Elektryzująca przepaść w chemii akumulatorów do pojazdów elektrycznych dla budownictwa

Author: Dr James Jeffs, Senior Technology Analyst at IDTechEx

Sukces pojazdów elektrycznych w branży budowlanej będzie w dużej mierze zdeterminowany przez ceny akumulatorów na tyle niskie, aby całkowity koszt posiadania był niższy niż w przypadku alternatyw napędzanych olejem napędowym. Nowy raport IDTechEx, ” Electric Vehicles in Construction 2023-2043“, pokazuje, że istnieje punkt krytyczny ceny akumulatora, poniżej którego eksploatacja pojazdu elektrycznego będzie tańsza w całym okresie jego eksploatacji. Wybór odpowiedniego składu chemicznego będzie zatem kluczowy dla uzyskania odpowiednio niskiej ceny pojazdu. Dlaczego więc widać wyraźną dychotomię pomiędzy akumulatorami wdrażanymi w Chinach a tymi w Europie?

Number of machines available by battery chemistry and region. Source: IDTechEx

Electric vehicles in construction are an emerging market. Despite this, IDTechEx has built a database of more than 100 example makes and models across seven different construction vehicle categories. However, with lots of vehicles still yet to be released, only 49 database entries have confirmed chemistry information. With Europe and China being more established markets for electric construction vehicles, conclusions about battery chemistry trends from OEMs in these regions can be made. What is obvious at this early stage is that Europe heavily favors NMC, while China has chosen LFP.

Battery Requirements in Construction Vehicles

Dlaczego więc ktoś miałby wybrać NMC, LFP, a nawet akumulatory kwasowo-ołowiowe? Elektryfikacja maszyn budowlanych to fascynujący i pełen niuansów temat. Priorytetem dla akumulatora są ogromne pojemności przy niskich kosztach. Ponieważ niektóre z tych maszyn są gigantyczne i zazwyczaj wymagają betonowych przeciwwag, aby radzić sobie z ogromnymi obciążeniami, z którymi się stykają, waga akumulatora nie jest dużym problemem. Gęstość mocy również nie jest priorytetem. W przeciwieństwie do samochodów elektrycznych, pojazdy budowlane zazwyczaj nie charakteryzują się dużymi skokami zapotrzebowania na moc i częściej pracują ze stałą prędkością przez długi czas. Na przykład Tesla Model S ma akumulator o pojemności ok. 60 kWh i moc silnika ok. 210 kW, co oznacza, że jej akumulator musi być w stanie dostarczyć szczytowo 3,5C (moc podzielona przez pojemność). Jest to typowe wymaganie dla samochodów drogowych; stąd też mają one tendencję do faworyzowania chemii o dużej gęstości mocy, takiej jak NMC. Dla kontrastu, elektryczna ładowarka kompaktowa Volvo L25 ma pojemność akumulatora 40 kWh i maksymalną moc silnika 36 kW, więc od akumulatora wymaga się rozładowania prądem o maksymalnym natężeniu zaledwie 0,9C, co znacznie odbiega od oczekiwań wobec samochodów drogowych.

To samo dotyczy przejścia na naprawdę wielki sprzęt. XCMG XE270E to 27-tonowy potwór koparkowy o pojemności baterii 525 kWh, ale jego silnik ma zaledwie 140 kW (~0,27C). W rzeczywistości z badań zawartych w raporcie IDTechEx ” Electric Vehicles in Construction 2023-2043“pokazuje, że zdecydowana większość elektrycznych pojazdów budowlanych ma zapotrzebowanie na szczytowe rozładowanie mniejsze niż 1C, przy czym jedna czwarta pojazdów wymaga szczytowego rozładowania mniejszego niż 0,25C.

Distribution of discharge requirements in electric construction vehicles. Source: IDTechEx

A low peak discharge requirement can be fulfilled by lead acid batteries, which is likely why it had a brief moment in the sun in the early days of construction electrification. The European examples that used lead acid were mainly from the mid-2010s, at which point lithium-ion technologies were still scaling and were much more expensive than lead acid. However, these vehicles were seriously limited, with low endurance and slow recharge times, making their use a challenge. Lead acid was quickly replaced with lithium-ion as it became more financially viable.

Both NMC and LFP offer the required performance for construction, happily coping with the peak discharging requirements and having high enough volumetric and gravimetric densities to fit in the machines. Speaking broadly, NMC tends to be a higher-performance battery than LFP, with better energy and power densities but coming at a premium. It would make sense then for the industry to select LFP. It offers all the needed performance while helping minimize the premium of building an electric vehicle, the number one priority for electric construction vehicles. Why, then, does the European market mostly use NMC?

Why is NMC dominant in Europe and LFP in China?

