Bateriile mașinilor electrice, o problemă complicată – De ce sunt atât de scumpe, cât de grele sunt și cum arată viitorul

​Bateria este cel mai scump element din mașina electrică și de tot bateria este unul dintre motivele pentru care mulți nu și-ar lua niciodată mașină electrică. Cât costă bateriile, de ce sunt așa de scumpe, cât de grele sunt. În articol puteți citi și despre planurile îndepărtate pentru autonomii foarte ridicate.

Miliarde de dolari pentru baterii

CATL, cel mai mare producător mondial de mașini electrice, anunța în august că va construi o fabrică de baterii pentru mașini electrice în orașul ungar Debrecen (Debrețin), după investiții de 7,3 miliarde euro.

În septembrie, o companie belgiană pe nume Umicore anunța inaugurarea, în orașul polonez Nysa, a unei uzine care produce materiale ce vor fi apoi folosite pentru construirea de baterii destinate mașinilor electrice.

La final de septembrie, Volkswagen anunța un parteneriat de 2,9 miliarde euro cu belgienii de la Umicore, pentru producția de componente pentru baterii.

În total, producătorii auto au anunțat investiții totale de peste 500 miliarde dolari pentru electrificarea gamelor de modele până în 2035 și mai multe companii au spus că din 2030 vor vinde doar mașini electrice în Europa.

Marea bătălie pentru viitorul mașinilor electrice este în jurul bateriei, fiindcă bateria costă mii de dolari, materialele nu se găsesc ușor și s-au și scumpit, la acest capitol lider fiind litiul.

CATL este cel mai mare producător de baterii pentru mașini electrice, BYD, tot din China, a urcat recent pe locul doi, iar LG Energy Solution este pe trei.

Sunt mai bine de zece ani de când au fost lansate primele mașini electrice în Europa și, de fiecare dată când s-a făcut un sondaj pertinent, autonomia scăzută a fost considerată ca fiind una dintre cele mai mari probleme în calea mașinilor electrice, alături de preț.

Nissan promitea o autonomie de 170 km în 2010, când a lansat Leaf, iar în 2012, Renault a anunțat o autonomie de 200 km pentru Zoe. Apoi a intrat BMW, cu modelul i3 care avea o autonomie de 160 km, iar Tesla a lansat Model S care, în funcție de versiune, avea autonomie între 258 și 483 km.

Față de acum zece ani, autonomia mașinilor electrice a crescut mult, cu peste 50% față de mașini de dimensiuni similare. Între timp au apărut și modele foarte mici de oraș, dar chiar și SUV-uri de clasă mare cu autonomie de peste 500 km.

Nissan Leaf are în prezent o autonomie de 235 km, iar prețul, înainte de subvenții este de 33.000 euro. Până și Dacia a lansat o mașină electrică, lucru ce părea greu de imaginat acum un deceniu, iar Skoda are un program intens de electrificare a gamei.

Pentru europeni și americani problema autonomiei este mai mare decât este la chinezi, japonezi sau sud-coreeni. În China, cea mai vândută mașină anul trecut a fost una electrică ce promitea o autonomie cuprinsă între 120 și 170 km, arată un raport recent al companiei JATO. Wuling Hongguang Mini este numele mașinii care costă echivalentul a 6.500 de dolari, însă ar costa mult mai mult dacă ar fi să fie modificată pentru a respecta normele europene.

Bateriile și problemele lor

Tehnologia a avansat față de acum un deceniu și bateriile mașinilor electrice au devenit tot mai mari și autonomia a crescut și ea. Capacitatea bateriei, exprimată în kWh, este extrem de importantă și, cu cât valoarea este mai mare, cu atât vehiculul poate parcurge distanțe mai mari între încărcări.

Spre exemplu, Dacia Spring are baterie cu capacitate de 25 kWh, iar smart EQ fortwo coupe are baterie de 16 kWh. La polul opus, BMW iX xDrive50 are baterie cu 105,2 kWh capacitate, iar Mercedes EQS AMG 53 4MATIC+ are baterie de 107,8 kWh. Aceste două mașini se vor vinde în volume foarte mici, pentru că au preț de peste 100.000 de euro.

