面对社会对更清洁运营的日益增长的压力，以及旨在遏制温室气体排放的更严格法规，矿业行业正积极寻求脱碳途径。IGO 承诺到 2035 年实现直接运营净零排放，而将地下采矿车队从柴油动力转型为电气化动力，是其实现这一目标的关键一步。

过去，电池技术在机动性和灵活性上难以与柴油设备匹敌，但近年来电池技术不断进步，已能满足移动采矿设备对高瞬时负载的要求。不过，当前电池容量仍对电池动力运输车辆的续航里程构成限制，这给依赖长距离倾斜巷道卡车运输的矿山带来了挑战。

除助力脱碳外，电气化还能显著改善工人福祉，从而帮助矿山遵守日益严格的职业健康与安全及职业卫生法规。电动车队可消除地下作业中的废气和柴油颗粒物排放，降低操作人员承受的振动强度，并减少噪音对人员的影响。只要妥善规避潜在风险，这些优势带来的价值有望超过使用电池电动车队可能面临的风险，这也成为矿山部署电动车队的一大重要驱动力，其意义远超脱碳本身。

移动车队电气化还有望提升生产力，并实现针对性的资本节约，这主要源于两个关键因素：一是电动铲运机和卡车相较于柴油机型，具有更高的运输速度和更大的挖掘力，这可能直接转化为更高的产量；二是电气化运营消除了柴油排放，且电动马达比柴油发动机产生的废热更少，因此（在特定工况下）可减少地下所需的通风和制冷基础设施，进而间接降低资本投入需求。

电动采矿设备在地下矿山的应用已有多年历史，涵盖电力铁路系统、架线辅助运矿卡车和有线电动铲运机等。但这些电动技术往往资本投入高、灵活性低，因此在地下矿山的应用范围有限，且适用场景较为特定。

在电池电动车队大规模应用之前，其全部价值潜力和最佳利用方式仍存在不确定性。因此，IGO 认识到，这项研究需要佩伦蒂、ABB 等同样专注于脱碳和矿山电气化的创新企业提供专业知识和资源支持。

尽管已有部分企业研究甚至实施了部分车队电气化，但 IGO、佩伦蒂和 ABB 认为，本研究是首批探索如何在地下金属矿中实现从柴油车队向全电池电动车队转型的研究之一。

该研究从整体视角审视电气化问题，部分目的是解答与车队电气化相关的常见疑问，包括：

Cosmos镍矿项目位于澳大利亚西澳大利亚州莱因斯特（Leinster）以北 30 公里处，由 IGO 有限公司100% 控股，地下采矿服务由佩伦蒂旗下的地下采矿承包部门巴明科（Barminco）提供。

该矿山包含 2012 年之前的历史开采工程，地下矿山于 2019 年初重新开采。2023 年年中研究启动时，该矿区正处于项目开发阶段。按照规划，Cosmos镍矿将在约 10 年内开采和加工多达 110 万吨 / 年的镍矿石，并从 2024 年年中开始采用竖井提升方式运输矿石。

Cosmos镍矿成为全地下矿山电气化的理想候选项目，原因在于其采用 1000 米深的提升竖井将矿石和废料运至地面，这使得卡车运输路线的长度控制在现有地下采矿设备电池技术可支持的范围内。

原则上，矿山若能尽早实现车队电气化，有望节省运营成本，并抵消额外的资本投入需求。因此，该研究设定了一个宏伟目标：到 2025 年实现Cosmos镍矿地下车队的全面电气化。

在开展本研究的同时，2023 年下半年 IGO 对Cosmos镍矿项目进行了详细评估，结果显示项目的投资和运营成本上升、预期服务年限缩短，同时镍价大幅下跌。受项目经济恶化影响，IGO 于 2024 年 1 月决定将Cosmos镍矿纳入维护保养状态。这一决定与本研究结果无关，也不会影响研究中关于全电动地下采矿车队转型可行性的积极结论。

