Evaluation of Epiroc’s Battery Electric Vehicles in the Sustainable Underground Mining project at LKAB [Magistritöö. Juhendaja: M. Hitch; kaasjuhendaja: M. Lowther]

Rootsi suurim rauamaagi kaevandaja LKAB testib arendusprojekti “Sustainable Underground Mining” raames Konsulni proovikaevanduses masinatootja Epiroc teise generatsiooni akutoitelisi masinaid (allmaalaadur ST14 Battery ja allmaakallur MT42 Battery). Siiani on LKAB kasutanud kas diiselmasinaid või kaabelühendusega elektrilaadureid, aga heidetele kehtestatud üha rangemate regulatsioonide ja ühiskonna ootuse täitmiseks on üheks võimaluseks akutoiteliste elektrimasinate, mis ühendavad nii diiselmasinate kui ka kaabelühendusega elektrilaadurite kasulikud omadused ühes masinas, kasutuselevõtt.

Lõputöö esimene osa keskendub liitiumakude ja nende kasutamisega seotud teoreetilisele poolele ja aspektidele (mõju tervisele, keskkonnale, riskid), mis eristavad akutoitelisi elektrimasinaid diiselmasinatest. Lisaks üldisele ülevaatele, antakse lõputöös põhjalik ülevaade ST14 Battery ja MT42 Battery masinate kohta, et mõista konkreetsete testitavate masinate eripärasid ja kuidas need võivad mõjutada töötamist LKAB Konsulni proovikaevanduses.

Kuna kõige olulisem aspekt akutoiteliste elektrimasinate kasutusele võtul Konsulni proovikaevanduses ja pikas perspektiivis ka teistes LKAB kaevandustes, on ohutuse tagamine ja arusaam, mis riske võib liitiumakude kasutamine kaevandustes kaasa tuua, teostati lõputöö põhilise osana vastavasisuline riskianalüüs. Akutoiteliste elektrimasinate kasutamisega allmaakaevandamisel kaasnevate riskide analüüsi tulemuste visualiseerimiseks valiti “bow-tie” analüüsi meetod. Kolm põhilist rikke põhjust liitiumakudel on mehaaniline, elektriline ja termiline rike. Üldjuhul on need kolm põhjust omavahel tugevalt seotud, olles kas põhjus või tagajärg teistele riketele. Kõige sagedamini on viimane samm enne lõplikku soojuskadu sisemine termiline rike, mistõttu on aku termilise kontrolli süsteem ja aku jahutus kõige olulisemad kontrollmeetmed, et vältida liitiumaku süttimist.

Analüüsides põhilisi liitiumakudega seotud rikkeid ja nende põhjuseid ja iseloomu, pakuti lõputöös välja võimalikud kontrollmeetmed Konsulni proovikaevanduse tingimustes. Kõige olulisem ohutust tagav kontrollmeede on aku kontrollimise süsteem (Battery Management System), aga lisaks ka masina ja liitiumaku regulaarsed hooldustööd ja korrasoleku kontrollid, erinevad tulekustutamise süsteemid (nii akusisesed kui ka -välised, valmisolek aku veega uputamiseks), kaitsvad tugevduskihid aku moodulite kaitseks (kasulik nii mehaanilise kui ka termilise rikke korral) jne. Lisaks on ka oluline aspekt riskide maandamisel masinajuhtide, hooldustöötajate ja kõigi kaevanduses olevate töötajate asjakohane väljaõpe, et tagada vajalikud oskused ja teadmised akutoiteliste masinatega töötamiseks ja võimaliku rikke puhul toimimiseks.

Riskianalüüsi tulemustest lähtuvalt võib järeldada, et Konsulni proovikaevanduses on esmased vajalikud kontrollmeetmed juba rakendatud või võetud vastu otsused nende kasutusele võtuks enne ST14 Battery ja MT42 Battery masinate testimist. Kui LKAB otsustab asendada diiselmootoriga kaevandamismasinad akutoiteliste elektrimasinatega, tuleb kaevanduste edasisel projekteerimisel sisse viia küllaltki arvestatavad muudatused, kuna akutoiteliste masinate kasutamine eeldab nii täiendavat infrastruktuuri nt laasimisalade näol kui ka võimekamat elektrivõrku.

Abstract

As a part of the Sustainable Underground Mining project, Swedish iron ore mining company LKAB is testing out Epiroc’s second generation battery electric mining vehicles (Scooptram ST14 Battery and Minetruck MT42 Battery) in Konsuln test mine. So far LKAB has used either diesel equipment or tethered electric loaders in the production but with stricter environmental regulations and societal demand, one way forward could be battery electric vehicles which combine benefits from both types of vehicles.

The first part of the thesis is focused on the theory of lithium-ion batteries and the specificity of battery electric vehicles compared to diesel vehicles that are mostly used in the mining industry – health aspects, environmental performance, and risks associated. In addition to the general insight into the topic, a more in-depth look at Epiroc’s MT42 Battery truck and ST14 Battery loader was done to understand the specifics of those vehicles and what are the features of the new technology and how can it affect their performance in LKAB’s Konsuln test mine. To assess the risks that BEVs present in underground mines, a bow-tie analysis was chosen as an outcome to visualise and present the findings of the risk analysis.

The most important aspect in implementing battery electric vehicles in Konsuln test mine and in the long run to LKAB other mines, is the safety of the change and to understand the risks that bringing big lithium-ion battery packs to an underground mine present, an in-depth risk analysis was done as part of the thesis. The three key lithium-ion battery abuse conditions are mechanical, electrical, and thermal abuse. Most commonly those abuse conditions are related to each other as being a cause or consequence for others. Most commonly cell or battery internal thermal abuse is the last step before thermal runaway is initiated so battery’s thermal management and cooling are the most important countermeasures to prevent battery fire when using BEVs. 

Based on the risk events and their causes and nature, possible control measures were discussed and proposed in the conditions of the Konsuln test mine. The most important one is the Battery Management System, but also regular maintenance of the vehicle and the main battery, various fire suppression systems (both battery internal, external, and availability for battery flooding), protective layers for battery (useful in case of mechanical abuse and with a thermal event), etc. One important aspect in managing the risks is the training of the operators, maintenance workers, and everybody working in a mine where BEVs are used, so they would know what it means to work with battery electric vehicles.

Based on the results of the risk analysis, in the Konsuln test mine, essential measures are already in place or have been decided to implement before starting the tests with Epiroc’s MT42 Battery truck and ST14 Battery LHD. However, when the decision is made to replace ICE mining vehicles that are mostly used in LKAB mines with battery electric vehicles, significant changes need to be implemented to mine planning and development as working with BEVs requires additional infrastructure and connectivity.