В суровых условиях традиционной горнодобывающей промышленности происходит революционный сдвиг, вызванный желанием достичь нулевых углеродных выбросов и отреагировать на многочисленные вызовы, в первую очередь в части охраны здоровья и операционной неэффективности. Электрификация горнодобывающих предприятий зависит от внедрения передовой силовой электроники (PE) и широкозонных устройств (WBG), которые являются основополагающими технологиями для эффективного преобразования и управления электроэнергией. Они обеспечивают не только экономию энергии и снижение выбросов, но и надежность систем. Тем временем горнодобывающий сектор превращается в ключевого игрока в модернизации энергосистем, что обусловлено увеличением количества распределенных энергетических ресурсов (DER), потребностью в энергоэффективности, а также растущей взаимосвязанностью и цифровизацией энергосистем.
Хорошо известно, что силовая электроника (PE) является наиболее важной технологией в рамках этой трансформации, играя решающую роль в электрификации. По данным Международного энергетического агентства (IEA), на долю силовой электроники (PE), используемой в двигателях, приводах и других устройствах, пришлось около 30% мирового потребления электроэнергии в 2017 году. По прогнозам к 2030 году этот процент вырастет до 80%, что также в первую очередь обусловлено электрификацией.
Стоит отметить, что по мере проникновения технологий возобновляемой энергетики увеличивается потребность в сетях переменного тока уменьшается. Хотя существующая инфраструктура электросетей по-прежнему поддерживает микрогриды переменного тока, микрогриды постоянного тока обеспечивают различные уникальные конкурентные преимущества в сравнении с системами переменного тока. И поскольку силовая электроника (PE) становится основной технологией энергетического перехода, происходит сдвиг парадигмы в сторону источников постоянного тока (таких как ветер, солнечная энергия, топливные элементы и батареи) и нагрузок постоянного тока (таких как батареи и различные электрические устройства).
Наиболее вероятно, что горнодобывающие предприятия ускорят внедрение изменений в энергосистеме и темпы роста энергетической эффективности из-за их уникальных требований к условиям эксплуатации, экономической эффективности и устойчивости энергоснабжения. Расширенные возможности управления, предоставляемые устройствами на основе силовой электроники (PE), делают их идеальным решением для управления сложными и требовательными энергетическими потребностями современных горнодобывающих предприятий в форме автономной микросети. Ожидается, что данные изменения будут стимулироваться инновационной твердотельной электроникой с широкой запрещенной зоной (WBG), которые способны произвести революцию в силовой электронике (PE).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Ключевыми факторами энергетического перехода являются увеличение количества распределенных энергетических ресурсов (таких как солнечные панели, ветряные турбины, системы накопления, электромобили в качестве нагрузки/генераторов и водородные топливные элементы), устаревание существующих систем электроснабжения, рост спроса на электроэнергию и изменение климата. Кроме того, значительную роль в этой трансформации играют достижения в области технологий силовой электроники (PE), рост киберугроз, регуляторные изменения и неэффективность существующих систем электроснабжения.
Уровни распространения распределенных энергетических ресурсов (DER) можно разделить на четыре группы:
- уровень 1 (сеть без применения DER), традиционная централизованная сеть, не предназначенная для DER;
- уровень 2 (сеть, допускающая применение DER), который допускает наличие DER, но не использует их в полной мере, в данных сетях силовая электроника (PE) связывает DER с сетью;
- уровень 3 (сеть, управляемая с учетом DER), на котором DERактивно используются для оптимизации работы сети при помощи передовых устройств силовой электроники (PE) и систем управления;
- уровень 4 (система, зависящая от DER), на котором DERявляются неотъемлемой частью функционирования, потенциально заменяя централизованную генерацию, а передовые устройства силовой электроники (PE), системы управления, средства связи и системы кибербезопасности имеют ключевое значение.
Обратите внимание, что уровень 3 уже является нормой в системах энергоснабжения дата-центров, которые полностью работают на постоянном токе, а уровень 4 может быть достигнут, когда сеть постоянного тока создана с нагрузками, поддерживающими постоянный ток. Обратите внимание, что по мере продвижения к сетям уровня 4 роль устройств силовой электроники (PE) становится более значимой.
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА: ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ
ПРОШЛОЕ
После изобретения электричества наибольший технологический прогресс был связан с появлением первых твердотельных силовых переключателей, тиристоров на основе кремния (Si), появившихся около 70 лет назад (см. Рисунок 2). Это сформировало основную технологию в истории человечества – силовую электронику (PE). Однако, поиск идеальных переключателей продолжился с улучшением характеристик полевых МОП-транзисторов на основе кремния примерно в 1970-х годах и биполярных транзисторов с изолированным затвором на основе кремния в 1983 году, а в конце 1980 года последовали статические индукционные транзисторы и МОП-тиристоры. Кроме того, первые коммерческие устройства WBG появились примерно в 1990-х годах и после этого их рост в последующие годы был в геометрической прогрессии.