图 1 - Cosmos镍矿基础设施及规划采矿区域剖面图

（包含Cosmos镍矿露天采坑、运输竖井、各矿体等关键设施标注）

尽管业界普遍认可车队电气化将在环境、社会和治理（ESG）以及职业健康与安全方面带来显著效益，但迄今为止，关于如何在已运营的地下矿山中实际部署全电池电动车队，仍缺乏详细的指导方案。

开展电气化研究的技术流程，与针对采用标准柴油车队的矿山进行可行性研究的流程不同，它需要新思路，并重新评估适用于柴油设备的传统采矿作业模式。

该研究围绕三个核心问题展开：

IGO 诺娃矿区（Nova）的电池电动深孔钻机

1. 电池安全

虽然电池电动车队可减少或消除柴油车辆给地下作业人员带来的诸多风险，但电池本身也存在固有风险，包括：

矿业行业在讨论电池安全时，通常聚焦于电池化学特性，但 IGO、佩伦蒂和 ABB 认为，现在应超越这一局限 —— 电池化学特性只是更全面的电池安全讨论中的一个方面。该研究考察了采用四种不同电池化学特性的电池电动车辆，分别是磷酸铁锂（LiFePO4/LFP）、钠镍氯化物（SoNick）、钛酸锂（LTO）和镍锰钴锂（NMC）。

研究认为，只要满足以下条件，这些电池化学特性的电池用于地下采矿电池电动车辆都是安全的：

与矿业行业所有安全问题一样，地下矿山的电池安全管理需要采用全面的方法。商用电动汽车行业的经验具有参考价值，其法规、标准和最佳实践表明，电池化学特性只是电池安全管理中众多重要考量因素之一（见图 2）。

图 2 - 电池安全的构成要素（不仅仅是电池化学特性）

随着电气化采矿车队的日益普及，地下矿山环境下电池安全管理的最佳实践有望快速发展。然而，地下采矿面临独特的挑战和风险，因此在地下应用任何电池安全管理方案前，至少需要对特定场地的风险进行全面评估。建议行业在该领域持续投入和研究。

2. 电池充电

地下矿山的通用电网支持和供电网络通常采用交流电（AC），而车辆电池则以直流电（DC）的形式储存电能。目前有多种电池充电方式可供选择：

IGO、佩伦蒂和 ABB 致力于明确阐述如何将Cosmos镍矿的地下采矿车队从全柴油动力转型为全电池电动动力。在此过程中，研究团队探讨了所有矿山普遍面临的几个问题：

目前，电池电动设备的订单交付周期长于柴油设备，但随着电池电动设备市场渗透率的提高以及原始设备制造商（OEM）产能的扩大，这种差距有望缩小。

尽管市场上已有覆盖各类采矿设备的电池电动车型，但并非所有品类都发展成熟。

为开展此项研究，团队对市场进行了调研，以筛选出能够达到Cosmos镍矿现有柴油车队生产力和作业输出水平的电池电动车型。鉴于研究的核心目标是尽快实现Cosmos镍矿车队的全面电动化，调研范围仅限于已量产或即将在澳大利亚市场上市的原始设备制造商及电池电动车型。

研究团队从以下多个维度对所考虑的每款电池电动车型进行了评估：

在澳大利亚，地下柴油运输车队通常由 65 吨级运矿卡车以及 17 吨级和 21 吨级铲运机组成。研究开展时，仅有山特维克（Sandvik）推出了 65 吨级电池电动卡车，该车型当时正在西澳大利亚进行现场测试，预计 2025 年实现商业化应用。尚未有原始设备制造商推出 21 吨级电池电动铲运机，但山特维克和安百拓（Epiroc）均已推出 18 吨级商用电池电动铲运机。研究结论认为，山特维克 65 吨级卡车和 18 吨级铲运机在尺寸、车队匹配度和电池更换方式上均适合Cosmos镍矿。

Cosmos镍矿地下运营所需的所有辅助设备，均有原始设备制造商（如挪曼尔特（Normet）和麦克林（MacLean））提供的电池电动版本（除平地机外，目前仅有麦克林提供该设备的电动版本）。研究确定，这些电动辅助设备均能替代Cosmos镍矿现有的柴油辅助设备。

