Sprzedaż pojazdów elektrycznych gwałtownie wzrosła w ostatnich latach, czemu towarzyszył spadek cen. Jednak przyjęcie EV pozostaje ograniczone przez ich wyższą cenę naklejki w stosunku do porównywalnych pojazdów gazowych, nawet jeśli całkowity koszt posiadania EV jest niższy.
EV i pojazdy z silnikami spalinowymi prawdopodobnie osiągną parytet cenowy gdzieś w następnej dekadzie. Czas zależy od jednego kluczowego czynnika: kosztu akumulatora. Akumulator w samochodzie elektrycznym stanowi około jednej czwartej całkowitego kosztu pojazdu, co czyni go najważniejszym czynnikiem wpływającym na cenę sprzedaży.
Ceny akumulatorów szybko spadają. Typowy zestaw akumulatorów do pojazdów elektrycznych przechowuje od 10 do 100 kilowatogodzin (kWh) energii elektrycznej. Na przykład, Mitsubishi i-MIEV ma akumulator o pojemności 16 kWh i zasięgu 62 mil, a Tesla Model S ma akumulator o pojemności 100 kWh i zasięgu 400 mil. W 2010 roku cena pakietu akumulatorów do pojazdów elektrycznych wynosiła ponad 1000 dolarów za kWh. W 2019 roku cena ta spadnie do 150 dolarów za kWh. Wyzwaniem dla przemysłu motoryzacyjnego jest znalezienie sposobu na dalsze obniżenie kosztów.
Celem Departamentu Energii dla przemysłu jest obniżenie ceny pakietów baterii do mniej niż 100 USD/kWh, a ostatecznie do około 80 USD/kWh. W tych punktach cenowych baterii, cena EV będzie prawdopodobnie niższa niż porównywalnego pojazdu z silnikiem spalinowym.
Przewidywanie, kiedy nastąpi przełom cenowy wymaga modeli, które uwzględniają zmienne kosztowe: projekt, materiały, pracę, możliwości produkcyjne i popyt. Modele te pokazują również, gdzie naukowcy i producenci koncentrują swoje wysiłki w celu obniżenia kosztów akumulatorów. Nasza grupa na Uniwersytecie Carnegie Mellon opracowała model kosztów baterii, który uwzględnia wszystkie aspekty produkcji baterii EV.
Od dołu do góry
Modele używane do analizy kosztów baterii są klasyfikowane jako „z góry na dół” lub „z dołu do góry”. Modele top-down przewidują koszty w oparciu przede wszystkim o popyt i czas. Jednym z popularnych modeli top-down, który może prognozować koszty akumulatorów jest prawo Wrighta, które przewiduje, że koszty spadają wraz z ilością produkowanych jednostek. Korzyści skali i doświadczenie, jakie przemysł zdobywa z czasem, prowadzą do obniżenia kosztów.
Prawo Wrighta jest ogólne. Działa we wszystkich technologiach, co umożliwia przewidywanie spadku kosztów akumulatorów na podstawie spadku kosztów paneli słonecznych. Jednak prawo Wrighta – podobnie jak inne modele top-down – nie pozwala na analizę źródeł spadku kosztów. Do tego potrzebny jest model bottom-up.
Aby zbudować model kosztów bottom-up, ważne jest, by zrozumieć, co wchodzi w skład baterii. Akumulatory litowo-jonowe składają się z elektrody dodatniej – katody, elektrody ujemnej – anody i elektrolitu, a także z elementów pomocniczych, takich jak zaciski i obudowa.
Każdy komponent ma swój koszt związany z materiałami, produkcją, montażem, wydatkami związanymi z utrzymaniem fabryki i kosztami ogólnymi. W przypadku pojazdów elektrycznych, baterie muszą być również zintegrowane w małe grupy ogniw lub modułów, które są następnie łączone w pakiety.
Nasz otwarty, oddolny model kosztów akumulatorów ma taką samą strukturę jak sam proces produkcji akumulatorów. Model wykorzystuje dane wejściowe do procesu produkcji baterii jako dane wejściowe do modelu, w tym specyfikacje projektu baterii, ceny towarów i pracy, wymagania inwestycyjne, takie jak zakłady produkcyjne i sprzęt, koszty ogólne i wielkość produkcji w celu uwzględnienia korzyści skali. Model wykorzystuje te dane wejściowe do obliczenia kosztów produkcji, kosztów materiałowych i kosztów ogólnych, które są sumowane w celu uzyskania kosztu końcowego.
Możliwości obniżenia kosztów
Korzystając z naszego modelu kosztów bottom-up, możemy rozbić wkład każdej części baterii na całkowity koszt baterii i wykorzystać te spostrzeżenia do analizy wpływu innowacji w zakresie baterii na koszt EV. Materiały stanowią największą część całkowitego kosztu baterii, około 50%. Katoda stanowi około 43% kosztów materiałów, a inne materiały ogniw około 36%.
