Table of Contents
The Mining Industry on the Verge of an Electric Transformation
وتقف صناعة التعدين العالمية على نقطة انطلاق محورية، وقد اعتمدت العمليات الجوفية على معدات تعمل بالديزل لنقل الخامات، وموظفي النقل، وتناول المواد، ولكن التكاليف البيئية والاقتصادية لهذا الاعتماد أصبحت مستحيلة تجاهلها، حيث إن ضغوط الاستدامة ترتفع من الجهات التنظيمية والمستثمرين والمجتمعات المحلية، ومع استمرار ارتفاع تكاليف التشغيل، فإن شركات التعدين تبحث عن مركبات كهربائية أنظف وأذكى وأكثر كفاءة في المستقبل.
إن التحول نحو كهربة التعدين ليس بمنظور بعيد - بل يحدث الآن، وقد بدأت عدة عمليات تعدين رئيسية في جميع أنحاء العالم بالفعل نشر مركبات كهرباء البطاريات لنقل الحمولة ونقل الموظفين ومهام الخدمات، وهي تعد بإعادة تشكيل البيئة الجوفية بطرق تتجاوز مجرد تبادل محرك الديزل لمحرك كهربائي، بل إنها تغير اقتصاديات عمليات صيانة المناجم تحت الأرض، ورسم مسارات الأمان.
ويتطلب فهم النطاق الكامل لهذا التحول نظرة أوثق إلى المزايا والتكنولوجيات التمكينية وتحديات التبني والمسار الذي ينتظره، وتستكشف هذه المادة كل من هذه الأبعاد لتوفير رؤية شاملة عن المكان الذي تتجه فيه الصناعة وما تعنيه بالنسبة لمشغلي التعدين، ومصنعي المعدات، وقوة العمل.
The Environmental and Safety Case for Electric Underground Vehicles
إن أكثر الحجة إلحاحا وإلحاحاً فيما يتعلق بمراكز إنتاج أساطيل التعدين الجوفية في بيئة العمل، إذ تنتج محركات الديزل مزيجاً معقداً من غازات العادم - بما في ذلك أكسيد النيتروجين، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، ومسألة الجسيمات - يمكن أن يتراكم في أماكن سرية محصورة، وحتى مع نظم تهوية متطورة، تواجه عمال المناجم مخاطر التعرض المرتفعة مرتبطة بمشاكل الجهاز التنفسي.
القضاء على انبعاثات الديزل في المناطق السفلية
إن المركبات الكهربائية الكاملة تنتج انبعاثات من قطع الخيوط الصفرية، وهذا تحول في سياق منجم تحت الأرض، ويعني القضاء على الديزل أن نوعية الهواء في الأنفاق والتوقف والانجرافات في الحواف تتحسّن بشكل كبير، وهذا يقلل مباشرة من العبء الصحي على العمال ويخفض تركيز الملوثات الخطرة المحمولة جوا والتي يجب أن تخفف من منظومات التهوية وتزيلها.
إن الأثر على متطلبات التهوية هو من أهم الفوائد التشغيلية، ففي العديد من الألغام الأرضية العميقة، يمثل التهوية جزءا كبيرا من الاستهلاك الكلي للطاقة - الذي يتراوح في كثير من الأحيان بين 30 في المائة و 50 في المائة من الحمولة الكهربائية للمنجم، حسب العمق، ومقياس الجسيمات، والمعايير التنظيمية، وبإزالة الحاجة إلى إبطال الديزل، يمكن للألغام أن تقلل حجم الهواء الذي تحتاج إليه، مما يترجم مباشرة إلى انخفاض تكاليف الطاقة.
تخفيض عدد النواحي وإجهاد الحرارة
وتولد محركات الديزل ضجة كبيرة، مما يخلق بيئة صعبة لمراجعة الحسابات بالنسبة للعمال ويخفي إشارات الاتصالات الحيوية، وتعمل محركات الكهرباء ذات الإنتاج الأقل بكثير من الضوضاء، مما يجعل الأماكن الجوفية أكثر أماناً بالنسبة للتواصل اللفظي ونظم الإنذار الجديرة بالثناء، كما تسهم ظروف العمل الأكثر هدوءاً في انخفاض مستويات الضغط وتحسين الوعي بالوضع.
