كيفية تصميم معدات الألغام من أجل تحسين كفاءة الطاقة انخفاض الانبعاثات

The Business Case for Energy-Efficient Mining Equipment

وتستهلك عمليات التعدين ما يقدر ب ٦ في المائة من مجموع الطاقة في العالم، مما يجعلها واحدة من أكبر مستخدمي الطاقة الصناعية، ففيما يتعلق بشركات التعدين، كثيرا ما تمثل تكاليف الطاقة ١٥ في المائة إلى ٤٠ في المائة من مجموع النفقات التشغيلية، وفي الوقت نفسه، فإن تشديد أنظمة الانبعاثات، وضغط المستثمرين، وأهداف استدامة الشركات تدفع الصناعة إلى إزالة الكربون، كما أن تصميم معدات الألغام التي تقلل استهلاك الطاقة والانبعاثات لم يعد يشكل تحديا هندسيا مؤثرا مباشرا على مدى الاستدامة.

وبالإضافة إلى وفورات التكاليف، فإن المعدات التي تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة توسّع نطاق الحياة المكوّنة، وتخفض فترة توقف الصيانة، وتحسن سلامة العمال عن طريق خفض درجة الحرارة والتعب، كما أنها تعزز العلاقات المجتمعية وتساعد الشركات على تأمين التراخيص الاجتماعية للعمل، وتوفر هذه المادة إطاراً مفصلاً للهندسة والتصميم من أجل تحقيق هذه النتائج، ويشمل المبادئ الأساسية، والتكنولوجيات الناشئة، وأفضل الممارسات في مجال التنفيذ.

مبادئ التصميم الأساسية لمعدات التعدين المتسمة بالكفاءة في استخدام الطاقة

ويبدأ التصميم الفعال لفاعلية الطاقة في المرحلة المفاهيمية، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الأداء، والقدرة على الاستمرار، والسلامة، والتكلفة مقابل أهداف الطاقة والانبعاثات، وتشكل المبادئ التالية أساس معدات التعدين الحديثة المستدامة.

نظم الطاقة وأجهزة الدفع الآلي

فمحطة الطاقة هي أكبر مستهلك للطاقة في معظم معدات التعدين المتنقلة، إذ أن إصلاح محركات الديزل التقليدية ذات المحركات الكهربائية العالية الكفاءة، أو النظم الهجينة، أو محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تستخدم مركبات الوقود يمكن أن يخفض خسائر الطاقة بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، وتنتج محركات كهربائية متغيرات في حجمها، وتزيد من كفاءة الحرارة، وقدرات التبديل التراكمية.

وتتجه مضيقات البطاريات الكهربائية بسرعة إلى محميات تحت الأرض، وشاحنات الهال، وحتى أجهزة الحفر الكبيرة، وعلى سبيل المثال، تحقق شاحنات التعدين الإليكتريكي من كبار أعضاء حركة أوغستس الآن حمولات مماثلة لمكافئات الديزل بينما تعمل بـ صفر من انبعاثات العجلات، ويكمن التحدي في تصميم نظام إدارة النفايات، وإدماج البطاريات في الهياكل الأساسية.

مواد الوزن الخفيف والتمكين الهيكلي

إن خفض كتلة المعدات المتنقلة يقلل مباشرة من الطاقة اللازمة للتعجيل والهروب والتفاخر، ويمكن للمهندسين أن يزيلوا المواد من المناطق غير الحرجة، وخطوط الألومنيوم، والمواد المركبة أن يقللوا وزنهم بنسبة تتراوح بين 20 و40 في المائة دون التضحية بالدوام، كما أن برامج التجميل والتصاميم السخية تمكن المهندسين من إزالة المواد من المناطق غير الحرجة مع الحفاظ على السلامة الهيكلية تحت حمولات القصوى.

فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استبدال جهاز شاحنة نفايات فولاذية ببديل مركب خفيف إلى خفض استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين ٨ و ١٢ في المائة على حياة المركبة، غير أنه يجب على المصممين أن ينظروا في الحياة البدينة، والتصليح، والتكلفة، ويصبح وزن الضوء أكثر فعالية عندما يقترن بتقليص الطاقة - يمكن تحديد محرك أو محرك أصغر، مما يولد وزنا مكثفا ووفورات في التكاليف.

التلقائية المتقدمة والتحكم الذكي

ويؤدي التلقائية إلى الحد من نفايات الطاقة عن طريق القضاء على سلوكيات غير فعالة من جانب المشغلين مثل الإفراط في التكسير، والتسريع العدائي، واختيار المسارات دون الأمثل، وتحافظ نظم النقل المستقلة الحديثة على سرعة مستمرة، وتوزع على الوجه الأمثل حمولة الوقود، وتخفض سرعة استخدام الإطارات، وتخفض استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 10 و 20 في المائة، وبالنسبة لمصانع التجهيز، والتوائم الرقمية، وأجهزة قياس الأشعة تسارع.

ويمكن لنماذج التعلم في مجال الآلات التنبؤ باشتداء العناصر والجدول الزمني للصيانة قبل تدهور الكفاءة. وتُدرج أجهزة الاستشعار التي تستخدم في المعدات التي ترصد باستمرار سحب الطاقة ودرجتها وهتزتها وتغذي البيانات في منصة مركزية لإدارة الطاقة. [(FLT:0]) وتُفيد الوكالة الدولية للطاقة بأن التحديث في مجال التعدين يمكن أن يقلل كثافة الطاقة بنسبة تصل إلى 20 في المائة بحلول عام 2035.] إذا اعتُمد على نطاق واسع.

نظم استعادة الطاقة وتجديدها

ويمكن استرجاع الطاقة التي تُفرَض عادةً كالدفئة - من المكابح أو النسب أو العادم - وإعادة استخدامها، كما أن التفاخر المتجدد في شاحنات الهال الكهربائية يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية مخزنة، يمكن استخدامها في التسارع اللاحق أو في نظم مساعدة الطاقة، وبالنسبة للتعدين المخفض، ونظم النقل ذات الدفعات المتجددة التي تغذي الطاقة الكهربائية إلى الشبكة.

ويمكن لتكنولوجيات استعادة حرارة النفايات، مثل المولدات الكهربائية الحرارية ونظم دورة الرانكين العضوية، أن تحول العادم والحرارة المبردة إلى الكهرباء، وفي شاحنة كبيرة من طراز " هول " ، يمكن للمنظمة العالمية لحقوق الإنسان أن تحسن كفاءة الوقود عموما بنسبة ٥-٨ في المائة، وفي التطبيقات الثابتة مثل محطات الضغط، تلتقط مبادلات الحرارة هواء ساخن لعمليات التدفئة أو التجفيف، ويُنظر في التصميم الرئيسي في التداول بين وزن نظم الاسترداد ووفورات.

هاء - تكنولوجيا مراقبة الانبعاثات وما بعد التعذيب

وبالنسبة للمعدات التي لا يمكن حتى الآن كهربتها بالكامل - مثل الحفر الكبيرة للثقوب المتفجرة أو مركبات الاستكشاف عن بعد - فإن نظم التحكم في الانبعاثات المتقدمة تتسم بأهمية حاسمة، إذ أن التخفيض الانتقائي لسائل الديزل الذي يستخدم سائل الديزل يقلل من النيتروز بنسبة 90 في المائة أو أكثر.

كما أن تصميم الانبعاثات المنخفضة يشمل تحقيق الحد الأمثل من قياسات حجرات الاحتراق وتوقيت الحقن ومضاهاة التراكمي، كما أن الأنظمة النهائية والخامسة في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي تُلزم بالفعل مستويات منخفضة جداً للانبعاثات، والهدف النهائي هو القضاء على الانبعاثات المتتالية كلياً عن طريق الانتقال إلى محطات توليد الطاقة الكهربائية أو الهيدروجينية، ولكن في حين أن هذه المرحلة الانتقالية تتجه، فإن وجود عنصر تصميم قوي بعد المعالجة هو عنصر تصميم غير قابل للتفاوض.

