Il existe plusieurs technologies de batterie et de charge qui doivent être prises en compte lors de la transition vers l'électromobilité dans les mines souterraines.
Les véhicules miniers alimentés par batterie sont parfaitement adaptés à l'exploitation minière souterraine.Parce qu'ils n'émettent pas de gaz d'échappement, ils réduisent les besoins de refroidissement et de ventilation, réduisent les émissions de gaz à effet de serre (GES) et les coûts de maintenance, et améliorent les conditions de travail.
Aujourd'hui, presque tout l'équipement minier souterrain est alimenté au diesel et crée des gaz d'échappement.Cela entraîne le besoin de systèmes de ventilation étendus pour maintenir la sécurité des travailleurs.De plus, comme les exploitants miniers d'aujourd'hui creusent jusqu'à 4 km (13 123,4 pi) de profondeur pour accéder aux gisements de minerai, ces systèmes deviennent exponentiellement plus grands.Cela les rend plus coûteux à installer et à faire fonctionner et plus gourmands en énergie.
Dans le même temps, le marché évolue.Les gouvernements fixent des objectifs environnementaux et les consommateurs sont de plus en plus disposés à payer un supplément pour des produits finis qui peuvent démontrer une empreinte carbone plus faible.Cela suscite plus d'intérêt pour la décarbonisation des mines.
Les machines de chargement, de transport et de déchargement (LHD) sont une excellente occasion de le faire.Ils représentent environ 80 % de la demande énergétique de l'exploitation minière souterraine car ils déplacent les personnes et l'équipement dans la mine.
Le passage à des véhicules alimentés par batterie peut décarboner l'exploitation minière et simplifier les systèmes de ventilation.
Cela nécessite des batteries à haute puissance et longue durée - une tâche qui dépassait les capacités de la technologie précédente.Cependant, la recherche et le développement de ces dernières années ont créé une nouvelle génération de batteries lithium-ion (Li-ion) avec le bon niveau de performance, de sécurité, d'abordabilité et de fiabilité.
Espérance de cinq ans
Lorsque les opérateurs achètent des machines LHD, ils s'attendent à une durée de vie maximale de 5 ans en raison des conditions difficiles.Les machines doivent transporter de lourdes charges 24 heures sur 24 dans des conditions inégales avec de l'humidité, de la poussière et des pierres, des chocs mécaniques et des vibrations.
En matière d'alimentation, les opérateurs ont besoin de systèmes de batterie qui correspondent à la durée de vie de la machine.Les batteries doivent également résister à des cycles de charge et de décharge fréquents et profonds.Ils doivent également être capables d'une charge rapide pour maximiser la disponibilité du véhicule.Cela signifie 4 heures de service à la fois, correspondant au modèle de quart de demi-journée.
Échange de batterie contre charge rapide
L'échange de batterie et la charge rapide sont apparus comme les deux options pour y parvenir.L'échange de batterie nécessite deux jeux de batteries identiques - l'un alimentant le véhicule et l'autre en charge.Après un quart de travail de 4 heures, la batterie usée est remplacée par une batterie fraîchement chargée.
L'avantage est que cela ne nécessite pas de charge à haute puissance et peut généralement être pris en charge par l'infrastructure électrique existante de la mine.Cependant, le changement nécessite un levage et une manutention, ce qui crée une tâche supplémentaire.
L'autre approche consiste à utiliser une seule batterie capable de se recharger rapidement en 10 minutes environ pendant les pauses, les pauses et les changements de quart de travail.Cela élimine le besoin de changer de batterie, ce qui simplifie la vie.
Cependant, la recharge rapide repose sur une connexion au réseau à haute puissance et les exploitants miniers peuvent avoir besoin de mettre à niveau leur infrastructure électrique ou d'installer un stockage d'énergie en bordure de route, en particulier pour les flottes plus importantes qui doivent se recharger simultanément.
Chimie Li-ion pour l'échange de batterie
Le choix entre l'échange et la charge rapide indique le type de chimie de la batterie à utiliser.
Li-ion est un terme générique qui couvre un large éventail d'électrochimies.Ceux-ci peuvent être utilisés individuellement ou mélangés pour offrir la durée de vie, la durée de vie, la densité d'énergie, la charge rapide et la sécurité requises.
La plupart des batteries Li-ion sont fabriquées avec du graphite comme électrode négative et ont différents matériaux comme électrode positive, tels que l'oxyde de lithium nickel-manganèse-cobalt (NMC), l'oxyde d'aluminium lithium-nickel-cobalt (NCA) et le phosphate de fer lithium (LFP ).
Parmi ceux-ci, NMC et LFP offrent tous deux un bon contenu énergétique avec des performances de charge suffisantes.Cela rend l'un ou l'autre idéal pour l'échange de batterie.
Une nouvelle chimie pour une charge rapide
Pour la charge rapide, une alternative intéressante a vu le jour.Il s'agit de l'oxyde de titanate de lithium (LTO), qui possède une électrode positive en NMC.Au lieu de graphite, son électrode négative est basée sur LTO.
