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打造全电动矿山
规划矿山设备电气化所需的技术与要素
白皮书
（《矿业杂志》联合 ABB 公司发布）
如今，只要参加矿业领域的任何一场会议或圆桌讨论，脱碳话题都必然会被提及。矿业公司强调铜、铁、镍、锌、锂、钴等矿产在减少碳排放中所发挥的关键作用，这一做法无可厚非。然而，不容忽视的事实是，当前形式的采矿活动本身属于高碳排行业。
据麦肯锡的数据显示，采矿行业的范围 1 和范围 2 排放（不包括煤矿开采产生的逸散性甲烷排放）目前占全球温室气体总排放量的 1%。其中，40% 至 50% 的排放来自移动设备使用的柴油，另有 30% 至 35% 的排放来自非可再生能源发电。
在投资者、政府和公众的压力下，全球众多大型矿业公司制定了减排目标：计划到 2030 年大幅减少范围 1 和范围 2 的排放量，并在 2050 年实现碳排放净零。
要实现这些目标，矿业公司需在脱碳的关键推动因素上进行大量投资，即实现设备和机械的电气化，以及转向使用可再生能源发电。
早在 130 多年前，ABB 公司就为瑞典的一台矿山提升机提供了第一台电动机，自此，电气设备在采矿领域就发挥着作用。几十年来，全电动系统在矿物加工领域已十分常见，这得益于该领域的作业由破碎机、研磨系统、输送机等功率需求大且稳定的固定设备完成。然而，由于矿用卡车、装载机等移动设备的充电和车载解决方案仍处于起步阶段，迄今为止，矿山区域的全面电气化仍难以实现。
专注于矿业创新的研究机构State of Play近期对 450 多名矿业高管开展了一项调查。结果显示，63% 的受访者认为，对风险的规避阻碍了电气化技术的应用；此外，88% 的受访者表示，成本是矿山现场实现电气化的主要风险因素。
尽管矿业公司心存顾虑，但如果想要实现零排放目标，它们除了接纳电气化之外，几乎别无选择。矿山区域移动设备的全面电气化，再结合数字化和自动化解决方案，以最大限度地提高这些系统的效率和可用性，并降低生命周期运营成本，这将是实现零排放目标的核心所在。
本白皮书深入探讨了矿用移动设备电气化的实际操作方法，进而阐述如何打造全电动矿山。以下 ABB 专家为撰写本白皮书提供了支持：
迈赫扎德・阿什纳加兰（Mehrzad Ashnagaran）：电气化与综合工厂全球产品线经理
尼克・比特勒（Nic Beutler）：电力系统与充电解决方案全球产品经理
马科斯・希拉尔（Marcos Hillal）：自动化与数字化全球产品线经理
杰罗姆・罗塞（Jérôme Rossé）：自动化全球产品经理
1. 互操作性
矿山车队的车辆来自多个供应商。ABB 充电基础设施遵循开放标准，不依赖于特定供应商，这意味着该基础设施可适用于所有车型以及原始设备制造商（OEM）的设备。如此一来，客户只需进行一次性投资，就能最大限度地提高每台充电设备的正常运行时间、生产力和投资回报率。
2. 机动性 / 灵活性
在矿山各处战略性地设置充电点，能让卡车更长时间保持电量充足，从而优化卡车的使用效率和矿山的整体生产力，同时无需额外修建运输路线和增加运输车辆。
这些充电点需要能够在矿山的整个运营生命周期内，适应矿山设计的变化。
3. 能源管理
将电池电动汽车整合到矿山中，会使能源负荷需求变得更加不稳定。尽管可再生能源的重要性日益凸显（尤其是在偏远矿区），但也带来了额外的限制。
通过对电网基础设施和电池储能系统进行智能规划，并结合矿山生产预测，能够最大限度地减少负荷峰值，应对发电端可能出现的波动。
4. 连接接口
必须设计出坚固耐用且符合矿山使用标准的自动化连接接口，以承受许多矿山恶劣的环境条件，并满足大型矿用卡车的高功率需求。这就需要开放的机械和电气标准，以及与车辆供应商的有效合作。
5. 架线辅助供电系统与充电基础设施
ABB 公司在电池电动矿用车辆的架线辅助供电系统和充电基础设施方面，拥有现有的解决方案和长期积累的经验，目前正在此基础上不断发展。同样，这些系统和设施必须足够坚固，以适应矿山环境，并能满足电池电动卡车的高功率需求，从而确保车辆的最大正常运行时间。
6. 适宜的流程与矿山设计