الحرارة هي عامل آخر يُقلل من شأنه في أغلب الأحيان، محركات الديزل تحول فقط نحو 30 إلى 40 في المائة من الطاقة الوقودية إلى عمل ميكانيكي، مع ما تبقى من الطاقة تُباع كالدفئة، في بيئة تحت الأرض، ترتفع حرارة النفايات درجة الحرارة المحيطة وتفرض حملا إضافيا على نظم التبريد، وتحول المحركات الكهربائية، على النقيض، أكثر من 90 في المائة من الطاقة المُدخلة إلى عمل ميكانيكي، مما يُهدّأ طاقة أقلّأة.
بيئة عمل أكثر أمنا
وتتجاوز مزايا السلامة نوعية الهواء والضوضاء، وتزيل المركبات الكهربائية خطر تسرب وقود الديزل والنيران المرتبطة بمناولة الوقود، وتقضي أيضا على الحاجة إلى نظم الديزل بعد المعالجة، التي يمكن أن تكون في حد ذاتها مصادر مخاطر الصيانة، كما أن المركبات الكهربائية تعمل على زيادة التعريف والتحكم عند دمجها مع نظم متقدمة لمساعدة السائقين أو الاستقلال الذاتي الكامل، وفي حالة وقوع الحوادث، يؤدي عدم وجود عناصر وقودية قابلة للاشتعال.
الكفاءة التشغيلية ومجموع تكلفة الملكية
بينما فوائد البيئة والسلامة مُلحة لوحدها، فإن قضية الأعمال الخاصة بالمركبات الكهربائية تحت الأرض تعتمد على الاقتصاد التشغيلي، وتُظهر التكلفة الإجمالية للملكية على دورة حياة المركبة أن المركبات الكهربائية يمكنها أن تحقق وفورات كبيرة مقارنة بنظائرها في الديزل، حتى عندما تؤخذ في الاعتبار التكاليف الرأسمالية المرتفعة.
تكاليف الطاقة المنخفضة
والكهرباء أرخص عموما من وقود الديزل على أساس الطاقة الواحدة، وتحوّل محركات الكهرباء تلك الطاقة إلى حركة أكثر كفاءة بكثير، ويمكن أن تكون تكلفة الطن المتحرك بالسيارة الكهربائية أقل بكثير، ولا سيما في المناجم التي تولد قوتها الخاصة من مصادر الطاقة المتجددة أو التي تحصل على الكهرباء ذات الشبكة المنخفضة التكلفة، وبما أن آليات تسعير الكربون تتوسع عالميا، فإن الفائدة من حيث التكلفة على الطاقة الكهربائية تزيد على الديزل.
الحد من الصيانة والمكون الموسع
وتعاني السيارات الكهربائية من قطع تحرك أقل بكثير من محركات الاحتراق الداخلي، ولا توجد حقنات للوقود، وصمامات للعادم، ومصفوفات الجسيمات الديزلية، أو نظم حفز انتقائية لصيانة هذه البساطة، وتترجم إلى تكاليف صيانة أقل، وفترات أطول بين أحداث الخدمة المقررة، وارتفاع درجة توافرها الميكانيكي.
وتشكل النظم الهيدروليكية مجالا آخر من مجالات المدخرات، حيث كثيرا من مركبات التعدين الكهربائي تستخدم الكهربي فوق الهيدروليكي أو الكهرباء الكاملة، مما يقلل من تعقيدات وسرب الدوائر الهيدروليكية التقليدية، وعندما تتطلب الصيانة، كثيرا ما تكون مضيقات الكهرباء أسهل في تشخيصها وإصلاحها بسبب هيكلها النموذجي وتوافر بيانات القياس عن بعد في الوقت الحقيقي.