Najlepszym wyjaśnieniem jest to, że chodziło o dostępność. W dotychczasowych projektach związanych z pojazdami elektrycznymi wykorzystywano głównie dostawców akumulatorów, takich jak Northvolt, Forsee i Volta, a większość ich produktów wykorzystuje NMC. Badania IDTechEx wykazały, że ponad 75% produktów oferowanych przez europejskich i północnoamerykańskich producentów akumulatorów wykorzystuje NMC. Firmy te zaopatrują różne gałęzie przemysłu, w tym producentów ciężkich pojazdów drogowych, takich jak autobusy i ciężarówki. Pojazdy te wymagają dość dużej mocy szczytowej, aby poradzić sobie z przyspieszeniami, wzniesieniami itp., i prawdopodobnie lepiej sprawdzą się w nich akumulatory z elektrolitem NMC. IDTechEx spekuluje, że właśnie dlatego Europa dotychczas wybierała głównie NMC, jednak biorąc pod uwagę, że cena akumulatorów jest kluczowym czynnikiem sukcesu elektrycznych pojazdów budowlanych, prawdopodobne jest, że w przyszłości wzrośnie popularność LFP.

Tymczasem w Chinach LFP jest już dominującym wyborem technologii chemicznej. Chiny mają już dobre zaopatrzenie w rozwiązania oparte na LFP. Wynika to z faktu, że ich floty pojazdów zostały szybko zelektryfikowane i potrzebowały taniego rozwiązania, które zapewniłoby akceptowalną gęstość energii (zasięg pojazdu) i utrzymało przystępną cenę pojazdu. W przeciwieństwie do tego europejski i północnoamerykański rynek pojazdów elektrycznych skupił się na maksymalizacji zasięgu, zazwyczaj decydując się na droższe akumulatory NMC i zakładając, że konsumenci łatwiej zaakceptują dodatkowe koszty. To dobra wiadomość dla chińskiego przemysłu maszyn budowlanych o napędzie elektrycznym, który był w stanie stosunkowo szybko zbudować bardzo duże akumulatory i wdrożyć potężne maszyny, takie jak wspomniany już przykład firmy XCMG.

Unfortunately, there is not much data concerning which North American or APAC-based OEMs favor battery chemistries. This is mostly because OEMs in this region are only just beginning their electrification journeys. North America is a prime example; giants of the industry CAT and John Deere have made a recent push with electric construction vehicles showcased at BAUMA 2022, CES 2023, and CONEXPO 2023. However, these are still some years away from production, and battery chemistries are yet to be confirmed. However, an educated guess would suggest that CAT will likely use NMC for similar reasons to Europe.

Sodium ion, a Future Candidate?

Another possible contender for the construction industry is sodium-ion. This is an emerging chemistry and does not have an established market yet. The key thing to know is that sodium-based solutions can be produced at lower costs than lithium ones, but they will not have the same performance. In this respect, they share the qualities of LFP. The issue is that they are not yet a scaled solution, so they are more expensive than both LFP and NMC while having worse performance. Sodium, therefore, does not make sense in the construction industry for the time being. However, when scaled and delivering the promised price reduction, it could be a prime match for the needs of this nuanced market.

Elektryczna branża budowlana wciąż jest w powijakach, a w seryjnej produkcji znajduje się niewiele pojazdów. Jednakże, sądząc po ostatnich działaniach i zapowiedziach, liczba dostępnych maszyn w ciągu najbliższych kilku lat gwałtownie wzrośnie. W raporcie IDTechEx zatytułowanym ” Electric Vehicles in Construction 2023-2043“Prognozuje się 10-letni średni roczny wskaźnik wzrostu (CAGR) na poziomie 37%, a wartość branży elektrycznych maszyn budowlanych ma wzrosnąć do US$150 miliardów dolarów w 2043 roku. Cały ten wzrost spowoduje znaczny popyt na akumulatory, a niezależnie od tego, czy będą to akumulatory NMC, LFP, czy może nawet jonowo-sodowe, ewolucja tej branży będzie elektryzująca.

IDTechEx Mobility Research

IDTechEx aktywnie prowadzi badania nad autonomią i elektryfikacją oraz właśnie opublikował nowy raport: “Pojazdy elektryczne w budownictwie 2023-2043”. Dowiedz się więcej o tym raporcie, w tym pobierz przykładowe strony, na stronie www.IDTechEx.com/EVConstruction.

This research forms part of the broader mobility research portfolio from IDTechEx, who track the adoption of autonomy, electric vehicles, automotive semiconductors, battery trends, and demand across land, sea and air, helping you navigate whatever may be ahead. Find out more at www.IDTechEx.com/Research/EV.

…notatki z SP