Problema este că atunci când capacitatea crește, și dimensiunea și greutatea bateriei cresc, astfel că dacă vrem autonomie mai mare, și costurile de producție sunt mai ridicate. Tehnologia din ultimii ani a permis ca bateriile să aibă capacitate mai mare, fără ca dimensiunile lor să crească enorm.

Cât cântărește bateria unei mașini electrice? La un model micuț precum Dacia Spring este sub 300 kg, la cele de clasă medie cam 450-550 km, iar la Tesla Model S, aproximativ 540 kg. La modelele mai mari, cele din SUA, bateriile sunt și mai grele: 810 kg la Ford F150 Lightning și 1.325 kg la GMC Hummer EV. Bateria ajunge să cântărească undeva între 23 și 29% din greutatea totală a mașinii.

Mai puține componente, mai puțină muncă, mai puțini angajați

O supărare la nivelul angajaților din industria auto, manifestată mai ales în Germania, ține de faptul că este nevoie de mai puțini oameni pentru a construi o mașină full-electrică, decât una pe benzină sau motorină.

De aici rezultă că unele uzine au fost transformate în uzine producătoare de mașini electrice și alte uzine vor rămâne cu mai puțini angajați. Totul se întâmplă și fiindcă o mașină electrică are mai puține componente decât una convențională și de unele sisteme indispensabile la o mașină pe benzină sau motorină nu mai este nevoie la una electrică.

Spre exemplu, un motor electric are de trei ori mai puține componente decât un motor termic, iar producătorii de motoare pe benzină și motorină, și de componente pentru acestea – sunt companiile care au cel mai mult de suferit din această tranziție către mașinile electrice. Aceste companii au trei soluții: să producă pentru mașini electrice, să găsească clienți și din alte industrii sau să se închidă. Cele care se pot adapta pentru a produce componente destinate mașinilor electrice au nevoie de mai puțini angajați pentru asta.

Cât costă bateriile

Bateria este cel mai scump element al mașinii electrice și diverse studii au estimat de-a lungul anilor costul unei baterii pentru producător, o valoare des întâlnită fiind în dolari per kWh. Spre exemplu, un studiu McKinsey din 2016 vorbea despre un cost mediu de 227 dolari/kWh. La final de 2020, indicele Bloomberg New Energy Finance (BNEF) dădea o valoare de 137 dolari/kWh.

Un raport din 2019 al International Council on Clean Transportation (ICCT) estima pentru 2025 costuri între 120 și 135 dolari/kWh și în acel raport era citată și o prognoză a Bloomberg NEF pentru 2030, când se estima o scădere a costurilor la 62 dolari/kWh.

Practic, o baterie la mașinile electrice de mici dimensiuni costă între 4.000 și 5.000 de dolari, iar la cele mai scumpe trece bine de 20.000 de dolari. Problema rapoartelor care estimau cum va fi cu prețul în 2025 sau 2030 este că nu aveau cum să prognozeze ce s-a întâmplat în ultimii 2 ani: criza componentelor, inflația, creșterea costurilor de transport și a materiilor prime, dar și efectele pandemiei asupra producției.

Estimările de mai sus sunt pentru costul de producție, iar la clientul final, bateria, ca parte totală a prețului mașinii, ajunge să coste mult mai mult.

De ce sunt bateriile așa de scumpe

De ce sunt bateriile pentru mașini electrice atât de scumpe? Pentru că sunt scumpe componentele cu care ele sunt construite și cea mai scumpă parte a celulei este catodul, din cauza metalelor folosite, cum ar fi cobaltul, litiul sau nichelul.

Aceste materiale sunt extrase din mine care se găsesc în diverse locuri din lume și costurile sunt mari și datorită faptului că trebuie apoi procesate intens pentru a fi convertite în componente chimice de o puritate super-înaltă. Cele mai multe extracții se fac în țări precum Australia, R D Congo, Chile și China, dar în China se fac aproximativ 80% dintre operațiunile de procesare și rafinare.

O problemă este faptul că, dată fiind creșterea cererii pentru aceste metale rare, prețul lor va crește și el și va anula o parte dintre câștigurile de eficiență obținute prin inovații tehnologice.

