Prodej elektromobilů v posledních letech exponenciálně roste, což je doprovázeno poklesem cen. Přijetí elektromobilů však stále omezuje jejich vyšší pořizovací cena ve srovnání se srovnatelnými vozidly na plyn, přestože celkové náklady na vlastnictví elektromobilů jsou nižší.
EV a vozidla se spalovacími motory pravděpodobně někdy v příštím desetiletí dosáhnou stejné ceny. Načasování závisí na jednom zásadním faktoru: ceně baterií. Akumulátorová baterie tvoří asi čtvrtinu celkových nákladů na elektromobil, takže je nejdůležitějším faktorem prodejní ceny.
Ceny akumulátorových baterií rychle klesají. Typický bateriový blok elektromobilu uchovává 10-100 kilowatthodin (kWh) elektrické energie. Například Mitsubishi i-MIEV má kapacitu baterie 16 kWh a dojezd 62 mil a Tesla model S má kapacitu baterie 100 kWh a dojezd 400 mil. V roce 2010 byla cena baterií pro elektromobily více než 1 000 USD za kWh. V roce 2019 klesla na 150 dolarů za kWh. Výzvou pro automobilový průmysl je vymyslet, jak cenu dále snížit.
Cílem ministerstva energetiky pro tento průmysl je snížit cenu bateriových sad na méně než 100 USD/kWh a nakonec na přibližně 80 USD/kWh. Při těchto cenách baterií bude cena elektromobilu pravděpodobně nižší než cena srovnatelného vozidla se spalovacím motorem.
Předpověď, kdy dojde k tomuto cenovému přechodu, vyžaduje modely, které zohledňují proměnné náklady: konstrukci, materiály, pracovní sílu, výrobní kapacitu a poptávku. Tyto modely také ukazují, kam výzkumníci a výrobci zaměřují své úsilí na snížení nákladů na baterie. Naše skupina na Carnegie Mellon University vyvinula model nákladů na baterie, který zohledňuje všechny aspekty výroby baterií pro elektromobily.
Zdola nahoru
Modely používané pro analýzu nákladů na baterie se dělí buď na „shora dolů“, nebo „zdola nahoru“. Modely „shora dolů“ předpovídají náklady především na základě poptávky a času. Jedním z populárních modelů „shora dolů“, který dokáže předpovědět náklady na baterie, je Wrightův zákon, který předpovídá, že náklady klesají s rostoucím počtem vyrobených kusů. Úspory z rozsahu a zkušenosti, které odvětví časem získá, snižují náklady.
Wrightův zákon je obecný. Platí pro všechny technologie, což umožňuje předpovídat pokles nákladů na baterie na základě poklesu nákladů na solární panely. Wrightův zákon však – stejně jako jiné modely shora dolů – neumožňuje analyzovat zdroje poklesu nákladů. K tomu je zapotřebí model zdola nahoru.
Pro sestavení nákladového modelu zdola nahoru je důležité pochopit, co všechno vzniká při výrobě baterie. Lithium-iontové baterie se skládají z kladné elektrody, katody, záporné elektrody, anody a elektrolytu, jakož i z pomocných součástí, jako jsou svorky a plášť.
Každá součást má náklady spojené s materiálem, výrobou, montáží, náklady související s údržbou závodu a režijními náklady. U elektrických vozidel je také nutné baterie integrovat do malých skupin článků nebo modulů, které se pak spojují do sad.
Náš open source model nákladů na baterie zdola nahoru má stejnou strukturu jako samotný proces výroby baterií. Model používá vstupy do procesu výroby baterií jako vstupy do modelu, včetně specifikací konstrukce baterií, cen komodit a práce, požadavků na kapitálové investice, jako jsou výrobní závody a zařízení, režijních sazeb a objemu výroby pro zohlednění úspor z rozsahu. Tyto vstupy používá k výpočtu výrobních nákladů, nákladů na materiál a režijních nákladů a tyto náklady se sčítají, aby se dospělo ke konečným nákladům.
Příležitosti ke snižování nákladů
Pomocí našeho modelu nákladů zdola nahoru můžeme rozdělit příspěvky jednotlivých částí baterie k celkovým nákladům na baterii a využít tyto poznatky k analýze dopadu inovací baterií na náklady na elektromobily. Největší část celkových nákladů na baterii, přibližně 50 %, tvoří materiály. Na katodu připadá asi 43 % nákladů na materiály a na ostatní materiály článků asi 36 %.
