Если я заменю батарейки

Использование аккумуляторных батарей для спецтехники, похоже, переходит из статуса «хайповых» проектов в индустриальный тренд. В последние годы машиностроители или запускают работу над прототипом или даже переходят к мелкосерийному производству такого оборудования.

Судите сами: «зелёный» экскаватор-погрузчик CASE, электрический грузовик DAF, целое семейство аккумуляторной техники Volvo, электросамосвал БЕЛАЗ… Но это всё машины для наземной эксплуатации. А ведь в условиях шахты такая техника — просто то, что доктор прописал.

«Последние пять лет многие производители горного оборудования реализуют программы по проектированию и производству самоходного оборудования с электрическим или гибридным приводом, в котором применяются аккумуляторные батареи. Актуальность таких машин постоянно растёт. Это связано с  ужесточением экологических норм, углублением подземных горных выработок и увеличением затрат на проветривание.

Несмотря на то, что техника на аккумуляторных батареях в горном производстве пока ещё на стадии внедрения, она уже широко востребована в складском хозяйстве и в некоторых производственных цехах.
Машины на аккумуляторных батареях имеют большие перспективы именно в шахте, так как они помогают решать проблему проветривания.

Подаваемый в выработку чистый воздух активно потребляется, в том числе и двигателями внутреннего сгорания. Чем глубже шахта, тем сложнее и дороже обходится вентиляция подземных горных выработок», — объясняет исполнительный директор GHH Group в России Дмитрий Жуков.

«Я считаю, что применение аккумуляторной техники наиболее актуально в шахтной добыче. В первую очередь причиной является отсутствие выхлопных газов у такой техники, что напрямую влияет на качество воздуха в шахте. Тут необходимо учитывать не только экологический, но и экономический аспект — углубление шахт по мере выработки приводит к тому, что требуется модернизация вентиляторов главного проветривания, а это довольно дорого.

Переход на аккумуляторную технику зачастую позволяет получить отсрочку. Очень важным является и отсутствие теплового излучения, что для шахт, находящихся в зоне вечной мерзлоты, также может служить дополнительным стимулом к внедрению подобной техники», — уточняет руководитель направления «Электротранспорт» ООО «РЭНЕРА» (входит в АО «ТВЭЛ» и «Росатом») Алексей Горяев.

Ставки на литий-ионные батареи

И, по большому счёту, шахты с аккумуляторной техникой давно и продуктивно работают. Генеральный директор Тульского завода горно-шахтного оборудования Игорь Ишков напомнил, что со времён СССР в шахтах и рудниках курсирует рельсовый шахтный транспорт на аккумуляторных батареях, установленных на локомотиве. Это могут быть щелочные или кислотные АКБ. Они и сейчас в ходу на многих объектах добычи: других-то долгое время просто не было, так что десятилетиями шахтеры эксплуатировали именно старые модификации аккумуляторных батарей.

Для рельсового шахтного транспорта такие аккумуляторы используют и сегодня. Рынок этот достаточно узкий и специфичный, г-н Ишков уточняет, что работают тут всего два производителя, один выпускает кислотные батареи, а другой — щелочные.

«Собственно, у них мы и приобретаем батарейные банки, в которые потом заливаем электролит. Являясь производителем рельсового шахтного транспорта, мы закупаем «начинку» для аккумуляторных батарей разных типов, а потом на заводе упаковываем всё в аккумуляторный отсек. Заправляют и кислотой, и щёлочью их уже на объекте добычи», — объясняет директор Тульского завода горно-шахтного оборудования.

Но батареи, основанные на окислительно-восстановительных реакциях, хороши только для рельсовой техники. Чтобы развивать это направление, переводить другие машины на этот тип питания, нужны новые типы батарей. Сегодня специалисты делают ставки на литий-ионные решения.

«В новых литий-ионных аккумуляторах накопление энергии осуществляется в основном за счёт механического перемещения ионов лития от катода к аноду и их накопления в  материале анода, которым обычно служит тот или иной вид графита, куда ионы способны проникать, (интеркаллировать). При заряде ионы собираются в анодном материале, при разряде — в катодном материале, состоящем, как правило, из оксидов лития, марганца, кобальта, никеля, железа или других элементов. Химические реакции в литий-ионных батареях имеют второстепенное значение. При этом достигается рост как удельной мощности, ёмкости, так и  ресурса батарей», — объясняет директор по маркетингу ООО «Энер Зэт» Виктор Москалёв.

