Der Weg zu Elektrofahrzeugen mit niedrigeren Aufkleberpreisen als die Batteriekosten von Benzinautos erklärt

Kredit: Das Gespräch

Der Absatz von Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen, begleitet von sinkenden Preisen. Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bleibt jedoch durch ihren höheren Aufkleberpreis im Vergleich zu vergleichbaren Benzinfahrzeugen begrenzt, obwohl die Gesamtbetriebskosten für Elektrofahrzeuge niedriger sind.

Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor werden wahrscheinlich irgendwann in den nächsten zehn Jahren die gleiche Preisparität erreichen. Der Zeitpunkt hängt von einem entscheidenden Faktor ab: den Batteriekosten. Das Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs macht etwa ein Viertel der Gesamtkosten eines Fahrzeugs aus und ist damit der wichtigste Faktor im Verkaufspreis.

Die Preise für Akkupacks sind rapide gefallen. Ein typischer EV-Akku speichert 10 bis 100 Kilowattstunden (kWh) Strom. Zum Beispiel hat der Mitsubishi i-MIEV eine Batteriekapazität von 16 kWh und eine Reichweite von 100 Kilometern, und das Tesla Model S hat eine Batteriekapazität von 100 kWh und eine Reichweite von 600 Kilometern. Im Jahr 2010 lag der Preis für einen EV-Akku bei über 1.000 US-Dollar pro kWh. Dieser sank 2019 auf 150 US-Dollar pro kWh. Die Herausforderung für die Automobilindustrie besteht darin, herauszufinden, wie die Kosten weiter gesenkt werden können.

Das Ziel des Energieministeriums für die Branche besteht darin, den Preis für Batteriepacks auf unter 100 US-Dollar/kWh und letztendlich auf etwa 80 US-Dollar/kWh zu senken. An diesen Batteriepreispunkten dürfte der Aufkleberpreis eines Elektrofahrzeugs niedriger sein als der eines vergleichbaren Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.

Die Vorhersage, wann diese Preisüberkreuzung stattfinden wird, erfordert Modelle, die die Kostenvariablen berücksichtigen: Design, Materialien, Arbeitskräfte, Produktionskapazität und Nachfrage. Diese Modelle zeigen auch, wo Forscher und Hersteller ihre Anstrengungen zur Senkung der Batteriekosten fokussieren. Unsere Gruppe an der Carnegie Mellon University hat ein Batteriekostenmodell entwickelt, das alle Aspekte der Herstellung von EV-Batterien berücksichtigt.

Von unten nach oben

Modelle zur Analyse der Batteriekosten werden entweder als „top down“ oder „bottom up“ klassifiziert. Top-down-Modelle prognostizieren Kosten hauptsächlich basierend auf Nachfrage und Zeit. Ein beliebtes Top-Down-Modell, das die Batteriekosten vorhersagen kann, ist das Gesetz von Wright, das voraussagt, dass die Kosten sinken, wenn mehr Einheiten produziert werden. Skaleneffekte und die Erfahrung, die eine Branche im Laufe der Zeit sammelt, senken die Kosten.

Das Gesetz von Wright ist allgemein. Es funktioniert über alle Technologien hinweg und ermöglicht es, den Rückgang der Batteriekosten basierend auf dem Rückgang der Solarpanel-Kosten vorherzusagen. Allerdings erlaubt das Gesetz von Wright – wie andere Top-Down-Modelle – keine Analyse der Ursachen der Kostenrückgänge. Dafür ist ein Bottom-Up-Modell erforderlich.

Um ein Bottom-up-Kostenmodell zu erstellen, ist es wichtig zu verstehen, was in die Herstellung einer Batterie einfließt. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer positiven Elektrode, der Kathode, einer negativen Elektrode, der Anode und einem Elektrolyten sowie Hilfskomponenten wie Anschlüssen und Gehäuse.

Jede Komponente hat Kosten im Zusammenhang mit ihren Materialien, der Herstellung, der Montage, den Ausgaben im Zusammenhang mit der Werkswartung und den Gemeinkosten. Bei Elektrofahrzeugen müssen Batterien auch in kleine Gruppen von Zellen oder Modulen integriert werden, die dann zu Paketen zusammengefasst werden.

