Будущее горного оборудования с полностью электрическими подземными транспортными средствами

Горная промышленность на грани электрической трансформации

В течение десятилетий подземные работы полагались на дизельное оборудование для перемещения руды, транспортного персонала и обработки материалов. Но экологические и экономические издержки этой зависимости становится невозможно игнорировать. По мере того, как давление на устойчивость возрастает со стороны регулирующих органов, инвесторов и сообществ, а эксплуатационные расходы продолжают расти, горнодобывающие компании ищут более чистый, умный и более эффективный способ работы под землей. Полностью электрические подземные транспортные средства представляют это будущее.

Переход к электрификации в горнодобывающей промышленности не является отдаленной перспективой — это происходит сейчас. Несколько крупных горнодобывающих предприятий по всему миру уже начали развертывание электромобилей с батарейным питанием (BEV) для перевозки грузов, перевозки персонала и обслуживания. Эти транспортные средства обещают изменить подземную среду способами, которые выходят далеко за рамки простого замены дизельного двигателя на электродвигатель. Они меняют экономику шахтной вентиляции, профиль безопасности подземных работ, графики технического обслуживания парков оборудования и даже архитектурный дизайн самих шахт.

Понимание полного масштаба этой трансформации требует более пристального изучения преимуществ, технологий, проблем принятия и траектории, которая лежит впереди. В этой статье исследуется каждое из этих измерений, чтобы обеспечить всеобъемлющее представление о том, куда движется отрасль и что это означает для операторов горнодобывающей промышленности, производителей оборудования и рабочей силы.

Экологический и безопасный случай для подземных электромобилей

Самый непосредственный и убедительный аргумент в пользу электрификации подземных горнодобывающих флотов сосредоточен на рабочей среде. Дизельные двигатели производят сложную смесь выхлопных газов, включая оксиды азота (NOx), монооксид углерода (CO), двуокись углерода (CO2) и твердые частицы, которые могут накапливаться в замкнутых подземных пространствах. Даже при сложных системах вентиляции шахтеры сталкиваются с повышенными рисками воздействия, которые были связаны с респираторными заболеваниями, сердечно-сосудистыми проблемами и долгосрочными проблемами со здоровьем.

Устранение выбросов дизельного топлива под землей

Полностью электрические транспортные средства производят нулевые выбросы выхлопных газов. В контексте подземной шахты это преобразующее. Устранение выхлопных газов дизельного топлива означает, что качество воздуха в туннелях, остановках и перевозочных дрейфах резко улучшается. Это напрямую снижает нагрузку на здоровье работников и снижает концентрацию опасных загрязняющих веществ, которые должны быть разбавлены и удалены системами вентиляции.

Воздействие на требования к вентиляции является одним из наиболее значительных эксплуатационных преимуществ. Во многих глубоких подземных шахтах вентиляция представляет собой значительную часть общего потребления энергии - часто от 30 до более 50 процентов электрической нагрузки шахты, в зависимости от глубины, геометрии рудного тела и нормативных стандартов. Устраняя необходимость разбавлять выхлопные газы дизельного топлива, шахты могут уменьшить объем воздуха, который им нужно перемещать, что напрямую приводит к снижению затрат на энергию, сокращению капитальных затрат на вентиляционную инфраструктуру и меньшим вентиляционным шахтам.

Снижение шума и теплового стресса

Дизельные двигатели создают значительный шум, создавая сложную слуховую среду для рабочих и маскируя критические сигналы связи. Электрические трансмиссии работают со значительно более низкой шумоизоляцией, делая подземные пространства более безопасными для вербальной коммуникации и звуковых систем предупреждения. Тихие условия работы также способствуют снижению уровня усталости и улучшению ситуационной осведомленности.

Тепло является еще одним фактором, который часто недооценивается. Дизельные двигатели преобразуют только от 30 до 40 процентов энергии топлива в механическую работу, а остальная часть рассеивается в виде тепла. В подземной среде это отработанное тепло повышает температуру окружающей среды и накладывает дополнительную нагрузку на системы охлаждения. Электродвигатели, напротив, преобразуют более 90 процентов своей входной энергии в механическую работу, тратя гораздо меньше энергии в виде тепла. Это означает более прохладные условия работы и снижение потребности в вспомогательном охлаждении, еще больше снижая энергетический след шахты.

Более безопасная рабочая среда

Преимущества безопасности выходят за рамки качества воздуха и шума. Электромобили устраняют риск разливов дизельного топлива и пожаров, связанных с обращением с топливом. Они также устраняют необходимость в системах последующей обработки дизельных выхлопных газов, которые сами могут быть источниками опасностей для технического обслуживания. Электромобили с аккумуляторной батареей также обеспечивают лучшую видимость и контроль при интеграции с передовыми системами помощи водителю или полной автономности. Когда происходят аварии, отсутствие легковоспламеняющегося дизельного топлива и высокотемпературных компонентов выхлопных газов может снизить тяжесть пожаров и их потенциал для распространения.