«Литий-ионные аккумуляторы — это новое поколение АКБ, многие, если не все, о нём уже слышали. Во-первых, потому что это самые современные аккумуляторные батареи, во-вторых, потому что на них работают наши смартфоны. В горнодобывающей промышленности они тоже начинают использоваться, приходят на  смену кислотным и щелочным. Пока, правда, это редкие случаи», — говорит Игорь Ишков.

«В условиях подземной выработки аккумуляторная техника даёт возможность сэкономить на строительстве и обслуживании инфраструктуры. Немаловажен экологический аспект и комфорт шахтеров, которым не приходится работать в загазованной выхлопами самоходного оборудования среде. Кроме того, в подземных выработках поддерживаются в основном положительные температуры, а зарядную инфраструктуру можно расположить близко к технике».

«Литий-ионные батареи имеют больший ресурс работы, быстрее заряжаются и не прихотливы к условиям зарядки. Преимущество такой техники в её мобильности («ювелирный инструмент» для извлечения руды с минимальным разубоживанием), экономичности, надёжности и экологичности, что очень важно именно для горной отрасли в будущем, особенно при уходе на низкие горизонты и усложнении условий извлечения.

Такая техника позволяет в буквальном смысле «продлить жизнь» рудников. В планах компании по производимым аккумуляторным машинам — расширение процента локализации в части аккумуляторных батарей и электродвигателей машины, а также продуктовой линейки за счёт производства погрузчиков большей грузоподъёмности».

Литий-ионные пионеры

Специалисты «Энер Зэт» считают, что будущее именно за техникой на литий-ионных батареях. По их словам, развитие этих источников питания открывает возможность оснащения этими аккумуляторами как техники, которая ранее была электрифицирована, так и машин, использующих сегодня энергию двигателей внутреннего сгорания.

«Вот лишь некоторые преимущества такого перехода. Во-первых, снижение выбросов, экономия топлива. Во-вторых, сокращение затрат на обслуживание и повышение времени работы оборудования при замене аккумуляторов старого типа на новые литий-ионные. Ну и в-третьих, большая мобильность техники при замене проводного электропитания на аккумуляторное», — комментирует Виктор Москалёв.

«В горнодобывающей промышленности у аккумуляторных батарей большие перспективы, в частности, для погрузочно-доставочных машин, самосвалов и самоходных буровых установок. Достаточно продвинутый батарейный привод и у некоторого вспомогательного оборудования для перевозки персонала. Так, наша компания в прошлом году выпустила на рынок полностью электрический автомобиль для перевозки персонала — Tembo 4х4», — перечислил Дмитрий Жуков виды техники, перспективные для оснащения литий-ионными аккумуляторами.

Примечательно, что GHH Group — не единственный на сегодняшний день производитель шахтных электромобилей для перевозки персонала. Такую технику уже презентовали Hermann Paus Maschinenfabrik GmbH и  Miller Technology (подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Шахтные электромобили. С аккумулятором под землю»). Виктор Москалёв отмечает: в том, что именно этот вид техники оказался в числе аккумуляторных пионеров, ничего удивительного нет. От такой машины не требуется круглосуточная работа, поэтому можно организовать её подзарядку без всякого ущерба плану.

Но производители уже пошли и дальше, причём в дело включились предприятия российские. Здесь отметим два очень интересных и во многом уникальных проекта. Во-первых, в структуре горнорудного дивизиона «Ростатом» АО «Атомредметзолото» появилось подразделение ООО «АРМЗ Горные машины» — производитель горно-шахтной техники.

Предприятие позиционирует себя как «российская компания, представляющая первую аккумуляторную погрузочно-доставочную машину на базе литий-ионной батареи».

А во-вторых, как мы уже упоминали, на литий-ионы перебирается техника, которая ранее работала на щелочных и кислотных АКБ. Речь, конечно же, о шахтном рельсовом транспорте: Тульский завод горно-шахтного оборудования создал шахтный электровоз на литий-ионах. Пока это, правда, проект единичный, но нужно же с чего-то начинать. Здесь также подчеркнём, что производитель аккумуляторов — российская компания «Лиотех».

Аккумуляторная техника теперь и в России

Машиностроительное предприятие в составе «Атомредметзолото» ещё совсем молодо, «АРМЗ Горные машины» отсчитывает свою историю с 2019 года. А в марте 2020-го две погрузочно-доставочные машины Argo ПДМ 140 Б производитель передал ППГХО. В деле приняла активное участие компания Aramine — французский партнёр российского предприятия.

