WOZY ODSTAWCZE NA OGNIWA PALIWOWE Symbol IV.2.c

Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce
Strona 1
KARTA TECHNOLOGII
ODSTAWA - WOZY ODSTAWCZE NA OGNIWA PALIWOWE
Symbol
IV.2.c
WYRÓŻNIKI ODSTAWY
ODSTAWA:
- odstawa urobku z pól wydobywczych i rejonów eksploatacyjnych
ZAŁADUNEK:
- ładowarkami łyżkowymi w punktach załadunku w wyrobiskach konturujących pole eksploatacyjne
SPOSOBY ODSTAWY UROBKU:
- odstawa urobku za pomocą wozów odstawczych szufladowych lub typu wywrotka z napędem z
ogniw paliwowych
OPIS TECHNOLOGII
Charakterystyka
W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych źródeł energii elektrycznej naukowcy sięgają po mniej
znane i mało opanowane rozwiązania ogniw paliwowych ze stopionymi węglanami i zestalonymi
tlenkami. Oba rodzaje mają przetwarzać paliwo na prąd elektryczny ze sprawnością 50% - 60%.
Ogniwa te charakteryzują się wysoką temperaturą pracy: ogniwa ze stopionymi węglanami pracują
w temperaturze 650 stopni Celsjusza, a ogniwa tlenkowe w temperaturze zbliżonej do 1000 stopni
Celsjusza. Oznacza to, że powstająca jako produkt uboczny woda ma postać pary przegrzanej,
którą można wykorzystywać do napędzania konwencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym
generatorem elektrycznym, albo do grzania wody. Wysoka temperatura pracy umożliwia też
bezpośrednie wykorzystywanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast czystego wodoru).
Zastosowanie wozów odstawczych z napędami elektrycznymi zasilanymi za pomocą baterii ogniw
paliwowych daje możliwość zastąpienia napędów spalinowych stosowanych dotychczas w
samojezdnych maszynach górniczych.
Obecnie stosuje się cały szereg różnych typów ogniw paliwowych:
- ogniwa alkaliczne (zasadowe) AFC, w których paliwem jest wodór H2, hydrazyna N2H4 lub metan
CH4. Elektrody są wykonane z różnych metali. Elektrolit stanowi roztwór wodorotlenku potasu.
- ogniwa polimerowe (membranowe) SPFC, w których paliwem jest wodór H2 lub metanol CH3OH.
Elektrody wykonuje się z platyny. Elektrolitem jest jonowymienna mem-brana z polimeru sulfono fluoro - węglowego.
Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce
Strona 2
- ogniwa kwasu fosforowego PAFC, w których paliwem może być wodór H2, gaz ziemny, nafta,
metanol CH3OH, biogaz. Elektrolitem jest stężony kwas fosforowy a elektrody wykonuje się z platyny
naniesionej na podłoże węglowe spajane teflonem.
- ogniwa węglanowe MCFC w których elektrolitem jest mieszanina węglanów alkalicznych a
elektrody są wykonywane z porowatego niklu z dodatkiem chromu (anoda), oraz z porowatego
tlenku niklu z dodatkiem litu (katoda). Paliwem może być gaz ziemny, metanol lub biogaz.
- ogniwa tlenkowe SOFC, w których elektrolitem jest nieporowaty stały tlenek metalu (najczęściej
cyrkonu ZrO2) stabilizowany tlenkiem irytu Y2O3. Jako paliwo wykorzystuje się gaz ziemny lub
biogaz.
Jak widać jest cały szereg różnych rozwiązań ogniw paliwowych. Są one stosowane w różnych
dziedzinach techniki. Nie wszystkie z nich nadają się jednak do zastosowania jako źródło energii w
samojezdnych maszynach górniczych.
Opis budowy wozu odstawczego
Wóz odstawczy składał się będzie z ciągnika i skrzyni ładunkowej połączonych przegubem o
dwóch stopniach swobody. Stosowane są dwa typy wozów odstawczych: szufladowe i wywrotki.
Skrzynia ładunkowa typu szufladowego składa się ze skrzyni stałej, skrzyni ruchomej oraz klapy
zamykającej. Taka konstrukcja umożliwia opróżnianie skrzyni ładunkowej poprzez przesuwanie
urobku w poziomie co w porównaniu z wywrotką nie wymaga dużej wysokości wyrobiska w miejscu
rozładunku. Wywrotka posiada skrzynię ładunkową z jednym stopniem swobody, podnoszoną
siłownikami hydraulicznymi. Ciągnik wozu odstawczego jest jednostką napędową, na której
zlokalizowane jest stanowisko operatora. Część napędową stanowić będzie silnik elektryczny
zasilany z ogniw paliwowych. Układ jezdny może pozostać jak w obecnych maszynach spalinowych
tj. ze zmiennikiem momentu i hydraulicznie sterowaną skrzynią biegów oraz mostem napędowym w
części ciągnikowej lub maszyna może posiadać napęd elektryczny od silników zabudowanych w
kołach
Rodzaj energii zasilającej
W ogniwie paliwowym następuje bezpośrednia przemiana energii chemicznej w energię
elektryczną. W wozie napędzanym ogniwami wodorowymi, wodór jest wykorzystywany do produkcji
prądu, który z kolei zasila tradycyjny silnik elektryczny. Ogniwo paliwowe zawiera elektrody
zbudowane z warstw niklu i platyny. Jest bardzo skuteczne, a przy tym odporne na zużycie. Wodór
łączony jest w ogniwie paliwowym z tlenem. W wyniku reakcji powstaje woda i prąd elektryczny,
który służy do napędzania wozu.