Ulepszenia w materiałach katodowych są najważniejszymi innowacjami, ponieważ katoda jest największym składnikiem kosztu baterii. To powoduje duże zainteresowanie cenami surowców.
Najpopularniejszymi materiałami katodowymi dla pojazdów elektrycznych są: tlenek niklowo-kobaltowo-glinowy stosowany w pojazdach Tesla, tlenek niklowo-manganowo-kobaltowy stosowany w większości innych pojazdów elektrycznych oraz fosforan litowo-żelazowy stosowany w większości autobusów elektrycznych.
Tlenek niklu kobaltu aluminium ma najniższy koszt-na-energię-kontent i najwyższą energię-na-jednostkę-masy, lub specyficzną energię, z tych trzech materiałów. Niski koszt na jednostkę energii wynika z wysokiej energii specyficznej, ponieważ mniej ogniw jest potrzebnych do zbudowania zestawu baterii. Skutkuje to niższym kosztem innych materiałów, z których wykonane są ogniwa. Kobalt jest najdroższym materiałem w katodzie, więc formuły tych materiałów z mniejszą ilością kobaltu zazwyczaj prowadzą do tańszych baterii.
Nieaktywne materiały ogniw, takie jak zakładki i pojemniki, stanowią około 36% całkowitego kosztu materiałów ogniw. Te inne materiały ogniw nie dodają zawartości energii do baterii. Dlatego też, redukcja nieaktywnych materiałów zmniejsza wagę i rozmiar ogniw baterii bez zmniejszenia zawartości energii. To napędza zainteresowanie poprawą konstrukcji ogniw dzięki innowacjom, takim jak baterie bezklapowe, o których mówi Tesla.
Koszt zestawu baterii również znacząco spada wraz ze wzrostem liczby ogniw produkowanych rocznie przez producentów. W miarę uruchamiania kolejnych fabryk akumulatorów do pojazdów elektrycznych, korzyści skali oraz dalsze udoskonalenia w produkcji i projektowaniu akumulatorów powinny prowadzić do dalszego spadku kosztów.
Odświeżone baterie Tesli do samochodów elektrycznych
22 września Tesla ujawniła serię innowacji w produkcji baterii litowo-jonowych. Każda zmiana ma wpływ na ostateczny koszt ogniw baterii i ich wydajność. Nasz model kosztów baterii pokazuje, że zmiany, jakie Tesla wprowadza w rozmiarze i formie ogniw, spowodują, że dwie elektrody baterii, anoda i katoda, będą stanowiły 80% kosztów baterii.
Jedną ze zmian jest większy rozmiar ogniw, co zmniejsza ilość materiału opakowaniowego i zwiększa ilość energii, jaką każde ogniwo może zmagazynować. Nowa forma zmniejsza udział materiałów pomocniczych w całkowitym koszcie ogniwa baterii do 15%, z 35%. Materiały pomocnicze to wszystko poza anodą, katodą i elektrolitem magazynującym energię.
Kieruje to uwagę na zmniejszenie kosztów na elektrodach. Sama katoda stanowi obecnie 55% kosztu ogniwa. Tesla opisała kilka zmian w procesie produkcji katod, które powinny obniżyć koszty, ale nie jest jeszcze jasne, o ile.
Inną zmianą, którą firma zaprezentowała, jest projekt baterii, który usuwa zakładki, czyli paski metalu, które łączą anodę i katodę z zewnętrzną częścią ogniwa. Usunięcie zakładek obniża koszty i zwiększa wydajność godzinową zakładu produkcyjnego. Im więcej ogniw można wyprodukować, tym niższy koszt dzięki korzyściom skali i usprawnieniom w produkcji.
Według firmy prawdopodobnie zajmie to około trzech lat, zanim wszystkie te zmiany wejdą do produkcji, a nowe akumulatory pojawią się w tańszych pojazdach EV.
Droga do parytetu cenowego
Przewidywanie czasu osiągnięcia parytetu cenowego z pojazdami ICE wymaga prognozowania przyszłej trajektorii kosztów akumulatorów. Szacujemy, że redukcja kosztów surowców, poprawa wydajności i uczenie się przez produkcję razem prawdopodobnie doprowadzą do akumulatorów o kosztach pakietu poniżej 80 USD/kWh do 2025 roku.
Zakładając, że baterie stanowią jedną czwartą kosztów samochodu elektrycznego, zestaw baterii o pojemności 100 kWh przy cenie 75 USD za kilowatogodzinę daje koszt około 30 000 USD. Powinno to skutkować cenami naklejek na EV, które są niższe niż ceny naklejek na porównywalne modele samochodów zasilanych gazem.
Abhinav Misalkar przyczynił się do powstania tego artykułu, gdy był studentem na Carnegie Mellon University.
Ten artykuł został zaktualizowany 25 września o szczegóły dotyczące nowego projektu baterii EV firmy Tesla.