Nieuws

Er zijn verschillende batterij- en oplaadtechnologieën waarmee rekening moet worden gehouden bij de overgang naar elektromobiliteit in ondergrondse mijnbouw.

Mijnbouwvoertuigen op batterijen zijn bij uitstek geschikt voor ondergrondse mijnbouw.Omdat ze geen uitlaatgassen uitstoten, verminderen ze de behoefte aan koeling en ventilatie, verminderen ze de uitstoot van broeikasgassen (BKG) en de onderhoudskosten, en verbeteren ze de arbeidsomstandigheden.

Bijna alle apparatuur voor ondergrondse mijnen wordt tegenwoordig door diesel aangedreven en veroorzaakt uitlaatgassen.Dit drijft de behoefte aan uitgebreide ventilatiesystemen om de veiligheid van werknemers te handhaven.Bovendien, aangezien de huidige mijnexploitanten tot wel 4 km (13.123,4 ft.) diep graven om toegang te krijgen tot ertsafzettingen, worden deze systemen exponentieel groter.Dat maakt ze duurder om te installeren en te gebruiken en meer energie verbruiken.

Tegelijkertijd verandert de markt.Overheden stellen milieudoelen en consumenten zijn steeds meer bereid een meerprijs te betalen voor eindproducten die een lagere CO2-voetafdruk kunnen aantonen.Dat zorgt voor meer interesse in het koolstofvrij maken van mijnen.

Laad-, trek- en dumpmachines (LHD) zijn hiervoor een uitstekende gelegenheid.Ze vertegenwoordigen ongeveer 80% van de energievraag voor ondergrondse mijnbouw terwijl ze mensen en apparatuur door de mijn verplaatsen.

Overschakelen naar batterijaangedreven voertuigen kan mijnbouw koolstofarm maken en ventilatiesystemen vereenvoudigen.

Dit vereist batterijen met een hoog vermogen en een lange levensduur - een taak die de mogelijkheden van eerdere technologie te boven ging.Onderzoek en ontwikkeling van de afgelopen jaren hebben echter geleid tot een nieuw soort lithium-ion (Li-ion) batterijen met het juiste prestatieniveau, veiligheid, betaalbaarheid en betrouwbaarheid.

Vijf jaar verwachting

Wanneer operators LHD-machines kopen, verwachten ze vanwege de zware omstandigheden een levensduur van maximaal 5 jaar.Machines moeten 24 uur per dag zware lasten vervoeren in ongelijke omstandigheden met vocht, stof en stenen, mechanische schokken en trillingen.

Als het op vermogen aankomt, hebben machinisten batterijsystemen nodig die passen bij de levensduur van de machine.De batterijen moeten ook bestand zijn tegen frequente en diepe laad- en ontlaadcycli.Ze moeten ook in staat zijn om snel op te laden om de beschikbaarheid van het voertuig te maximaliseren.Dit betekent 4 uur dienst per keer, passend bij het patroon van een halve dagploeg.

Batterij wisselen versus snel opladen

Batterijwissel en snelladen kwamen naar voren als de twee opties om dit te bereiken.Voor het verwisselen van batterijen zijn twee identieke sets batterijen nodig: één die het voertuig van stroom voorziet en één die oplaadt.Na een dienst van 4 uur wordt de lege batterij vervangen door een vers opgeladen batterij.

Het voordeel is dat hiervoor geen hoog vermogen hoeft te worden opgeladen en dat dit doorgaans kan worden ondersteund door de bestaande elektrische infrastructuur van de mijn.De omschakeling vereist echter tillen en hanteren, wat een extra taak met zich meebrengt.

De andere benadering is het gebruik van één enkele batterij die tijdens pauzes, pauzes en ploegenwisselingen snel kan worden opgeladen binnen ongeveer 10 minuten.Dit elimineert de noodzaak om van batterij te wisselen, wat het leven eenvoudiger maakt.

Snel opladen is echter afhankelijk van een hoogvermogensnetwerkverbinding en mijnbeheerders moeten mogelijk hun elektrische infrastructuur upgraden of energieopslag langs de weg installeren, vooral voor grotere vloten die tegelijkertijd moeten opladen.

Li-ion-chemie voor batterijwissel

De keuze tussen wisselen en snel opladen geeft aan welk type batterijchemie moet worden gebruikt.

Li-ion is een overkoepelende term die een breed scala aan elektrochemie omvat.Deze kunnen afzonderlijk of gemengd worden gebruikt om de vereiste levensduur, kalenderlevensduur, energiedichtheid, snel opladen en veiligheid te leveren.

De meeste Li-ion-batterijen zijn gemaakt met grafiet als de negatieve elektrode en hebben verschillende materialen als de positieve elektrode, zoals lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC), lithium-nikkel-kobaltaluminiumoxide (NCA) en lithiumijzerfosfaat (LFP ).

Hiervan leveren NMC en LFP beide een goede energie-inhoud met voldoende laadprestaties.Dit maakt een van beide ideaal voor het verwisselen van batterijen.

Een nieuwe chemie voor snel opladen

Voor snelladen is een aantrekkelijk alternatief ontstaan.Dit is lithiumtitanaatoxide (LTO), dat een positieve elektrode heeft die is gemaakt van NMC.In plaats van grafiet is de negatieve elektrode gebaseerd op LTO.