جيم - المكاسب الإنتاجية من التوافر العالي
ويمكن للمركبات الكهربائية أن تحقق قدرا أكبر من التوافر الميكانيكي من مكافئات الديزل لأنها تعاني من انخفاض في عدد المعطلات غير المخطط لها وتتطلب صيانة أقل تواترا، وبالنسبة لعملية التعدين، فإن كل ساعة من فترات التوقف غير المقررة تضيع في الإنتاج، وموثوقية مضيق الكهرباء، إلى جانب القدرة على تحمل تكاليف أثناء التغييرات في النوبات وعطلات الغداء، تعني أن المركبات الكهربائية يمكن أن تحقق معدلات الاستخدام التي لا يمكن أن تتناسب مع أساطيل الديزل.
وبالإضافة إلى ذلك، تقدم المركبات الكهربائية من طراز " لام " ، إلى جانب القدرة على التعجيل بالرفع وربط الرتب، مقارنة بمحركات الديزل التي يجب أن ترتفع إلى أعلى مستوى للوصول إلى ذروة الذروة، مما يمكن أن يحسن فترات دورة طرق النقل ويزيد من الناتج الإجمالي للمنجم.
Core Technologies Powering the Electric Shift
وتتوقف القدرة العملية للمركبات الكهربائية تحت الأرض على مجموعة من التكنولوجيات السريعة الارتحال التي تم تطويرها إلى حد كبير خارج صناعة التعدين - في أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية، والسيارات، وتخزين الشبكات - ولكنها الآن تكيف مع الظروف القاسية للتعدين تحت الأرض.
نظم البطاريات
فمجموعات البطاريات ذات القدرة العالية على استخدام الليثيوم هي العمود الفقري لتخزين الطاقة من مركبات التعدين الكهربائية الحديثة، وقد زادت كثافة الطاقة في هذه البطاريات بحوالي ثلاثة أضعاف خلال العقد الماضي، بينما انخفضت التكاليف بأكثر من 80 في المائة، أما بالنسبة لتطبيقات التعدين تحت الأرض، فإن القياسات الحرجة هي كثافة الطاقة (كم يمكن تخزين الطاقة في كتلة أو حجم معين)، فتؤدي الحياة في الدورة (كم من دورات القدرة على إزالة الحمولة).
وتصمم مجموعات البطاريات من درجة التعدين بأجهزة معززة لتحمل صدمات الاهتزاز وسقوط السقف، وتحتفظ نظم الإدارة الحرارية - باستخدام مواد التبريد السائل أو تغيير المرحلة - بخلايا البطاريات في إطار نافذة الحرارة القصوى خلال ارتفاع الطاقة في المطالبة بالهضان والرش، وقد اعتمدت بعض الصانعين نظما للبطارية قابلة للقابلية للاشتعال، مما يسمح بتبادل العبوات المستنفدة للوحدات التي تحمل رسوما كاملة في دقائق، مما أدى إلى إزالة آثار طويلة.
الهياكل الأساسية للنقل
البنية التحتية المتجهة للشحن هي أحد أكثر الجوانب تحدياً في كهربة منجم تحت الأرض، خلافاً للتطبيقات السطحية التي يمكن أن توضع فيها محطات الشحن في مواقع يسهل الوصول إليها، يجب أن يتم دمج الشحنات تحت الأرض في شبكة تخطيط المنجم وتوزيع الطاقة.
وقد ظهرت عدة استراتيجيات للشحن، ويمكن لمحطات الشحن الثابتة التي تم تركيبها في نقاط التحميل، وخليج الصيانة، ومواقع وقوف السيارات أن توفر أكثر النهج وضوحاً، بينما يمكن للشحن الفوري - حيث تُشحن المركبات أثناء فترات متقطعة قصيرة، مثل الحمل أو الانتظار - أن يمدد فترة التشغيل دون الحاجة إلى قطع رسوم مكرّسة، وتختبر بعض الألغام مع نظم تحميل تحتية تسمح بقطع الكابلات.
وتمثل مقايضة البطاريات نموذجا مختلفا، فبدلا من شحن مركبة، تُمسح عبوة البطاريات بكاملها لإحدى الوحدات التي كانت مشحنة مسبقا في محطة تبادل، وهذا النهج يناسب على أفضل وجه أساطيل المركبات الموحدة التي تعمل بالقرب من مرفق تبادل، ويلغي رسوم الانتظار، كليا ولكن يتطلب استثمارات كبيرة في جرد البطاريات والهياكل الأساسية للمناولة.