Оперативная эффективность и общая стоимость владения

Хотя экологические преимущества и преимущества в плане безопасности являются убедительными сами по себе, бизнес-кейс для электрических подземных транспортных средств зависит от операционной экономики. Общая стоимость владения (TCO) в течение жизненного цикла транспортного средства показывает, что электромобили могут обеспечить значительную экономию по сравнению с их дизельными аналогами, даже если учитывать более высокие первоначальные капитальные затраты.

Снижение затрат на энергию

Электричество, как правило, дешевле, чем дизельное топливо на единицу энергии, а электрические трансмиссии преобразуют эту энергию в движение гораздо более эффективно. Стоимость за тонну, перемещаемую с помощью электромобиля, может быть значительно ниже, особенно в шахтах, которые генерируют свою собственную энергию из возобновляемых источников или имеют доступ к недорогой электроэнергии в энергосистеме. По мере расширения механизмов ценообразования на углерод во всем мире, преимущество в стоимости электроэнергии над дизельным топливом будет только расширяться.

Сокращение срока службы и продление срока службы компонентов

Электродвигатели имеют гораздо меньше движущихся частей, чем двигатели внутреннего сгорания. Для поддержания не существует топливных инжекторов, выпускных клапанов, турбокомпрессоров, дизельных фильтров для твердых частиц или селективных систем каталитического восстановления. Эта простота приводит к снижению затрат на техническое обслуживание, увеличению интервалов между запланированными мероприятиями по обслуживанию и более высокой механической доступности. Регенеративные тормозные системы также уменьшают износ фрикционных тормозов, продлевая срок службы тормозных компонентов на значительный запас.

Гидравлические системы — еще одна область экономии. Многие электромобили для майнинга используют электрическое гидравлическое или полностью электрическое приведение в действие, снижая сложность и потенциал утечки традиционных гидравлических схем. При необходимости технического обслуживания электрические трансмиссии часто легче диагностировать и ремонтировать из-за их модульной архитектуры и наличия телеметрических данных в реальном времени.

Повышение производительности благодаря более высокой доступности

Электромобили могут добиться более высокой механической доступности, чем дизельные эквиваленты, поскольку они страдают от меньшего количества незапланированных поломок и требуют менее частого технического обслуживания. Для майнинга каждый час незапланированного простоя теряется производство. Надежность электрических трансмиссий в сочетании с возможностью зарядки во время смены и обеденных перерывов означает, что электромобили могут достичь коэффициентов использования, которые дизельные парки не могут соответствовать.

Кроме того, электромобили предлагают мгновенный крутящий момент от нуля оборотов в минуту, обеспечивая превосходную способность к ускорению и подъему по сравнению с дизельными двигателями, которые должны катиться, чтобы достичь пикового крутящего момента. Это может улучшить время цикла на маршрутах перевозки и увеличить общую пропускную способность шахты.

Основные технологии, питающие электрический сдвиг

Практическая жизнеспособность электрических подземных транспортных средств зависит от набора быстро созревающих технологий, которые были разработаны в основном за пределами горнодобывающей промышленности - в бытовой электронике, автомобилестроении и сетевом хранении - но в настоящее время адаптируются для суровых условий подземной добычи.

Системы батарей

Литий-ионные аккумуляторные батареи большой емкости являются основой накопления энергии современных электромобилей. Плотность энергии этих батарей увеличилась примерно в три раза за последнее десятилетие, в то время как затраты упали более чем на 80 процентов. Для подземных приложений добычи критическими показателями являются плотность энергии (сколько энергии может храниться в заданной массе или объеме), срок службы цикла (сколько циклов заряда-разряда батарея может выдержать до того, как ее емкость ухудшится) и термическая стабильность (способность безопасно работать при повышенных температурах окружающей среды).

Аккумуляторы горнодобывающего класса разработаны с усиленными корпусами, чтобы выдерживать вибрационный удар и падение крыши. Системы терморегулирования - с использованием жидкостного охлаждения или материалов с фазовым изменением - удерживают аккумуляторные элементы в пределах их оптимального температурного окна во время высоких требований к мощности при перевозке и трамплине. Некоторые производители приняли системы сменных батарей, позволяющие обменивать обедненные пакеты на полностью заряженные блоки в считанные минуты, эффективно устраняя длительное время простоя зарядки.

Зарядная инфраструктура

Зарядная инфраструктура является одним из наиболее сложных аспектов электрификации подземной шахты.В отличие от поверхностных применений, где зарядные станции могут быть размещены в доступных местах, подземная зарядка должна быть интегрирована в схему шахты и распределительную сеть питания.

