Esistono diverse tecnologie di batteria e ricarica che devono essere prese in considerazione quando si passa all'elettromobilità nelle miniere sotterranee.
I veicoli da miniera alimentati a batteria sono ideali per l'attività mineraria sotterranea.Poiché non emettono gas di scarico, riducono i requisiti di raffreddamento e ventilazione, riducono le emissioni di gas serra (GHG) e i costi di manutenzione e migliorano le condizioni di lavoro.
Quasi tutte le apparecchiature per miniere sotterranee oggi sono alimentate a diesel e creano fumi di scarico.Ciò determina la necessità di ampi sistemi di ventilazione per mantenere la sicurezza dei lavoratori.Inoltre, poiché gli operatori minerari di oggi stanno scavando fino a 4 km (13.123,4 piedi) per accedere ai depositi di minerali, questi sistemi diventano esponenzialmente più grandi.Ciò li rende più costosi da installare ed eseguire e più affamati di energia.
Allo stesso tempo, il mercato sta cambiando.I governi stanno fissando obiettivi ambientali e i consumatori sono sempre più disposti a pagare un premio per prodotti finali che possono dimostrare una minore impronta di carbonio.Questo sta creando più interesse per la decarbonizzazione delle miniere.
Le macchine di carico, trasporto e scarico (LHD) sono un'eccellente opportunità per farlo.Rappresentano circa l'80% della domanda di energia per l'estrazione sotterranea mentre spostano persone e attrezzature attraverso la miniera.
Il passaggio ai veicoli alimentati a batteria può decarbonizzare l'attività mineraria e semplificare i sistemi di ventilazione.
Ciò richiede batterie ad alta potenza e lunga durata, un compito che andava oltre le capacità della tecnologia precedente.Tuttavia, la ricerca e lo sviluppo negli ultimi anni ha creato una nuova generazione di batterie agli ioni di litio (Li-ion) con il giusto livello di prestazioni, sicurezza, convenienza e affidabilità.
Aspettativa di cinque anni
Quando gli operatori acquistano macchine con guida a sinistra, si aspettano una durata massima di 5 anni a causa delle condizioni difficili.Le macchine devono trasportare carichi pesanti 24 ore al giorno in condizioni irregolari con umidità, polvere e rocce, urti meccanici e vibrazioni.
Quando si tratta di alimentazione, gli operatori necessitano di sistemi di batterie che corrispondano alla durata della macchina.Le batterie devono anche resistere a cicli di carica e scarica frequenti e profondi.Devono inoltre essere in grado di ricaricare rapidamente per massimizzare la disponibilità del veicolo.Ciò significa 4 ore di servizio alla volta, corrispondenti al modello di turno di mezza giornata.
Sostituzione della batteria contro ricarica rapida
Lo scambio della batteria e la ricarica rapida sono emerse come le due opzioni per raggiungere questo obiettivo.La sostituzione della batteria richiede due set di batterie identici: uno che alimenta il veicolo e uno in carica.Dopo un turno di 4 ore, la batteria scarica viene sostituita con una nuova carica.
Il vantaggio è che questo non richiede una ricarica ad alta potenza e può essere generalmente supportato dall'infrastruttura elettrica esistente della miniera.Tuttavia, il passaggio richiede il sollevamento e la movimentazione, il che crea un compito aggiuntivo.
L'altro approccio consiste nell'utilizzare una singola batteria in grado di ricaricarsi rapidamente in circa 10 minuti durante le pause, le pause e i cambi di turno.Ciò elimina la necessità di sostituire le batterie, semplificando la vita.
Tuttavia, la ricarica rapida si basa su una connessione alla rete ad alta potenza e gli operatori minerari potrebbero dover aggiornare la propria infrastruttura elettrica o installare depositi di energia lungo la strada, soprattutto per flotte più grandi che devono ricaricare contemporaneamente.
Chimica agli ioni di litio per la sostituzione della batteria
La scelta tra lo scambio e la ricarica rapida indica quale tipo di chimica della batteria utilizzare.
Li-ion è un termine generico che copre un'ampia gamma di elettrochimiche.Questi possono essere utilizzati singolarmente o combinati per fornire la durata del ciclo richiesta, la durata del calendario, la densità di energia, la ricarica rapida e la sicurezza.
La maggior parte delle batterie agli ioni di litio sono realizzate con grafite come elettrodo negativo e hanno materiali diversi come elettrodo positivo, come ossido di litio nichel-manganese-cobalto (NMC), ossido di litio nichel-cobalto e alluminio (NCA) e litio ferro fosfato (LFP ).
Di questi, NMC e LFP forniscono entrambi un buon contenuto energetico con prestazioni di carica sufficienti.Questo rende uno di questi ideali per la sostituzione della batteria.
Una nuova chimica per una ricarica rapida
Per la ricarica rapida, è emersa un'alternativa interessante.Questo è l'ossido di titanato di litio (LTO), che ha un elettrodo positivo in NMC.Invece della grafite, il suo elettrodo negativo è basato su LTO.