Grafitul este folosit la anodul bateriilor. Într-o celulă de baterie, catodul este polul negativ, iar anodul este polul pozitiv, la acesta din urmă fiind folosit și grafitul procesat.

Pentru reducerea costurilor se testează înlocuirea grafitului cu siliciu în construcția anodului, dorința fiind de a reduce costurile, dar și de a crește autonomia.

Nu trebuie uitat că autonomia reală a bateriei scade mult când conduci cu viteză mare, cu aerul condiționat pornit sau pe temperaturi reduse. Pe de altă parte, încărcarea durează mult mai mult la temperaturi ridicate la mașinile unde bateriile sunt răcite cu aer, față de cele care sunt răcite cu lichid (baterii cu costuri mai mari).

Mineritul și industria auto, legături tot mai strânse

În ultimele două luni aproape toate marile companii auto au anunțat parteneriate cu sectorul minier sau cu producători de baterii, fiindcă marea miză este să-ți asiguri pentru cât mai mulți ani materiile prime necesare pentru a construi bateriile, mai ales în condițiile în care materiile prime s-au scumpit mult.

Cele mai multe parteneriate sunt cu companii miniere din Australia, dar și din Canada sau Maroc, iar printre companiile auto care și-au asigurat necesarul de materiale prin înțelegeri pe termen lung se numără Volkswagen, Tesla, Mercedes, Stellantis și Ford.

Marea bătălie este pentru litiu, metal alcalin de culoare alb-argintie la care prețurile au crescut de patru ani în ultimul an. Litiu se găsește în mai multe regiuni de pe glob, dar dezvoltarea unei mine durează mult și este nevoie și de capacități de rafinare, pentru a obține litiu super-pur necesar la baterii. China are cele mai mari capacități de rafinare și, per total, ar fi nevoie de multe investiții în Europa și America de Nord, pentru a face față anticipatei cereri crescute pentru baterii.

În iulie, Elon Musk îndemna antreprenorii să intre în business-ul de rafinare a litiului, explicând că este mare nevoie de acest material și că poți face mulți bani în domeniu.

Un raport al Benchmark Minerals estima că cererea de baterii litiu-ion va fi peste un deceniu de șase ori mai mare decât în prezent, iar pentru a o acoperi ar fi nevoie să fie deschise în lume aproape 400 de exploatații miniere de litiu, grafit, nichel și cobalt. Este imposibil să fie deschise atât de multe mine, iar o estimare este că în 4-5 ani se va simți și mai acut lipsa unor materiale, pe fondul cererii tot mai mari.

Problema cu aceste metale și minerale este că în anii următori, când producția mondială de mașini electrice va fi mult mai mare, resursele de metale rare și scumpe s-ar putea să nu fie suficiente. Tocmai de aceea se fac cercetări intense pentru bateria cât mai apropiată de perfecțiune: densitate energetică mare, dimensiuni mici și preț cât mai scăzut.

Unele țări nu vor vrea să dea autorizații pentru noi mine din considerente de mediu. Chiar și dacă s-ar deschide noi mine, trebuie să țină pasul și capacitățile de rafinare.

Tesla și planul nebunesc cu 20 de milioane de mașini pe an

Tesla a produs aproape un milion de mașini anul trecut și ar putea ajunge la peste 2 milioane în 2023. Planul lui Musk este însă nebunesc pentru finalul deceniului: în 2030 să fie produse 20 de milioane de mașini Tesla. Pare imposibil, mai ales că ar fi nevoie doar în acel an de două ori mai mute baterii decât are nevoie întreaga industrie a mașinilor electrice în 2022. De unde va produce/achiziționa Tesla atât de multe baterii? De unde atât de multe materii prime, când și concurența va fi pe atunci și mai puternică?

Tesla vrea să revoluționeze producția de baterii, să pună celule mai mari pe ele și să folosească noi procese la partea de electrozi. Analiști citați de Reuters spuneau că scopul ar fi ca noile metode de producție să ducă la scăderea cu 5.500 de dolari a prețului bateriei pentru SUV-ul Model Y.

