1 Einleitung
In Polen und ehemals auch in Deutschland stellen Einschienenhängebahnen (EHB) das Rückgrat für den Transport von Personal und Material in untertägigen Steinkohlenbergwerken dar. Da sie sich entlang einer an der Firste befestigten Schiene fortbewegen, sind sie in ihrer Fortbewegungsfähigkeit unabhängig vom Zustand der Sohle. Für Anwendungen im untertägigen Steinkohlenbergbau existiert eine Vielzahl von dieselbetriebenen oder batterieelektrischen EHB (1). Dieselbetriebene EHB erzeugen gesundheitsschädliche Gase und führen zu erhöhten Temperaturen und Lautstärken. Zudem ist eine untertägige Treibstoffversorgung erforderlich (1). Batterieelektrische EHB haben eine reduzierte Verfügbarkeit aufgrund der Notwendigkeit, die Batterie nachzuladen. Zudem muss der Ladevorgang in untertägigen Kohle-bergwerken hohe sicherheitstechnische Standards erfüllen (2). Aus diesen Nachteilen beider Systeme erwächst die Möglichkeit einer Optimierung durch alternative Antriebskonzepte.
Dieser Artikel stellt zwei von der Europäischen Union (EU) geförderte Projekte vor. Das Projekt „Increase of mines efficiency and health protection through the innovative transport system based on BUSDUCT“ (BUSDUCT) und das Projekt „Innovative high efficiency power system for machines and devices, increasing the level of work safety in underground mining excavations“ (HEET II). Beide Projekte werden innovative Konzepte für die Elektrifizierung von EHB für den untertägigen Steinkohlenbergbau vorstellen, welche in einem Einsatz im Bergwerk durch die Vermeidung von Emissionen zum Gesundheitsschutz der Mitarbeiter und zu einer höheren Produktivität beitragen sollen. Die Konzeptionierung geschieht unter Berücksichtigung der gültigen Normen zum Explosionsschutz innerhalb der EU.
Der Artikel beginnt mit den Grundlagen zu Methangas, Explosionen und Explosionsschutzmaßnahmen. Anschließend werden die Konzepte der Projekte BUSDUCT und HEET II vorgestellt. Abschließend wird auf die Herausforderungen eingegangen, denen sich beide Projekte auf ihrem Weg vom Konzept zum Prototypen stellen müssen.
2 Grundlagen
2.1 Methan im untertägigen Steinkohlenbergbau
Methan ist ein farb- und geruchloses Gas (3). Es ist das einfachste Mitglied der Paraffinreihe der Kohlenwasserstoffe (4). Unter Standardbedingungen hat Methan eine Dichte von 0.656 kg/m3. Tabelle 1 zeigt ausgewählte sicherheitstechnische Eigenschaften von Methan.
Table 1. Flammability properties of methane (5, 6). // Tabelle 1. Sicherheitstechnische Eigenschaften von Methan (5, 6).
Die UEG und die OEG von Methan werden durch Umgebungsdruck und -temperatur beeinflusst. In absoluten Zahlen ist die Absenkung der UEG durch erhöhten Umgebungsdruck und erhöhte Umgebungstemperatur geringer als die Erhöhung der OEG (7).
Methan entsteht als Nebenprodukt des Inkohlungsprozesses. Ein Teil des in der Kohle eingeschlossenen Methans wird durch die bergmännischen Tätigkeiten freigesetzt. Die Freisetzungsrate hängt von einer Reihe von Parametern wie dem Methangehalt des Gebirges, der Durchlässigkeit des Gesteins und dem Umfang der bergbaulichen Tätigkeit ab. Methan strömt lokal in erhöhten Konzentrationen in einen aktiven Grubenbau ein und wird anschließend durch den Wetterstrom verdünnt. Bei zu geringen Wettervolumenströmen neigt das Methan zur Schichtenbildung unterhalb der Firste. (7)
2.2 Explosionsschutz
Eine Explosion ist eine plötzliche Oxidationsreaktion, welche einen Anstieg der Temperatur und des Drucks zur Folge hat (8). Damit eine Explosion unter atmosphärischen Bedingungen auftritt, müssen entflammbare Substanz(en), Sauerstoff und eine Zündquelle zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein. Ein Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben kann unter atmosphärischen Bedingungen zur Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre führen.
