Adelante a toda máquina

Los especialistas de Siemens están trabajando en el desarrollo de un portafolio de propulsores eléctricos modulares para las operaciones de la minería subterránea. Las pruebas con camiones de transporte están previstas para comenzar a mediados de 2017, con un lanzamiento comercial previsto para 2018.

En el contexto actual de la crisis minera, muchos operadores de minas subterráneas (UG) están muy motivados a fin de recuperar su productividad. El aumento de la productividad, sin embargo, tiene que lograrse conservando al mismo tiempo la seguridad, la sostenibilidad y la rentabilidad en las operaciones mineras.

Al mismo tiempo, la minería subterránea se ha vuelto más y más difícil, como consecuencia de grados inferiores de minerales y yacimientos de minerales explotables, que sólo se encuentran a mayores profundidades de la corteza terrestre. Con el fin de extraer la misma cantidad de concentrado de mineral o incluso para aumentar la producción de mineral, se tiene que volar, cavar y transportar a la superficie mucho más material a granel.

Aún más, las minas están más a menudo ubicadas en áreas remotas, donde la minería tiene lugar en difíciles condiciones ambientales y climáticas. Por otra parte, las empresas mineras tienen que cumplir con leyes más estrictas sobre seguridad ambiental y laboral y salud. Esto está relacionado particularmente con los límites de emisiones de escape de los motores diésel, así como los valores máximos de exposición al ruido y cargas por vibraciones para la maquinaria minera.

Aumentar el número de camiones diésel en funcionamiento o usar camiones con una capacidad de carga superior y, por tanto, motores diésel más grandes, no es la respuesta a estos retos. “El número de camiones por cada mina, así como la máxima potencia de los motores diésel está limitada debido al diseño de la mina y a la ventilación y refrigeración necesarias”, dice Philipp Reupold, director mundial de Ventas de Minería Móvil en Siemens.

Reupold se refiere a un tema importante: ventilación. Con el uso intensivo de los motores diésel, los sistemas de ventilación complejos resultan más esenciales que nunca en las minas subterráneas. De hecho, el costo operativo de los sistemas subterráneos de ventilación puede representar hasta el 40 por ciento de los costos totales de funcionamiento.

Cuando se trata del escape de las máquinas, el lidiar con material particulado diésel (DPM) y óxidos de nitrógeno (NOx) se vuelve una cuestión primordial. Con la disponibilidad de motores diésel de acuerdo con el Nivel 4 de EPA de los EE.UU. y la Etapa IV de la UE, la tecnología diésel ha sido llevada hasta el límite. El resultado es una mayor complejidad y un aumento en las necesidades de mantenimiento. Los motores de Nivel 4 y Etapa IV también son responsables por la adición de calor a través del proceso exotérmico de catalización y regeneración. Y a su vez, el mayor calor intensifica la carga en el sistema de ventilación y refrigeración de la mina, que es necesario para mantener un ambiente seguro y cómodo para los trabajadores de la mina.

“Con prontitud se hace evidente que se necesita un nuevo enfoque en cuanto a los equipos y las tecnologías para la minería”, dice Reupold.

La electrificación como punto de partida

La electrificación de la maquinaria es parte de una estrategia que han producido los especialistas de Siemens para mejorar las condiciones en las minas subterráneas, así como para aumentar la productividad. Con este propósito, los ingenieros de Siemens están trabajando actualmente en el desarrollo de un portafolio de sistemas de propulsión eléctrica, altamente eficiente, para vehículos de minería subterránea. En el corazón de estos sistemas se ubican componentes eléctricos que han sido aplicados con éxito durante muchos años en una serie de aplicaciones en la industria minera.

La solución será aplicada primero a un camión de transporte subterráneo articulado con una carga útil de 60 toneladas métricas. En esta aplicación particular se utilizan cuatro motores, cada uno impulsando una rueda. Con esta arquitectura de propulsión se pueden controlar con precisión la velocidad y el par de cada rueda. Como consecuencia, se dispone de características adicionales como control avanzado de patinaje/deslizamiento y dirección asistida eléctricamente, permitiendo giros más precisos y menor desgaste de los neumáticos.

Las pruebas comenzarán a mediados de 2017 en una mina en Australia Occidental. Inicialmente la solución se pondrá a prueba durante seis meses a nivel del suelo y luego por otros seis meses en una aplicación subterránea. “Después de la fase de pruebas pasaremos de una vez a la producción en serie”, comenta Reupold. Todo el tiempo el enfoque residirá sobre una solución que pueda transportar más toneladas por dólar, sea segura para el personal de la mina, y contribuya a la productividad global de la mina. Los beneficios son significativos para los operadores de minas.

Mejoras en muchos frentes

Los camiones con sistemas de propulsión diésel-eléctricos son más rápidos que los camiones diésel-mecánicos debido a que la eficiencia total del sistema propulsor diésel-eléctrico es mayor. Por lo tanto, se utiliza más potencia del motor diésel para propulsar el vehículo cuesta arriba, dando lugar a velocidades más altas en las pendientes.

