Электрифицирующий разрыв в химическом составе аккумуляторов для строительных электромобилей

Автор: Доктор Джеймс Джеффс, старший аналитик по технологиям в IDTechEx

The success of electric vehicles in the construction industry will largely be determined by battery prices being low enough that the total cost of ownership is cheaper than diesel alternatives. IDTechEx’s new report, ” Электромобили в строительстве 2023-2043 гг.“, shows that there is a battery price tipping point, under which it will be cheaper over the vehicle lifetime to operate an EV. Selecting the right chemistry then will be imperative for getting a low enough vehicle price. So why is a clear dichotomy seen between the batteries being deployed in China compared to Europe?

Количество доступных машин в зависимости от типа батареи и региона. Источник: IDTechEx

Электромобили в строительстве - это развивающийся рынок. Несмотря на это, IDTechEx создал базу данных из более чем 100 примеров марок и моделей в семи различных категориях строительных автомобилей. Однако, поскольку многие автомобили еще не выпущены, только 49 позиций базы данных подтвердили информацию о химии. Поскольку Европа и Китай являются более устоявшимися рынками для электрических строительных машин, можно сделать выводы о тенденциях в области химии батарей от OEM-производителей в этих регионах. На данном этапе очевидно, что Европа отдает предпочтение NMC, а Китай выбирает LFP.

Требования к аккумуляторам для строительных автомобилей

So why would one select NMC, LFP, or even lead acid, for that matter? Electrifying construction equipment is a fascinating and nuanced topic. The priorities for a battery are huge capacities at low costs. With some of these machines being gargantuan, and usually requiring concrete counterbalances to handle the massive loads they encounter, battery weight isn’t so much of an issue. Power density is also not much of a priority. Unlike electric cars, construction vehicles do not tend to have large spikes in power demand and are more likely to operate at a steady rate for a long time. As an example, the Tesla Model S has a ~60kWh battery and ~210kW motor power, meaning its battery must be able to deliver a peak of 3.5C (power divided by capacity). This is a typical requirement of road cars; hence, they tend to favor power-dense chemistries like NMC. By contrast, the Volvo L25 electric (an electric compact loader) has a battery capacity of 40kWh and a maximum motor power of 36kW, so the battery is only required to discharge at a maximum of 0.9C, well below road car expectations.

The same is true when you move to the really big stuff. The XCMG XE270E is a 27-tonne excavator leviathan with a battery capacity of 525kWh, but its motor is a measly 140kW (~0.27C). In fact, research in IDTechEx’s report, ” Электромобили в строительстве 2023-2043 гг.“, shows that the vast majority of electric construction vehicles have a peak discharge requirement of less than 1C, with one quarter of vehicles requiring less than 0.25C peak discharge.

Распределение требований к разрядам в электрических строительных машинах. Источник: IDTechEx

Требования к низкому пиковому разряду могут быть удовлетворены свинцово-кислотными батареями, и, вероятно, именно поэтому на заре электрификации строительства они имели кратковременную популярность. Европейские примеры использования свинцовой кислоты относятся в основном к середине 2010-х годов, когда литий-ионные технологии еще только развивались и были намного дороже свинцово-кислотных. Однако эти автомобили имели серьезные ограничения: низкий запас хода и медленное время подзарядки, что делало их использование проблематичным. Свинцовая кислота была быстро заменена на литий-ионную, так как она стала более выгодной с финансовой точки зрения.

И NMC, и LFP обладают необходимыми для строительства характеристиками, легко справляясь с пиковыми разрядками и имея достаточно высокую объемную и гравиметрическую плотность, чтобы поместиться в машины. Если говорить в целом, то NMC, как правило, является более высокопроизводительной батареей, чем LFP, с лучшими показателями плотности энергии и мощности, но за это приходится платить. Поэтому для промышленности имеет смысл выбрать LFP. Он обладает всеми необходимыми характеристиками и при этом помогает минимизировать затраты на создание электромобиля, что является приоритетом номер один для строительного электротранспорта. Почему же тогда на европейском рынке в основном используется NMC?

