Poniendo en Funcionamiento Vehículos Eléctricos a Batería

El éxito de la implementación de los BEVs es mucho mayor de lo que parece.
Equipo Minero investiga…

Los vehículos eléctricos a batería (BEV) son la solución ideal para las minas con cero emisiones netas. A menudo considerados como la respuesta a las emisiones de alcance uno de la industria, los vehículos mineros eléctricos, tanto a batería como remolcados, desempeñarán un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en las próximas décadas. Sin embargo, los BEV no son una solución milagrosa. Por lo general (aunque hay algunas excepciones), no son una solución “plug and play” y, como están descubriendo los primeros en adoptarlos, su implementación exitosa es más compleja de lo que se esperaba.

En un evento para clientes de Sandvik celebrado en Tampere, Finlandia, en octubre de 2022, Jeff LaMarsh, superintendente de la mina de cobre y oro New Afton en Columbia Británica, habló a la audiencia sobre la experiencia de New Gold hasta ahora con la tecnología de BEV. La empresa ha estado trabajando con Sandvik y otros fabricantes desde 2019 para introducir varios equipos eléctricos a batería; la última incorporación fueron dos camiones mineros Z50 Sandvik-Artisan a mediados de 2022. 

“Recibimos nuestro primer BEV, un equipo auxiliar, en 2019,” informó a los asistentes. “Desde entonces, tenemos ocho BEVs en la mina, siete de los cuales son únicos, y algunos están en fase de pruebas de proveedores o de aceptación.”

Dado que los BEVs son relativamente nuevos en la minería subterránea, aún existen dudas sobre la emisión de gases de las baterías y el riesgo de incendio. La capacitación de los servicios de emergencia y el desarrollo de procedimientos de emergencia son una preocupación especial para que, en caso de que ocurra un incidente, pueda tratarse de manera rápida y segura. LaMarsh dijo que es importante que las minas trabajen junto con los OEM para desarrollar un plan de gestión de proyectos, de modo que los equipos puedan tomar decisiones informadas sobre la marcha cuando sea necesario.

“En lo que respecta a la ingeniería, hemos probado distintos diseños para las estaciones de servicio y las estaciones de carga,” explica. “Con las estaciones de carga, es fundamental observar las condiciones del sitio. Por ejemplo, ¿están en terreno plano? ¿La estación de carga en sí sale de una rampa? Es importante que el equipo se acerque al nivel de la estación de carga para que cuando baje la batería, ésta quede en el mismo plano que la pala y pueda recogerse otra vez. A menudo, las baterías se arrastran o se inclinan. Cuando realiza tres o cuatro cambios de batería por turno, el posicionamiento hace una gran diferencia en la utilización del equipo.”

New Afton ha implementado soportes de batería fijos para ayudar a resolver este problema. LaMarsh agregó que el manejo de cables en la estación de carga también necesita considerarse, ya que esto puede afectar los tiempos de carga, la fatiga del operador y la disponibilidad de los cargadores y las propias baterías.

Otro desafío es la planificación de la autonomía de las baterías. LaMarsh explicó que los equipos a diésel de New Afton tienen depósitos de gasolina que suelen durar 1-2 turnos antes de rellenarse, pero los equipos a batería requieren 2-3 cambios de batería al día (el equivalente a 2-3 depósitos de gasolina), por lo que la ubicación de las estaciones de carga ha demostrado ser realmente importante.

“Por lo general, los cargadores deben estar lo más bajo posible en la mina y/o cerca del área de trabajo, y hacerlos más grandes de lo previsto,” explicó. “Los operadores también necesitan información fiable para poder utilizar todo el rango de carga en cada batería. Si los operadores son demasiado conservadores y optan por cambiar sus baterías, digamos 30 minutos antes, entonces se disminuirán los beneficios de productividad asociados con los BEVs.”

LaMarsh señaló que calcular las cifras de utilización y disponibilidad de los BEVs también es más complejo que con las unidades a diésel. La utilización de los equipos a diésel se mide generalmente en horas del motor, mientras que, con los BEVs, algunos fabricantes miden la utilización basándose en las horas de la unidad de alimentación o las horas del motor en ralentí. 

Otro aspecto es la estrategia de mantenimiento tanto de los equipos como de las baterías; las últimas deberán transportarse hacia y desde el taller para realizar los servicios planificados. “Estamos instalando una estación de servicio exclusivo de baterías en las mismas inmediaciones que nuestras estaciones de carga para minimizar cualquier pérdida de utilización asociada al transporte,” dijo LaMarsh. 