Otra ventaja es una mayor productividad. El ciclo de trabajo típico de un camión de transporte en una mina subterránea consiste en cargar material a granel en la mina, transportarlo cuesta arriba hasta el punto de descarga, depositarlo en el punto de descarga, por lo general en la superficie, y llevar de nuevo el camión de transporte vacío al punto de carga para emprender otra ronda. Velocidades mayores implican tiempos de ciclo más cortos, lo que significa que se puede transportar más material en un tiempo dado. De esta manera la productividad recibe un impulso.

Un punto adicional es que los sistemas de propulsión diésel-eléctricos requieren menos mantenimiento, lo que posibilita más horas de funcionamiento entre los tiempos de inactividad programados. Como resultado la disponibilidad es mayor. En total, los ingenieros de Siemens esperan que los gastos de mantenimiento sean aproximadamente un 15 por ciento menores con camiones de transporte diésel-eléctricos que con camiones de transporte diésel convencionales. En conjunto, los mayores tiempos de productividad y de funcionamiento conducirán a una reducción de costos por tonelada para una ganancia en productividad de alrededor del 10 por ciento.

Además, los propulsores diésel-eléctricos son más amigables con el medio ambiente: debido a que los motores diésel están funcionando a una velocidad constante, son más bajas las emisiones de escape de los mismos. Además, no se presentan ráfagas de ruido procedentes de los motores. Por otra parte, la energía de frenado puede ser aprovechada y almacenada para propósitos de propulsión eléctrica. Una consecuencia de la utilización de sistemas de propulsión diésel-eléctricos es que los operadores pueden tener acceso a cuerpos de mineral que no pueden ser explotados de manera económica con los motores diésel convencionales.

Se producen mejoras en la operación: la energía eléctrica permite que las operaciones de arranque/parada sean fáciles y suaves, con menos esfuerzo de parte del operador gracias al control preciso del par. Los grupos moto propulsores eléctricos cuentan con una transmisión de una sola velocidad, por lo que no hay impactos causados por el cambio de engranajes de marcha. Una propulsión más suave y más uniforme también significa menos gastos de mantenimiento para el vehículo y la carretera; por lo tanto, es posible una mayor vida útil con menores costos totales de operación.

Si estos atributos no fueran suficientes, el uso de propulsores diésel-eléctricos tiene el potencial de crear un mejor ambiente para el personal de la mina. El personal puede trabajar de manera más eficiente, ya que el entorno subterráneo es mejorado como resultado de menos calor y menos emisiones de escape de los motores diésel.

Prometedora situación del mercado

Los requisitos para el reemplazo de maquinaria en las minas subterráneas son vistos como el impulsor principal del mercado para los sistemas diésel-eléctricos. “A medida que la maquinaria envejece requiere más mantenimiento y reparación. En algún momento, se vuelve simplemente antieconómico el seguir operándola”, explica Reupold. Mientras que en el momento el enfoque de soluciones diésel-eléctricas para minas subterráneas reside en los camiones de transporte, Reupold dice que el plan es ampliar el portafolio para incluir también las LHD (cargadoras para operación subterránea) y otros vehículos subterráneos como las máquinas de perforación. La experiencia adquirida con los propulsores diésel-eléctricos en camiones de transporte subterráneo se extenderá a los otros equipos.

La plataforma del sistema de propulsión obedece a un enfoque modular, lo que significa que se puede aplicar a varios equipos en diferentes clases de potencia y tamaño. Los elementos del portafolio incluyen motores y generadores eléctricos encapsulados, convertidores, soluciones opcionales para almacenamiento de energía, así como el hardware y software de control de vehículos, incluyendo funciones de control patentadas por Siemens. Aún más, los componentes de la propulsión se basan en la comprobada tecnología de tracción de Siemens y están diseñados específicamente para soportar las duras condiciones ambientales en las aplicaciones de minería subterránea. Además de eso, los vehículos diésel-eléctricos también pueden funcionar con líneas de trolebús o baterías, ambas imposibles para camiones diésel puros.

A nivel mundial, los expertos de mercadotecnia de Siemens cuentan alrededor de 950 minas subterráneas significativas en operación y una base instalada de alrededor de 30.000 unidades mecánicas, tales como cargadores sobre ruedas, camiones de minería y máquinas de perforación. El mercado podría ser muy importante en los próximos años. Siemens ya disfruta de una larga relación con los principales fabricantes de equipos a fin de impulsar los siguientes pasos del desarrollo e instalación de sistemas diésel-eléctricos en equipos de minería subterránea.

“La integración de propulsores diésel-eléctricos en equipos de minería subterránea es visto como el primer paso para completar la electrificación de las minas subterráneas”, dice Reupold. Al emprender los pasos hacia la electrificación en este momento, los operadores pueden empezar a beneficiarse del aumento de la productividad y de menores costos de mantenimiento, así como cumplir con las normas ambientales y, lo más importante, crear un entorno de trabajo más seguro para los empleados de las minas subterráneas.