Первые машины, собственно, и собрали во Франции, однако руками российских сотрудников, которые отправились в Европу «для обмена премудростями». Теперь это уже серийное производство, организованное на площадке Приаргунского производственного горно-химического объединения (город Краснокаменск, Забайкальский край).

«Запуск производства связан с необходимостью повысить эффективность и снизить затраты на ведение горных работ при отработке месторождений полезных ископаемых в  выработках узкого сечения. В нашем случае, при добыче урана на ПАО «ППГХО», появилась необходимость заменить дизельные и электрические ПДМ зарубежного производства.

Их высокая стоимость, эксплуатационные расходы и потери от простоев в ожидании поставки запасных части как раз и  стали причинами поиска инновационных решений. Собственные аккумуляторные погрузчики решили ряд проблем», — объяснил председатель совета директоров ООО «АРМЗ Горные машины» (АМГ) Игорь Семёнов.

Он подчеркнул, что речь не идёт о том, что принято называть «отвёрточной сборкой». Конструкторскую и техническую документацию производитель адаптировал к российским стандартам. Раму, стрелы и ковши создают на промплощадке в Краснокаменске, здесь же собирают детали корпуса и устанавливают необходимые комплектующие — французские. Импортные и сами литий-ионные аккумуляторы, однако в перспективе их должны заменить российские аналоги, продукция ещё одного производителя в структуре «Росатома».

Как уже упоминал г-н Семёнов, предназначена Argo ПДМ 140 Б для работы на узкожильных месторождениях, ширина машины всего 1,1 м, грузоподъёмность ковша — 1,3 тонны, мощность двигателя — 50 кВт. По словам производителя, машина не только соответствует российским стандартам, но даже превосходит их.

«Эксплуатация аккумуляторных ПДМ обеспечивает значительное улучшение условий труда операторов в шахтных условиях за счёт исключения вредных выбросов, снижения уровня шума и вибраций, улучшение эргономических характеристик машины. Этому способствует ряд факторов: использование аккумуляторных батарей, отсутствие питающего кабеля электродвигателя, отсутствие ДВС и упрощение конструкции машины. ГК «Росатом» отметила проект как обеспечивающий устойчивое развитие по критериям «Достойная работа и экономический рост», «Ответственное потребление и производство», «Борьба с изменением климата», — подчеркнул Игорь Семёнов.

Мы ещё вернёмся к разговору о том, что работа с аккумуляторной техникой диктует свои требования. Как минимум, машина нуждается в регулярной подзарядке. Argo ПДМ 140 Б может работать до 4 часов — в зависимости от уровня загрузки и условий эксплуатации. После этого ему нужна «дозаправка», полная зарядка займёт 4-5 часов. Возможна частичная подзарядка, но это и частичное решение проблемы. Поэтому, чтобы исключить простой, производитель предусмотрел возможность быстрой замены батареи, что позволит машине продолжить работу от сменного аккумулятора.

«Для этого в шахтах предусматриваются специальные камеры и  устанавливается дополнительное оборудование — зарядные станции с манипуляторами. Так, например, уже к концу 2021 года мы планируем переоборудовать все имеющиеся в  производстве машины системой быстрой замены аккумуляторов. Пункты зарядки аккумуляторов располагаются в выработке, в непосредственной близости от поля работы машины для экономии заряда на технологические операции.

Процесс занимает не более 10 минут, с задачей справится один оператор. При этом нет необходимости обслуживания кабеля, как у обычной электрической машины, постоянных заправок и доставки горючих материалов, как для дизельных машин, что даёт существенную экономию эксплуатационных расходов и расходов на техническое обслуживание и ремонт», — рассказал Игорь Семёнов.

Пока продукция «АРМЗ Горные машины» — это ПДМ для собственных объектов. В перспективе предполагается корректировка обоих пунктов: производитель намерен освоить выпуск другой шахтной техники, а также создавать продукцию для сторонних заказчиков.

«В локализацию производства первых в России аккумуляторных погрузчиков Argo ПДМ 140 Б заложена идея не просто произвести современную технику для российского и зарубежного рынка, но и адаптировать её в реальных производственных условиях, проработав особенности эксплуатации и сервисного обслуживания. Уже сейчас рад крупных российских горнодобывающих холдингов проявляет коммерческий интерес к нашей продукции», — рассказал г-н Семёнов.