تصميم المركبات وإدماجها
فتحات الكهرباء تسمح لمصممي المركبات بإعادة التفكير في هيكل معدات التعدين بدون مجموعة كبيرة من محركات الديزل، نقلها، محركها، محركها، نظام الديزل، وحزمة التبريد، يتمتع المصممون بقدر أكبر من الحرية لتصميم المركبة على الوجه الأمثل، مما قد يؤدي إلى انخفاض ملامح مركز الجاذبية، وتحسين توزيع الوزن، وتحسين وضوح المشغلين، والأبعاد العامة المدمجة.
ويُعدّ التكفير الإبداعي أمراً بالغ الأهمية في التعدين تحت الأرضي، وفي حالة الهضبة التي تُشَعَى في العمليات السرية، يمكن للمحرك الكهربائي أن يعمل كمولد، ويُسجّل الطاقة الحركية ويُحوّلها إلى طاقة كهربائية لإعادة شحن البطارية، ولا يمتد هذا النطاق فحسب بل يُقلّل أيضاً من إرتداء المكابير ويحسن السلامة من خلال التحلل المستمر والتحكمي، ويمكن لبعض المركبات أن تستعيد طاقتها إلى 30 في المائة من خلال التجديد.
العمليات الذاتية والمركبات الكهربائية
إن تقارب الكهربة والاستقلالية هو أحد أقوى الاتجاهات في التعدين الحديث، إذ أن المركبات الكهربائية هي في جوهرها منابر أفضل لعمليات مستقلة من مركبات الديزل لعدة أسباب، وتوفر محركات الكهرباء التحكم الدقيق الفوري في السجاد مما يجعل من السهل تنفيذ الخوارزميات الآلية للسيارات ويمكن التنبؤ بها بدرجة أكبر، ويؤدي انخفاض مستويات الضوضاء واليقظة إلى الحد من تدهور أجهزة الاستشعار وتحسين موثوقية أجهزة الليدار والرادار والكاميرات.
وهناك عدة شركات تصنيع معدات التعدين تعرض الآن مركبات ذاتية تماما من مركبات التعبئة الكهربائية وشاحنات الشاحنات التي يمكن أن تعمل باستمرار بأقل قدر من التدخل البشري، ويمكن لهذه المركبات أن تبحر من العواصف الجوفية، وتطيع نظم مراقبة الحركة، وتحمّل النفايات في مواقع معينة، وتعود تلقائيا إلى محطات الشحن عندما تصل بطارية الشحنات إلى عتبة، وتخلق تركيبة من المركبات الآلية ذات القيمة القصوى.
ولا يمكن لمراكز التشغيل عن بعد التي يعمل بها مشغلون مهرة الإشراف على أساطيل المركبات الكهربائية المستقلة، ولا يمكن التدخل إلا عندما تنشأ ظروف غير عادية، وهذا النموذج يحسن السلامة عن طريق إزالة الأفراد من أكثر المناطق خطورة من المنجم، مع تحسين الإنتاجية عن طريق زيادة استخدام المركبات ودورات العمل المتسقة.
تحديات التبني والحواجز العملية
ورغم المزايا الواضحة، فإن الانتقال إلى المركبات السرية تماماً يواجه حواجز كبيرة يتعين على شركات التعدين أن تبحر، وهذه التحديات لا يمكن التغلب عليها، ولكنها تتطلب تخطيطاً دقيقاً، واستثماراً، واستعداداً لتكييف الممارسات التشغيلية القائمة.