Ciò conferisce alle batterie LTO un profilo di prestazioni diverso.Possono accettare una carica di potenza molto elevata in modo che il tempo di ricarica possa essere di soli 10 minuti.Possono anche supportare da tre a cinque volte più cicli di carica e scarica rispetto agli altri tipi di chimica agli ioni di litio.Questo si traduce in una maggiore durata del calendario.
Inoltre, LTO ha una sicurezza intrinseca estremamente elevata in quanto può resistere ad abusi elettrici come scariche profonde o cortocircuiti, nonché danni meccanici.
Gestione della batteria
Un altro importante fattore di progettazione per gli OEM è il monitoraggio e il controllo elettronici.Devono integrare il veicolo con un sistema di gestione della batteria (BMS) che gestisca le prestazioni proteggendo la sicurezza nell'intero sistema.
Un buon BMS controllerà anche la carica e la scarica delle singole celle per mantenere una temperatura costante.Ciò garantisce prestazioni costanti e massimizza la durata della batteria.Fornirà inoltre feedback sullo stato di carica (SOC) e sullo stato di salute (SOH).Questi sono indicatori importanti della durata della batteria, con SOC che mostra per quanto tempo l'operatore può guidare il veicolo durante un turno e SOH che è un indicatore della durata residua del calendario.
Funzionalità plug-and-play
Quando si tratta di specificare i sistemi di batterie per i veicoli, ha molto senso utilizzare i moduli.Ciò si confronta con l'approccio alternativo di chiedere ai produttori di batterie di sviluppare sistemi di batterie su misura per ciascun veicolo.
Il grande vantaggio dell'approccio modulare è che gli OEM possono sviluppare una piattaforma di base per più veicoli.Possono quindi aggiungere moduli batteria in serie per costruire stringhe che forniscano la tensione richiesta per ciascun modello.Questo regola la potenza erogata.Possono quindi combinare queste stringhe in parallelo per creare la capacità di accumulo di energia richiesta e fornire la durata richiesta.
I carichi pesanti in gioco nelle miniere sotterranee significano che i veicoli devono fornire potenza elevata.Ciò richiede sistemi di batterie da 650-850 V.Sebbene l'aggiornamento a tensioni più elevate fornirebbe una potenza maggiore, comporterebbe anche costi di sistema più elevati, quindi si ritiene che i sistemi rimarranno al di sotto di 1.000 V per il prossimo futuro.
Per ottenere 4 ore di funzionamento continuo, i progettisti cercano in genere una capacità di accumulo di energia di 200-250 kWh, sebbene alcuni necessitino di 300 kWh o superiore.
Questo approccio modulare aiuta gli OEM a controllare i costi di sviluppo ea ridurre il time-to-market riducendo la necessità di test di tipo.Consapevole di ciò, Saft ha sviluppato una soluzione di batteria plug-and-play disponibile sia nell'elettrochimica NMC che LTO.
Un confronto pratico
Per avere un'idea del confronto tra i moduli, vale la pena esaminare due scenari alternativi per un tipico veicolo con guida a sinistra basati sullo scambio della batteria e sulla ricarica rapida.In entrambi gli scenari, il veicolo pesa 45 tonnellate a vuoto e 60 tonnellate a pieno carico con una capacità di carico di 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).Per consentire un confronto simile, Saft ha visualizzato batterie di peso (3,5 tonnellate) e volume simili (4 m3 [5,2 yd3]).
Nello scenario di sostituzione della batteria, la batteria potrebbe essere basata sulla chimica NMC o LFP e supporterebbe uno spostamento LHD di 6 ore dalla busta di dimensioni e peso.Le due batterie, da 650 V con una capacità di 400 Ah, richiederebbero una carica di 3 ore quando vengono sostituite dal veicolo.Ciascuno durerebbe 2.500 cicli su una vita di calendario totale di 3-5 anni.
Per la ricarica rapida, una singola batteria LTO integrata delle stesse dimensioni sarebbe valutata a 800 V con una capacità di 250 Ah, offrendo 3 ore di funzionamento con una ricarica ultra rapida di 15 minuti.Poiché la chimica può resistere a molti più cicli, fornirebbe 20.000 cicli, con una durata prevista di 5-7 anni.
Nel mondo reale, un progettista di veicoli potrebbe utilizzare questo approccio per soddisfare le preferenze di un cliente.Ad esempio, allungando la durata del turno aumentando la capacità di accumulo di energia.
Design flessibile
In definitiva, saranno gli operatori minerari a scegliere se preferire il cambio della batteria o la ricarica rapida.E la loro scelta può variare a seconda della potenza elettrica e dello spazio disponibile in ciascuno dei loro siti.
Pertanto, è importante che i produttori di LHD forniscano loro la flessibilità di scegliere.
Tempo di pubblicazione: 27 ottobre 2021
