí za to podívat se na dva alternativní scénáře pro typické vozidlo s LHD založené na výměně baterie a rychlém nabíjení.V obou scénářích vozidlo váží 45 tun bez nákladu a 60 tun plně naložené s nosností 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).Aby bylo možné podobné srovnání, Saft vizualizoval baterie podobné hmotnosti (3,5 tuny) a objemu (4 m3 [5,2 yd3]).

Ve scénáři výměny baterie by baterie mohla být založena buď na chemii NMC nebo LFP a podporovala by 6hodinový posun LHD od velikosti a hmotnosti.Dvě baterie, dimenzované na 650 V s kapacitou 400 Ah, by po výměně z vozidla vyžadovaly 3hodinové nabíjení.Každý by vydržel 2 500 cyklů během celkové kalendářní životnosti 3-5 let.

Pro rychlé nabíjení by jedna palubní LTO baterie stejných rozměrů byla dimenzována na 800 V s kapacitou 250 Ah, která poskytuje 3 hodiny provozu s 15minutovým ultrarychlým nabíjením.Protože chemie vydrží mnohem více cyklů, poskytla by 20 000 cyklů s očekávanou kalendářní životností 5-7 let.

V reálném světě by konstruktér vozidla mohl použít tento přístup ke splnění preferencí zákazníka.Například prodloužení směny zvýšením kapacity akumulace energie.

Flexibilní design

V konečném důsledku to budou provozovatelé dolů, kdo si vybere, zda dá přednost výměně baterie nebo rychlému nabíjení.A jejich výběr se může lišit v závislosti na elektrické energii a prostoru dostupném na každém z jejich míst.

Proto je důležité, aby výrobci LHD poskytli flexibilitu výběru.