Cela donne aux batteries LTO un profil de performance différent.Ils peuvent accepter une charge à très haute puissance, de sorte que le temps de charge peut être aussi court que 10 minutes.Ils peuvent également supporter trois à cinq fois plus de cycles de charge et de décharge que les autres types de chimie Li-ion.Cela se traduit par une durée de vie plus longue.
De plus, le LTO a une sécurité inhérente extrêmement élevée car il peut résister aux abus électriques tels que les décharges profondes ou les courts-circuits, ainsi qu'aux dommages mécaniques.
Gestion de la batterie
Un autre facteur de conception important pour les équipementiers est la surveillance et le contrôle électroniques.Ils doivent intégrer au véhicule un système de gestion de la batterie (BMS) qui gère les performances tout en protégeant la sécurité de l'ensemble du système.
Un bon BMS contrôlera également la charge et la décharge des cellules individuelles pour maintenir une température constante.Cela garantit des performances constantes et maximise la durée de vie de la batterie.Il fournira également des informations sur l'état de charge (SOC) et l'état de santé (SOH).Ce sont des indicateurs importants de la durée de vie de la batterie, le SOC indiquant combien de temps l'opérateur peut faire fonctionner le véhicule pendant un quart de travail, et le SOH étant un indicateur de la durée de vie restante.
Capacité plug-and-play
Lorsqu'il s'agit de spécifier des systèmes de batterie pour véhicules, il est tout à fait logique d'utiliser des modules.Cela se compare à l'approche alternative consistant à demander aux fabricants de batteries de développer des systèmes de batterie sur mesure pour chaque véhicule.
Le grand avantage de l'approche modulaire est que les équipementiers peuvent développer une plate-forme de base pour plusieurs véhicules.Ils peuvent ensuite ajouter des modules de batterie en série pour construire des chaînes qui fournissent la tension requise pour chaque modèle.Cela régit la puissance de sortie.Ils peuvent ensuite combiner ces chaînes en parallèle pour construire la capacité de stockage d'énergie requise et fournir la durée requise.
Les lourdes charges en jeu dans l'exploitation minière souterraine signifient que les véhicules doivent fournir une puissance élevée.Cela nécessite des systèmes de batterie évalués à 650-850V.Bien que la mise à niveau vers des tensions plus élevées fournirait une puissance plus élevée, cela entraînerait également des coûts de système plus élevés, on pense donc que les systèmes resteront en dessous de 1 000 V dans un avenir prévisible.
Pour atteindre 4 heures de fonctionnement continu, les concepteurs recherchent généralement une capacité de stockage d'énergie de 200 à 250 kWh, bien que certains aient besoin de 300 kWh ou plus.
Cette approche modulaire aide les équipementiers à contrôler les coûts de développement et à réduire les délais de mise sur le marché en réduisant le besoin d'essais de type.Conscient de cela, Saft a développé une solution de batterie plug-and-play disponible dans les électrochimies NMC et LTO.
Une comparaison pratique
Pour avoir une idée de la façon dont les modules se comparent, il vaut la peine d'examiner deux scénarios alternatifs pour un véhicule LHD typique basé sur l'échange de batterie et la charge rapide.Dans les deux scénarios, le véhicule pèse 45 tonnes à vide et 60 tonnes à pleine charge avec une capacité de charge de 6 à 8 m3 (7,8 à 10,5 yd3).Pour permettre une comparaison à périmètre constant, Saft a visualisé des batteries de poids (3,5 tonnes) et de volume (4 m3 [5,2 yd3]) similaires.
Dans le scénario d'échange de batterie, la batterie pourrait être basée sur la chimie NMC ou LFP et prendrait en charge un décalage LHD de 6 heures par rapport à l'enveloppe de taille et de poids.Les deux batteries, évaluées à 650 V avec une capacité de 400 Ah, nécessiteraient une charge de 3 heures lorsqu'elles sont échangées hors du véhicule.Chacun durerait 2 500 cycles sur une durée de vie totale de 3 à 5 ans.
Pour une charge rapide, une seule batterie LTO embarquée de mêmes dimensions serait évaluée à 800 V avec une capacité de 250 Ah, offrant 3 heures de fonctionnement avec une charge ultra-rapide de 15 minutes.Parce que la chimie peut supporter beaucoup plus de cycles, elle fournirait 20 000 cycles, avec une durée de vie prévue de 5 à 7 ans.
Dans le monde réel, un concepteur de véhicule pourrait utiliser cette approche pour répondre aux préférences d'un client.Par exemple, allonger la durée du quart de travail en augmentant la capacité de stockage d'énergie.
Conception flexible
En fin de compte, ce seront les exploitants miniers qui choisiront s'ils préfèrent l'échange de batterie ou la charge rapide.Et leur choix peut varier en fonction de la puissance électrique et de l'espace disponible sur chacun de leurs sites.
Par conséquent, il est important que les fabricants de LHD leur offrent la flexibilité de choisir.
Heure de publication : 27 octobre 2021