“En cuanto al rendimiento de los equipos, a nuestros operadores prefieren que los camiones y las palas [BEVs] tengan más potencia que sus equivalentes a diésel. La aceptación de la fuerza laboral es una gran preocupación con la nueva tecnología, y hemos tenido éxito al involucrar a un par de nuestros operadores de mejor desempeño, así como a un instructor y a una persona de mantenimiento. Ellos son los campeones y los que corren la voz. Y debido a que son tan positivos, esto repercute en el resto del equipo. Nuestros operadores ven los BEVs como un gran paso adelante y empiezan a preferirlos.”

Consideraciones Sobre Energía y Potencia

Debido a su naturaleza incipiente, pocas minas tienen los conocimientos técnicos necesarios para implementar y administrar los BEVs de manera efectiva, y los primeros en adoptarlos se apoyan en gran medida en los OEMs para cerrar esa brecha. Epiroc creó recientemente un plan de estudios para el Collège Boréal en Sudbury, Canadá, con el fin de fomentar estas habilidades y atraer nuevos talentos al sector minero.  

Trent Sears, director global de productos y marketing – electrificación – estaciones de carga de Epiroc, explicó: “Por el momento, no hay una cartera estable de talentos en la minería cuando se trata de funciones especializadas en electrificación. Los OEMs están a la vanguardia del desarrollo de paquetes de capacitación y están trabajando arduamente para poner a los clientes al día, desde el proceso de licitación hasta la puesta en marcha de las máquinas.

Franck Boudreault, experto en aplicaciones subterráneas, electrificación de Epiroc, añadió: “Las empresas mineras tienen muchas dudas sobre los riesgos de seguridad asociados a las baterías subterráneas. Hemos realizado muchos trabajos, incluyendo la quema de algunos de los componentes de nuestras baterías en un entorno de laboratorio controlado para comprender el calor y los gases generados, y cuánto tiempo pasa antes de que ocurra la fuga térmica. Hicimos esto en colaboración con el Instituto de Investigación de Suecia y varias empresas mineras. Todas las minas tienen que hacer sus propias evaluaciones de riesgos antes de introducir nuevas tecnologías bajo tierra, pero nos dimos cuenta que disponer de esta información ayudaba a resolver cualquier duda.”

La gestión de la energía también requiere consideración. Esto es un poco más sencillo en las minas nuevas, donde la infraestructura eléctrica está diseñada para soportar los BEVs desde el primer día. Las minas existentes requieren estudios energéticos adicionales para comprender el consumo de energía en diferentes momentos y en diferentes áreas de la operación. 

Sears dijo: “Una flota totalmente electrificada puede funcionar con una demanda energética de entre 8-10 megavatios, y la demanda energética no es constante durante los turnos. Recomendamos que se instale al menos entre un 30% y un 50% de capacidad de carga adicional para satisfacer la demanda durante los periodos punta. Instalar una capacidad adicional de 8-10 MW además de los 25 MW actuales, por ejemplo, ejerce mucha presión sobre la infraestructura energética de las minas y puede crear problemas de disponibilidad de energía. Si la red local no puede absorberla, merece la pena considerar conceptos como la conexión en isla y el almacenamiento de energía.”

Boudreault explicó: “Con los proyectos greenfield, es posible reducir los requisitos de la potencia de ventilación, lo que permite disponer de energía adicional para cargar las baterías de los vehículos.  

“Sin embargo, cambiarse a los BEVs no implica necesariamente cambios en la infraestructura. Hemos recibido muchos pedidos de equipos de perforación eléctricos a batería. Como los equipos de perforación pasan más tiempo perforando que desplazándose, se adaptan bien a la carga a bordo sin que ello afecte a su rendimiento. Al no necesitar infraestructura, los equipos de perforación eléctricos a batería son, para muchos, un buen punto de partida para la transición al VE y para familiarizarse con las baterías en las aplicaciones mineras.”

La autonomía de las baterías varía en función del tipo de vehículo en el que se instalen y del ciclo de trabajo, teniendo en cuenta las distancias en ralentí, la inclinación de la rampa, etc. Para los equipos de perforación, la autonomía de la batería es menos preocupante que para los cargadores o los camiones; Boudreault calcula que un equipo de perforación típico podría recorrer aproximadamente 6,5 km en rampa o 900 metros verticales con una carga completa, pero eso ocurriría rara vez en una mina subterránea. En comparación, un cargador de 14 toneladas métricas ™ normalmente proporcionará alrededor de cuatro horas de autonomía con una carga completa.

