采矿中的可再生能源:主动作业的实际应用

从历史上看，煤矿一直使用化石燃料作为动力，考虑到高昂的运输和储存价格，这是一项昂贵的工作，更不用说向大气中排放的温室气体(GHG)数量——对自然环境的成本非常高。最近，几家煤矿运营商制定了雄心勃勃的减排目标，希望在未来25至30年内实现净零排放。他们的战略是:将绿色技术用于发电，以及随时随地的能源储存能力。所以，问题仍然是，我们如何到达那里?

未来的煤矿将需要生产几乎100%的能源需求——为矿山供电和为车队提供能源——零排放能源。目前，有许多技术正在开发中，以帮助我们实现大规模的采矿电气化。这包括高效可再生能源发电、短时间和长时间的低成本能源存储、高密度电池和氢动力汽车、太阳能封闭技术的热电联产以及小型模块化核反应堆(SMRs)。

迄今为止最吸引人的用例之一是混合微电网方法。一些矿山已经开始沿着这条道路前进，将风能或太阳能光伏发电与短时间锂离子电池相结合。这些配置通常能产生矿山总电力需求的10%到25%。在这些低渗透微电网中，微电网继续由柴油发电机组控制，可再生能源减少了矿山的总负荷，而短时间锂离子电池则用于减少可再生能源发电的可变性。电池本质上是作为一个运行储备，如果可再生能源发电量显著下降或增加，就会产生或储存电力，直到柴油发电机组可以安全上升或下降。这种方法允许更少的发电机组在任何给定的时间保持在线，降低燃料消耗和运行成本。

今天，许多采矿作业的目标是中等可再生能源渗透率，目标是可再生能源发电总量的40%至60%。不断降低成本，提高风能和太阳能光伏发电的性能，以及在极端气候条件下支持可靠运行的创新，使这些发电资源更具吸引力。然而，为了达到中高的可再生能源渗透，必须对柴油发电机组的调度进行修改。可再生能源发电机对微电网的贡献是巨大的，不能再被视为简单的负荷减少。储能集成是必须的，允许所有柴油发电机组关闭几个小时。在这些短时间内，风能或太阳能光伏发电足以满足矿山的电力需求。当发电机组关闭时，能量存储将控制电网，保持电能质量并控制可再生发电的可变性。

在未来，随着更积极和更高的可再生能源渗透率目标的设定，目标是接近100%的可再生能源渗透率——运营战略的重大转变是必要的。在这种情况下，柴油发电机组将只在低可再生能源发电的长时间内运行。这既需要高功率储能来缓解短时间的间歇性，也需要长时间储能来支持可再生能源的供应，将其转移到一天中的几个小时。长时间存储是实现这种工作模式的关键，目前正在开发许多技术来支持这一要求，包括液流电池、锌电池、地热和热存储、压缩气体存储和氢存储。

随着矿山可再生能源普及率的提高，将会出现几乎零成本的过剩电力。可再生能源的过剩数量取决于矿山的位置和采用的技术，可再生能源总发电量的50%可用于供热需求和卡车充电。电池驱动的卡车预计将主导100吨或以下产量的市场。300吨及以上的重型载重卡车将以氢为动力，并补充绿色氢，主要是由该矿可再生发电输出的多余电力生产的。在阳光充足的地方，热密集型采矿过程将使用太阳能封闭技术，通过一次发电技术同时产生热量和电力。锂矿需要大量的生产蒸汽，将从太阳能热发电技术中受益最大。这将导致整个锂矿开采过程的脱碳，进一步加速可再生能源集成和电动汽车对锂基电池的吸收。

最后，smr是另一种备受期待的远程采矿技术途径。smr可以在工厂生产，满足可扩展的电力需求，使矿场可以根据当前和未来的电力需求灵活地添加模块。smr可以产生兆瓦级的基载电力，可以通过其他传统的可再生能源和存储技术来补充，以满足矿山和车队的能源需求。仅在加拿大，就有十几家公司与加拿大核安全委员会签订了预先许可协议。一旦成功实现示范，采矿业将成为商业化的主要目标，因为偏远地区高度依赖昂贵的柴油燃料。

离网矿山面临发电挑战已不是秘密，但随着所有这些技术在商业开发管道中，我们有一个难以置信的机会来大幅遏制气候变化对采矿的影响。时间就是现在!

本文最初发表于加拿大矿业杂志，刊登于2020年8月7日．图片由Tugliq提供- Justin Bulota - Project Raglan。