Jak rozwijają się technologie ładowania w górnictwie?

Przyszłość elektryfikacji przemysłu górniczego w dużej mierze zależy od postępu technologii ładowania.

Rozwój szybkich, dynamicznych i hybrydowych rozwiązań ładowania sprawia, że ​​pojazdy elektryczne zasilane akumulatorem (BEV) stają się coraz bardziej powszechnym widokiem w kopalniach podziemnych i odkrywkowych. GlobalData , spółka macierzysta Mining Technology , zauważa, że ​​w pierwszym kwartale 2025 r. na całym świecie działało prawie 400 pojazdów górniczych BEV.

Aby zasilić te floty, duże firmy górnicze badają innowacyjne technologie ładowania mające na celu zwiększenie wydajności operacyjnej i redukcję emisji dwutlenku węgla.

Jednak interoperacyjność między typami pojazdów i infrastrukturą ładowania nie została jeszcze osiągnięta na dużą skalę. Jeśli rozwiązania ładowania zostaną ujednolicone, w pełni zelektryfikowane operacje w globalnym przemyśle górniczym mogą stać się rzeczywistością.

W miarę jak pojazdy górnicze odchodzą od silników Diesla i przechodzą na napęd elektryczny, priorytetem dla górników pozostaje szybkość działania, która pozwala im osiągnąć lub przekroczyć cele produkcyjne i uniknąć przestojów w eksploatacji kluczowych zasobów — potrzebę tę zaspokaja szybkie ładowanie.

Ben Ting, dyrektor handlowy Echion Technologies, potwierdza, że ​​„branżowym punktem odniesienia dla szybkiego ładowania jest jedna godzina z 24-godzinnego dnia”. Echion jest spółką typu spin-out University of Cambridge i dostarcza materiały anodowe na bazie niobu przy wsparciu strategicznego inwestora CBMM , największego na świecie górnika niobu.

Badania wykazały, że szybkie ładowanie, najpowszechniej stosowana technologia w kopalniach podziemnych, pozwala na zwiększenie produktywności poprzez optymalizację czasu ładowania, np. gdy pracownicy mają przerwy w zmianie.

Jednak wadą technologii szybkiego ładowania jest to, że pojazdy elektryczne zazwyczaj pozostają nieruchome podczas procesu ładowania.

„Ultraklasowe pojazdy elektryczne w górnictwie mają baterie o pojemności ponad megawatogodzin (MWh), a ich ładowanie wymaga wielu przygotowań – zaparkowania ciężarówki, uzyskania grubego kabla, bezpiecznego podłączania i odłączania” – wyjaśnia Ting.

„Wszystkie te czynności razem wzięte zajmują zbyt dużo czasu w dynamicznych środowiskach kopalnianych, w których ważne jest, aby cały czas się poruszać”.

Inną powszechną metodą jest wymiana baterii, czyli wymiana rozładowanej baterii na w pełni naładowaną. Nadal jednak wymaga to dedykowanych stacji i starannego ustawienia miejsc parkingowych.

Tutaj wkracza dynamiczne ładowanie, ładowanie BEV podczas ich działania. Zazwyczaj odbywa się to poprzez przymocowanie ciężarówek do sieci trakcyjnej, z których najlepsza może obecnie dostarczyć 6–8 MWh energii, według Tinga.

Wydajność ładowania różni się również w zależności od rozmiaru BEV. Bruce Warner, globalny menedżer segmentu transportu Hitachi Energy, powiedział wcześniej Mining Technology , że technologia ładowania jest dość dojrzała w przypadku mniejszych pojazdów, ale w przypadku większych ciężarówek „zajmie to czas i inwestycje, aby doprowadzić ją do stanu, w którym będzie mogła być szeroko stosowana”, wskazując dynamiczne ładowanie jako obiecujące rozwiązanie.

Nic Beutler, globalny menedżer ds. rozwiązań górniczych eMine w ABB, mówi serwisowi Mining Technology , że „chociaż nie można ignorować kosztów kapitałowych, stają się one coraz łatwiejsze do uzasadnienia.