Zur Vermeidung von Explosionen werden Explosionsschutzmaßnahmen angewendet. In dieser Arbeit werden die Explosionsschutzmaßnahmen in die drei nachfolgenden Kategorien unterteilt:
- Der primäre Explosionsschutz fasst alle Maßnahmen zusammen, welche die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre verhindern oder einschränken.
- Der sekundäre Explosionsschutz fasst alle Maßnahmen zusammen, welche die Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern.
- Der konstruktive Explosionsschutz fasst alle Maßnahmen zusammen, welche Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken. (9)
2.3 Überblick über die Gesetzgebung
Die Entwicklung von Prototypen für den Einsatz in untertägigen Steinkohlenbergwerken macht es erforderlich, die einschlägigen Normen der betreffenden Regionen zu berücksichtigen. In der EU legt die Richtlinie 2014/34/EU der Europäischen Kommission (ATEX) die Anforderungen für den Betrieb und die Herstellung von Geräten fest, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen (10). In China wird das Guobiao-System zusammen mit der Norm GB3836 angewendet. In den USA zielt die Gesetzgebung für Hazardous Locations (HazLoc) auf die Kontrolle der mit Explosionen verbundenen Risiken ab. In Australien regelt die New South Wales Coal Mine Health and Safety Regulation und in Brasilien die INMETRO-Verordnung Portaria 83:2006 die Anforderungen an elektrische Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Für die in diesem Artikel vorgestellten Projekte liegt besonderes Augenmerk auf der ATEX-Richtlinie. (11)
3 BUSDUCT
3.1 Projektübersicht
Das Projekt „Increase of mines efficiency and health protection through the innovative transport system based on BUSDUCT“ (BUSDUCT) wurde durch den Research Fund for Coal and Steel (RFCS) der EU gefördert. Das Projekt wurde von 2019 bis 2022 durchgeführt, und das Projektkonsortium bestand aus den folgenden Partnern:
- Instytut Techniki Gorniczej KOMAG (KOMAG), Polen,
- Becker-Warkop SPZOO (BECKER-WARKOP), Polen,
- Polska Grupa Gornicza SA (PGG SP. ZOO), Polen,
- RWTH Aachen University (RWTH), Deutschland,
- Bartec Varnost (BARTEC VARNOST), Slowenien.
Das Konsortium besteht aus den Forschungseinrichtungen KOMAG (Projektleiter) und dem Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH, BECKER-WARKOP als Hersteller von Einschienenhängebahnen, PGG als Bergwerksbetreiber von Steinkohlenbergwerken in Polen sowie BARTEC VARNOST als Hersteller von elektrischen Einrichtungen für den untertägigen Steinkohlenbergbau.
Ziel des internationalen Projektkonsortiums war die Entwicklung eines Prototyps einer EHB, die über eine Stromschiene mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Anwendungsbereich des entwickelten Prototyps ist der untertägige Steinkohlenbergbau. Der Prototyp wurde so konzipiert, dass er ohne Dieselemissionen betrieben werden kann, eine Fahrgeschwindigkeit von bis zu 4 m/s erreichen kann und ca. 30 % leichter ist als vergleichbare batteriebetriebene Zugmaschinen.
3.2 Konzept
Die prototypische EHB kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4 m/s vorwärts und rückwärts fahren. Die Stromversorgung erfolgt über eine parallel zur Schiene angebrachte Stromschiene, welche Drei-Phasen-Wechselstrom (500 V AC) bereitstellt. Diese Stromschiene besteht in der Regel aus einem Gehäuse aus Metall oder Kunstharz, welches Platten aus Kupfer oder Aluminium enthält. Derartige Stromschienen stellen eine Alternative zur Stromübertragung mittels Kabel dar. Im Projekt BUSDUCT wird, anders als in vorangegangenen Projekten, eine offene Stromschiene bestehend aus vier einzelnen Schienenelementen verwendet (12). In Bild 1 ist eine vom Projektpartner KOMAG erstellte Konzeptzeichnung der EHB dargestellt.
