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Hay varias tecnologías de batería y carga que deben tenerse en cuenta al hacer la transición a la electromovilidad en la minería subterránea.

Los vehículos mineros a batería son ideales para la minería subterránea.Debido a que no emiten gases de escape, reducen los requisitos de refrigeración y ventilación, reducen las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y los costos de mantenimiento, y mejoran las condiciones de trabajo.

Casi todos los equipos mineros subterráneos en la actualidad funcionan con diésel y generan gases de escape.Esto impulsa la necesidad de amplios sistemas de ventilación para mantener la seguridad de los trabajadores.Además, a medida que los operadores de minas actuales excavan a una profundidad de hasta 4 km (13 123,4 pies) para acceder a los depósitos de mineral, estos sistemas se vuelven exponencialmente más grandes.Eso los hace más costosos de instalar y operar y consume más energía.

Al mismo tiempo, el mercado está cambiando.Los gobiernos están estableciendo objetivos ambientales y los consumidores están cada vez más dispuestos a pagar más por productos finales que pueden demostrar una menor huella de carbono.Eso está creando más interés en descarbonizar las minas.

Las máquinas de carga, transporte y descarga (LHD) son una excelente oportunidad para hacer esto.Representan alrededor del 80% de la demanda de energía para la minería subterránea a medida que mueven personas y equipos a través de la mina.

Cambiar a vehículos que funcionan con baterías puede descarbonizar la minería y simplificar los sistemas de ventilación.

Esto requiere baterías de alta potencia y larga duración, una tarea que estaba más allá de las capacidades de la tecnología anterior.Sin embargo, la investigación y el desarrollo de los últimos años han creado una nueva generación de baterías de iones de litio (Li-ion) con el nivel adecuado de rendimiento, seguridad, asequibilidad y confiabilidad.

Expectativa de cinco años

Cuando los operadores compran máquinas LHD, esperan una vida útil máxima de 5 años debido a las duras condiciones.Las máquinas necesitan transportar cargas pesadas las 24 horas del día en condiciones irregulares con humedad, polvo y rocas, golpes mecánicos y vibraciones.

Cuando se trata de energía, los operadores necesitan sistemas de baterías que coincidan con la vida útil de la máquina.Las baterías también deben soportar ciclos de carga y descarga frecuentes y profundos.También deben tener capacidad de carga rápida para maximizar la disponibilidad del vehículo.Esto significa 4 horas de servicio a la vez, coincidiendo con el patrón de turnos de medio día.

Cambio de batería versus carga rápida

El cambio de batería y la carga rápida surgieron como las dos opciones para lograrlo.El cambio de batería requiere dos juegos idénticos de baterías: uno que alimenta el vehículo y otro que se carga.Después de un turno de 4 horas, la batería gastada se reemplaza por una nueva cargada.

La ventaja es que esto no necesita una carga de alta potencia y, por lo general, puede ser compatible con la infraestructura eléctrica existente de la mina.Sin embargo, el cambio requiere elevación y manipulación, lo que crea una tarea adicional.

El otro enfoque es utilizar una sola batería capaz de cargarse rápidamente en unos 10 minutos durante las pausas, los descansos y los cambios de turno.Esto elimina la necesidad de cambiar las baterías, simplificando la vida.

Sin embargo, la carga rápida depende de una conexión a la red de alta potencia y es posible que los operadores de la mina deban actualizar su infraestructura eléctrica o instalar almacenamiento de energía en el camino, especialmente para flotas más grandes que necesitan cargarse simultáneamente.

Química de iones de litio para el intercambio de baterías

La elección entre intercambio y carga rápida informa qué tipo de química de batería usar.

Li-ion es un término general que cubre una amplia gama de electroquímica.Estos se pueden usar individualmente o combinados para brindar el ciclo de vida requerido, la vida útil del calendario, la densidad de energía, la carga rápida y la seguridad.

La mayoría de las baterías de iones de litio están hechas con grafito como electrodo negativo y tienen diferentes materiales como electrodo positivo, como óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC), óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) y fosfato de litio y hierro (LFP). ).

De estos, NMC y LFP proporcionan un buen contenido de energía con un rendimiento de carga suficiente.Esto hace que cualquiera de estos sea ideal para cambiar la batería.

Una nueva química para la carga rápida

Para la carga rápida ha surgido una alternativa atractiva.Este es óxido de titanato de litio (LTO), que tiene un electrodo positivo hecho de NMC.En lugar de grafito, su electrodo negativo se basa en LTO.

