Existem várias tecnologias de bateria e carregamento que precisam ser consideradas ao fazer a transição para a eletromobilidade na mineração subterrânea.
Os veículos de mineração movidos a bateria são ideais para mineração subterrânea.Por não emitirem gases de escape, reduzem os requisitos de refrigeração e ventilação, reduzem as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e os custos de manutenção e melhoram as condições de trabalho.
Quase todos os equipamentos de minas subterrâneas hoje são movidos a diesel e criam gases de escape.Isso leva à necessidade de amplos sistemas de ventilação para manter a segurança dos trabalhadores.Além disso, como os atuais operadores de minas estão cavando até 4 km (13.123,4 pés) para acessar depósitos de minério, esses sistemas se tornam exponencialmente maiores.Isso os torna mais caros para instalar e operar e mais famintos por energia.
Ao mesmo tempo, o mercado está mudando.Os governos estão estabelecendo metas ambientais e os consumidores estão cada vez mais dispostos a pagar um prêmio por produtos finais que possam demonstrar uma pegada de carbono menor.Isso está criando mais interesse em descarbonizar minas.
As máquinas de carga, transporte e descarga (LHD) são uma excelente oportunidade para fazer isso.Eles representam cerca de 80% da demanda de energia para mineração subterrânea, pois movimentam pessoas e equipamentos pela mina.
Mudar para veículos movidos a bateria pode descarbonizar a mineração e simplificar os sistemas de ventilação.
Isso requer baterias de alta potência e longa duração – uma tarefa que estava além das capacidades da tecnologia anterior.No entanto, a pesquisa e o desenvolvimento nos últimos anos criaram uma nova geração de baterias de íons de lítio (Li-ion) com o nível certo de desempenho, segurança, acessibilidade e confiabilidade.
Expectativa de cinco anos
Quando os operadores compram máquinas LHD, eles esperam uma vida útil de no máximo 5 anos devido às condições difíceis.As máquinas precisam transportar cargas pesadas 24 horas por dia em condições irregulares com umidade, poeira e pedras, choque mecânico e vibração.
Quando se trata de energia, os operadores precisam de sistemas de bateria que correspondam à vida útil da máquina.As baterias também precisam suportar ciclos de carga e descarga frequentes e profundos.Eles também precisam ser capazes de carregamento rápido para maximizar a disponibilidade do veículo.Isso significa 4 horas de serviço por vez, correspondendo ao padrão de turno de meio dia.
Troca de bateria versus carregamento rápido
A troca de bateria e o carregamento rápido surgiram como as duas opções para conseguir isso.A troca de bateria requer dois conjuntos idênticos de baterias – um para alimentar o veículo e outro para carregar.Após um turno de 4 horas, a bateria gasta é substituída por uma recém-carregada.
A vantagem é que isso não precisa de carregamento de alta potência e normalmente pode ser suportado pela infraestrutura elétrica existente da mina.No entanto, a mudança requer elevação e manuseio, o que cria uma tarefa extra.
A outra abordagem é usar uma única bateria capaz de carregar rapidamente em cerca de 10 minutos durante pausas, pausas e mudanças de turno.Isso elimina a necessidade de trocar as baterias, tornando a vida mais simples.
No entanto, o carregamento rápido depende de uma conexão de rede de alta potência e os operadores de minas podem precisar atualizar sua infraestrutura elétrica ou instalar armazenamento de energia à beira do caminho, especialmente para frotas maiores que precisam carregar simultaneamente.
Química de íons de lítio para troca de bateria
A escolha entre troca e carregamento rápido informa qual tipo de química de bateria usar.
Li-ion é um termo abrangente que abrange uma ampla gama de eletroquímica.Eles podem ser usados individualmente ou combinados para fornecer a vida útil do ciclo, a vida útil do calendário, a densidade de energia, o carregamento rápido e a segurança necessários.
A maioria das baterias de íon de lítio são feitas com grafite como eletrodo negativo e possuem diferentes materiais como eletrodo positivo, como óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC), óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA) e fosfato de ferro-lítio (LFP). ).
Destes, o NMC e o LFP fornecem um bom conteúdo de energia com desempenho de carregamento suficiente.Isso torna qualquer um deles ideal para troca de bateria.
Uma nova química para carregamento rápido
Para carregamento rápido, surgiu uma alternativa atraente.Este é o óxido de titanato de lítio (LTO), que possui um eletrodo positivo feito de NMC.Em vez de grafite, seu eletrodo negativo é baseado em LTO.