Fig. 1. SML concept of the BUSDUCT project (left), location of the busduct in relation to the suspended monorail (bottom), busduct and CC in detailed view (right). // Bild 1. EHB-Konzept des Projekts BUSDUCT (l.), Lage der Stromschiene (unten), Stromschiene und Stromabnehmer in der Detailansicht (r.). Source/Quelle: KOMAG
Für die Anwendung im untertägigen Steinkohlenbergbau muss der Interaktionsbereich zwischen Stromabnehmer und Stromschiene explosionssicher ausgestaltet werden. Daher wird der innere Bereich eines jeden Einzelelements der beiden Stromabnehmer mittels Stickstoff inertisiert. Ein Stickstoff-generator konzentriert den in den Wettern enthaltenen Stickstoff bis zu einer Konzentration von mehr als 95 Vol.-% auf. Über insgesamt 16 Versorgungsleitungen werden dadurch alle Einzelelemente der zwei Stromabnehmer mit einem kontinuierlichen Strom Inertgas versorgt.
Für die Inertisierung der Stromabnehmer müssen deren einzelne Elemente abgedichtet werden. Das Dichtungskonzept für die Stromabnehmer (Bild 2) wurde vom Projektpartner KOMAG erstellt.
Fig. 2. Cut through single brush collector parallel to driving direction (left), depiction of singe brush collector in driving direction (right). // Bild 2. Schnitt durch Einzelelement des Stromabnehmers (l.), Darstellung des Einzelelements des Stromabnehmers in Fahrtrichtung (r.). Source/Quelle: KOMAG
Zudem wurden Zuleitungen für das Inertgas in jedes Einzelement der Stromabnehmer integriert. In diesem Konzept wird die Stromschiene als ein Gehäuse angesehen, welches potentielle Zündquellen und offenliegende Stromleitungen enthält. Als Explosionsschutzkonzept wird nach EN-IEC 60079-2 eine Überdruckkapselung verwendet.
Basierend auf dem entwickelten Konzept für den sicheren Betrieb der Stromschiene und den Umgebungsbedingungen in den von der PGG in Polen betriebenen Steinkohlenbergwerken wurde von der KOMAG und dem AMT ein Sensorsystem entwickelt. Dessen Beschreibung wird nachfolgend in zwei verschiedene Teilsysteme aufgeteilt. Das eine Teilsystem dient als Überwachungssystem für den Methangehalt in den Wettern. Da es sich um eine elektrische Einrichtung handelt, muss die EHB bei Erreichen des Grenzwerts für die Methankonzentration in den Wettern abgeschaltet werden. In untertägigen Strecken, in denen Stromschienen verbaut sind, liegt dieser Grenzwert bei 0,5 Vol.-% Methan. Das gewählte Gasmessgerät war das HASO MPS-1i der Firma HASO S. C.
Das andere Teilsystem ist das Inertisierungssystem für die Stromabnehmer. Eine Konzeptskizze dieses Systems ist in Bild 3 dargestellt. V
Fig. 3. Inertisation system for current collector. // Bild 3. Inertisierungssystem für die Stromabnehmer. Source/Quelle: KOMAG
om Stickstoffgenerator wird ein Gasgemisch mit über 95 Vol.-% Stickstoff durch ein Magnetventil (4) geleitet, welches öffnen und schließen kann. Nach dem Magnetventil wird der Strom in zwei Hauptströme geteilt, in denen der Druck jeweils auf 1 bar reduziert und der Volumenstrom über das Blenden-Durchflussmessgerät (6) PR-28 Smart der Firma Aplisens S. A. gemessen wird. Nach der Volumenstrommessung wird der Strom erneut aufgeteilt, um alle Einzelelemente beider Stromabnehmer zu versorgen. Jedes Einzelement stellt dabei ein undefiniertes und bewegtes überdruckgekapseltes Gehäuse dar. Nach EN-IEC 60079-2 muss mindestens ein Überdruck von 50 Pa innerhalb einer Überdruckkapselung aufrechterhalten werden. Dieser Überdruck wird von Drucksensoren des Typs APRE-2000G/Exia/-250…250Pa/0…250Pa/GP (8) überwacht. Der Messbereich der Sensoren beträgt 0 bis 250 Pa. Der Hersteller ist erneut die Firma Aplisens S. A. Die Messung des Überdrucks erfolgt durch Durchgangsbohrungen innerhalb der Bürste eines Einzelelements eines Stromabnehmers. Zur Überwachung des Überdrucks in der Zuleitung für jeden der zwei Stromabnehmer wurde nach dem Druckbegrenzungsventil (5) ein PC-28/Ex/0-3bar/PK/M Drucktransmitter (9) implementiert. Diese Komponente und alle weiteren gelisteten Komponenten haben eine ATEX-Zertifizierung für den untertägigen Bergbau.