采用新技术将改变矿山和采矿资产的运营方式。例如，是否需要改变土建基础设施和运营计划，以满足这些电池电动汽车的需求？早期阶段的设计思考和规划对于实现矿山电气化至关重要。
“在提高数字化和电气化水平的进程中，不同矿业公司可能处于不同阶段。但随着时间的推移，集优化设计与运营于一体、能更高效地实现可持续能源利用和资源消耗的综合全电动矿山愿景，正日益接近现实。”
—— 尼克・比特勒（Nic Beutler）
直到十年前，首批商用电动汽车开始出现在公共道路上之前，人们还无法想象矿山中哪怕是最小型的车辆都能实现电气化。如今，人员运输车辆、物料运输车辆、装载机、小型矿用卡车等小型车辆都可以改装电池组。未来，原始设备制造商将直接设计和生产电池电动汽车。最终，借助充电站和架线辅助供电线路的结合，大型矿用卡车也将能够完全依靠电池电力技术运行。
运营商选择其中一种技术、还是两种技术并用，需要综合考虑矿山的各种限制因素，包括以下几点：
装载区和卸载区的位置；
完成装载和卸载作业所需的资源；
矿山各处的电力供应情况；
矿山设计带来的其他运营限制。
充电站
矿用设备的充电解决方案分为四类，每类都适用于不同的应用场景：
车载快速充电系统：适用于露天矿山使用的大型矿用卡车，该系统支持在架线式供电系统辅助下沿固定路线行驶时充电，也可在车辆静止时充电，采用直流供电。
车外快速充电系统：适用于露天和地下矿山使用的小型矿用卡车。这类车辆几乎持续运行，空闲时间有限（如仅 15 分钟）。车外快速充电系统本质上是在矿区各处固定位置安装的充电站，采用直流供电。
车载慢速充电系统：适用于钻机、锚杆机等固定设备。这些设备偶尔需要从生产区域的一个地点转移到另一个地点，且充电时间较长。与世界上大多数直接接入电网的设备一样，该系统可使用交流电压。
车外慢速充电系统：适用于间歇使用的设备，如人员运输车辆、设备运输车辆，以及采用电池更换模式的车辆。因此，这类设备可通过直流供电进行较长时间的充电。
架线辅助供电线路
架线辅助供电系统应用于混合动力柴油 - 电动卡车（配备电动机和柴油发电机的卡车），为卡车供电，这样在整个架线辅助供电线路范围内，卡车都无需使用柴油。
每辆车都配备有受电弓，通过与架空线路接触来获取电力，其原理与电动火车、有轨电车或电动公交车类似。
其他必要的基础设施包括电杆、架空线路系统、变电站以及将常规交流电转换为约 1500 至 3000 伏直流电的整流站。
由于架线辅助供电系统的功率需求较高，运营商可能还需要提高矿区的供电能力。在柴油 - 电动卡车上使用架线辅助供电系统，能大幅降低运营成本，具体降低幅度取决于矿山的设计，主要影响因素包括：
坡道长度：坡道越长，运输路线上消耗的柴油就越少，运营支出节省得就越多。
坡道坡度：坡度越陡，克服高度差所需的柴油就越少，运营支出节省得就越多。
循环时间：循环时间越长，需要使用的卡车数量就越多，成本也会相应增加；然而，如果架线辅助供电系统仅用于将卡车沿坡道运送至破碎机处，之后再返回，就能缩短循环时间，减少卡车使用数量，从而节省更多运营支出。
运输需求：运输的矿石吨数越多，使用架线辅助供电系统节省的运营支出潜力就越大。
对于混合动力柴油 - 电动卡车而言，当卡车连接到架线辅助供电系统时，柴油发动机会关闭，车辆通过架空线路获取电力。只有在行驶到矿区或破碎机区域的最后一段路程时，柴油发动机才会启动。未来，矿山将使用配备完整电池的卡车，并结合架线辅助供电系统。
车辆在连接到架线辅助供电系统时会进行充电，而且在脱离架线供电系统辅助行驶的路段，还能通过再生制动进行充电。
案例研究
ABB 公司架线辅助供电系统的应用实例
在过去三到四年里，对架线辅助供电系统的需求不断增加。这主要是因为矿业领域越来越认识到电气化在运营脱碳中可发挥重要作用，同时新一代混合动力柴油 - 电动卡车的出现，使得这类卡车能够相对容易地接入架线辅助供电线路。
架线辅助供电理念已迅速成为迈向未来全电动矿山的一种具有商业可行性的过渡方案。矿用卡车通常装载 3000 至 5000 升柴油，在 17 公里长的坡道上行驶半小时，每小时大约消耗 300 至 400 升柴油。借助电动架线辅助供电系统，车辆可大幅降低对柴油的需求，大幅提高碳效率。