Появилось несколько стратегий зарядки. Наиболее простой подход обеспечивают стационарные зарядные станции, установленные в точках погрузки, в отсеках технического обслуживания и на парковочных местах. Возможность зарядки - когда транспортные средства заряжаются в течение коротких периодов простоя, например, во время загрузки или ожидания - может продлить рабочее время, не требуя выделенных перерывов для зарядки. Некоторые шахты экспериментируют с подземными системами индуктивной зарядки, которые позволяют транспортным средствам заряжаться в стационарных точках погрузки без физических кабельных соединений.

Замена аккумулятора представляет собой другую парадигму. Вместо зарядки транспортного средства весь аккумуляторный блок заменяется на предварительно заряженный блок на станции замены. Этот подход лучше всего подходит для парков стандартизированных транспортных средств, работающих в непосредственной близости от объекта замены. Он полностью устраняет время ожидания зарядки, но требует значительных инвестиций в инвентаризацию батареи и инфраструктуру обработки.

Дизайн автомобиля и интеграция силовых агрегатов

Электрические силовые агрегаты позволяют проектировщикам транспортных средств переосмыслить архитектуру горного оборудования. Без большого блока дизельного двигателя, трансмиссии, приводного вала, выхлопной системы и охлаждающего пакета дизайнеры имеют больше свободы для оптимизации компоновки транспортного средства. Это может привести к снижению профилей центра тяжести, лучшему распределению веса, улучшенной видимости оператора и более компактным габаритным размерам.

Регенеративное торможение особенно ценно в подземной добыче. На спусковых тягах, которые распространены в подземных операциях, электродвигатель может функционировать как генератор, захватывая кинетическую энергию и преобразуя ее обратно в электрическую энергию для подзарядки батареи. Это не только расширяет диапазон, но и снижает износ тормозов и повышает безопасность, обеспечивая последовательное, контролируемое замедление. Некоторые транспортные средства могут восстанавливать до 30 процентов своей энергии за счет регенерации на маршрутах со значительными изменениями высоты.

Автономные операции и электромобили

Сближение электрификации и автономности является одним из самых мощных трендов в современной горнодобывающей промышленности. Электромобили по своей сути являются лучшими платформами для автономной работы, чем дизельные автомобили по нескольким причинам. Электрические трансмиссии обеспечивают точное, мгновенное управление крутящим моментом, что делает автоматизированные алгоритмы вождения более простыми в реализации и более предсказуемыми. Более низкие уровни шума и вибрации снижают деградацию датчиков и повышают надежность лидарных, радарных и камерных систем, установленных на транспортном средстве.

Несколько производителей горного оборудования теперь предлагают полностью автономные транспортные средства с электрическим тяговым насосом (LHD) и грузовые автомобили, которые могут работать непрерывно с минимальным вмешательством человека. Эти транспортные средства могут перемещаться по подземным дрейфам, подчиняться системам управления движением, сбрасывать нагрузки в определенных местах и автоматически возвращаться на зарядные станции, когда их состояние заряда батареи достигает порога. Сочетание электрификации и автономности создает добродетельный цикл: электромобили легче автоматизировать, а автоматизированные транспортные средства извлекают больше ценности из электрических трансмиссий посредством оптимизированного вождения, регенеративного торможения и планирования зарядки.

Центры дистанционного управления, в которых работают квалифицированные операторы, могут контролировать парки автономных электромобилей, вмешиваясь только при возникновении необычных условий. Эта модель повышает безопасность, выводя персонал из наиболее опасных районов шахты, а также повышая производительность за счет более высокого использования транспортных средств и последовательных рабочих циклов.

Проблемы усыновления и практические барьеры

Несмотря на явные преимущества, переход на полностью электрические подземные транспортные средства сталкивается с существенными барьерами, которые горнодобывающие компании должны преодолевать.Эти проблемы не являются непреодолимыми, но они требуют тщательного планирования, инвестиций и готовности адаптировать устоявшиеся оперативные практики.

Высокие первоначальные капитальные затраты

Автомобили для добычи электроэнергии на аккумуляторах несут значительную ценовую премию по сравнению с их дизельными аналогами - часто от 30 до 50 процентов выше авансом. Один только аккумуляторный блок может представлять собой значительную долю общей стоимости транспортного средства. Для горнодобывающих компаний, работающих с небольшой маржой или сталкивающихся с ограничениями капитала, эту премию трудно оправдать без четких доказательств долгосрочной экономии. Однако, когда анализ учитывает экономию топлива, снижение затрат на техническое обслуживание, более низкую стоимость вентиляции и более длительный срок службы транспортных средств, стоимость жизненного цикла электромобилей часто оказывается ниже. Проблема заключается в том, что многие процессы бюджетирования капитала сосредоточены на первоначальных затратах, а не на общей стоимости владения.