4 HEET II
4.1 Projektübersicht
Das Projekt „Innovative high efficiency power system for machines and devices, increasing the level of work safety in underground mining excavations“ (HEET II) wurde durch den Research Fund for Coal and Steel (RFCS) der EU gefördert. Das Projekt startete im Jahr 2020 und wird 2023 enden. Das Projektkonsortium besteht aus den folgenden Partnern:
- Instytut Techniki Gorniczej KOMAG (KOMAG), Polen,
- Politechnika Slaska (SUT), Polen,
- Glowny Instytut Gornictwa (GIG), Polen,
- RWTH Aachen University (RWTH), Deutschland,
- SWE Spolka z Ograniczona Odpowiedzialnoscia (SWE), Polen,
- Universitatea Dunarea de jos din Galatoi (UDJG), Rumänien,
- JSW Innowaczje Spolka Akcyjna (JSWI), Polen.
Das Konsortium besteht aus den Forschungseinrichtungen KOMAG (Projektleiter), GIG, UDJG, SUT und AMT der RWTH, dem Unternehmen SWE als Hersteller von Verbundwerkstoffkomponenten und JSWI zur Unterstützung des Innovationsprozesses. Das internationale Konsortium des HEET II-Projekts in Anlehnung an die SML hat sich zum Ziel gesetzt, einen Prototyp einer vereinfachten batterieelektrischen EHB zu entwickeln, deren Batterie während der Fahrt wieder aufgeladen werden kann.
Die Stromversorgung entlang der EHB-Schiene wird über eine eindrahtige Übertragungsleitung realisiert. Dadurch kann der zweite elektrische Leiter eingespart werden, was das Risiko von Explosionen und Stromschlägen verringert. Die Schiene, die üblicherweise aus Stahl hergestellt wird, wird durch eine neu entwickelte Schiene aus Verbundmaterial ersetzt, die leichter und weniger empfindlich gegen Biegung ist. Die Schiene dient als Transmitter für die drahtlose Energieübertragung über eine kapazitive Kopplung an die EHB. (2)
Zusätzlich wird ein Sensorsystem zur Überwachung von Umgebungsparametern installiert. Das AMT entwickelt verschiedene Module, die Zustandsdaten der Zugmaschine, die Gaskonzentration verschiedener Gase und Umgebungsparameter wie relative Luftfeuchtigkeit und -temperatur überwachen. Diese Daten werden zur weiteren Verarbeitung und Entscheidungsfindung an die Grubenwarte über Tage übermittelt. (2)
4.2 Konzept
Zunächst erfolgt die Beschreibung des von der KOMAG entwickelten Konzepts für das drahtlose Energieübertragungssystem (WET). Im Anschluss daran wird das vom AMT entwickelte Sensorsystem näher beschrieben. Einen Gesamtüberblick des Konzepts zeigt Bild 4.
Fig. 4. Visualization of the main modules associated with the SWET and WET system (2). // Bild 4. Visualisierung der wichtigsten Module des SWET- und WET-Systems (2).