Esto le da a las baterías LTO un perfil de rendimiento diferente.Pueden aceptar cargas de muy alta potencia, por lo que el tiempo de carga puede ser de tan solo 10 minutos.También pueden soportar de tres a cinco veces más ciclos de carga y descarga que los otros tipos de química de iones de litio.Esto se traduce en una vida útil más larga.

Además, LTO tiene una seguridad inherente extremadamente alta, ya que puede resistir el abuso eléctrico, como descargas profundas o cortocircuitos, así como daños mecánicos.

Gestión de la batería

Otro factor de diseño importante para los OEM es el monitoreo y control electrónico.Necesitan integrar el vehículo con un sistema de administración de batería (BMS) que administre el rendimiento y proteja la seguridad en todo el sistema.

Un buen BMS también controlará la carga y descarga de las celdas individuales para mantener una temperatura constante.Esto asegura un rendimiento constante y maximiza la duración de la batería.También proporcionará información sobre el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH).Estos son indicadores importantes de la vida útil de la batería, con SOC que muestra cuánto tiempo más el operador puede hacer funcionar el vehículo durante un turno, y SOH es un indicador de la vida útil restante.

Capacidad de conectar y usar

Cuando se trata de especificar sistemas de baterías para vehículos, tiene mucho sentido usar módulos.Esto se compara con el enfoque alternativo de pedir a los fabricantes de baterías que desarrollen sistemas de baterías a medida para cada vehículo.

El gran beneficio del enfoque modular es que los OEM pueden desarrollar una plataforma básica para múltiples vehículos.Luego pueden agregar módulos de batería en serie para construir cadenas que entreguen el voltaje requerido para cada modelo.Esto gobierna la potencia de salida.Luego pueden combinar estas cadenas en paralelo para construir la capacidad de almacenamiento de energía requerida y proporcionar la duración requerida.

Las cargas pesadas en juego en la minería subterránea significan que los vehículos deben entregar una gran potencia.Eso requiere sistemas de batería clasificados en 650-850V.Si bien la actualización a voltajes más altos proporcionaría una mayor potencia, también conduciría a costos más altos del sistema, por lo que se cree que los sistemas permanecerán por debajo de 1000 V en el futuro previsible.

Para lograr 4 horas de funcionamiento continuo, los diseñadores suelen buscar una capacidad de almacenamiento de energía de 200-250 kWh, aunque algunos necesitarán 300 kWh o más.

Este enfoque modular ayuda a los OEM a controlar los costos de desarrollo y reducir el tiempo de comercialización al reducir la necesidad de pruebas de tipo.Consciente de esto, Saft desarrolló una solución de batería plug-and-play disponible en electroquímica NMC y LTO.

Una comparación práctica

Para tener una idea de cómo se comparan los módulos, vale la pena mirar dos escenarios alternativos para un vehículo LHD típico basado en el intercambio de batería y la carga rápida.En ambos escenarios, el vehículo pesa 45 toneladas sin carga y 60 toneladas completamente cargado con una capacidad de carga de 6-8 m3 (7,8-10,5 yd3).Para permitir una comparación similar, Saft visualizó baterías de peso similar (3,5 toneladas) y volumen (4 m3 [5,2 yd3]).

En el escenario de intercambio de batería, la batería podría basarse en la química NMC o LFP y admitiría un cambio LHD de 6 horas desde el sobre de tamaño y peso.Las dos baterías, con una capacidad nominal de 650 V y 400 Ah, requerirían una carga de 3 horas cuando se desconectan del vehículo.Cada uno duraría 2500 ciclos durante una vida útil total de 3 a 5 años.

Para la carga rápida, una sola batería LTO integrada de las mismas dimensiones tendría una potencia nominal de 800 V con una capacidad de 250 Ah, lo que ofrece 3 horas de funcionamiento con una carga ultrarrápida de 15 minutos.Debido a que la química puede soportar muchos más ciclos, produciría 20 000 ciclos, con una vida útil esperada de 5 a 7 años.

En el mundo real, un diseñador de vehículos podría utilizar este enfoque para satisfacer las preferencias de un cliente.Por ejemplo, alargar la duración del turno aumentando la capacidad de almacenamiento de energía.

Diseño flexible

En última instancia, serán los operadores de la mina quienes elijan si prefieren el cambio de batería o la carga rápida.Y su elección puede variar en función de la potencia eléctrica y el espacio disponible en cada uno de sus emplazamientos.

Por lo tanto, es importante que los fabricantes de LHD les brinden la flexibilidad de elegir.