电池电动轻型车辆市场正快速发展，目前既有丰田陆地巡洋舰（Toyota Landcruiser）改装电动车型，也有定制设计的原生电动轻型车辆。研究发现，由于当前市面上的电池电动轻型车辆在成本、电池容量、耐用性和任务适配性上存在差异，为Cosmos镍矿选择轻型车辆时，应根据具体任务搭配不同车型，以实现成本效益最大化。

IGO 诺娃矿区的电池电动深孔钻机（图片由 IGO 提供）

在规划电池电动化转型时，车队选择自然是首要考虑因素之一。从很多方面来看，无论是柴油车队还是电动车队，车队选择的决策逻辑有相似之处（如市场可用性、能否完成作业任务、是否适配矿山生态系统等）。而车队电池电动化真正的开创性工作，在于明确新车队将如何在矿山内部运营，以及如何设计矿山才能最大限度发挥新设备的价值。

对于Cosmos镍矿而言，由于计划的电池电动化转型时间紧迫（2025 年目标转型前，超过 90% 的矿山开拓工程将已完工），现有矿山开拓工程无法大幅调整。因此，研究中的矿山设计部分主要聚焦于矿山通风、电池管理和充电基础设施。不过，研究中的高层级分析显示，对于绿地项目（新建矿山），转向电池电动车队为重新思考和检验一些传统采矿模式提供了广阔空间，例如可利用电动卡车更快、更强的特性设计更陡的斜井，同时因二次通风量减少可采用更小的开拓断面。

对于绿地矿山，选择电动车队有望大幅降低主通风量和制冷需求，这主要源于两方面：一是无需再满足柴油废气稀释需求，二是电动设备的热量产生量更低（电动机将电能转化为动能的效率为 80%-90%，而柴油发动机的效率仅为 30%-40%）。

2023 年研究启动时，Cosmos镍矿现有矿体的通风系统已基本建成，仅需额外建设部分未来基础设施，将通风系统延伸至 AM5 和 AM6 矿体。研究以最新的通风研究成果和包含 AM5、AM6 矿体的 VentSim 模型为基础，构建了柴油车队场景，并对 VentSim 模型进行适当调整，以估算电动车队场景下的通风和制冷需求。同时，研究还针对不同规格的二次风机，开展了通风系统恢复时间建模分析。

通风相关主要研究结论

转型为电池电动车队所实现的主通风量节省幅度有限，主要受两个因素制约：一方面，Cosmos镍矿大部分通风网络和基础设施已按支持柴油车队的标准建成；另一方面，在转型期间仍需保留足够通风量以适应柴油设备的使用。因此，主通风量仅能实现 7% 的小幅降低。

制冷需求大幅减少，整体空气制冷设备容量从 6 兆瓦降至 4.5 兆瓦，且每年仅需在 2 个月内开启制冷系统，而柴油车队场景下需 5 个月。

柴油车队场景下需购置两台新主风机，而电动车队场景下可对两台现有主风机进行翻新和电机升级后重新利用，具体可行性、成本和时间安排将在后续研究阶段确认。

通风建模显示，电动车队场景下通风需求降低，因此二次通风可采用更小的 45 千瓦辅助风机，而柴油车队场景下需使用 55 千瓦辅助风机。爆破烟尘清除时间建模表明，采用小型风机后，通风系统恢复时间仅会轻微延长（开拓爆破和生产爆破分别增加 2 分钟和 5 分钟）。对于绿地项目，小型辅助风机可节省投资支出和运营支出；但对于Cosmos镍矿，由于已有足够的 55 千瓦风机安装并投入使用，因此决定不替换为 45 千瓦风机。

电池容量限制了电池电动车辆单次充电后的运营范围（见图 3）。因此，建议在地下设置维修车间和电池维护设施，以减少电池电动车辆往返地面的运输需求（尤其是对于深井矿山）。同时，还需考虑矿山内辅助电气基础设施增多带来的影响，预计这些电气设施的预防性维护和故障维修需求将增加，相应的消防安全系统（如灭火系统）也需配套完善，可能还需要增加电气专业人员配置。