Um die Batterielaufzeit einer EHB zu verlängern, wird im Projekt HEET II ein WET entwickelt. Dieses besteht aus Platten aus einem leitfähigen Metall, welche in die neu entwickelte Verbundschiene eingebaut sind. Die Gegenstücke dieser Platten befinden sich an der Zugmaschine der EHB. Ein Transmitter (WET3) übertragt Strom mit einer hohen Spannung und einer hohen Frequenz zu einem Empfänger (WET4) über die EHB-Schiene. Der Empfänger versorgt ein Ladesystem, über welches die Batterie der EHB geladen wird. WET3 wird über ein Eindrahtsystem (SWET) mittels Gleichstrom versorgt. Bei diesem Eindrahtsystem wird der elektrische Strom über einen Rückleiter geschlossen. Das SWET erhält den Strom vom Stromnetz des Bergwerks. (2)
Das Gesamtsystem des HEET II-Projekts umfasst auch ein Teilsystem für die Kommunikation von Daten sowie die Umgebungs- und Maschinenüberwachung. Das Kommunikationsteilsystem nutzt drahtlose Datenübertragung zwischen der Zugmaschine, den WETs und den Sensor- und Kommunikationsmodulen (Access Points – AP), die mit den EHB-Schienen verbunden sind. Damit keine Stromkabel zu den Modulen verlegt werden müssen, wurden diese ebenfalls mit einem WET ausgestattet (WET5). Die Module sind zusätzlich mit einem integrierten Batteriesystem ausgestattet. (2)
Ein Modul des oben benannten Teilsystems überwacht die Zugmaschine der EHB und das WET4. Die Informationen von diesem Tractor Modul (TM) werden an AP übertragen. Das TM ist über einen Controller Area Network (CAN)-Bus mit dem internen System der Zugmaschine verbunden. Über diese Verbindung erhält es Statusinformationen wie den Zustand der Steuerrelais und Messwerte wie den Batteriestrom. Diese Daten werden aggregiert und über Wireless-Fidelity (Wi-Fi) an den nächstgelegenen AP übertragen. Entlang den Schienen befinden sich mehrere APs, welche ein Wi-Fi-Mesh-Netzwerk bilden. Das TM verbindet sich automatisch mit dem nächstgelegenen AP und überträgt die oben genannten Daten von der Zugmaschine. Zusätzlich sind die Zugangspunkte mit Sensoren zur Überwachung von Umgebungsparametern ausgestattet. Bei diesen Sensoren handelt es sich um Gaskonzentrationssensoren für Kohlenmonoxid, Methan und Sauerstoff sowie Sensoren für die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur. Die Sensordaten werden in Kombination mit den Daten der Zugmaschine drahtlos von einem Zugangspunkt zum anderen bis zum Gateway Modul (GM) gesendet. Das GM fungiert als Hauptverbindung zum Datenbankserver, der sich über Tage befindet. Das Gateway ist mit dem Server über einen Singlemode-Lichtwellenleiter verbunden, über den die aggregierten Daten an den Datenbankserver übertragen werden. (2)
Diese verschiedenen Module sind alle druckfest gekapselt. Komponenten des Systems, die sich außerhalb des Gehäuses befinden, wie z. B. die Sensoren zur Erfassung von Umgebungsparametern und die Wi-Fi-Antenne sowie die Stromversorgung, sind alle für den Einsatz im untertägigen Steinkohlenbergbau ATEX-zertifiziert. (2)
5 Fazit
In diesem Artikel wurden zwei Konzepte für die Elektrifizierung von EHB für den untertägigen Steinkohlenbergbau vorgestellt. Das BUSDUCT-Projekt sieht eine elektrisch angetriebene EHB vor, die über eine Stromschiene versorgt wird. Unter Verwendung eines Stickstoffgenerators und nachgeschaltetem Inertisierungssystem wird eine Überdruckkapselung im Bereich der Wechselwirkung zwischen Stromabnehmer und Stromschiene gebildet. Das Projekt HEET II sieht eine batterieelektrische EHB vor, deren Batterie über ein drahtloses Energieübertragungssystem, das innerhalb der EHB-Schiene und an der Zugmaschine der EHB implementiert ist, aufgeladen wird. Beide innovativen Konzepte stehen im Einklang mit dem allgemeinen Trend zur Elektrifizierung im Bergbau (13). Sie verbessern die Arbeitsbedingungen für Bergleute durch die Vermeidung von Dieselemissionen. Bei beiden Projekten bilden Sensoren das Rückgrat für einen sicheren und effizienten Betrieb im untertägigen Steinkohlenbergbau. Beide Projekte stoßen von der Konzeption bis zur Umsetzung in einer Bergbauumgebung auf Schwierigkeiten. So handelt es sich bei den vorgeschlagenen Lösungen um Ausnahmen von den geltenden Normen zum Explosionsschutz. Sofern der sichere Betrieb nachgewiesen ist, könnten die Ergebnisse der Projekte zu Änderungsvorschlägen der Normen führen.