„Modułowość i skalowalność to pomijane korzyści, ponieważ kopalnie nie będą musiały od razu remontować wszystkiego. Mogą zacząć od małych rzeczy, udowodnić koncepcję i skalować stopniowo, w miarę jak flota się elektryzuje”.

Rzeczywiście, nowe rozwiązania w zakresie ładowania stanowią obecnie ryzyko inwestycyjne, ale podejmowane są działania mające na celu opracowanie i standaryzację rozwiązań na potrzeby elektryfikacji branży hurtowej.

Główną barierą utrudniającą szersze przyjęcie tej technologii przez branżę jest brak interoperacyjności między technologiami ładowania, infrastrukturą i typami pojazdów.

Stowarzyszenie Charging Interface Initiative (CharIN), które promuje łączony system ładowania jako globalny standard dla pojazdów elektrycznych (EV), współpracuje z Międzynarodową Radą Górnictwa i Metali (ICMM) w rozwiązywaniu tego wąskiego gardła.

„Rezultatem jest przejrzysta mapa drogowa oparta na trzech uzupełniających się technologiach” – wyjaśnia Daniela Soler, kierowniczka techniczna projektu CharIN.

Są to: Ruggedised Megawatt Charging System ( R-MCS ) do ładowania statycznego o dużej mocy, Dynamic Charging Interface ( DCI ), który obsługuje ładowanie w ruchu, oraz ekstremalny Megawatt Charging System ( X-MCS ) przeznaczony do ultraszybkiego ładowania dużych ciężarówek, niezależnie od producenta oryginalnego wyposażenia (OEM).

Dzięki tym postępom CharIN stawia na „automatyzację, trwałość i skalowalność”, ale interoperacyjność pozostaje najwyższym priorytetem, mówi Soler. „Floty górnicze są zróżnicowane, często wyposażone w sprzęt od wielu producentów OEM, działający w różnych lokalizacjach w różnych klimatach. Jeśli każdy producent OEM lub lokalizacja wymaga własnego zastrzeżonego systemu ładowania, koszty, złożoność i ryzyko znacznie wzrastają”.

Dyrektor ds. innowacji w ICMM Bryony Clear Hill dodaje, że „standaryzacja wspiera wdrażanie ładowarek o dużej mocy i dynamicznych systemów przesyłu energii, które są niezbędne w przypadku dużych pojazdów górniczych, zwłaszcza w wymagających warunkach”.

Digitalizacja to kolejny ważny element. Jak podkreśla Beutler: „Obecnie wiele systemów ładowania jest reaktywnych – podłącz, naładuj, a następnie jedź dalej. Potrzebna jest bardziej inteligentna infrastruktura, która jest świadoma harmonogramu floty, obciążeń sieci energetycznej i mieszanki dostaw, nawet przy odnawialnych źródłach energii”.

W miarę jak górnicy mają dostęp do coraz większej liczby rozwiązań ładowania, zarówno cyfrowych, jak i fizycznych, wzrasta prawdopodobieństwo przesycenia rynku. Ting utrzymuje, że „standaryzacja powinna nastąpić po eksperymentach. Pomimo, że przemysł wydobywczy chce pewności na wysokim poziomie, należy przetestować wiele różnych podejść, aby następnie skupić się na tym, co powinno być standardem”.

Oprócz inicjatyw o szerszym zasięgu, duże firmy górnicze realizują projekty pilotażowe, a szybkie ładowanie pozostaje popularną metodą.

Ting podkreśla, że ​​australijski gigant górniczy Fortescue jest liderem w tej dziedzinie. Pod koniec 2024 r. firma otrzymała grant w wysokości 10 mln A$ (6,48 mln USD) od Australijskiej Agencji Energii Odnawialnej na opracowanie szybkich ładowarek o mocy 6 MW dla ciężkich pojazdów elektrycznych BEV, opierając się na swoich poprzednich prototypach.

Po drugiej stronie Pacyfiku, w Kanadzie, kopalnia złota Borden firmy Newmont przechodzi transformację w pierwszą na świecie kopalnię podziemną zasilaną wyłącznie energią elektryczną. Misja ta jest możliwa dzięki stacjom szybkiego ładowania i systemom sieci energetycznej z dodatkowymi liniami energetycznymi i zasilaniem o napięciu jednego kilowolta.