التكنولوجيات الابتكارية التي تقود عملية الانتقال

الكهرباء والكهرباء

وتشهد صناعة التعدين اعتمادا سريعا للمركبات التي تستخدم البطاريات الكهربائية لأغراض التطبيقات الجوفية، حيث تكون تكاليف التهوية مرتفعة، كما أن الأدخنة الديزلية خطرة، وتملك شركات مثل ساندفيك، وإبيروك، وكارتربلار حمولات بالي في الفول، ومدافع، وشاحنات في العمليات التجارية، وتشمل تحديات التصميم الوقاية من الركض الحراري للبطارية، وبروتوكولات السريعة التعبئة، وضمان التشغيل الآمن للمركبات المتفجرة.

فالهيكلات الهجينة - التي تجمع محركات الديزل مع المحركات الكهربائية وعناصر البطاريات - توفر حلا انتقاليا، ويمكن لحاملة العجلات الهجينة، على سبيل المثال، تشغيل المحرك في أكفأ نطاق له، بينما تصل ذروت المحركات الكهربائية، مما يمكن أن يقلل استهلاك الوقود بنسبة ٢٥-٣٥ في المائة مقارنة بآلة الديزل البحتة. ]([أدوات حفرة ضوضاء أقل، على سبيل المثال.

خلايا الوقود الهيدروجينية وكمبيوتر الهيدروجين

وتقدم الهيدروجين بديلاً للكثافة العالية للطاقة للمعدات الثقيلة حيث تكون البطاريات ثقيلة أو بطيئة في إعادة الشحن، وتتحول خلايا الوقود الهيدروجين إلى كهرباء بخار الماء فقط كعادم، ويجري اختبار عدة شاحنات من طراز هيدروجينات وأجهزة للسيارات ذات الطاقة الكهرمائية، ويجري اختبار مشاريع تجريبية في المناجم في أستراليا والسويد وجنوب أفريقيا.

ويشمل تصميم الهيدروجين خزانات تخزين عالية الضغط (350-700 بار)، وتكامل الكوابيس الخلوية الوقودية، ونظم الأمان لكشف الهيدروجين وفتحه، ولا تزال الهياكل الأساسية لإنتاج الهيدروجين الأخضر وتخزينه وتزوده بالوقود في مواقع المناجم آخذة في الظهور، ولكن الناقلين المبكرين يستثمرون في تحلل الكهرومغناطيسي بالطاقة المتجددة.

IoT, Telematics, and Energy Analytics

وتتيح البيانات التي تُقدم في الوقت الحقيقي من أجهزة الاستشعار ونظم المعلومات عن بعد للمشغلين قياس أداء المعدات، وتحديد الأصول التي لا تعمل بالقدر الكافي، وتحقيق الحد الأمثل من مواعيد التحول، وتعالج برامج التحليل المتقدمة ملايين نقاط البيانات في الساعة، مع الإشارة إلى وجود شذوذ مثل جهاز نقل السيارات الذي يرسم رسوما مفرطة في الوقت الحالي أو يستهلك شاحنة نقل أكثر من الوقت.

ويُعد التحدي في التصميم إدماج أجهزة الاستشعار التي تصمد أمام اليقظة والغبار ودرجة الحرارة القصوى، مع ضمان أمن البيانات والربط الموثوق به في المواقع النائية، وكثيرا ما يُستخدم حساب الدخل لتجهيز البيانات محليا، مما يقلل من احتياجات النطاق الترددي ومن درجة الاحتياج.

الوقود البديل: الوقود الأحيائي والوقود التركيبي

وبالنسبة لمحركات الديزل القائمة، يمكن أن تؤدي انبعاثات الوقود الأحيائي المتسرب (مثل زيت النبات المائي المعالجة، وهيوانات الديزل) إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في دورة الحياة بنسبة تصل إلى 90 في المائة، وقد يلزم إدخال تغييرات في التصميم على مواد نظام الوقود، وتوقيت الحقن، ومواد التشحيم لضمان التوافق.() ويمكن أيضا استخدام أنواع الوقود التركيبية (الوقود) المنتجة من ثاني أكسيد الكربون المأسر والهيدروجين الأخضر، ولكن إنتاجها المنخفض الكلفة عالية.