图 3 - 坡度 + 14% 情况下的预估运输范围（单位：公里）

选择合适的充电位置（包括地下和地面）是电池电动车辆成功集成的关键。充电位置的规划需兼顾两类需求：一是针对各类设备单独规划，二是构建能服务多台设备的集成充电网络。选择充电位置时需考虑的关键因素包括：

由于大多数设备无法单次充电往返地面，研究设计了地下维修车间，以实现地下车辆的维护和检修。

为确保充电便利性并减少高使用频率车辆的非生产时间，研究在交通繁忙区域（包括维修车间、休息中心和耗材仓库）的地面和地下多个位置，战略性布局了充电点、充电器类型（如 1000V 掘进台车充电箱、CCS2 直流充电器）和充电器规格。下一研究阶段需制定这些高使用频率区域的详细运营设计和交通管理计划。

为实现所有车辆充电后能往返地面，研究规划在斜井中部设置充电 站，其中包含重型运输车队的电池更换点、适用于钻机的 1000V 掘进台车充电箱，以及适用于辅助车队和轻型车辆的 CCS2 充电器。

建模显示，辅助车队和轻型车辆在作业周期外充电的非生产时间极少；研究建议重型铲运和运输车队采用电池更换方式补充电量。

研究制定了全矿山充电计划，以优化所需充电器数量。充电器的数量和位置选择需同时满足两个目标：一是减少车辆往返充电点或充电过程中的非生产时间，二是避免不必要的资本投入。

在考虑转型为电池电动采矿车队时，电池电动车辆的运营性能是关键考量因素。与传统柴油车队加油相比，保持全电池电动车队的电量充足本质上更为复杂。因此，理解电池更换和电池充电流程，是地下环境中实现电动车队高效运营的核心。

研究表明，通过精心规划，Cosmos镍矿电池电动车队的充电可在对运营影响最小的前提下完成。例如，卡车、铲运机等重型设备的电池容量大，充电时间长，因此这类设备采用电池更换而非车载充电的方式，以减少充电等待时间。基于此，将卡车电池更换区设置在运输路线上或附近位置，可减少不必要的运输路程，从而降低非生产时间。

铲运机电池更换区的位置通过分析整个矿山服务年限计划中的物料运输量和运输位置确定。为平衡电池更换区数量（及相应成本）与减少铲运机往返更换区运输时间的需求，研究建议：将位于矿体内的电池更换区随采矿作业向深部推进逐步迁移，同时在靠近永久基础设施（维修车间 / 休息中心和斜井中部）的位置增设永久性更换区。

辅助车队和轻型车辆的充电则可结合多种场景：作业期间（如在作业面插电作业时）、计划休息时间（如用餐时间和换班时间），以及临时空闲时段（如向车辆装载耗材时）。

研究针对Cosmos镍矿 5 个矿体的电池电动卡车生产力开展建模分析，以验证所选电池电动运输车队（2 台 65 吨级卡车）能否达到或超过矿山服务年限计划中的年度吨公里目标，同时通过建模分析预估卡车电池的使用情况。

卡车生产力与运营理念相关主要研究结论

研究建议，从 2024 年年中开始，Cosmos镍矿所有矿石和废料均通过卡车运输至竖井，再由竖井提升至地面。基于此，可在靠近维修车间且邻近破碎机卸料区的位置设置专用卡车电池更换区（参见图 1）。理想情况下，卡车电池更换区应位于下坡运输路段末端（以便最大限度利用能量回收为电池充电），但Cosmos镍矿矿体的几何形态无法满足这一条件。