Pojawiają się również rozwiązania hybrydowe, pozwalające górnikom czerpać łączone korzyści z szybkiego i dynamicznego ładowania. Dyrektor generalna Elonroad, Karin Ebbinghaus, stwierdza, że ​​dzięki lepszemu ładowaniu „mniejsze jest zapotrzebowanie na duże baterie, a zatem pojazdy górnicze staną się tańsze, ponieważ baterie są często najdroższą częścią pojazdu”. Firma oferuje dynamiczne stacje ładowania dla górników i szacuje, że elektryfikacja branży wynosi zaledwie 0,5%.

Hybrydowe ładowanie jest „zupełną nowością w górnictwie”, komentuje Ting. „Jest duże zainteresowanie testami, szczególnie ze strony mniejszych górników, aby mogli być drugimi graczami”.

W międzyczasie główni producenci OEM nadal wprowadzają na rynek więcej rozwiązań ładowania. Ostatnio, na targach MINExpo 2024 , Caterpillar zaprezentował swój system Dynamic Energy Transfer, który obejmuje moduł zasilania, zelektryfikowany system szynowy i system maszynowy do przesyłania energii do pracującej ciężarówki.

Również na targach MINExpo 2024 firma Komatsu zaprezentowała swoją pierwszą wywrotkę z napędem elektrycznym i możliwością wymiany akumulatorów na poziomie gruntu, a także współpracę z ABB w zakresie automatycznego urządzenia łączącego eMine™ Robot, które automatycznie łączy i rozłącza pojazdy górnicze elektryczne ze stacjami ładowania.

„To nowy sposób myślenia z nowymi technologiami, więc testy w różnych środowiskach są kluczowe” — mówi Ebbinghaus. „W dużym ekosystemie producenci OEM i firmy sieci energetycznych również muszą być zaangażowani. Chodzi o zebranie nowych osób do dyskusji, co może być wyzwaniem”.

Hill podkreśla, że ​​„sukces w rozwijaniu technologii ładowania zależy od współpracy między interesariuszami w celu przyspieszenia elektryfikacji górnictwa”.

Postęp w pobieraniu opłat za górnictwo wykazuje tendencję wzrostową, a Ting twierdzi, że szczególnie obiecujące są rozwiązania hybrydowe.

„Większość kopalni będzie działać w systemie hybrydowym z ładowaniem pokładowym” – mówi. „Istnieje realna szansa dla lokalizacji typu greenfield w projektowaniu i planowaniu kopalni z uwzględnieniem infrastruktury ładowania od pierwszego dnia”.

Ebbinghaus zgadza się, wzywając interesariuszy do dalszego budowania na dotychczasowych postępach. „Branża wydała już dużo funduszy na badania nad autonomicznymi i zelektryfikowanymi operacjami, a teraz nadszedł czas, aby je połączyć i skupić się na infrastrukturze ładowania”.

Oczywiście rozwiązania w zakresie ładowania stanowią tylko jeden element szerszej układanki, jaką jest elektryfikacja górnictwa, i muszą rozwijać się równolegle z innymi rozwiązaniami w zakresie czystej energii górniczej, takimi jak baterie i odnawialne źródła energii z lokalnych mikrosieci.

„Kopalnie będą coraz częściej korzystać z predykcyjnych harmonogramów ładowania, tras uwzględniających zużycie energii i koordynacji z odnawialnymi źródłami energii” – potwierdza Beutler.

Postęp branży w zakresie ładowania może również posłużyć za wzór dla innych sektorów, takich jak porty i ciężki transport kolejowy, jak zauważa Soler.

CharIN spodziewa się, że w niedalekiej przyszłości systemy R-MCS i DCI zostaną wdrożone w kopalniach, natomiast w dłuższej perspektywie system X-MCS może dorównać, a nawet prześcignąć technologię tankowania oleju napędowego w różnych branżach.

„Ostatecznie ładowanie przestanie być wyzwaniem technicznym i stanie się strategiczną przewagą, która zwiększa produktywność, obniża emisje i zabezpiecza operacje górnicze na przyszłość” – podsumowuje Soler.