6 Förderung
Der erste Teil der Veröffentlichung erfolgte im Rahmen des internationalen Projekts BUSDUCT. Dieses Projekt wurde vom Research Fund for Coal and Steel unter der Fördernummer 847253 finanziert.
Der zweite Teil der Veröffentlichung erfolgte im Rahmen des internationalen Projekts HEET II. Dieses Projekt wurde vom Research Fund for Coal and Steel unter der Fördernummer 899469 finanziert
Die Veröffentlichung der Forschungsarbeit erfolgte im Rahmen eines internationalen Projekts, das vom Ministry of Science and Higher Education programme „PMW“ in den Jahren 2020 bis 2023 kofinanziert wurde; Vertragsnummer 5117/FBWiS/2020/2.
References / Quellenverzeichnis
References / Quellenverzeichnis
(1) Pieczora, E.; Tokarczyk, J. (2017): Development of mine underground transportation with use of suspended monorails. miag 4 (532), 96.
(2) Kianfar, A.; Sherikar, M.; Gilerson, A.; Skora, M.; Stankiewicz, K.; Mitra, R.; Clausen, E. (2022): Designing a Monitoring System to Observe the Innovative Single-Wire and Wireless Energy Transmitting Systems in Explosive Areas of Underground Mines 15, 576.
(3) Binnewies, M.; Finze, M.; Jäckel, M.; Schmidt, P.; Willner, H.; Rayner-Canham, G. (2016): Allgemeine und anorganische Chemie. 3rd edition, Springer Spektrum, Berlin.
(4) Nolan, D. (2014): Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles [For Oil, Gas, Chemical and Related Facilities]. 3rd edition, Elsevier, Amsterdam.
(5) Berufsgenossenschaft Holz und Metall (2013): BG-Information – Arbeitssicherheit durch vorbeugenden Brandschutz. 560th edition, Main.
(6) TRGS 727 (2017): Vermeidung von Zünd-gefahren infolge elektrostatischer Aufladung.
(7) Kissel, F. (2006): Handbook for Methane Control in Mining. Pittsburgh, PA.
(8) CEN/TR 15281:2006 (2007): Leitsätze für die Inertisierung zum Explosionsschutz. 15281st edition, Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin.
(9) TRBS 2152 (2012): Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre.
(10) Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen -Union (2014): Directive 2014/34/EU of the European Parliament and of the Council of 26 February 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to equipment and -protective systems intended for use in potentially explosive atmospheres (recast) Text with EEA relevance, 2014. Available at: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:32014L0034&from=EN (accessed October 21, 2022).
(11) Novák, P.; Kot, T.; Babjak, J.; Konečný, Z.; Moczulski, W.; Rodriguez López, Á. (2018): Implementation of Explosion Safety Regulations in Design of a Mobile Robot for Coal Mines 8, 2300.
(12) Baack, D.; Crumbiegel, K. (1990): Erprobungseinsatz einer beweglichen schlaggwettergeschützten Stromzuführung mit schnell wirkenden Überwachungseinrichtungen für den Elektroantrieb bei Einschienenhängebahnen. Essen.
(13) Clausen, E.; Sörensen, A.; Uth, F.; Mitra, R.; Lehnen, F.; Schwarze, B. (2020): Assessment of the Effects of Global Digitalization Trends on Sustainability in Mining: Part I: Digitalization Processes in the Mining Industry in the Context of Sustainability.