Стоит отметить, что в настоящее время более 70% электроэнергии обрабатывается через ту или иную форму цепи с устройствами силовой электроники (PE), построенных чаще всего на базе кремния. Устройства силовой электроники (PE) применяются во всех секторах экономики, включая электромобильность, бытовую электронику, телекоммуникации, военную и аэрокосмическую промышленность, промышленность и энергетику. Кроме того, каждый современный встроенный источник генерации (например, солнечные фотоэлектрические панели, ветровые генераторы, топливные элементы, суперконденсаторы, маховики, микротурбины и аккумуляторы) включает в себя устройства преобразования на основе силовой электроники (PE), которые либо подключены к сети переменного тока, либо работают в сети постоянного тока. Более того, экологические проблемы, связанные с ископаемым топливом, быстрой урбанизацией и экономическим ростом в развивающихся странах являются основными факторами, которые способствуют росту рынка силовой электроники (PE).
БУДУЩЕЕ: УСТРОЙСТВА С ШИРОКОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ
Единица измерения «электронвольт» используется для определения основных характеристик полупроводников и количественной оценки их близости к идеальному переключателю (который должен действовать как идеальный изолятор в выключенном состоянии и должен действовать как металл с нулевым сопротивлением во включенном состоянии). Хотя кремний был наиболее предпочтительным материалом, он не справляется с более высокими напряжениями и уровнями мощности, необходимыми для применения в аккумуляторах электромобилей, мощных быстрых зарядных устройствах и системах возобновляемых источников энергии, а также для применения в горнодобывающих предприятиях. Распространенные полупроводниковые материалы и размеры их запрещенных зон в электронвольтах приведены в таблице 1.
Твердые материалы с широкой и сверхширокой запрещенной зоной представляют собой сложные полупроводники, которые имеют значительный потенциал применения для высоковольтных и мощных устройств из-за их большой запрещенной зоны, высокой подвижности носителей, а также высокой электро- и теплопроводности. Их свойства также позволяют создавать устройства с более высокой частотой переключения, меньшим падением проводимости, более высокой температурой перехода, более высокой скоростью переключения, более высоким КПД и большей плотностью мощности по сравнению с кремниевыми устройствами.
Двумя вариантами устройств с широкой запрещенной зоной являются технологии на основе карбида кремния и нитрида галлия. В настоящее время устройства на карбиде кремния предпочтительнее, чем на основе нитрида галлия для высокотемпературных применений, в то время как нитрид галлия, вероятно, скоро достигнет высоких значений напряжения. Мощные устройства на основе карбида кремния с превосходными тепловыми характеристиками являются предпочтительными для применения в системах высокого напряжения постоянного тока, ветроэнергетических системах, твердотельных трансформаторах и мощных электроприводах. Кроме того, оба устройства становятся обычным явлением в сфере возобновляемых источников энергии, электромобилей, систем накопления электроэнергии и очень широкого спектра применений в области энергоснабжения.
Электрификация горнодобывающих предприятий обычно означает процесс замены дизельного оборудования на электрические аналоги, которые в первую очередь обеспечивают сокращение выбросов парниковых газов, улучшение безопасности и здоровья работников, а также повышение эффективности и производительности добычи. Учитывая тенденции и требования промышленности, становится очевидно, что устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) будут играть значительную роль в электрификации горнодобывающих предприятий.
И хотя переход на устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) сопряжен с некоторыми техническими трудностями, а также со сложностями в цепочках поставки и производстве из-за нехватки и географического распределения сырья, в 2022 году рынок силовых устройств на карбиде кремния и нитриде галия оценивался в 1,022 миллиарда долларов США. Однако прогнозируется, что уже к 2028 году рынок карбида кремния и нитрида галлия достигнет 4,368 миллиарда долларов США, демонстрируя совокупный годовой темп роста 33,7% в течение прогнозируемого периода с 2023 по 2028 год.
Как показано в Таблице 2, производство карбида кремния и нитрида галлия растет во всем мире, что демонстрирует широкую активность вокруг устройств с широкой запрещенной зоной (WBG), которые охватывают весь спектр приложений силовой электроники (бытовое, транспортное, промышленное, в качестве источников питания, средств связи, бытовой электроника и т. д.).
ОСОБАЯ РОЛЬ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШИРОКОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ В ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
Применение устройств с широкой запрещенной зоной (WBG) позволяет добиться ряда улучшений при снижении стоимости преобразователя на 50%. В целом, основные преимущества устройств с широкой запрещенной зоной (WBG) по сравнению с традиционной силовой электроникой (PE) на основе кремния можно объединить следующим образом:
· повышенная мощность/энергетическая эффективность (расчетная эффективность энергопотребления),
· улучшенное управление температурным режимом (следовательно, работа при высоких температурах),
· повышенная удельная мощность (объемные и гравиметрические, необходимые для мобильного горнодобывающего оборудования и транспортных средств),
· более высокие частоты переключения (уменьшение размеров компонентов и обеспечение более высоких скоростей двигателей),
· более высокая надежность и работоспособность системы (увеличение времени безотказной работы горнодобывающего оборудования).