النفقات الرأسمالية الأولية
إن مركبات التعدين في البطاريات الكهربائية تحمل علاوة كبيرة على نظيراتها في الديزل - التي تزيد بنسبة تتراوح بين 30 و 50 في المائة في كثير من الأحيان، ويمكن أن تمثل مجموعة البطاريات وحدها جزءا كبيرا من التكلفة الإجمالية للمركبات، وبالنسبة لشركات التعدين التي تعمل على هامش رفيع أو تواجه قيودا في رأس المال، فإن هذه العلاوة يمكن أن تبرر دون وجود أدلة واضحة على تحقيق وفورات طويلة الأجل، ولكن عندما يؤدي التحليل إلى انخفاض تكلفة التجهيز، وانخفاض تكاليف التشغيل، وطول مدة المركبات.
نشر الهياكل الأساسية
إن تركيب بنية تحتية موثوقة تحت الأرض معقد، ويجب أن تُسدَّد معدات الشحن من الغبار والرطوبة والأثر، ويجب رفع مستوى شبكات توزيع الطاقة بحيث تعالج ارتفاع متطلبات الطاقة من الشحن السريع، مما قد يتطلب كابلات جديدة ومحولات وقودات، وفي المناجم العميقة، يمكن أن يكون الهبوط بالفولط فوق الكم الكبير عاملاً محدوداً.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحد المخطط المادي للمنجم من مكان وضع محطات الشحن، وكثيرا ما يكون الفضاء في مستويات الإنتاج في أقساط، ويحتاج إيجاد مواقع مناسبة لشحن محطات دون التدخل في طرق النقل، أو وصول الموظفين، أو حركة المعدات إلى تخطيط دقيق.
أداء البطاريات في الظروف الدنيا
فبطاريات الليثيوم -يون حساسة لدرجات الحرارة القصوى، وفي البيئات الساخنة تحت الأرض - التي يمكن أن تتجاوز 40 درجة مئوية (104 درجة مئوية) في المناجم العميقة دون التبريد الكافي - قد تتطلب البطاريات التبريد النشط لمنع الركض الحراري، ويمكن أن تؤدي العملية المستدامة في درجات الحرارة المحيطة العالية إلى تعجيل تدهور البطاريات والحد من حياة الدورة، وعلى العكس من ذلك، تفقد البطاريات القدرة في ظروف باردة، مما قد يكون له أهمية في المناجم الضحلة.
مهارات وتدريب القوى العاملة
وتختلف المهارات اللازمة لصيانة وتشغيل مركبات التعدين الكهربائية عن المهارات اللازمة لمعدات الديزل، إذ تحتاج الميكانيكيات التي تُختبر بمحركات الديزل ونظم الوقود والعادم بعد المعالجة إلى التدريب على النظم الكهربائية ذات الحركة العالية، وتشخيص البطاريات، وعناصر الطاقة الكهربائية، ويتعين على المشتغلين بالكهرباء فهم بروتوكولات الشحن، وقيود النطاق، وإجراءات السلامة للعمل مع المعدات ذات الحركة العالية، ويجب على شركات التعدين أن تستثمر في برامج تنمية المهارات هذه.
التوقعات الصناعية والطريق إلى الأمام
إن المسار نحو التعدين تحت الأرض تماماً للكهرباء واضح، وتتسارع وتيرة الاعتماد، وتتجمع عدة عوامل لجعل المركبات الكهربائية أكثر جاذبية وقابلية للاستمرار اقتصادياً بالنسبة لمجموعة أوسع من عمليات التعدين.
الضغط التنظيمي والمستثمر
وتشدد الحكومات في جميع أنحاء العالم أنظمة الانبعاثات وتنفذ آليات تسعير الكربون التي تزيد تكلفة استخدام الديزل، وفي الوقت نفسه، يطبق المستثمرون والمقرضون المؤسسيون ] معايير البيئة والاجتماعية والحوكمة [(FLT:1]] على عمليات التعدين، مما يكافئ الشركات التي تُظهر تقدما نحو إزالة الكربون، كما أن شركات التعدين التي تُنتج عن الأساطيل التي تُسرتُطِل إليها هي شروط أفضل.