Epiroc ha optado por una química de batería diferente a la mayoría de los demás fabricantes de equipos originales: ha elegido el níquel-manganeso-cobalto (NMC) en lugar del ion-litio gracias a su naturaleza escalable. Según Boudreault, el comportamiento de la batería es también muy predecible y lineal incluso a medida que aumenta el tamaño, lo que equivale a una mayor seguridad.

“Hemos seleccionado celdas muy pequeñas para que, si se produce un incidente a nivel celular y se libera una pequeña cantidad de energía, haya menos riesgo de propagación que con celdas más grandes,” explicó Boudreault. “Al día de hoy, no tenemos ningún incendio operativo que informar. NMC también ofrece una densidad de energía muy alta, casi el doble que otras químicas, lo que permite que el tamaño y el peso de la batería se mantengan al mínimo. Y continuaremos aumentando la densidad de energía. Con el tiempo, llegaremos a un punto en el que un cargador podrá realizar un turno completo con sólo un poco de carga de mantenimiento durante el descanso y entonces no será necesario cambiar la batería a mitad de turno. Pero hay que solucionar algunas cosas antes de que eso ocurra.”

Epiroc utiliza la interfaz del sistema de carga combinada (CCS) desarrollada originalmente por la industria automotriz. Sin embargo, las baterías de los BEVs mineros son más grandes y requieren más energía que las de los automóviles. Actualmente, los tiempos de carga son limitados, pero con el desarrollo del nuevo sistema de carga de megavatios (MCS) que lidera la alianza CharIN (de la que Epiroc es miembro), esto podría cambiar pronto.  

En abril de 2022, Epiroc también firmó un memorando de entendimiento con BluVein, una empresa conjunta entre el innovador minero australiano Olitek y el desarrollador sueco de autopistas eléctricas, Evias. El objetivo es acelerar el desarrollo de la solución de carga dinámica subterránea BluVein1 para BEVs. El sistema consiste en un riel con conductores que se fija al techo de la pendiente descendente principal. A medida que los vehículos eléctricos descienden, utilizan la carga regenerativa para recargar sus baterías. Cuando llega el momento de ascender, el vehículo se conecta automáticamente al riel ranurado, acelera a toda velocidad utilizando la energía extraída del riel y se utiliza energía adicional para recargar la batería. Epiroc está suministrando un camión de accionamiento eléctrico MT42 para pruebas con el objetivo de tener un sistema comercialmente viable en 2024-2025.

Gestión Térmica y Seguridad

Uno de los principales retos técnicos vinculados a los vehículos eléctricos es la gestión térmica de la batería. El enfriamiento adecuado limita la probabilidad de fuga térmica e incendios. TotalEnergies está desarrollando nuevos fluidos para abordar esto. 

David Kupiec, Jefe de Performance Fluids para transmisiones VE y aplicaciones industriales, explicó: “Una refrigeración eficaz aumenta la fiabilidad de la batería y prolonga su vida útil; por cada 10°C de aumento de la temperatura, la vida útil de la batería se reduce a la mitad. Esto es particularmente importante en infraestructuras mineras donde, en el futuro, las minas tendrán que almacenar costosas baterías como partes de repuesto. Una refrigeración adecuada también ayuda a reducir el tiempo de inactividad del equipo gracias a una carga más rápida. Un sistema de refrigeración más compacto también reduce el tamaño y el costo total de propiedad del paquete de baterías.”

Las tecnologías de refrigeración actuales utilizan refrigerantes de agua-glicol estándar y, debido a que el agua es conductora, no pueden entrar en contacto directo con la batería. La refrigeración se logra indirectamente a través de intercambiadores de calor y, como consecuencia, el proceso no es tan eficiente como podría ser. TotalEnergies ha desarrollado una innovadora gama de fluidos dieléctricos llamada Quartz EV en la que cualquier tipo de batería puede sumergirse completamente para permitir una refrigeración óptima.

“Con esta tecnología, hemos podido demostrar una gestión mucho mejor del riesgo de incendio,” dijo Kupiec a Equipo Minero. “Durante las pruebas, sometimos las baterías a diferentes tipos de esfuerzos y demostramos que la fuga térmica no se propaga como ocurre con las tecnologías de refrigeración estándar. También se redujo la duración de los tiempos de carga hasta cuatro veces y disminuyó el costo total de propiedad y el peso del paquete de baterías.”

TotalEnergies también ha creado una subgama de productos — Rubia EV — específicamente para aplicaciones mineras.

