Die Weltneuheit! Wasserstoff ist bereit

Am 21. September wurde im Süd-Tagebau der Inner Mongolia Company der State Power Investment Corporation (im Folgenden „Süd-Tagebau“) ein großes blaues Bergbaufahrzeug getestet. Bei diesem „Giganten“ mit der Kennzeichnung „NTH150“ handelt es sich um ein neuartiges, mit Wasserstoff und Lithiumbatterie betriebenes Hybrid-Bergbaufahrzeug (nachfolgend „Wasserstoff-Bergbaufahrzeug“ genannt), das kurz vor der Auslieferung steht.

Guo Yuanyuan, Projektmanager des wasserstoffbetriebenen Bergbaufahrzeugs der Inner Mongolia Northern Heavy Duty Truck Co., Ltd. (nachfolgend „Northern Shares“ genannt) und Chefdesigner des „NTH150“, stand neben dem zwei Personen hohen Reifen des Bergbaufahrzeugs und erklärte gegenüber Science and Technology Daily: „ Dies ist das weltweit erste wasserstoffbetriebene Bergbaufahrzeug, das Industriestandards in Bezug auf Qualität, Sicherheit, Umwelt und Service erfüllt. “

„Vom Osten in den Westen der Inneren Mongolei“, Zusammenarbeit zur Lösung von Problemen

Der Süd-Tagebau-Kohlebergbau befindet sich in der Stadt Holingol, Tongliao, Innere Mongolei, nahe dem 45. nördlichen Breitengrad. Im Winter kann die Temperatur in Holingol auf bis zu minus 30 Grad Celsius fallen.

Derart niedrige Temperaturen stellen für die Kraftstoffversorgung von Fahrzeugen eine enorme Herausforderung dar. Die Fahrer füllten Frostschutzmittel in den Benzintank und mussten manchmal Kraftstoffheizungen installieren, um das Fahrzeug zu starten und ordnungsgemäß laufen zu lassen. Bei Fahrzeugen mit neuer Energie, die auf Batterien angewiesen sind, ist der schnelle Leistungsverlust durch niedrige Temperaturen ein Problem, das gelöst werden muss.

Da Holingol City ausschließlich auf die Erschließung von Ressourcen angewiesen ist, ist es zahlreichen ökologischen und umweltbezogenen Risiken ausgesetzt. Im Jahr 2018 schlug die zentrale Ökologie- und Umweltschutzinspektion Alarm wegen der ökologischen Umwelt der Stadt Holingol. Anschließend beschloss die Stadt Holingol, die ökologische Umgebung der Minen energisch zu sanieren.

Als erster groß angelegter Kohletagebau meines Landes mit einer Kapazität von mehreren zehn Millionen Tonnen, der unabhängig geplant und gebaut wurde, war der Kohletagebau Nan stets bestrebt, eine „grüne Mine“ zu bauen. Angesichts der schweren Aufgabe der Umgestaltung in Holingol City übernahm die South Open-pit Coal Mine die Führung und trug die Last.

Wenn Bergwerke ihre Emissionen reduzieren wollen, müssen sie Maßnahmen gegen die Bergbaufahrzeuge ergreifen, die die Hauptquelle der Kohlenstoffemissionen sind. Bergbaufahrzeuge haben einen hohen Kraftstoffverbrauch und eine hohe Emissionsdichte. Ein 136 Tonnen schweres Bergbaufahrzeug stößt jährlich mehr als 1.800 Tonnen Kohlendioxid aus, was den Emissionen von 600 Personenkraftwagen entspricht.

„Es kann nicht nur die Anforderungen des Schwerlasttransports erfüllen, sondern verfügt auch über eine große Reichweite und nutzt saubere Energie.“ Guo Yuanyuan sagte: „In diesem Fall sind Hybrid-Bergbaufahrzeuge eine vernünftige Wahl.“

Allerdings stellen die niedrigen Temperaturen vor Ort ein ernstes Problem für die Nutzung sauberer Energie dar. Ohne technologische Innovationen zur Bekämpfung der extremen Kälte könnten Hybrid-Bergbaufahrzeuge nicht in Bergwerken eingesetzt werden.

„Die Nachricht, dass die technologische Lücke geschlossen werden müsse, verbreitete sich von der östlichen bis in die westliche Innere Mongolei“, erinnert sich Guo Yuanyuan.

Im März 2022 unterzeichneten Northern Shares und Nanlutian Coal Mine eine Kooperationsvereinbarung. Die beiden Parteien beschlossen, gemeinsam 100-Tonnen-Wasserstofffahrzeuge für den Bergbau zu entwickeln und planten die Einrichtung eines umfassenden Anwendungsdemonstrationsszenarios, das Wasserstofffahrzeuge für den Bergbau, die Speicherung und den Transport von Wasserstoff sowie die Betankung mit Wasserstoff in der Nanlutian-Kohlenmine umfasst.

„Negation und Verleugnung, Optimierung und Optimierung“

Guo Yuanyuan, der über langjährige Erfahrung im Fahrzeugdesign verfügt, spürte den Druck, sobald er die Aufgabe erhielt.

„Nehmen wir zum Beispiel die Luftfilterlösung. Wir haben dort viel experimentell gearbeitet. Zuvor waren Design und Anwendung von mit Wasserstoff betriebenen Bergbaufahrzeugen noch völlig neuartig und es gab keine vorgefertigten Erfahrungen, auf die man zurückgreifen konnte.“ Guo Yuanyuan sagte, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam ein „physikalisches + chemisches“ Doppelfiltersystem entworfen habe, um den Herausforderungen durch Grubenstaub und Sulfide zu begegnen.

