Véhicules électriques et distribution d’électricité : considérations pour les exploitants de mines souterraines

L’exploitation minière emploie une vaste gamme de véhicules lourds, dont des foreuses, chargeuses-déchargeuses et camions de transport variés, et plus léger, comme des véhicules de transport de personnes, camions logistiques, camions-citernes, camions-grues et niveleuses.

Si les véhicules électriques à batterie (VÉB) dans le secteur minier font les mêmes tâches que les véhicules à carburant, ils ont en revanche besoin d’infrastructures radicalement différentes pour les alimenter et les entretenir.

Les camions de transport et les chargeuses-déchargeuses au diesel ont généralement besoin des services suivants :

• un garage pour l’entretien
• des stations de ravitaillement en carburant, en huile et en lubrifiant
• une aire de lavage

Pour ces mêmes véhicules en version électrique à batterie, on doit prévoir :

• des bornes de recharge à proximité du lieu de travail
• un atelier d’entretien pourvu de stations de graissage et de lubrification
• une aire de lavage

À première vue, ces exigences semblent comparables, mais elles comportent d’importantes différences :

1. Pour prévenir les pertes d’efficacité, les bornes de recharge doivent être situées près de la zone de travail afin de pouvoir recharger les véhicules entre deux tâches. Sinon, les véhicules électriques passent plus de temps à se déplacer et à se recharger qu’à contribuer à la production. Les VÉB plus petits peuvent parcourir de plus longues distances avec une charge inférieure. Toutefois, l’autonomie d’un véhicule électrique à batterie demeure inférieure à celle d’un moteur à combustion interne.
2. Comparativement au nombre de stations-service, les véhicules électriques lourds nécessitent davantage de bornes de recharge en raison de la durée du cycle de recharge, de l’autonomie des batteries et d’autres contraintes énergétiques.

L’industrie minière abandonne progressivement les moteurs diesel traditionnels au profit de l’électricité depuis plusieurs décennies déjà. Dans les années 1980, on utilisait des camions de transport assistés par caténaire, notamment les camions Kiruna, et certains systèmes de train léger sur rail fonctionnaient à l’électricité même avant cela. Aujourd’hui, le matériel peut être alimenté par des caténaires, des câbles, des batteries ou des systèmes hybrides.

La plupart des grands fabricants offrent encore des foreuses frontales (appelées aussi « jumbos de forage »), qui utilisent des moteurs diesel pour se déplacer, mais dont les foreuses électrohydrauliques doivent être raccordées au réseau électrique souterrain pour fonctionner. Bon nombre de ces fabricants proposent aujourd’hui des jumbos entièrement électriques, qui utilisent l’énergie des batteries pour se déplacer mais dont l’équipement de forage est alimenté par le réseau. De même, les chargeuses-déchargeuses sont maintenant offertes en modèles diesel ou électrique, à batteries ou alimentées par câble.

Comme les mines souterraines ne disposent d’aucun service intégré, les exploitants doivent créer des infrastructures pour les communications et la distribution électrique. Cette dernière commence habituellement par des câbles qui proviennent d’une sous-station en surface et descendent par une rampe ou un puits jusqu’au gisement. De là, le réseau se ramifie pour répondre aux différents besoins de la mine.

La conception de ce réseau est complexe. Elle doit respecter les Codes et tenir compte des normes, de la puissance appelée, des niveaux de tension et d’autres facteurs techniques. La distribution électrique souterraine comporte plusieurs contraintes :

1. Le courant admissible des câbles est limité.
2. Des niveaux de tension plus élevés permettent une transmission de puissance plus importante pour un même calibre de câble, mais présentent davantage de risques pour la sécurité et des coûts plus élevés.
3. L’augmentation de la tension et puissance accroît les dangers comme les éclats d’arc, les décharges électriques et l’électrocution.
4. Les galeries et tunnels ont un espace généralement restreint pour une installation sécuritaire des câbles et, avec l’augmentation de l’appel de puissance, cela peut entraîner davantage de risques pour le personnel et le matériel.