تنفيذ ممارسات التصميم المستدام

تقييم دورة الحياة كعنصر تصميم

ولتحقيق صافي الطاقة الحقيقية وخفض الانبعاثات، يجب على المصممين تقييم دورة الحياة بأكملها - من استخراج المواد الخام وصنعها من خلال التشغيل والصيانة وإعادة التدوير في نهاية العمر، ويكشف التقييم القطري المشترك عما إذا كان للإطار المركب المخفف من الوزن أثر بيئي أقل بعد حساب إنتاج وتصريف المخلفات، كما يبرز الفرص لإعادة التدوير والنموذج اللذين يقللان الطاقة المجسدة.

وتنشر منظمة رصد الأوزون بصورة متزايدة إعلانات المنتجات البيئية استناداً إلى بيانات التقييم الذاتي المميت، التي تساعد مشغلي الألغام على مقارنة خيارات المعدات ومواءمة معايير الإبلاغ عن الاستدامة مثل مبادرة الإبلاغ العالمية أو مجلس معايير المحاسبة المتعلقة باستدامة الألغام.

التصميم النموذجي لتحسين التدرج والاقتصاد العلماني

كما أن تصميم معدات في وحدات نموذجية - مع سعة منفصلة من الطاقة، والتحكم، والقصورات الهيكلية - يتيح استبدال المكونات القديمة أو غير الفعالة، ويمكن مثلاً تحويل وحدة من وحدات الوصل الكهربائي المفردة إلى نموذج جديد أكثر كفاءة دون استبدال المركبة بأكملها، مما يوسع نطاق حياة الأصول ويقلل من النفايات الإلكترونية، كما أن التصميمات النموذجية تبسط قدرة نظم التشغيل الآلي بعد المعالجة، والمجسات.

وتقتضي مبادئ الاقتصاد العلماني تصميم المكونات من أجل التفكك وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، مثلاً، استخدام المفاصل المغلي بدلاً من اللحام في الإطارات غير الحرجة، مما يسمح باستعادة الفولاذ والألومنيوم ذو القيمة العالية، وينبغي تصميم عبوات البطارية مع خلايا يمكن تحويلها إلى خلايا يمكن إعادة تصميمها لتخزين الطاقة في الحياة الثانية قبل إعادة تدويرها.

دمج الطاقة المتجددة في الموقع

أما معدات الألغام التي تعتمد على الطاقة الكهربائية فيمكن أن تحقق الانبعاثات التشغيلية القريبة من الزيرو إذا كانت الكهرباء تأتي من مصادر متجددة، فتصميم معدات لقبول الفولط المتغير والتواتر (مثلا من الحاجات الشمسية أو الريحية) أمر أساسي، كما أنه يشمل عوازل تخزين الطاقة لمعالجة التقلبات، أما بالنسبة للمركبات التي تستخدم في الخارج، فإن محطات تبديل البطاريات التي تحملها الطاقة الشمسية يمكن أن تحل محل إعادة الإمداد بالوقود، وبعض الألغام تقوم ببناء شبكات كهرباء المكرونة الكهربائية

تدريب الموظفين ومصانع السلوك

وحتى أفضل أداء للمعدات المصممة إذا ما أسيء المشغلون استخدامها، وينبغي أن تغطي برامج التدريب تقنيات القيادة الفعالة - مثل التعجيل السلس، واختيار المعدات المناسبة، وتوقع التوقف - فضلا عن الاستخدام الصحيح لملامح التشغيل الآلي وعرض الطاقة في الوقت الحقيقي، ويمكن أن يؤدي فرز بيانات أداء الطاقة (مقارنة الأفرقة أو التحولات) إلى تغيير الثقافة، ويجب تدريب أطقم الصيانة على تفتيش أجهزة التحكم في الانبعاثات وتقديم الخدمات لها.

