Beim Übergang zur Elektromobilität im untertägigen Bergbau sind verschiedene Batterie- und Ladetechnologien zu berücksichtigen.
Batteriebetriebene Bergbaufahrzeuge sind ideal für den untertägigen Bergbau geeignet.Da sie keine Abgase emittieren, reduzieren sie den Kühl- und Belüftungsbedarf, senken die Treibhausgasemissionen (THG) und Wartungskosten und verbessern die Arbeitsbedingungen.
Nahezu alle Ausrüstungen für unterirdische Bergwerke werden heute mit Diesel betrieben und erzeugen Abgase.Dies treibt die Notwendigkeit umfangreicher Belüftungssysteme voran, um die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten.Darüber hinaus werden diese Systeme exponentiell größer, da die heutigen Minenbetreiber bis zu 4 km (13.123,4 Fuß) tief graben, um an Erzvorkommen zu gelangen.Das macht sie teurer in Installation und Betrieb und energiehungriger.
Gleichzeitig verändert sich der Markt.Regierungen legen Umweltziele fest und Verbraucher sind zunehmend bereit, einen Aufpreis für Endprodukte zu zahlen, die einen geringeren CO2-Fußabdruck aufweisen können.Das weckt mehr Interesse an der Dekarbonisierung von Minen.
Lade-, Transport- und Kippmaschinen (LHD) sind eine hervorragende Gelegenheit, dies zu tun.Sie machen rund 80 % des Energiebedarfs für den Untertagebergbau aus, da sie Menschen und Ausrüstung durch die Mine bewegen.
Die Umstellung auf batteriebetriebene Fahrzeuge kann den Bergbau dekarbonisieren und Lüftungssysteme vereinfachen.
Dies erfordert Batterien mit hoher Leistung und langer Lebensdauer – eine Aufgabe, die die Möglichkeiten bisheriger Technologie überstieg.Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren haben jedoch eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) mit dem richtigen Maß an Leistung, Sicherheit, Erschwinglichkeit und Zuverlässigkeit geschaffen.
Fünf-Jahres-Erwartung
Wenn Betreiber LHD-Maschinen kaufen, erwarten sie aufgrund der harten Bedingungen höchstens eine Lebensdauer von 5 Jahren.Maschinen müssen 24 Stunden am Tag schwere Lasten unter unebenen Bedingungen mit Feuchtigkeit, Staub und Steinen, mechanischen Stößen und Vibrationen transportieren.
Wenn es um Energie geht, benötigen Betreiber Batteriesysteme, die der Lebensdauer der Maschine entsprechen.Die Batterien müssen auch häufigen und tiefen Lade- und Entladezyklen standhalten.Außerdem müssen sie schnellladefähig sein, um die Verfügbarkeit des Fahrzeugs zu maximieren.Das bedeutet 4 Stunden Dienst am Stück, passend zum halbtägigen Schichtmuster.
Batteriewechsel versus Schnellladung
Batteriewechsel und Schnellladung kristallisierten sich als die beiden Optionen heraus, um dies zu erreichen.Für den Batteriewechsel sind zwei identische Batteriesätze erforderlich – einer für die Stromversorgung des Fahrzeugs und einer zum Aufladen.Nach einer 4-Stunden-Schicht wird der verbrauchte Akku durch einen frisch aufgeladenen ersetzt.
Der Vorteil besteht darin, dass dies kein Hochleistungsladen erfordert und typischerweise durch die vorhandene elektrische Infrastruktur der Mine unterstützt werden kann.Der Wechsel erfordert jedoch das Heben und Handhaben, was eine zusätzliche Aufgabe schafft.
Der andere Ansatz ist die Verwendung einer einzelnen Batterie, die während Pausen, Pausen und Schichtwechseln innerhalb von etwa 10 Minuten schnell aufgeladen werden kann.Dadurch entfällt der Batteriewechsel und das Leben wird einfacher.
Das schnelle Aufladen ist jedoch auf eine leistungsstarke Netzverbindung angewiesen, und Minenbetreiber müssen möglicherweise ihre elektrische Infrastruktur aufrüsten oder Energiespeicher am Streckenrand installieren, insbesondere bei größeren Flotten, die gleichzeitig aufgeladen werden müssen.
Li-Ionen-Chemie für den Batteriewechsel
Die Wahl zwischen Wechseln und Schnellladen gibt Auskunft darüber, welche Art von Batteriechemie verwendet werden soll.
Li-Ion ist ein Überbegriff, der ein breites Spektrum der Elektrochemie abdeckt.Diese können einzeln oder gemischt verwendet werden, um die erforderliche Zykluslebensdauer, Kalenderlebensdauer, Energiedichte, Schnellladung und Sicherheit zu liefern.
Die meisten Lithium-Ionen-Batterien werden mit Graphit als negativer Elektrode hergestellt und haben verschiedene Materialien als positive Elektrode, wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) und Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). ).
Von diesen bieten sowohl NMC als auch LFP einen guten Energiegehalt bei ausreichender Ladeleistung.Dies macht beide ideal für den Batteriewechsel.
Eine neue Chemie für schnelles Laden
Für das Schnellladen hat sich eine attraktive Alternative herauskristallisiert.Dabei handelt es sich um Lithiumtitanatoxid (LTO), dessen positive Elektrode aus NMC besteht.Anstelle von Graphit basiert seine negative Elektrode auf LTO.