En vue de déterminer les besoins souterrains en électricité, les équipes préparent généralement une liste de charges et une estimation de la charge avec une précision liée au niveau d’étude désiré. Cet estimé indique à la fois les puissances nominales et appelée afin de fournir une base pour estimer les besoins globaux. À l’aide de modèles de puissance et d’études détaillées, ces estimations sont ensuite précisées, de façon à garantir que le réseau d’électrification est en mesure de répondre aux besoins de la mine.

Auparavant, une alimentation de 10 MVW était généralement suffisante pour une exploitation souterraine. Avec la transition accrue vers l’électricité, la puissance requise est plutôt de 10 à 15 MW pour les petites et moyennes mines, et de 15 à 20 MW pour les plus grandes. Lorsque cela est faisable stratégiquement, l’ajout de véhicules électriques, à batterie ou autres, peut accroître la puissance de 3 à 7 MW supplémentaires, dépendamment de la philosophie de recharge employée (échange de batterie vs recharge rapide embarquée).

Les VÉB présentent des charges très variables. Selon la puissance du chargeur et le temps disponible pour la recharge, chaque unité peut tirer entre 120 et 500 kW. Les pointes de puissance maximales surviennent avec de la recharge rapide embarquée, pendant les pauses ou les repas, lorsque 12 à 14 véhicules sont tous branchés simultanément sur des chargeurs de 500 kW. La demande additionnelle peut alors atteindre 7 MW. À l’inverse, les systèmes d’échange de batteries offrent généralement un profil de puissance plus constant, limitant les fluctuations. Ces variations de demande influent directement sur la puissance appelée, la charge de pointe, la qualité de l’alimentation électrique, ainsi que sur le dimensionnement du transformateur de surface, de l’appareillage de commutation et des câbles d’alimentation.

Avant, une mine de 10 MW pouvait acheminer la puissance avec deux câbles de 250 MCM, ou deux câbles de 500 MCM pour permettre une augmentation de capacité de 30 à 50 %. Cependant, les charges VÉB transitoires, notamment pour le matériel de recharge embarqué ou rapide, qui nécessite encore plus de puissance pendant une courte période, peuvent surcharger ces installations. Une mine entièrement électrique exige parfois des alimentations dédiées, des appareillages de commutation supplémentaires ou un nombre accru de câbles pour soutenir les VÉB. En vue de répondre à la demande de base actuelle des mines, qui est d’environ 10 à 15 MW plus les VÉB, il est de plus en plus courant de voir de trois à quatre câbles triphasés de 500 MCM, et même plus. Cette tendance augmente les coûts d’investissement, l’empreinte au sol et introduit plusieurs autres considérations.

Grâce à une planification adéquate, les véhicules électriques à batterie (VÉB) peuvent offrir aux exploitants de mines souterraines des bénéfices qui vont au-delà de la décarbonation : des opérations plus silencieuses, des coûts de ventilation réduits et l’amélioration de la santé et de la sécurité des travailleurs (par la réduction des risques de troubles musculo-squelettiques, de lésions auditives et de lésions respiratoires). Le résultat : une mine plus résiliente et plus compétitive, prête pour la prochaine génération de production.

À mesure que les mines souterraines se tournent vers l’électrification, la conception de l’infrastructure électrique ne peut être considérée comme un élément secondaire, ou sous-entendue dans les études initiales. Depuis les évaluations économiques préliminaires jusqu’à l’ingénierie détaillée, les exploitants doivent tenir compte du coût réel de l’électrification et repérer les secteurs où l’ajout de VÉB et d’autres véhicules électriques est à la fois réalisable et avantageux.

À l’aide d’outils comme les listes de charge, stratégies de planification et études énergétiques complètes, les exploitants peuvent obtenir la clarté nécessaire pour définir leurs exigences et mettre au point des solutions pratiques. En intégrant ces analyses dès le départ, les exploitants miniers pourront prendre des décisions éclairées qui concilient innovation, fiabilité et rentabilité.