“La gran mayoría de los vehículos eléctricos subterráneos utilizan tecnologías de refrigeración estándar a base de agua,” dijo Kupiec. “Pero con el desarrollo de fluidos específicos para BEVs, creemos que ahora existe espacio para iniciar las pruebas en minas subterráneas, y estamos iniciando conversaciones con socios para esto. También estamos invirtiendo para acomodar las pruebas de equipos eléctricos, como engranajes, motores, baterías, etc., junto con nuestras pruebas de motores de combustión estándar.”

Ajuste del Diseño, Planificación y Programación de la Mina

Existe la idea errónea de que la electrificación lo cambia todo, pero los camiones o cargadores a diésel y eléctricos a batería son esencialmente el mismo equipo con la misma funcionalidad; sus principales diferencias radican en sus requisitos energéticos, rendimiento y mantenimiento. Para las operaciones greenfield, existe la posibilidad de diseñar el trazado y la planificación de la mina en diferentes horizontes de tiempo para adaptarlos mejor a las necesidades y capacidades de los BEVs. 

Steven Donaldson, socio y cofundador del especialista australiano en matemáticas industriales, Polymathian (que está en proceso de ser adquirido por Sandvik), explicó: “Con los proyectos greenfield, los ingenieros pueden optimizar el diseño y el trazado para adaptarse a las diferentes metodologías operativas que requieren los BEVs. Lo mismo se aplica a los proyectos brownfield, aunque generalmente hay menos flexibilidad.

“En la programación, se requiere un tiempo de inactividad potencialmente más frecuente para cargar y mantener los equipos eléctricos a batería que con diésel, pero eso no cambia las cosas significativamente. Se vuelve interesante cuando los vehículos eléctricos cambian las principales restricciones. Por ejemplo, los BEVs eliminan el material particulado del diésel, lo cual cambia los requisitos de ventilación y permite utilizar más equipos en un espacio más reducido. Eso requeriría cambios en la metodología operativa, así como en la programación.”

Colin Eustace, Jefe de Simulación de Polymathian, agregó: “Existen desafíos potenciales de programación cuando la vida útil de una batería es similar o más corta que el tiempo de ciclo de un determinado equipo. Por ejemplo, si un recorrido es bastante largo, es posible que no haya suficiente carga en la batería del camión para completar el ciclo. La programación debe considerar cómo aprovechar al máximo cada batería y cuándo cargarla. Estas decisiones pueden tener un gran impacto en la forma en que operan las minas. Por el contrario, si los recorridos son bastante cortos y el camión puede completar varios ciclos antes de cambiar las baterías, entonces la programación de la producción no se vería tan afectada.

La simulación y la optimización matemática pueden ser muy útiles para resolver conflictos de programación y para encontrar la mejor estrategia operativa posible dadas las variables y limitaciones establecidas, sobre todo cuando los programadores tienen poca experiencia con los BEVs.

Eustace explicó: “La simulación es una gran herramienta para probar cómo funcionaría un sistema con diferentes restricciones y variables. Podemos usarla para representar la operación existente y luego realizar cambios para obtener una visibilidad anticipada del rendimiento con un cambio en la estrategia operativa, el diseño o el rendimiento del vehículo. En caso de que existan requisitos de programación complejos asociados con la introducción de los BEVs, se puede utilizar la optimización para mitigar el impacto de esas limitaciones o incluso mejorar las operaciones.”

Polymathian trabajó con OZ Minerals para evaluar cómo integrar los BEVs en la producción de su mina Carrapateena como parte de una ampliación a 12 millones de toneladas anuales. Los resultados mostraron que se podían mantener los niveles de producción sustituyendo los cargadores a diésel por BEVs con modificaciones a la estrategia operativa.

“Trabajamos con OZ Minerals para simular estrategias operativas alternativas que minimizaran la cantidad de equipos requeridos para cumplir con los objetivos de producción,” dijo Eustace a Equipo Minero. “También buscamos desarrollar un nivel de producción que fuera lo más eficiente posible con los BEVs. Luego comparamos y contrastamos el rendimiento de esas estrategias para encontrar la mejor solución para introducir los BEVs en la operación.”

Algunos de los principales KPI utilizados para evaluar el rendimiento incluyeron el número de máquinas requeridas para lograr el rendimiento objetivo y también el rendimiento máximo que se podía obtener del hundimiento en bloques. Al reducir las interacciones y los retrasos como parte del ciclo del cargador, algunas estrategias operativas pudieron utilizar menos equipos para lograr el mismo rendimiento. Además, al aumentar la cantidad de equipos, los equipos pudieron lograr una capacidad mucho mayor de lo esperado.