Dadurch erhalten LTO-Akkus ein anderes Leistungsprofil.Sie können mit sehr hoher Leistung aufgeladen werden, sodass die Ladezeit nur 10 Minuten betragen kann.Sie können auch drei- bis fünfmal mehr Lade- und Entladezyklen unterstützen als die anderen Arten der Li-Ionen-Chemie.Dies führt zu einer längeren Kalenderlebensdauer.
Darüber hinaus verfügt LTO über eine extrem hohe Eigensicherheit, da es elektrischem Missbrauch wie Tiefentladung oder Kurzschluss sowie mechanischen Beschädigungen standhält.
Batteriemanagement
Ein weiterer wichtiger Designfaktor für OEMs ist die elektronische Überwachung und Steuerung.Sie müssen das Fahrzeug in ein Batteriemanagementsystem (BMS) integrieren, das die Leistung verwaltet und gleichzeitig die Sicherheit im gesamten System schützt.
Ein gutes BMS steuert auch das Laden und Entladen einzelner Zellen, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.Dies gewährleistet eine konsistente Leistung und maximiert die Batterielebensdauer.Es liefert auch Feedback zum Ladezustand (SOC) und Gesundheitszustand (SOH).Dies sind wichtige Indikatoren für die Batterielebensdauer, wobei der SOC anzeigt, wie lange der Bediener das Fahrzeug während einer Schicht fahren kann, und der SOH ein Indikator für die verbleibende Kalenderlebensdauer ist.
Plug-and-Play-Fähigkeit
Bei der Spezifikation von Batteriesystemen für Fahrzeuge ist es sehr sinnvoll, Module zu verwenden.Dies steht im Vergleich zu dem alternativen Ansatz, Batteriehersteller zu bitten, maßgeschneiderte Batteriesysteme für jedes Fahrzeug zu entwickeln.
Der große Vorteil des modularen Ansatzes besteht darin, dass OEMs eine Basisplattform für mehrere Fahrzeuge entwickeln können.Sie können dann Batteriemodule in Reihe schalten, um Strings zu bilden, die die erforderliche Spannung für jedes Modell liefern.Dies regelt die Leistungsabgabe.Sie können diese Stränge dann parallel kombinieren, um die erforderliche Energiespeicherkapazität aufzubauen und die erforderliche Dauer bereitzustellen.
Die hohen Lasten im untertägigen Bergbau erfordern eine hohe Leistung der Fahrzeuge.Das erfordert Batteriesysteme mit einer Nennspannung von 650-850 V.Während eine Aufrüstung auf höhere Spannungen eine höhere Leistung liefern würde, würde dies auch zu höheren Systemkosten führen, sodass davon ausgegangen wird, dass die Systeme auf absehbare Zeit unter 1.000 V bleiben werden.
Um einen 4-stündigen Dauerbetrieb zu erreichen, suchen Designer normalerweise nach einer Energiespeicherkapazität von 200-250 kWh, obwohl einige 300 kWh oder mehr benötigen.
Dieser modulare Ansatz hilft OEMs, die Entwicklungskosten zu kontrollieren und die Markteinführungszeit zu verkürzen, indem der Bedarf an Typprüfungen reduziert wird.Vor diesem Hintergrund hat Saft eine Plug-and-Play-Batterielösung entwickelt, die sowohl in NMC- als auch in LTO-Elektrochemie erhältlich ist.
Ein praktischer Vergleich
Um ein Gefühl für den Vergleich der Module zu bekommen, lohnt es sich, zwei alternative Szenarien für ein typisches LHD-Fahrzeug mit Batteriewechsel und Schnellladung zu betrachten.In beiden Szenarien wiegt das Fahrzeug 45 Tonnen unbeladen und 60 Tonnen voll beladen mit einer Ladekapazität von 6–8 m3 (7,8–10,5 yd3).Um einen vergleichbaren Vergleich zu ermöglichen, visualisierte Saft Batterien mit ähnlichem Gewicht (3,5 Tonnen) und Volumen (4 m3 [5,2 yd3]).
Im Batteriewechselszenario könnte die Batterie entweder auf NMC- oder LFP-Chemie basieren und würde eine 6-stündige LHD-Verschiebung von der Größe und dem Gewichtsumschlag unterstützen.Die beiden Batterien mit einer Nennspannung von 650 V und einer Kapazität von 400 Ah würden eine 3-stündige Aufladung erfordern, wenn sie vom Fahrzeug ausgetauscht würden.Jeder würde 2.500 Zyklen über eine kalendarische Gesamtlebensdauer von 3–5 Jahren halten.
Zum Schnellladen würde ein einzelner LTO-Onboard-Akku mit den gleichen Abmessungen auf 800 V mit 250 Ah Kapazität ausgelegt sein und 3 Stunden Betrieb mit einer 15-minütigen ultraschnellen Aufladung liefern.Da die Chemie viel mehr Zyklen aushalten kann, würde sie 20.000 Zyklen mit einer erwarteten Kalenderlebensdauer von 5-7 Jahren liefern.
In der realen Welt könnte ein Fahrzeugdesigner diesen Ansatz verwenden, um die Vorlieben eines Kunden zu erfüllen.Zum Beispiel die Verlängerung der Schichtdauer durch Erhöhung der Energiespeicherkapazität.
Flexibles Design
Letztendlich werden die Minenbetreiber entscheiden, ob sie den Batteriewechsel oder das Schnellladen bevorzugen.Und ihre Wahl kann abhängig von der elektrischen Leistung und dem verfügbaren Platz an jedem ihrer Standorte variieren.
Daher ist es für LHD-Hersteller wichtig, ihnen Flexibilität bei der Auswahl zu bieten.
Postzeit: 27. Oktober 2021