Unser Open-Source-Bottom-Up-Batteriekostenmodell folgt der gleichen Struktur wie der Batterieherstellungsprozess selbst. Das Modell verwendet Inputs für den Batterieherstellungsprozess als Inputs für das Modell, einschließlich Batteriedesignspezifikationen, Rohstoff- und Arbeitspreise, Investitionsanforderungen wie Fertigungsanlagen und -ausrüstung, Gemeinkosten und Fertigungsvolumen, um Skaleneffekte zu berücksichtigen. Es verwendet diese Inputs, um Herstellungskosten, Materialkosten und Gemeinkosten zu berechnen, und diese Kosten werden summiert, um die Endkosten zu erhalten.

Kostensenkungsmöglichkeiten

Mit unserem Bottom-up-Kostenmodell können wir die Beiträge jedes Teils der Batterie zu den Gesamtbatteriekosten aufschlüsseln und diese Erkenntnisse nutzen, um die Auswirkungen von Batterieinnovationen auf die EV-Kosten zu analysieren. Materialien machen mit rund 50 % den größten Anteil der gesamten Batteriekosten aus. Auf die Kathode entfallen rund 43 % der Materialkosten, auf andere Zellmaterialien etwa 36 %.

Verbesserungen bei den Kathodenmaterialien sind die wichtigsten Innovationen, da die Kathode den größten Kostenfaktor für die Batterie darstellt. Dies führt zu einem starken Interesse an den Rohstoffpreisen.

Die gängigsten Kathodenmaterialien für Elektrofahrzeuge sind Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid, das in Tesla-Fahrzeugen verwendet wird, Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid, das in den meisten anderen Elektrofahrzeugen verwendet wird, und Lithium-Eisen-Phosphat, das in den meisten Elektrobussen verwendet wird.

Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid hat von diesen drei Materialien den niedrigsten Kosten-pro-Energie-Gehalt und die höchste Energie-pro-Masse-Einheit oder spezifische Energie. Niedrige Kosten pro Energieeinheit resultieren aus einer hohen spezifischen Energie, da weniger Zellen benötigt werden, um einen Batteriepack aufzubauen. Dies führt zu geringeren Kosten für andere Zellmaterialien. Kobalt ist das teuerste Material innerhalb der Kathode, daher führen Formulierungen dieser Materialien mit weniger Kobalt typischerweise zu billigeren Batterien.

Inaktive Zellmaterialien wie Tabs und Behälter machen etwa 36 % der Gesamtkosten für Zellmaterialien aus. Diese anderen Zellmaterialien fügen der Batterie keinen Energieinhalt hinzu. Daher reduziert die Reduzierung inaktiver Materialien das Gewicht und die Größe von Batteriezellen, ohne den Energiegehalt zu reduzieren. Dies weckt das Interesse an der Verbesserung des Zelldesigns mit Innovationen wie Tabellenbatterien, wie sie von Tesla gehänselt werden.

Die Kosten für die Batteriepakete sinken auch erheblich mit einer Zunahme der Zahl der Zellen, die die Hersteller jährlich produzieren. Da immer mehr Fabriken für EV-Batterien ans Netz gehen, sollten Skaleneffekte und weitere Verbesserungen bei der Batterieherstellung und -konstruktion zu weiteren Kostensenkungen führen.

Weg zur Preisparität

Die Vorhersage eines Zeitplans für die Preisparität mit ICE-Fahrzeugen erfordert die Vorhersage einer zukünftigen Entwicklung der Batteriekosten. Wir schätzen, dass die Reduzierung der Rohstoffkosten, die Verbesserung der Leistung und das Lernen durch die gemeinsame Herstellung bis 2025 wahrscheinlich zu Batterien mit Paketkosten unter 80 USD/kWh führen werden.

Unter der Annahme, dass Batterien ein Viertel der EV-Kosten ausmachen, ergibt ein 100-kWh-Batteriepack zu 75 US-Dollar pro Kilowattstunde Kosten von etwa 30.000 US-Dollar. Dies sollte dazu führen, dass die Aufkleberpreise für Elektrofahrzeuge niedriger sind als die Aufkleberpreise für vergleichbare Modelle gasbetriebener Autos.


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