Zdokonalení materiálů pro katodu je nejdůležitější inovací, protože katoda je největší složkou nákladů na baterii. To vyvolává silný zájem o ceny komodit.
Nejběžnějšími katodovými materiály pro elektromobily jsou oxid nikelkobalt-hlinitý používaný ve vozidlech Tesla, oxid nikel-mangan-kobalt používaný ve většině ostatních elektromobilů a fosfát lithia a železa používaný ve většině elektrických autobusů.
Oxid niklkobalt-hlinitý má z těchto tří materiálů nejnižší náklady na energetický obsah a nejvyšší energii na jednotku hmotnosti neboli měrnou energii. Nízké náklady na jednotku energie vyplývají z vysoké měrné energie, protože k sestavení bateriového bloku je zapotřebí méně článků. To má za následek nižší náklady na ostatní materiály článků. Kobalt je nejdražším materiálem v katodě, takže formulace těchto materiálů s nižším obsahem kobaltu obvykle vedou k levnějším bateriím.
Neaktivní materiály článků, jako jsou karty a kontejnery, představují zhruba 36 % celkových nákladů na materiály článků. Tyto ostatní materiály článků nepřidávají baterii žádný energetický obsah. Proto se snížením neaktivních materiálů sníží hmotnost a velikost bateriových článků, aniž by se snížil energetický obsah. To podněcuje zájem o zdokonalení konstrukce článků pomocí inovací, jako jsou baterie bez vývodů, s nimiž se škádlívá společnost Tesla.
Náklady na akumulátory také výrazně klesají s nárůstem počtu článků, které výrobci ročně vyrobí. Jakmile bude spuštěno více továren na výrobu baterií pro elektromobily, úspory z rozsahu a další zdokonalování výroby a konstrukce baterií by měly vést k dalšímu poklesu nákladů.
Přepracované baterie pro elektromobily společnosti Tesla
Dne 22. září společnost Tesla odhalila řadu inovací ve výrobě lithium-iontových baterií. Každá změna má vliv na konečnou cenu bateriových článků a jejich výkon. Náš model nákladů na baterie ukazuje, že změny, které Tesla provádí ve velikosti a tvaru bateriového článku, budou mít za následek, že dvě elektrody baterie, anoda a katoda, budou tvořit 80 % nákladů na baterii.
Jednou ze změn je větší velikost bateriového článku, což snižuje množství obalového materiálu a zvyšuje množství energie, které může každý článek uložit. Nová forma snižuje podíl pomocných materiálů na celkových nákladech bateriového článku z 35 % na 15 %. Pomocné materiály jsou vše kromě anody, katody a elektrolytu uchovávajícího energii.
Tím se snižování nákladů soustředí na elektrody. Samotná katoda nyní představuje 55 % nákladů na článek. Tesla popsala několik změn v procesu výroby katod, které by měly snížit náklady, ale zatím není jasné, o kolik.
Další změnou, kterou společnost představila, je konstrukce baterie, která odstraňuje výstupky, což jsou proužky kovu, které spojují anodu a katodu s vnější stranou článku. Odstranění výčnělků snižuje náklady a zvyšuje hodinovou propustnost výrobního závodu. Čím více článků lze vyrobit, tím nižší jsou náklady díky úsporám z rozsahu a zlepšení výroby.
Podle společnosti bude pravděpodobně trvat přibližně tři roky, než se všechny tyto změny dostanou do výroby a nové baterie se objeví v levnějších elektromobilech.
Cesta k cenové paritě
Předpověď časového plánu cenové parity s vozidly s vnitřním pohonem vyžaduje předpověď budoucí trajektorie nákladů na baterie. Odhadujeme, že snižování nákladů na suroviny, zlepšování výkonu a učení se výrobou dohromady pravděpodobně povedou k tomu, že do roku 2025 budou baterie s náklady na balení pod 80 USD/kWh.
Předpokládáme-li, že baterie představují čtvrtinu nákladů na elektromobily, pak 100 kWh akumulátorů při ceně 75 USD za kilowatthodinu znamená náklady přibližně 30 000 USD. To by mělo vést k cenám elektromobilů, které budou nižší než ceny srovnatelných modelů vozů poháněných benzinem.
Abhinav Misalkar se na tomto článku podílel v době, kdy byl postgraduálním studentem na Carnegie Mellon University.
Tento článek byl 25. září aktualizován o podrobnosti týkající se nové konstrukce baterií pro elektromobily společnosti Tesla.