Cosmos镍矿的卡车通常每完成 3-5 个运输循环就需更换一次电池，因此每个班次需更换 3-5 次电池，单次电池更换时间预估为 8-10 分钟。

为避免卡车料斗漏料引发安全隐患或设备损坏，仅允许在卡车空载状态下更换电池。

建模显示，2 台 65 吨级电池电动卡车能够满足Cosmos镍矿矿山服务年限运输计划的要求，可成功替代 2 台 60 吨级柴油卡车。

AM5 矿体的几何形态适合卡车满载下坡运输，在此过程中可通过能量回收实现充分充电，无需额外外部充电。但即便如此，仍需定期更换卡车电池，以确保电池制冷，避免电池单体损坏。

应根据卡车运输循环动态调整电池充电速度（更快或更慢）。为实现电力负荷平稳并延长卡车电池寿命，在确保电池能按时完成充电以满足下一次更换需求的前提下，应尽可能降低充电速度。

铲运车队的运营理念对电动矿山的经济性影响显著。若铲运机往返电池更换区的运输时间过长，或电池更换耗时过多，都将对铲运机整体生产力产生重大影响。

研究针对铲运机电池更换和充电管理，评估了以下三种方案：

研究基于典型的水平布局，针对每个矿体开展铲运机生产力建模，目的包括：估算各采矿区域的铲运机生产力、确定所需设备数量、验证电池电动设备能否完成矿山服务年限内的物料运输目标。

除上述建模外，研究还通过 “单日运营”建模，更详细地分析了开拓和生产铲运机的班内运营场景。该建模计算了每台铲运机各项作业任务的耗电量，并通过任务汇总得出典型班次内铲运机电池的充电状态变化曲线（参见图 5）。

铲运机生产力与运营理念相关主要研究结论

研究选择采用多个半永久性铲运机充电区（参见图 4），以减少铲运机非生产时间并缓解矿山交通拥堵。全矿山服务年限内，大部分铲运机电池更换站可保持固定，仅需在关键节点迁移一个站点，以匹配向深部推进的采矿作业面。建议在矿体内每 2-3 个水平设置一个充电区，同时在维修车间、休息中心附近以及斜井中部充电点设置永久性电池更换区。建模显示，铲运机每个班次通常需更换 2-3 次电池。

图 4 - 铲运机电池更换 / 充电设计图

尽管普遍认为电池电动铲运机速度更快，理论上应能提升瞬时生产力和整体生产力（相较于柴油铲运机），但目前缺乏现场数据支持这一观点。因此，研究采用保守的生产力假设，导致电池电动铲运机的预估数量从柴油场景下的 3 台增加至 4 台。不过，预计下一研究阶段的详细建模，结合未来现场试验数据，有望将电池电动铲运机的预估数量降至与柴油铲运机相当的水平。

图 5 - 开拓铲运机单日运营（DILO）建模示例

辅助车辆和轻型车辆无法通过更换电池补充电量，必须通过 “插电” 方式充电。为减少充电导致的非生产时间，研究建议这类设备采用临时充电模式，例如在换班时间、用餐时间、作业面作业时，或向车辆装载耗材时进行充电。

钻机在作业时可接入 1000V 供电系统，实现作业与充电同步进行。研究建模显示，这种充电方式通常能满足钻机在作业区域间的运输电量需求，因此除往返地面时需在斜井中部充电外，无需额外充电时间。

研究进一步得出以下结论：

喷射混凝土机、搅拌车和装药台车主要通过作业面插电作业实现充电，同时可利用用餐时间、换班时间以及装载耗材的间隙进行补充充电。

服务卡车和轻型车辆主要在用餐时间和换班时间充电，同时可在班次内利用临时空闲时段（如装载耗材时）进行充电。

集成工具车（IT）、平地机和水车无法在作业时插电充电，因此需在班次内安排更频繁的专用充电时间（会产生一定非生产时间）。

研究将地下轻型车辆的典型作业任务划分为四类（参见表 1），每类任务对应不同的运营和电池充电理念，且可能需要不同型号的轻型车辆以匹配作业需求并满足电池容量要求。

研究通过分类确定了以下关键信息：各类轻型车辆的所需数量、所需充电器的数量和位置、多辆车同时需要充电时的充电优先级。

研究确定，Cosmos镍矿的电池电动轻型车队应采用多型号组合配置，以在最低成本下满足各类作业任务的需求。

研究进一步得出以下结论：

表 1 - 轻型车辆作业类型分类表

图 6 - Cosmos镍矿地下充电位置分布图

研究确定，Cosmos镍矿柴油车队的所有设备均可替换为电池电动型号。除铲运机和集成工具车外，电池电动车队的预估数量与柴油车队一致。

研究建模显示，电池电动铲运机需比柴油铲运机增加 1 台（从 3 台增至 4 台）。如前所述，这一增加主要源于保守的生产力假设，随着更多试验数据的获取，这一假设未来可能会调整。