«Аккумуляторными батареями оснащают, прежде всего, транспорт. На карьере в них, как правило, нет необходимости, так как там грузы транспортируют с помощью самосвалов. Аккумуляторные батареи востребованы на объектах, опасных по газу и пыли, где есть риск резкого и мощного возгорания или даже взрыва, а также там, где узкие выработки, по которым колёсная техника не пройдёт.

Локомотивы на аккумуляторных батареях могут быть исполнены как в РП, так и в РВ-варианте, то есть сам батарейный ящик можно «упаковать» в специальный взрывозащищенный корпус и эксплуатировать на взрывоопасных шахтах и рудниках. Машины с двигателями внутреннего сгорания чаще используются на открытых объектах добычи, аккумуляторные локомотивы — под землей. Но варианты транспортировки грузов могут быть разными и зависят от конкретных условий на объекте добычи».

«Мировой опыт применения литий-ионных аккумуляторных батарей в добывающей промышленности уже достаточно широко развит в области оснащения такими аккумуляторами подземных погрузочно-доставочных машин. Первые шаги делаются в области карьерной большегрузной техники на аккумуляторах. Холдинг «БЕЛАЗ» выпустил аккумуляторный самосвал грузоподъёмностью 90 тонн и в настоящее время проводит его испытания. Можно предположить, что в области конвейерных и других транспортёров также найдётся применение аккумуляторам, в том числе таким, которые позволили бы снять контактную сеть на части маршрутов».

Электровоз на батареях

Шахтный электровоз на литий-ионных батареях — проект и вовсе уникальный. Вот что получается, когда объединяются машиностроители (в  лице ТЗГШО), наука (Новосибирский государственный технический университет), госкорпорация («Лиотех» — проект «Роснано») и добывающая компания, готовая вкладываться инновации, — машина предназначена для рудника «Интернациональный» «Алросы».

Учёные НГТУ разработали для нового электровоза двигатель. Удалось не только выполнить задачу импортозамещения, но и увеличить производительность машины на 50% по сравнению с электровозами предыдущих поколений. Новосибирцы презентовали своё решение как «первый в России синхронный двигатель с постоянными магнитами для рудничного электровоза». Из Сибири же разработчики системы управления — эту задачу выполнила томская компания «НПФ Мехатроника-Про».

Литий-ионные батареи создала компания «Лиотех», и именно в сочетании с ними удалось достичь такого роста производительности оборудования. Новые батареи избавили сотрудников «Интернационального» от необходимости доливки кислоты или щёлочи — процесса небезопасного, требующего особых условий.

«Мы слышали разные мнения в отрасли об этом типе батарей, но мы осознанно сделали такой выбор. Это современный наполнитель для АКБ: у него повышенная энергоёмкость, зарядка длится всего 2-4 часа. Для сравнения, полная зарядка кислотных или щелочных батарей длится до суток — в зависимости от их состояния. Литий-ион не выделяет вредных испарений, кроме того, такой батареей можно управлять: контролировать уровень заряда, видеть системные ошибки внутри блока и оперативно их исправлять.

Для этого мы совместно с поставщиком литий-ионных батарей разработали специальную электронную систему управления зарядом батареи», — рассказал директор Тульского завода горно-шахтного оборудования, где, собственно, электровоз и был создан и прошёл производственные испытания.

Продолжение следует?

Здорово, правда? Экологично, экономично, современно. И при этом…

«Насколько мне известно сейчас в  РФ всего на 3-х объектах используют технику с литий-ионными аккумуляторами», — говорит Алексей Горяев.

Понятно, что и Москва не сразу строилась, но всё-таки, что мешает развитию литий-ионного движения?

«Говорить о повсеместном переходе на батарейный электропривод ещё рано. Во-первых, горнодобывающая отрасль консервативна и утилитарна. Электрооборудование достаточно дорогостоящее, и для перехода на него потребуется веское экономическое обоснование. Во-вторых, пока батареи при высокой стоимости располагают недостаточной удельной ёмкостью. И, конечно, сегодня недостаточно развиты технологии и механизмы утилизации, что при массовом применении батарейного электропривода должно быть необходимым условием», — рассуждает Дмитрий Жуков.

Ёмкость аккумуляторной батареи — это действительно существенный барьер. И если по сравнению со  щелочными батареями они выигрывают — на этом сделал акцент Алексей Ишков, то по сравнению с  традиционным топливом, конечно, нет. Мы уже рассказывали, что «АРМЗ Горные машины» нашли выход из положения, но всё-таки необходимость подзарядки — это реальная проблема, тем более, что горная техника подразумевает работу в режиме 24/7.