سائقو الأنظمة والأسواق

فكلما زاد القانون تفويض كفاءة الطاقة وخفض الانبعاثات، فإن المعايير النهائية لمحركات الديزل غير المستخدمة في وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة قد دفعت إلى تحسينات كبيرة في التصميم، وفي الاتحاد الأوروبي، فإن الأنظمة المتعلقة بالمرحلة الخامسة واليورانيوم السابع المقبل للمركبات الثقيلة لا يمكن أن تزيد من القيود المفروضة على المركبات، كما أن الضرائب المفروضة على الكربون، وخطط الاتجار بالانبعاثات (مثلاً، النظام الأوروبي لبيع الوقود) إضافة إلى تكاليف مباشرة إلى معايير الاختراق.

وتوفر برامج طوعية مثل مبادرة رابطة التعدين الكندية من أجل التعدين المستدام إطارا لقياس وتحسين أداء الطاقة، وتكسب نظم الإدارة البيئية التي يمكن أن تثبت الخصائص المنخفضة الكربون ميزة تنافسية في العطاءات المقدمة من شركات التعدين التي تركز على الاستدامة. ] تتضمن بروتوكولات إدارة الأمفيتامينات مؤشرات أداء محددة لاستخدام الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة.]

أمثلة على دراسة الحالات الإفرادية

() Boliden’s Aitik Mine ( Sweden): ] One of the world’s most energy efficient open —pit copper mines, Aitik uses trolley-assist electric haul trucks, conveyor systems with regenerative drives, and a fully automated mill. The mine has reduced energy intensity by 30% over a decadeim mobilestream, largely by electr

South Deep Mine (South Africa):] Gold Fields’ South Deep mine deployed a fleet of batelectric loaders and trucks for underground operations. The equipment, designed with modular batpacks and fast-charging stations, reduced ventilation costs by 40% and eliminate diesel particulate exposure. The mine’s overall energy consumption per ounce of gold dropped significantly.

الاتجاهات المستقبلية والتوقعات

وسيشهد العقد القادم استمرار التقارب في التكتل والتشغيل الآلي والرقمي، وتعود بطاريات الدول الصلبة بكثافة طاقة أعلى وبسرعة في الشحن، مما يتيح نقل الطاقة الثقيلة إلى حمولات أكبر، وسيتيح تشغيل الآلات الآلية ذاتياً تبادل البطاريات بدون طيار أو شحنها في الوقت المحدد، مع الاحتفاظ بالمعدات في العمل على مدار الساعة، كما أن هناك استخداماً متزامناً في إنتاج المواد الغذائية من سلسلة النفايات التعدينية كاملة.

ويجب على المصممين أن يظلوا على علم بالمعايير المتطورة وقدرات الشبكات وتكاليف الطاقة المتجددة، وأكثر المعدات نجاحا هي المعدات التي يمكن تكييفها وتقسيمها وتدني قدرتها على الانتقال من الأرض - التي لم تُعاد صياغتها بعد ذلك، وسيكون التعاون بين نظم الإدارة البيئية وشركات التعدين ومؤسسات البحوث والجهات التنظيمية ضروريا للتعجيل بعملية الانتقال.

خاتمة

إن تصميم معدات الألغام من أجل تحسين كفاءة الطاقة وخفض الانبعاثات هو هدف معقد ولكن قابل للتحقيق، ومن خلال تطبيق نظم الطاقة المثلى، ومواد الوزن الخفيف، والتشغيل الآلي المتقدم، واسترداد الطاقة، ومراقبة الانبعاثات القوية، يمكن للمهندسين أن يقدموا أجهزة خفض التكاليف، وتلبية المطالب التنظيمية، ودعم أهداف المناخ العالمية، ويجب أن يقترن ذلك بممارسات التصميم المستدامة - تقييم دورة الحياة، والنموذج، والتكامل المتجدد، والتدريب - وهذه المبادئ تنشئ إطارا انتقاليا لصناعة التعدينية.