Развертывание зарядной инфраструктуры

Установка надежной зарядной инфраструктуры под землей сложна. Зарядное оборудование должно быть защищено от пыли, влаги и ударов. Сети распределения электроэнергии должны быть модернизированы для обработки высоких требований к мощности быстрой зарядки, что может потребовать новых кабелей, трансформаторов и распределительных устройств. В глубоких шахтах падение напряжения на длинных кабельных прогонах может быть ограничивающим фактором. Шахты с существующей электрической инфраструктурой для вентиляторов, насосов и конвейерных лент могут иметь ограниченную запасную емкость для поддержки парка электромобилей.

Кроме того, физическая компоновка шахты может ограничивать место, где могут быть размещены зарядные станции.Пространство на производственных уровнях часто находится на премиальном уровне, и поиск подходящих мест для зарядных станций без вмешательства в маршруты перевозки, доступ персонала или перемещение оборудования требует тщательного планирования.

Производительность аккумулятора в подземных условиях

Литий-ионные батареи чувствительны к экстремальным температурам. В жарких подземных средах, которые могут превышать 40 ° C (104 ° F) в глубоких шахтах без адекватного охлаждения, батареи могут потребовать активного охлаждения для предотвращения теплового бегства. Устойчивая работа при высоких температурах окружающей среды может ускорить деградацию батареи и сократить срок службы. И наоборот, батареи теряют емкость в холодных условиях, что может быть актуально в неглубоких шахтах или в северных климатических условиях. Системы управления тепловыми батареями добавляют сложность, вес и стоимость, но они необходимы для надежной работы.

Навыки рабочей силы и обучение

Навыки, необходимые для обслуживания и эксплуатации электромобилей, отличаются от тех, которые необходимы для дизельного оборудования. Механики, которые имеют опыт работы с дизельными двигателями, топливными системами и выхлопными системами после обработки, нуждаются в обучении высоковольтным электрическим системам, диагностике аккумуляторов и компонентам электрической трансмиссии. Майнеры должны понимать протоколы зарядки, ограничения дальности и процедуры безопасности для работы с высоковольтным оборудованием. Горные компании должны инвестировать в программы развития рабочей силы, чтобы закрыть эти пробелы в навыках.

Перспективы отрасли и путь вперед

Траектория к полностью электрической подземной добыче ясна, и темпы внедрения ускоряются. Несколько факторов сходятся, чтобы сделать электромобили все более привлекательными и экономически жизнеспособными для более широкого спектра горнодобывающих операций.

Регуляторное и инвестиционное давление

Правительства во всем мире ужесточают правила выбросов и внедряют механизмы ценообразования на углерод, которые увеличивают стоимость использования дизельного топлива. В то же время институциональные инвесторы и кредиторы применяют критерии окружающей среды, социального и управления (ESG) ] к горнодобывающим операциям, вознаграждая компании, которые демонстрируют прогресс в направлении декарбонизации. Горнодобывающие компании, которые электрифицируют свои подземные парки, лучше расположены для удовлетворения этих требований и доступа к капиталу на выгодных условиях.

Траектории затрат на технологии

Расходы на аккумуляторы продолжают снижаться по мере того, как масштабы производства увеличиваются, а химические усовершенствования обеспечивают более высокую плотность энергии. Аналитики прогнозируют, что затраты на литий-ионные аккумуляторные батареи в течение следующих нескольких лет упадут ниже 100 долларов за киловатт-час, что значительно снизит первоначальную стоимость электромобилей. Затраты на зарядку инфраструктуры также снижаются по мере появления стандартизированных решений и улучшения опыта установки.

Достижения в химии батарей

Новые химические элементы аккумуляторов, такие как литий-железофосфатные (LFP) и твердотельные батареи, обещают устранить некоторые из нынешних ограничений литий-ионной технологии. LFP-батареи предлагают улучшенную безопасность и более длительный срок службы, хотя и с немного меньшей плотностью энергии. Твердотельные батареи, находясь еще на стадии разработки, могут предложить поэтапное улучшение плотности энергии, безопасности и скорости зарядки. Горнодобывающая промышленность, вероятно, выиграет от этих достижений по мере их достижения коммерческой зрелости.

Интегрированные стратегии электрификации шахт

Наиболее успешными усилиями по электрификации являются те, которые рассматривают всю шахту как интегрированную систему, а не сосредоточены исключительно на транспортных средствах. Шахты начинают разрабатывать целостные стратегии электрификации, которые охватывают транспортные средства, инфраструктуру зарядки, распределение мощности, реконструкцию вентиляции шахты и управление энергопотреблением. В некоторых случаях шахты устанавливают на месте системы генерации возобновляемой энергии и аккумуляторных батарей для обеспечения недорогой, низкоуглеродистой электроэнергии для своих автопарков.