Zakres zastosowania
Wozy napędzane paliwem ogniwowym mogą pracować w trudnych warunkach geotermicznych.
Transport urobku z miejsca załadunku ładowarkami do stanowisk przeładowczych. Przemieszczanie
wozów wyrobiskami transportowymi, wzdłuż pól eksploatacyjnych i na dłuższych drogach odstawy z
rejonu.
Zalety i wady
Do najistotniejszych zalet wykorzystania wozów odstawczych napędzanych ogniwem paliwowym
są:
- obniżenie jednostkowej eksploatacji przez obniżenie kosztów wentylacji
Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce
Strona 3
- możliwość eliminacji układów mechanicznych przeniesienia napędu na koła poprzez zastosowanie
silników elektrycznych w kołach
- możliwość eksploatacji złoża w trudnych warunkach geotermicznych
- produkcja energii elektrycznej bezpośrednio z paliw węglowodorowych
- prostota układu przetwarzania energii chemicznej na elektryczną
- duża sprawność przetwarzania energii wyprzedzająca znacznie inne przetworniki energii
- produkty uboczne jak H2O, CO2, N2 są czyste i bez zapachu
- ekstremalnie mała emisja SOv, NOx, węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych
- niski poziom hałasu
- odporność ogniw na drgania i ścieranie
- do produkcji ogniw paliwowych (oprócz elektrod) nie jest wymagana szczególna precyzja
- możliwość bardzo dużych przeciążeń chwilowych
- niewielka zależność sprawności ogniwowej od wymiarów urządzenia
- łatwość rozbudowy układu w miarę rosnących potrzeb z uwagi na modułową budowę ogniw
- bardzo dobra regulacyjność - ogniwo paliwowe samoczynnie dobiera paliwo i utleniacz w ilościach
odpowiadających obciążeniu po stronie elektrycznej
Wady:
- konieczność wyprodukowania wodoru
- występują pewne trudności w kompresji wodoru; sprawność kompresji wynosi około 55%
- przechowywanie wodoru wymaga stosowania zbiorników ciśnieniowych podlegających kontroli
UDT
- wymagane jest przygotowanie odpowiedniego systemu dystrybucji paliw w kopalni i opracowanie
przepisów górniczych w tym zakresie
- system transportu i magazynowania wodoru w warunkach kopalni podziemnej może okazać się
bardziej kosztowny niż ww. systemy dotyczące obecnej gospodarki paliwowej
- wodór jest materiałem dużo bardziej wybuchowym niż paliwa używane obecnie, stąd wymagana
jest dopuszczenie tego rodzaju technologii do stosowania w kopalni
- niskie napięcie prądu uzyskiwane z pojedynczej celi <1V
- stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu
- na obecnym etapie rozwoju omawianej technologii jeszcze stosunkowo wysoka cena głównie
materiałów na katalizatory
Czynniki, elementy decydujące o możliwościach rozwoju technologii
Wozy odstawcze z napędem spalinowym stosowane obecnie w kopalniach rudy miedzi LGOM
pracują w coraz trudniejszych warunkach klimatycznych. Wynika to z konieczności uruchamiania
eksploatacji złoża rudy miedzi na głębokościach 1100-1300 m, gdzie temperatura i wilgotność są
zdecydowanie wyższe i już obecnie pojawiają się poważne problemy z eksploatacją silników
spalinowych w rejonach gdzie temperatura powietrza w wyrobiskach transportowych przekracza 30°
C. Problemy te będą się nasilały wraz z uruchamianiem eksploatacji w kolejnych oddziałach na
obszarze "Głogowa Głębokiego Przemysłowego". Rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie
wozów odstawczych z napędami elektrycznymi. Pojawia się jednak zadanie dostarczenia energii do
napędu takich maszyn. Obecnie stosowane rozwiązania w tym zakresie, tzn. zasilanie za
pośrednictwem trakcji podwieszanej pod stropem wyrobisk transportowych czy też baterii
akumulatorów nie spełniają do końca wszystkich wymagań ruchowych. Dlatego konieczne jest
poszukiwanie alternatywnych nośników energii.
Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce
Strona 4
Ogniwa paliwowe są dziedziną badań, która rozwija się obecnie bardzo dynamicznie. Konieczna
jest pogłębiona analiza przydatności różnych rozwiązań w warunkach górnictwa rud miedzi, która
pozwoli ocenić możliwość zastosowania ogniw paliwowych jako nośnika energii dla wozów
odstawczych z napędami elektrycznymi. Ponadto należy poddać ocenie technicznej, organizacyjnej
oraz kosztowej możliwość bezpiecznego transportu i dystrybucji paliw dla wytypowanych rodzajów
ogniw paliwowych w kopalniach podziemnych, w szczególności w kopalniach rud miedzi.
Bateria ogniw paliwowych tzw. stos, składa się z pojedynczych elementów, z których każdy zawiera
anodę, katodę i matrycę elektrolitową. Elementy są przedzielone płytami bipolarnymi,
wyposażonymi w kanały dopływu reagentów (rys. 2)