«Хотя ёмкость аккумуляторов сильно выросла, как было сказано выше, но всё же она меньше удельной теплоёмкости жидкого топлива в несколько раз. Так что вопрос подзарядки и  экономии энергии становится очень важным», — подтверждает Виктор Москалёв.

Далее — цена. Да, подтверждает г-н Москалёв, стоимость таких аккумуляторов высока — пока. Это динамичный рынок, и цена планомерно снижается — традиционно сравнение литий-ионной батарей с процессором. При этом специалист «Энер Зет» отмечает интересную деталь: производство литий-ионных батарей соотносимо с горной отраслью, ведь для их создания необходимы компоненты и полезные ископаемые, большинство из которых в России есть. Где-то добыча идёт, где-то есть перспективы, но, согласитесь, любопытно: чтобы создать решения, актуальные в добывающей отрасли, нужно развитие этой самой отрасли.

«Один из контраргументов против использования литий-иона в шахте — его дороговизна. Сегодня технология стремительно дешевеет: когда мы начали «прощупывать» рынок поставщиков, на нём была одна цена, сейчас она упала в несколько раз, потому что предложений стало больше. Кроме того, эксплуатация аккумулятора на литий-ионе обходится дешевле: нет расходников, срок службы в два раза дольше, не нужны специальные комнаты для зарядки с усиленной вентиляцией, работа АКБ контролируется, значит, нет простоев, которые влекут за собой экономические потери.

Так что цена — не барьер для развития, наоборот, мы делаем ставку на АКБ на литий-ионах, это будущее, которое уже наступило. Мы уже в нём, и уверены, что не за горами тот момент, когда добывающие компании шагнут на другой уровень развития и цифровизации и примут переход на новый тип аккумуляторных батарей как альтернативу, более эффективную в использовании», — уверен Игорь Ишков.

«Ещё сложность связана с тем, что аккумуляторы большей удельной ёмкости и мощности требуют тщательного контроля над их параметрами, такими как уровень и напряжение заряда, мощность разряда и другое. Для этого они снабжены системой управления батарей. (BMS) и обслуживание таких устройств уже требует другой квалификации персонала», — продолжает Виктор Москалёв.

«Литий-ионный аккумулятор — это, вопреки традиционным представлениям, достаточно сложное, высокотехнологичное устройство, требующее соответствующего подхода при обслуживании и эксплуатации. Они достаточно дороги по первоначальным затратам по сравнению со свинцовыми аккумуляторами, но  эффект от внедрения проявляется на протяжении срока эксплуатации. Например, свинцово-кислотный аккумулятор служит около 1,5 лет, литий-ионный — около 8 лет», — рассуждает Алексей Горяев.

К тому же, как и всё новое, аккумуляторная техника требует экспериментального подхода, терпения и, конечно, инвестиций. Как мы видели, для выпуска такого оборудования требуются совместные усилия нескольких участников рынка из разных сфер. Г-н Горяев отмечает, что создание аккумуляторной техники подразумевает именно производство такой машины, а не дооснащение имеющейся (тем более, что нормативная база таких работ не подразумевает), то есть это опять же большой проект.

Ведь не случайно «Алроса» оказалась в числе пионеров. Эта компания вообще открыта к инновациям, тут целый комплекс причин: востребованная высокомаржинальная продукция, удалённость, суровые условия эксплуатации. Алексей Горяев добавляет, что при принятии решения о  внедрении аккумуляторной техники имеют значение также другие условия эксплуатации: длительность смен, их количество, возможность установки зарядных станций в забое, квалификация персонала и другие.

«И всё же можно констатировать, что с каждым годом появляется всё больше видов техники на аккумуляторах. Эти решения особенно актуальны для шахт, но и на карьерах использование таких решений при определённых условиях может быть оправдано и с экологической, и с экономической точки зрения, и такие примеры есть в мировом опыте», — отмечает Алексей Горяев.

«Сегодня на мировом рынке достаточно производителей литий-ионных аккумуляторов (аккумуляторных ячеек). Но при этом нет каких-то специальных требований для их использования в горной технике, поэтому при желании можно применять аккумуляторные ячейки любого производителя, главное, чтобы конечное изделие — аккумуляторная батарея — отвечало всем требованиям нормативных актов и ТР/ТС. Ввиду достаточно высокой сложности литий-ионной батареи, а также высоких требований, особенно в части обеспечения безопасности, на сегодня проекты внедрения этих решений единичны».

---

Текст: Анна Кучумова