集成工具车的预估数量从柴油场景下的 5 台增加至电池电动场景下的 6 台。主要原因包括：这类车辆耗电量高（尤其是上坡运输时）、充电频率相对较高、无法在作业时充电；此外，为避免往返地下炸药库消耗电池电量，需额外配置电池电动集成工具车直接向生产装药车辆运送散装炸药。

电池电动设备的生产力和电池寿命参数尚未通过现场试验验证。研究团队希望，未来通过进一步现场试验和更详细的生产力建模，能将电池电动车队的数量降至与柴油车队相当的水平。

注：Zero Automotive 品牌的电池电动陆地巡洋舰改装车型

对于棕地项目（现有矿山）的柴油车队向电池电动车队转型评估，了解现有电力系统环境至关重要。这是确定支持电池电动车队所需的电力系统新增、升级和改造工作的基础。

电池电动化转型带来的总体电力需求净变化，等于车队电池充电所需增加的电力，减去通风和制冷需求减少所节省的电力。

单台电动车辆的耗电量通过分析以下因素确定：

了解单台设备的电力需求后，可进一步确定车队的总电力需求，进而评估以下内容：

图 7 - 矿山设计、运营理念与电力系统研究的迭代流程示意图，展示了三者间相互依赖、动态调整的关系。由于充电站数量与位置、电池电动设备生产力、车队耗电量存在相互关联，电动矿山设计比传统柴油矿山规划更复杂。若规划周期中任一阶段结果不理想，需修改设计并重新评估该阶段。

本研究的电力系统分析旨在确定Cosmos镍矿支持电池电动车队所需的额外电力及电力基础设施规模，分析围绕以下三个核心标准展开：

这三个标准均不可或缺，唯有通过它们才能判断现有电力系统能否满足长期运行的电力需求、应对最大需求场景下的瞬时负荷，或是否需要新增、升级和改造电力系统。

电力系统分析主要研究结论

对于全面电气化运营的Cosmos镍矿（含所有地面作业、提升竖井，以及矿山通风和车队充电需求），电力系统分析结果显示：

尽管研究按年度估算电力需求，但实际运营中电池电动车队的耗电量会因班次不同而变化。下一研究阶段将开展更细致的电力需求建模分析，以实现电力系统优化并完善平均功率估算。

研究确定，现有发电和供电系统可满足上述需求，仅需对地面电力基础设施中的一条现有供电电缆进行小幅升级。

同时，研究发现地下电力系统需新增变压器、变电站和电缆，尤其是在休息中心、维修车间等设有多个充电器的区域。而生产区域内通常无需额外新增配电基础设施，因矿山开拓阶段安装的现有配电网络已能满足需求。

研究对Cosmos镍矿各类电池电动设备的年度电力使用量进行了建模。其中，铲运机和卡车的年度耗电量会随运输吨数和吨公里数变化，而其他类型车辆的年度耗电量则假设保持相对稳定。

研究团队通过梳理地下电力系统的所有负载，结合负载系数和利用率分析，制定了负载清单。Cosmos镍矿电池电动与柴油车队场景的主要电力需求差异体现在主通风、制冷和地下移动车队的电力消耗上。基于该负载清单，研究估算了年度电力使用量（见图 8）。

图 8 - 2028 财年柴油与电池电动车队场景电力消耗差异图

尽管电池电动车队直接运行需消耗更多电力，但地下年度耗电量（不含提升竖井）仍低于柴油车队场景，主要原因是制冷需求大幅减少。