瑞典波利登（Boliden）公司的艾蒂克（Aitik）露天铜矿就是近期应用架线辅助供电系统的一个实例。波利登公司、ABB 公司及其他几家合作伙伴共同开展试验，在一条 700 米长的架线辅助供电线路上，对四辆柴油 - 电动矿用卡车进行电气化改造。该试验的目标是每年减少 80 万升柴油用量，且在不使用化石燃料的情况下，每年运输 7000 万吨矿石。
在这个项目中，ABB 公司提供了一个数字变电站，其中包括一台 480 万千瓦的整流器，并与 ABB Ability System 800xA 控制系统相连。这是 ABB 公司首次将此类解决方案应用于矿业领域的重型卡车。通过 ABB 跨行业的数字化产品 ——ABB Ability，该解决方案具备了一流的数字化功能。
试验结束后，波利登公司宣布，将在艾蒂克矿再安装 3 公里长的架线辅助供电线路，同时在芬兰的凯维萨（Kevitsa）矿安装 1.8 公里长的架线辅助供电线路，并将 13 辆柴油矿用卡车改装为柴油 - 电动卡车，用于新的供电系统。该公司表示，这些投资将使艾蒂克矿和凯维萨矿在整个运营生命周期内的温室气体排放量分别减少 15% 和 9%。
矿山引入的电气设备越多，就越需要依靠数字化和自动化解决方案来最大限度地提升运营绩效和效率，帮助运营商做出更明智的决策。
例如，一套覆盖整个工厂的运营管理系统对于电动移动设备至关重要。运营商需要了解车辆的位置、距离下一个充电站的距离、车辆是否有足够的电量完成下一项任务，以及需要充电多长时间才能确保车辆有足够电量完成该任务。
数字化和自动化解决方案对于应对车队电气化给电网带来的各种负荷峰值也必不可少。当柴油是车队唯一的能源来源时，车辆的加速和减速不会给电网带来任何负担。而全电动车队则给矿山运营商带来了一个陌生的问题：电力需求的持续波动可能导致电网过载，甚至可能引发整个运营系统断电。
一套用于持续电力和流程控制的集成解决方案能够解决这一问题。当供电出现干扰时（例如，过多卡车同时沿斜坡通过架线辅助供电系统行驶，或过多卡车同时充电），该解决方案能在毫秒内切断非关键流程部分的供电，从而避免断电情况的发生。利用集成的电力和流程控制，充分利用流程中现有的热力和物料缓冲，其成本通常仅为使用大型电池装置来缓冲电力供应所需成本的一小部分。
在全电动矿山中，另一个关键问题是如何处理新型电池电动汽车和 / 或架线辅助供电线路给矿山规划和运营带来的限制。拥有一套集成的能源与运营管理解决方案是将这些关键方面紧密结合的关键。该解决方案应能自动控制和优化矿山负荷周期的能源使用，同时在人员和资产分配过程中，充分考虑能源管理需求。若能成功实现这一点，将能提高运营效率，降低电力消耗和运营成本。
值得注意的是，自动化不仅是电气化的推动因素，也是电气化的受益者。在前面提到的State of Play的调查中，98% 的受访者表示，矿山自动化是最能从电气化中获益的技术。安永（EY）指出，与非电动机相比，电动机所需的维护和人工干预更少。安永预测，随着电气化的发展，自动驾驶车辆、自动驾驶无人机和远程控制系统将在采矿运营中得到更广泛的应用。
“未来的全电动矿山需要更多可靠、可按需供应的电力。这些新的电力需求要求将工厂运营与电力控制全面整合。通过先进的数字化解决方案，使运营需求与设备可用性及电力供应限制相匹配，将能优化客户运营的整体效率和生产力。”
—— 杰罗姆・罗塞（Jérôme Rossé）
未来全电动矿山的基础将是一套根据矿山具体需求和规格定制的集成产品系统，而非可直接购买并投入使用的单一产品。这就带来了三个挑战，矿山运营商和技术提供商要推动和加快电气解决方案的应用，就必须应对这些挑战。
1. 原始设备制造商与技术提供商之间的战略合作
矿用移动设备电气化市场仍处于起步阶段，这一点从目前尚无原始设备制造商直接提供现成的全电池电动汽车便可看出。此外，该市场仍存在众多技术解决方案尚未覆盖的瓶颈。
例如，要让大型矿用卡车完全实现电池电动化，就需要 3-5 兆瓦的充电解决方案，但目前尚无通过连接器向卡车传输如此大量电力的方法。（AMT注：我国的兆瓦超充技术已实现4.5兆瓦双枪超充的能力）