مسارات تكاليف التكنولوجيا
ولا تزال تكاليف البطاريات تتناقص مع ارتفاع حجم التصنيع، وتوليد تحسينات الكيمياء كثافة طاقة أعلى، كما أن مشروع المحللين الذي سيقلل تكاليف عبوة البطاريات الليثيومية من 100 دولار لكل كيلوات في غضون السنوات القليلة القادمة، مما سيقلل بدرجة كبيرة من أقساط التكاليف الأولية لمركبات التعدين الكهربائي، كما أن تكاليف الهياكل الأساسية المتجهة آخذة في الانخفاض مع توافر حلول موحدة وتحسين تجربة التركيب.
السلف في الكيمياء البطارية
وتتعهد كيميائيات البطاريات الناشئة، مثل فوسفات الحديد الليثيوم والبطاريات ذات الصلصة، بمعالجة بعض القيود الحالية لتكنولوجيا الليثيوم -يون، وتوفِّر البطاريات المحلية تحسين السلامة وطول الدورة، مع انخفاض كثافة الطاقة بدرجة طفيفة، ويمكن أن تؤدي البطاريات ذات الوضع الصلب، بينما لا تزال في مرحلة التنمية، إلى تحسين سرعة نمو صناعة الطاقة.
الاستراتيجيات المتكاملة لكشف الألغام
وتأتي جهود كهربة الكهربة الأكثر نجاحاً في معالجة المنجم بأكمله كنظام متكامل بدلاً من التركيز فقط على المركبات، وبدأت الألغام في وضع استراتيجيات شاملة للكهربة تشمل المركبات، وتشحن الهياكل الأساسية، وتوزيع الطاقة، ]mine ventilation redesign]، وإدارة الطاقة، وفي بعض الحالات، تُعمم الألغام في توليد الطاقة المتجددة المنخفضة التكلفة ونظم تخزين الطاقة.
The Long-Term Vision
ومن المتوقع أن تصبح الألغام الجوفية الكاملة في الأجل الطويل معياراً للصناعة، وتمتد الرؤية إلى ما يتجاوز مجرد استبدال محركات الديزل بمحركات كهربائية، وتشمل الأساطيل الكهربائية الآلية بالكامل، والألغام المصممة منذ البداية للعمليات الكهربائية، ونظم التهوية المجهزة لراحة الأفراد بدلاً من تآكل الديزل، وستكون الألغام في المستقبل أكثر هدوءاً وأنظف وأكثر أماناً وأكثر إنتاجية من عمليات اليوم.
وبالنسبة لشركات التعدين التي تبدأ عملية الانتقال الآن، فإن الفوائد لا تشمل تكاليف التشغيل المنخفضة وخفض الانبعاثات فحسب، بل تشمل أيضا ميزة تنافسية في اجتذاب المواهب وتأمين التصاريح والحفاظ على الترخيص الاجتماعي بالعمل، فالتكنولوجيا موجودة، والاقتصادات آخذة في التحسن، والضرورة واضحة، والمنجم الكهربائي تحت الأرض لم يعد مفهوما - بل هو حقيقة يجري بناؤها اليوم.
خاتمة
وتمثل المركبات الكهربائية الكاملة تحت الأرض تحولا أساسيا في كيفية عمل عمليات التعدين في العقود القادمة، إذ تشمل الفوائد تحسين البيئة، وسلامة العمال، والكفاءة التشغيلية، وتخفيض التكاليف على المدى الطويل، وقد بلغت التكنولوجيا - من مجموعات البطاريات ذات القدرة العالية إلى نظم الرقابة المستقلة - مستوى من النضج يجعل النشر العملي ممكنا على نطاق واسع، وفي حين لا تزال التحديات المتصلة بتكاليف رأس المال، وشحن الهياكل الأساسية، ومهارات القوة العاملة قائمة، والضغط على نطاق واسع من حيث انخفاض التكاليف ونقاط التنظيم.
ويقوم مشغلو التعدين الذين يستثمرون في تكنولوجيا المركبات الكهربائية اليوم بوضع أنفسهم في موقع لمستقبل يكون فيه الديزل تحت الأرض هو الاستثناء وليس القاعدة، ولن يحدث الانتقال بين عشية وضحاها، ولكن الاتجاه لا يمكن قياسه، وسيتولى الكهرباء تشغيل المنجم تحت الأرضي للمستقبل، وسيصل المستقبل بالفعل.