Почему NMC доминирует в Европе, а LFP - в Китае?

The best explanation is that it has been a case of availability. Most of the electric construction development so far has used battery pack suppliers, such as Northvolt, Forsee and Volta, and most of their products use NMC. IDTechEx’s research finds that over 75% of the offerings from European and North American pack manufacturers use NMC. These companies have been supplying a range of industries, including heavy-duty road vehicles like buses and trucks. These vehicles will have quite high peak power to deal with acceleration events, hills, etc. and will likely suit NMC better. IDTechEx speculates that this is why Europe has been mostly choosing NMC so far, but with battery pricing being a key factor in the success of electric construction vehicles, it is likely that there will be increased LFP uptake in the future.

Meanwhile, in China, LFP is already the dominant chemistry choice. China already has a good supply of LFP solution. This has risen as its vehicle fleet has rapidly been electrified, and it needed a cheap solution that could provide acceptable energy density (vehicle range) and keep the vehicle affordable. By contrast, European and North American electric vehicle markets have focused on maximizing vehicle range, normally opting for the more expensive NMC and anticipating consumers will be more comfortable with the additional cost. This is good news for China’s electric construction industry, which has been able to build very large batteries relatively quickly and deploy some huge machines, such as the XCMG example already mentioned.

К сожалению, данных о том, какие OEM-производители в Северной Америке или АТР отдают предпочтение химическим составам батарей, не так много. В основном это связано с тем, что OEM-производители в этом регионе только начинают свой путь электрификации. Северная Америка является ярким примером: гиганты отрасли CAT и John Deere недавно сделали шаг вперед, представив электрические строительные машины на выставках BAUMA 2022, CES 2023 и CONEXPO 2023. Однако до их выпуска еще несколько лет, а химические составы батарей пока не подтверждены. Тем не менее, можно предположить, что CAT, скорее всего, будет использовать NMC по тем же причинам, что и в Европе.

Ион натрия - будущий кандидат?

Еще одним возможным претендентом для строительной отрасли является натрий-ион. Это развивающаяся химия, и у нее пока нет сформировавшегося рынка. Важно знать, что натриевые растворы можно производить с меньшими затратами, чем литиевые, но они не будут обладать такой же производительностью. В этом отношении они разделяют качества LFP. Проблема в том, что они еще не являются масштабируемым решением, поэтому они дороже, чем LFP и NMC, но при этом имеют худшие характеристики. Таким образом, пока что применение натрия в строительной отрасли не имеет смысла. Однако при масштабировании и обещанном снижении цены он может стать идеальным вариантом для удовлетворения потребностей этого тонкого рынка.

The electric construction industry is still nascent, with few vehicles in series production. However, if recent activity and announcements are to be believed, then the number of machines available in the next few years is going to explode. In IDTechEx’s report, ” Электромобили в строительстве 2023-2043 гг.“, a 10-year CAGR of 37% is forecasted, with the electric construction machine industry growing to a value of US$150 billion in 2043. All of this growth is going to give rise to a significant battery demand, and whether it be NMC, LFP, or perhaps even Na-ion, the evolution of this industry is going to be electrifying.

Исследование мобильности IDTechEx

IDTechEx is actively researching autonomy and electrification and has just released a new report, “Electric Vehicles in Construction 2023-2043”. Find out more about this report, including downloadable sample pages, at www.IDTechEx.com/EVConstruction.

Данное исследование является частью более широкого портфеля исследований мобильности от IDTechEx, которая отслеживает внедрение автономности, электромобилей, автомобильных полупроводников, тенденции развития аккумуляторов и спрос на них на суше, море и в воздухе, помогая вам ориентироваться в том, что может ждать вас впереди. Узнайте больше на сайте www.IDTechEx.com/Research/EV.

…notes from SP