Dit geeft LTO-batterijen een ander prestatieprofiel.Ze kunnen opladen met een zeer hoog vermogen, zodat de oplaadtijd slechts 10 minuten kan bedragen.Ze kunnen ook drie tot vijf keer meer laad- en ontlaadcycli ondersteunen dan de andere soorten Li-ion-chemie.Dit vertaalt zich in een langere levensduur van de kalender.

Bovendien heeft LTO een extreem hoge inherente veiligheid omdat het bestand is tegen elektrisch misbruik zoals diepe ontlading of kortsluiting, evenals mechanische schade.

Batterijbeheer

Een andere belangrijke ontwerpfactor voor OEM's is elektronische bewaking en besturing.Ze moeten het voertuig integreren met een batterijbeheersysteem (BMS) dat de prestaties beheert en tegelijkertijd de veiligheid in het hele systeem beschermt.

Een goed BMS regelt ook het laden en ontladen van individuele cellen om een ​​constante temperatuur te behouden.Dit zorgt voor consistente prestaties en maximaliseert de levensduur van de batterij.Het zal ook feedback geven over de laadtoestand (SOC) en de gezondheidstoestand (SOH).Dit zijn belangrijke indicatoren voor de levensduur van de batterij, waarbij SOC aangeeft hoe lang de bestuurder het voertuig tijdens een dienst kan laten rijden, en SOH een indicator is voor de resterende levensduur van de kalender.

Plug-and-play-mogelijkheid

Als het gaat om het specificeren van batterijsystemen voor voertuigen, is het logisch om modules te gebruiken.Dit is te vergelijken met de alternatieve benadering om batterijfabrikanten te vragen om op maat gemaakte batterijsystemen voor elk voertuig te ontwikkelen.

Het grote voordeel van de modulaire aanpak is dat OEM's een basisplatform kunnen ontwikkelen voor meerdere voertuigen.Vervolgens kunnen ze batterijmodules in serie toevoegen om strings te bouwen die de vereiste spanning voor elk model leveren.Dit regelt het uitgangsvermogen.Ze kunnen deze strings vervolgens parallel combineren om de benodigde energieopslagcapaciteit te bouwen en de vereiste duur te bieden.

De zware lasten die in ondergrondse mijnbouw spelen, betekenen dat voertuigen een hoog vermogen moeten leveren.Dat vraagt ​​om batterijsystemen met een vermogen van 650-850V.Hoewel opwaardering naar hogere spanningen een hoger vermogen zou opleveren, zou het ook leiden tot hogere systeemkosten, dus men denkt dat systemen in de nabije toekomst onder de 1.000 V zullen blijven.

Om 4 uur continu gebruik te realiseren, zoeken ontwerpers doorgaans naar een energieopslagcapaciteit van 200-250 kWh, hoewel sommigen 300 kWh of meer nodig hebben.

Deze modulaire aanpak helpt OEM's om de ontwikkelingskosten te beheersen en de time-to-market te verkorten door de behoefte aan typetests te verminderen.Met dit in het achterhoofd ontwikkelde Saft een plug-and-play batterijoplossing die beschikbaar is in zowel NMC- als LTO-elektrochemie.

Een praktische vergelijking

Om een ​​idee te krijgen hoe de modules zich verhouden, is het de moeite waard om te kijken naar twee alternatieve scenario's voor een typisch LHD-voertuig op basis van batterijwissel en snelladen.In beide scenario's weegt het voertuig 45 ton onbeladen en 60 ton volledig beladen met een laadvermogen van 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).Om een ​​vergelijkbare vergelijking mogelijk te maken, visualiseerde Saft batterijen van vergelijkbaar gewicht (3,5 ton) en volume (4 m3 [5,2 yd3]).

In het batterijwisselscenario zou de batterij gebaseerd kunnen zijn op NMC- of LFP-chemie en zou een LHD-shift van 6 uur van de grootte en het gewicht mogelijk zijn.De twee accu's, met een vermogen van 650 V en een capaciteit van 400 Ah, zouden 3 uur moeten worden opgeladen wanneer ze van het voertuig worden verwisseld.Elk zou 2500 cycli duren over een totale kalenderlevensduur van 3-5 jaar.

Voor snel opladen zou een enkele ingebouwde LTO-batterij van dezelfde afmetingen een vermogen hebben van 800 V met een capaciteit van 250 Ah, wat 3 uur gebruik oplevert met een ultrasnelle lading van 15 minuten.Omdat de chemie veel meer cycli kan weerstaan, zou het 20.000 cycli opleveren, met een verwachte kalenderlevensduur van 5-7 jaar.

In de echte wereld zou een voertuigontwerper deze benadering kunnen gebruiken om aan de voorkeuren van een klant te voldoen.Bijvoorbeeld het verlengen van de dienstduur door het vergroten van de energieopslagcapaciteit.

Flexibel ontwerp

Uiteindelijk zullen het de mijnexploitanten zijn die kiezen of ze de voorkeur geven aan batterijwissel of snelladen.En hun keuze kan variëren, afhankelijk van het elektrische vermogen en de beschikbare ruimte op elk van hun locaties.

Daarom is het belangrijk voor LHD-fabrikanten om hen de flexibiliteit te bieden om te kiezen.