Isso dá às baterias LTO um perfil de desempenho diferente.Eles podem aceitar carregamento de energia muito alta para que o tempo de carregamento seja de apenas 10 minutos.Eles também podem suportar três a cinco vezes mais ciclos de carga e descarga do que os outros tipos de química de íons de lítio.Isso se traduz em uma vida de calendário mais longa.
Além disso, o LTO possui segurança inerente extremamente alta, pois pode suportar abusos elétricos, como descargas profundas ou curtos-circuitos, bem como danos mecânicos.
Gerenciamento de bateria
Outro fator de projeto importante para OEMs é o monitoramento e controle eletrônico.Eles precisam integrar o veículo com um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) que gerencie o desempenho enquanto protege a segurança em todo o sistema.
Um bom BMS também controlará a carga e descarga de células individuais para manter uma temperatura constante.Isso garante um desempenho consistente e maximiza a vida útil da bateria.Ele também fornecerá feedback sobre o estado de cobrança (SOC) e o estado de saúde (SOH).Esses são indicadores importantes da vida útil da bateria, com o SOC mostrando quanto tempo mais o operador pode operar o veículo durante um turno e o SOH sendo um indicador da vida útil restante do calendário.
Capacidade plug-and-play
Quando se trata de especificar sistemas de baterias para veículos, faz muito sentido usar módulos.Isso se compara à abordagem alternativa de pedir aos fabricantes de baterias que desenvolvam sistemas de baterias sob medida para cada veículo.
O grande benefício da abordagem modular é que os OEMs podem desenvolver uma plataforma básica para vários veículos.Eles podem então adicionar módulos de bateria em série para construir strings que fornecem a tensão necessária para cada modelo.Isso governa a saída de energia.Eles podem então combinar essas cadeias em paralelo para construir a capacidade de armazenamento de energia necessária e fornecer a duração necessária.
As cargas pesadas em jogo na mineração subterrânea significam que os veículos precisam fornecer alta potência.Isso exige sistemas de bateria classificados em 650-850V.Embora a atualização para tensões mais altas forneceria maior potência, também levaria a custos mais altos do sistema, portanto, acredita-se que os sistemas permanecerão abaixo de 1.000 V no futuro próximo.
Para atingir 4 horas de operação contínua, os projetistas normalmente procuram capacidade de armazenamento de energia de 200 a 250 kWh, embora alguns precisem de 300 kWh ou mais.
Essa abordagem modular ajuda os OEMs a controlar os custos de desenvolvimento e reduzir o tempo de lançamento no mercado, reduzindo a necessidade de testes de tipo.Atenta a isso, a Saft desenvolveu uma solução de bateria plug-and-play disponível nas eletroquímicas NMC e LTO.
Uma comparação prática
Para ter uma ideia de como os módulos se comparam, vale a pena olhar para dois cenários alternativos para um veículo LHD típico baseado na troca de bateria e carregamento rápido.Em ambos os cenários, o veículo pesa 45 toneladas sem carga e 60 toneladas totalmente carregado com uma capacidade de carga de 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).Para permitir uma comparação semelhante, a Saft visualizou baterias de peso semelhante (3,5 toneladas) e volume (4 m3 [5,2 yd3]).
No cenário de troca de bateria, a bateria poderia ser baseada na química NMC ou LFP e suportaria uma mudança de LHD de 6 horas do tamanho e peso do envelope.As duas baterias, classificadas em 650V com capacidade de 400 Ah, exigiriam uma carga de 3 horas quando desconectadas do veículo.Cada um duraria 2.500 ciclos ao longo de uma vida de calendário total de 3-5 anos.
Para carregamento rápido, uma única bateria LTO integrada com as mesmas dimensões seria classificada em 800 V com capacidade de 250 Ah, oferecendo 3 horas de operação com uma carga ultrarrápida de 15 minutos.Como a química pode suportar muito mais ciclos, ela forneceria 20.000 ciclos, com uma vida útil esperada de 5 a 7 anos.
No mundo real, um projetista de veículos poderia usar essa abordagem para atender às preferências de um cliente.Por exemplo, prolongar a duração do turno aumentando a capacidade de armazenamento de energia.
Design flexível
Em última análise, serão os operadores de minas que escolherão se preferem a troca de bateria ou o carregamento rápido.E sua escolha pode variar dependendo da energia elétrica e do espaço disponível em cada um de seus locais.
Portanto, é importante que os fabricantes de LHD forneçam a flexibilidade de escolha.
Horário da postagem: 27 de outubro de 2021