В Таблице 3 представлен список применения силовой электроники при электрификации горнодобывающих предприятий, в первую очередь при использовании новых полупроводниковых устройств и устройств с широкой запрещенной зоной (WBG).
Здесь стоит подчеркнуть, что вспомогательные системы, такие как системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха, играют решающую роль в обеспечении безопасности горнодобывающих предприятий и близлежащих городов. Например, системы отопления на горнодобывающих предприятиях и в связанных с ними городах, особенно в холодном климате, могут составлять большую часть потребления энергии. Более того, системы вентиляции на горнодобывающих предприятиях необходимы для обеспечения безопасности работников за счет поддержания качества воздуха и удаления опасных газов. Однако, эти системы часто работают непрерывно и поэтому потребляют значительное количество энергии. Применение силовой электроники (PE) для интеллектуального управления и оптимизации вентиляции, например включение вентиляции по запросу, когда необходимо проветривание, может привести к значительной экономии энергии.
Продолжающаяся электрификация в горнодобывающей промышленности нацелена на три основных транспортных средства и оборудования: аккумуляторные электромобили, электромобили на водородных топливных элементах, а также тяжелую техника и оборудование (например, для земляных работ, бурения, погрузки и транспортировки).
Энергетическая трансформация уже ведется целым рядом горнодобывающих предприятий, которые развивают электрификацию. Существует множество компаний, которые находятся на лидирующих позициях в вопросах электрификации горнодобывающих предприятий (см. Таблицу 4). Эти данные являются подтверждением предстоящей растущей активности вокруг силовой электроники с широкой запрещенной зоной.
НАПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИЙ В ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Глобальное стремление к устойчивой и эффективной добыче полезных ископаемых повысило значимость исследований в области электрификации шахт, при этом силовая электроника с широкой запрещенной зоной играет решающую роль по целому ряду направлений. В таблице 5 обобщены некоторые направления исследований в области электрификации горнодобывающих предприятий.
Необходимо подчеркнуть, что электрификация горнодобывающего оборудования может привести к значительному повышению энергоэффективности. Например, электрические самосвалы и экскаваторы могут быть более энергоэффективными, чем их дизельные аналоги, особенно если они используют рекуперативное торможение для получения энергии. Полностью электрическая шахта потенциально может обеспечить экономию энергии до 40% по сравнению с традиционной шахтой. В горнодобывающей промышленности происходит переход от традиционных операций, основанных на ископаемом топливе, к полностью электрифицированным, работающим на возобновляемых источниках энергии, а также переход на автономную добычу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Происходящая трансформация энергосистемы, вызванная технологическими достижениями и обеспокоенностью проблемами окружающей среды и здоровья, а также экономическими соображениями, способствует децентрализации, повышению устойчивости и цифровизации, которые являются неотъемлемой частью более широкого перехода к устойчивой и эффективной энергетической системе. Это стимулирует электрификацию горнодобывающих предприятий, что признается приоритетным направлением в горнодобывающем секторе. Ожидается, что порядка 60% шахт следующего поколения будут полностью электрическими и будут питаться от возобновляемых источников, а переход к микросетям постоянного тока подчеркивает важность передовой силовой электроники, особенно с применением широкой запрещенной зоны. Всё это обеспечивает контроль, защиту и управление энергопотреблением для эффективной работы сетей постоянного тока, что играет решающую роль в горнодобывающем оборудовании и микросетях.
Использование мощных и высокочастотных возможностей силовой электроники с широкой запрещенной зоной может привести к созданию более эффективного и компактного горнодобывающего оборудования с меньшим потреблением энергии и тепловыми потерями. Данное улучшение снижает потребность в обширных системах охлаждения, обеспечивая дополнительную экономию. Кроме того, интеграция автономных систем и искусственного интеллекта в горнодобывающую промышленность потребует локального хранения и обработки данных с использованием сетей постоянного тока на базе устройств с широкой запрещенной зоной. Такое изменение наряду с прогнозированием энергии и нагрузки, значительно повысит эксплуатационную эффективность и надежность.
В следующем десятилетии «электрификация шахт» станет более распространенным термином, наряду с такими понятиями, как автономная микросеть, электромобильность, электронный майнинг, цифровизация и безопасность энергосистемы. Устройства с широкой запрещенной зоной (WBG) могут стать ключевой технологией в силовой электронике, стимулируя энергетический переход.
Система классификации, представленная в Таблице 6, демонстрирует систематический подход к переходу к полностью автономным и устойчивым операциям по добыче полезных ископаемых. Он описывает растущую сложность при переходе от гибридной системы к чистой электрификации. Фактические особенности применения каждого уровня могут значительно различаться в зависимости от конкретных технологий и методов добычи полезных ископаемых. Более того, каждый этап объединяет определенный уровень автономии и интеллектуализации, предлагая описание текущего состояния и будущих траекторий развития.
С подробной версией статьи можно познакомиться по ссылке.
Источник: IEEE Electrification Magazine / март 2024.
Перевод и краткое изложение статьи сделаны АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России