为克服这些挑战，原始设备制造商和技术提供商必须比以往任何时候都更紧密地合作。
作为此类合作的早期案例，ABB 公司近期先后与日立建机（Hitachi Construction Machinery）、利勃海尔矿业设备公司（Liebherr Mining Equipment）、史陶比尔公司（Stäubli）和 MEDATech 公司签署了谅解备忘录，旨在加快向全电动矿山的转型。根据这些不同的协议，各方将共享专业知识，合作推出相关解决方案，以减少矿用重型机械的排放量，并共同探索将 ABB 的电气化解决方案应用于矿用移动设备的可能性。
2. 基于全电动矿山理念进行矿山设计
打造全电动矿山的第一步是重新设计矿山，以优化电气化运营性能，确保电气化发挥最佳效果。
传统上，矿业公司在可行性研究阶段会寻求第三方工程、采购和施工管理公司或咨询顾问的帮助。然而，这些机构尚未涉足电气化市场。在缺乏其他合作方的情况下，技术提供商需要从研究、咨询和设计阶段就参与到电气化工作中。
这种合作将贯穿研究、工程设计、概念验证阶段，甚至延伸到执行阶段。
在设计阶段，技术提供商需要深入了解矿山的运营条件和限制因素，明确客户希望通过电气化实现的目标。
随后，技术提供商应利用自身的知识和产品，提供以下方面的建议：
优化解决方案（如充电系统、架线辅助供电系统、提升机、输送机，或其中两种及两种以上方案的组合），以适应矿山的地质条件和运营限制；
综合考虑基于工作周期的负荷情况、谐波、电压骤降缓解措施和网络保护等因素的集成电气解决方案；
针对每种应用场景选择合适的技术，并充分考虑能源效率和环境影响。
3. 对员工进行新技术培训
提升员工技能以满足电气、数字和自动化系统的需求也至关重要。
例如，拥有大型矿用卡车的驾驶执照，并不意味着某人就能熟练操作配备复杂车载界面且充电要求严格的电动汽车。如果涉及无人驾驶技术，员工所需的技能将进一步从传统驾驶技能转向数据处理、技术规划等领域。
在与电气化相伴而生的新型数字化工作环境中，员工的工作内容将从常规任务转向需要更高层次思维能力和人机界面管理能力的岗位。归根结底，电气化需要对员工进行新技能的强化培训，并培养员工开放的心态，以适应这种变革。
“数字化转型和可持续发展是将继续推动矿业创新的两大趋势。拥有成熟领域经验的可靠技术合作伙伴与矿山运营商之间需要建立合作关系，共同采用能优化生产力、可持续性并最终提高盈利能力的新技术。随着自动化和电气化水平的不断提高，迈向全电动、数字化和可持续矿山的征程正在稳步推进。”
—— 马科斯・希拉尔（Marcos Hillal）
采购一批电池电动汽车或安装一条架线辅助供电线路，只是实现全电动矿山征程中的众多步骤之一。
要成功打造全电动矿山运营体系，需要从矿山到港口全面实施电气、数字和自动化集成系统网络，这需要转变思维模式，并与原始设备制造商及技术供应商建立长期合作关系。为此，ABB 推出了 ABB Ability™ eMine 解决方案，助力矿业公司迈向全电动矿山建设。
借助 ABB Ability™ eMine，ABB 从规划阶段便与矿山运营商展开合作，设计量身定制的解决方案，并将其与自身的数字应用相集成。通过对矿山进行全面数字化整合，ABB Ability™ eMine 能够帮助矿业公司规划、监控和控制生产流程，实现运营和能源使用的优化。
在全电动矿山运营体系投入运行后，ABB 旗下的一系列先进数字服务将继续优化生产过程。这些数字解决方案会收集并分析资产与运营数据，使 ABB 的矿业专家能够远程识别、分类并优先处理各项工作，为矿山运营提供支持。最终建成的矿山不仅能最大限度减少二氧化碳排放，还能提升能源效率和整体采矿绩效。
“我们与矿业行业的发展步伐保持一致，契合行业目标，并且完全相信未来采矿行业所需采取的发展方向。那些能够克服初始资本支出障碍，在充电基础设施、电池更换、架线辅助供电系统或多种方案组合等方法上进行审慎冒险，并充分利用数字知识、数据应用和可靠自动化流程的矿业公司，将在市场中占据优势地位，其投资回报不仅有利于自身运营，也将惠及矿山之外的整个世界。”
—— 迈赫扎德・阿什纳加兰（Mehrzad Ashnagaran）