Cu tehnologia curentă, bateria pentru Model Y are 4.400 de celule și peste 17.000 puncte de sudură (patru pe celulă). Pe noua tehnologie ar fi doar 830 de celule și două puncte de sudură pentru fiecare celulă (1.660 în total). La noul design sunt mai puțini conectori și mai puține componente per total. Bateria are 500 kg, iar noul design poate reduce greutatea cu peste 20 kg.

Până acum s-a reușit o reducere net mai mică a costurilor și noile procese de producție clar nu vor putea fi implementate până la final de 2022, cum ar fi sperat Elon Musk. 2024 este o țintă mult mai realistă.

Prin noua tehnologiei, electrozii sunt căptușiți cu noi tipuri de lianți, fără a fi nevoie să mai fie folosite decât foarte puține lichide, astfel că electrozii nu mai trebuie să fie uscați. Avantajul este că totul se petrece mai ieftin și mai repede, dar la teste s-a dovedit că mai este mult de lucru, pentru că apăruseră multe probleme în perioada de teste.

De ce bateriile „solid state” nu sunt încă o promisiune solidă

Bateriile litiu-ion au minusuri și, nu de puține ori, puteți citi despre marea promisiune a viitorului: bateriile de tip solid state. Dar acele baterii sunt departe de producția de serie.

Volkswagen, Ford, Toyota și BMW sunt câteva dintre marile companii auto care cercetează viabilitatea punerii pe mașinile electrice ale viitorului a unor baterii de tip „sold state”, în locul celor litiu-ion, dar mai sunt mulți ani de muncă. La bateriile solid-state, electrolitul lichid este înlocuit de o substanță solidă care crește densitatea energetică și îmbunătățește siguranța și timpii de încărcare.

Multe companii auto spun că viitorul aparține bateriilor de tip solid – state și de ani buni se fac cercetări, printre cele mai cunoscute fiind cele de la compania QuantumScape în care a investit și Volkswagen.

Este însă departe momentul când pe mașinile electrice noi vor fi puse în loc de bateriile litiu-ion, cele solid-state în care se va renunța la substanța electrolitică lichidă, în favoarea uneia solide.

În 2020, oficiali ai BMW spuneau că tehnologia mai are de așteptat cel puțin până în 2027, iar Toyota, care acum doi ani a testat un prototip cu baterii de tip solid – state, spunea că densitatea energetică este mai mare, însă viața bateriei este mai scurtă, astfel că mai este de lucru.

Se consideră că aceste baterii de tip solid state sunt mai stabile, riscul de apariție a unui incendiu este mult redus și timpii de încărcare vor scădea, ceea ce ar fi extrem de bine.

Problema este că tehnologia este scumpă în prezent, nu sunt perfectate toate detaliile pentru producția de serie și probabil că abia după 2030 vor apărea primele modele de serie cu aceste baterii promițătoare.

Câteva startup-uri au început să lucreze la dezvoltarea unor baterii solid-state viabile și s-au aliat cu marile companii auto pentru a integra în producție avansul tehnologic obținut.

Ce mașini electrice se cumpără cel mai adesea

Datele JATO pentru întreaga piață europeană a mașinilor electrice arată că în august Tesla Model Y a fost cel mai bine vândut model din Europa, urmat de Volkswagen ID 4, Skoda Enyaq și Fiat e-500. Dacia Spring a fost pe cinci, cu 3.700 de unități.

Alte cinci modele au completat top 10: Volkswagen ID3, Tesla Model 3, Cupra Born, Peugeot 208 și Hyundai Kona.

În România, conform datelor APIA, s-au vândut în 2022 în medie aproximativ 800 de mașini full-electrice noi pe lună, iar Dacia Spring a avut peste jumătate din piață. Alte modele căutate au fost Tesla Model 3, Volkswagen e-Up! și Hyundai Kona. Vânzările de mașini electrice în 2022 au fost de patru ori mai mari decât în 2021.

Surse: Reuters, New York Times, Elektrek, Wall Street Jouranl, Financial Times, AFP, Wired, EV Database, Bloomberg, USA Today

Sursa foto: Dreamstime.com