¿Cómo los vehículos eléctricos costarán menos que los autos a gasolina?

Reemplazar los automóviles a gasolina que emiten carbono con vehículos eléctricos requiere reducir el precio de los vehículos eléctricos, y eso se reduce a una cosa: el costo de la batería.

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Las ventas de vehículos eléctricos han aumentado exponencialmente en los últimos años, acompañados por la baja en los precios. Sin embargo, la adopción de vehículos eléctricos (VE) sigue siendo limitada por su precio más alto en relación con los vehículos de gasolina comparables.

Es probable que los vehículos eléctricos y los vehículos con motor de combustión interna alcancen la paridad del precio en algún momento de la próxima década. El momento depende de un factor crucial: el costo de la batería. La batería de un VE representa aproximadamente una cuarta parte del costo total del vehículo, lo que lo convierte en el factor más importante en el precio de venta.

Los precios de la batería han estado cayendo rápidamente. Un paquete de baterías VE típico almacena de 10 a 100 kilovatios hora (kWh) de electricidad. Por ejemplo, el Mitsubishi i-MIEV tiene una capacidad de batería de 16 kWh y un alcance de 62 millas, y el modelo S de Tesla tiene una capacidad de batería de 100 kWh y un alcance de 400 millas. En 2010, el precio de una batería de VE era de más de mil dólares por kWh. Eso cayó a 150 dólares por kWh en 2019 . El desafío para la industria automotriz es descubrir cómo reducir aún más el costo.

El objetivo del Departamento de Energía para la industria de Estados Unidos es reducir el precio de los paquetes de baterías a menos de 100 dólares por kWh y, en última instancia, a aproximadamente 80 dólares/ kWh. En estos puntos de precio de la batería, es probable que el costo de un VE sea más bajo que el de un vehículo de motor de combustión comparable.

Pronosticar cuándo ocurrirá ese cruce de precios requiere modelos que tengan en cuenta las variables de costo: diseño, materiales, mano de obra, capacidad de fabricación y demanda. Estos modelos también muestran dónde los investigadores y los fabricantes están centrando sus esfuerzos para reducir los costos de la batería. Nuestro grupo en la Universidad Carnegie Mellon ha desarrollado un modelo de costos de batería que tiene en cuenta todos los aspectos de la fabricación de baterías de VE.

Los modelos utilizados para analizar los costos de la batería se clasifican como «de arriba abajo» o «de abajo hacia arriba». Los modelos de arriba hacia abajo predicen el costo basándose principalmente en la demanda y el tiempo. Un modelo popular de arriba hacia abajo que puede pronosticar el costo de la batería es la ley de Wright, que predice que los costos disminuirán a medida que se produzcan más unidades. Las economías de escala y la experiencia que adquiere una industria con el tiempo reducen los costos.

La ley de Wright es genérica. Funciona en todas las tecnologías, lo que hace posible predecir la disminución del costo de la batería en función de la disminución del costo del precio de la energía solar. Sin embargo, la ley de Wright, como otros modelos de arriba hacia abajo, no permite el análisis de las fuentes de la disminución de costos. Para eso, se requiere un modelo de abajo hacia arriba.

Para construir un modelo de costo ascendente, es importante comprender lo que implica fabricar una batería. Las baterías de iones de litio consisten en un electrodo positivo, el cátodo, un electrodo negativo, el ánodo, y un electrolito, así como componentes auxiliares como terminales y carcasa.

Cada componente tiene un costo asociado con sus materiales, fabricación, ensamblaje, gastos relacionados con el mantenimiento de la fábrica y costos generales. Para los vehículos eléctricos, las baterías también deben integrarse en pequeños grupos de celdas o módulos, que luego se combinan en paquetes.

Nuestro modelo de costos de batería ascendente de código abierto sigue la misma estructura que el proceso de fabricación de la batería. El modelo utiliza entradas para el proceso de fabricación de la batería como entradas para el modelo, incluidas las especificaciones de diseño de la batería, los precios de los productos básicos y la mano de obra, los requisitos de inversión de capital, como las plantas y equipos de fabricación, las tasas generales y el volumen de fabricación para tener en cuenta las economías de escala. Utiliza estas entradas para calcular los costos de fabricación, los costos de materiales y los costos generales, y esos costos se suman para llegar al costo final.

Usando nuestro modelo de costo ascendente, podemos desglosar las contribuciones de cada parte de la batería al costo total de esta y usar esas ideas para analizar el impacto de las innovaciones de la batería en el costo del vehículo eléctrico (VE). Los materiales representan la mayor parte del costo total de la batería, cerca del 50 por ciento. El cátodo representa alrededor del 43 por ciento del costo de los materiales, y otros materiales celulares representan un 36 por ciento.

Las mejoras en los materiales del cátodo son las innovaciones más importantes, porque el cátodo es el componente más importante del costo de la batería. Esto genera un fuerte interés en los precios de los productos básicos.

Los materiales del cátodo más comunes para vehículos eléctricos son óxido de níquel-cobalto-aluminio utilizado en vehículos Tesla, óxido de níquel-manganeso-cobalto utilizado en la mayoría de los demás vehículos eléctricos y fosfato de litio y hierro utilizado en la mayoría de los autobuses eléctricos.

El óxido de níquel-cobalto-aluminio tiene el menor costo por contenido de energía y la mayor energía por unidad de masa, o energía específica, de estos tres materiales. Un bajo costo por unidad de energía resulta de una alta energía específica porque se necesitan menos celdas para construir una batería. Esto da como resultado un menor costo para otros materiales celulares. El cobalto es el material más caro dentro del cátodo, por lo que las formulaciones de estos materiales con menos cobalto generalmente conducen a baterías más baratas.

Los materiales celulares inactivos, como los contenedores, representan aproximadamente el 36 por ciento del costo total de los materiales celulares. Estos otros materiales celulares no agregan contenido de energía a la batería. Por lo tanto, la reducción de materiales inactivos reduce el peso y el tamaño de las celdas de la batería sin reducir el contenido de energía. Esto genera interés en mejorar el diseño de las celdas con innovaciones como baterías de mesa como las que Tesla está desarrollando.

El costo de la batería también disminuye significativamente con un aumento en la cantidad de células que los fabricantes producen anualmente. A medida que se conecten en línea más fábricas de baterías de VE, las economías de escala y una mayor mejora en la fabricación y el diseño de baterías deberían conducir a una mayor disminución de los costos.

Plantear una línea de tiempo para la paridad de los precios con los vehículos de combustión interna requiere pronosticar una trayectoria futura de los costos de la batería. Estimamos que la reducción en los costos de las materias primas, las mejoras en el rendimiento y el aprendizaje mediante la fabricación conjunta probablemente conducirán a baterías con costos de paquete inferiores a 80 dólares/ kWh para 2025.

Suponiendo que las baterías representan una cuarta parte del costo de los vehículos eléctricos, un paquete de baterías de 100 kWh a 75 dólares por kilovatio hora genera un costo de aproximadamente 30 mil dólares. Esto debería dar como resultado precios VE que son más bajos que los precios de modelos comparables de automóviles a gasolina.