„Der komplexe Pipeline-Verlauf ist das Ergebnis der harten Arbeit des Forschungs- und Entwicklungspersonals.“ Liu Qiang, Leiter des elektrischen Systems des mit Wasserstoff betriebenen Bergbaufahrzeugs, zeigte Reportern auf die dicht gepackten und ordentlichen Rohrleitungen an der Unterseite des Bergbaufahrzeugs und erklärte:

„Als Bergbaufahrzeug mit Wasserstoffantrieb umfassen seine Rohrleitungen hauptsächlich Wasserstoffleitungen, Hochspannungskabel, Niederspannungskabelbäume, Hydraulikleitungen, Kühlleitungen usw. Die Anzahl der Rohrleitungen ist doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Kraftstofffahrzeugen.“ Liu Qiang sagte: „Die sinnvolle Anordnung aller Rohrleitungen im begrenzten Fahrzeugraum unter Berücksichtigung der Sicherheit und einer bequemen Wartung ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe.“

Nach wiederholter Forschung und Analyse schlugen die Forscher die allgemeine Richtung der Wasserstoff-Strom-Isolierung und des geschichteten Layouts vor, d. h. Wasserstoffpipelines und -kabel werden isoliert und so angeordnet, dass die Sicherheit gewährleistet ist. Hochspannungskabel, Niederspannungskabelbäume, Hydraulik- und Kühlleitungen sind in Schichten angeordnet, mit den Kabeln oben und den Rohrleitungen unten, um elektrische Kurzschlüsse durch Öllecks zu vermeiden. Um eine sinnvolle Strukturgestaltung zu erreichen, hat das Forschungs- und Entwicklungsteam Dutzende von Lösungen ausprobiert.

„Im Forschungs- und Entwicklungsprozess geht es um Negation und Optimierung. Wenn ich lange auf das dicht gepackte Rohrleitungslayoutdiagramm auf dem Computerbildschirm starre, tun mir jeden Tag die Augen weh und ich trockne sie. Wir haben auch mehrere Versionen von „akzeptablen“ Lösungen gefunden, aber solange wir feststellen, dass es Raum für Verbesserungen bei der Sicherheit oder Raum für Optimierungen beim Layout gibt, werden wir weiter forschen und feilen …“, erinnert sich Liu Qiang.
Im September 2022, sechs Monate nach dem Start des Projekts, schloss das F&E-Team die Gestaltung verschiedener Aspekte ab, darunter Leistungsberechnung und -anpassung, Hochspannungsarchitektur, Schlüsselkomponenten, dreidimensionale technische Zeichnungen und Prozesse.

„Eis und Feuer“ – Die Batterie-Herausforderung meistern

Wenn das elektrische System die „Blutgefäße“ des Bergbaufahrzeugs sind, dann ist die Batterie das „Herz“ des Bergbaufahrzeugs. Die Erforschung der Batterietechnologie hat in der Forschung und Entwicklung höchste Priorität.

Song Liming ist die für das Stromsystem des Projekts verantwortliche Person. Angesichts der „härtesten Nuss“, die es zu knacken galt, der Batterien, probierten er und seine Kollegen viele Lösungen aus.

Die Batterie ist in zwei Teile unterteilt: Brennstoffzelle und Leistungsbatterie. Nach wiederholten Untersuchungen stellte Song Liming fest, dass die beiden Teile der Batterie unterschiedliche Umweltanforderungen haben: Brennstoffzellen können Betriebstemperaturen von fast 100 Grad Celsius standhalten; Die Betriebstemperatur der Power-Batterie muss in einem Bereich zwischen 0 und 30 Grad Celsius geregelt werden, also weder zu hoch noch zu niedrig.

„Wir müssen ein Betriebsumfeld schaffen, das sowohl Eis als auch Feuer ist“, sagte Song Liming. „Die beiden Teile der Batterie haben unterschiedliche Betriebstemperaturen und unterschiedliche Anforderungen an die Wärmeableitung, müssen aber im selben System untergebracht werden. Wir dachten, Wasser sei ein gutes Medium für die Wärmeleitung und könne sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden. Wenn wir diese Eigenschaft des Wassers nutzen und es zirkulieren lassen, können wir vielleicht eine „Eis-und-Feuer“-Umgebung erreichen.“

Das ist leichter gesagt als getan. Um die Wassertemperatur genau zu regeln, müssen die Wasser- und Wärmemanagementsysteme und sogar andere Systeme im Fahrzeug zusammenarbeiten, was wiederholte Simulationen und Experimente erfordert. Song Liming erinnerte sich lächelnd daran, dass er während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses sein Gesicht oft mit kaltem Wasser waschen musste, um sich „abzukühlen“, um stets wach zu bleiben.

Am Ende entschied sich das Forschungs- und Entwicklungsteam für ein verteiltes Wärmemanagementsystem mit „Wasserheizung + Wasserkühlung“. Mithilfe einer Hochleistungsheizung kann die Batterie endlich problemlos starten und auch bei großer Kälte problemlos weiterlaufen. Guo Yuanyuan sagte gegenüber Reportern: „Dieses mit Wasserstoff betriebene Bergbaufahrzeug hat den Übergang von traditioneller zu grüner Energie geschafft und der Energiewirtschaft der Inneren Mongolei einen grünen Hintergrund verliehen. Wir hoffen auch, dass es in Zukunft im Ausland zum Einsatz kommen und der chinesischen Technologie zu einem weltweiten Aufstieg verhelfen wird!“