La rápida caída en el costo de las baterías de camiones y las celdas de combustible hará imposible la electrificación de la carga

Abstracto

La carga de carretera baja en carbono es clave para mitigar el calentamiento global. Sin embargo, la electrificación de vehículos pesados enfrenta desafíos significativos debido a los altos requisitos técnicos y la competitividad de los costos. Los datos de costos de camiones futuros siguen siendo escasos e inciertos, lo que complica la evaluación de la tecnología de camiones de emisión cero (ZET). A través de la meta-predicción de más de 200 fuentes primarias, este estudio identifica las tendencias de costos más probables para el precio del componente ZET. Los hallazgos revelan que los costos están disminuyendo más rápido de lo esperado, con los costos del sistema de batería potencialmente disminuyendo en un 64% a 75%, alcanzando € 150 por kWh en 2035 a más tardar. Si bien los sistemas de celdas de combustible pueden ver reducciones aún mayores, es poco probable que alcancen 100 € por kWh antes de principios de 2040. Esta rápida reducción de costos respalda proyecciones optimistas para la adopción del mercado de ZET y tiene implicaciones significativas para futuros sistemas de energía y transporte.

Principal

Dadas las sustanciales emisiones de gases de efecto invernadero de vehículos de servicio pesado (HDVS), la rápida electrificación de la carga de carreteras de servicio pesado es crucial para limitar el calentamiento global bajo el acuerdo climático de París. La UE, los Estados Unidos y China han apretado sucesivamente los objetivos de emisión para camiones diesel de servicio pesado, lo que requiere un despliegue rápido de camiones de emisión cero donde la demanda y la asequibilidad del operador son factores clave. Sin embargo, los altos costos de adquisición obstaculizan la rápida adopción de camiones de emisión cero. La electrificación de vehículos comerciales pesados enfrenta desafíos significativos debido a su complejidad técnica y competitividad de costos. Los datos precisos e integrales sobre los costos de adquisición de camiones de emisión cero son vitales para evaluar esta tecnología. Sin embargo, los datos de costos de componentes para camiones de emisión cero siguen siendo escasos e inciertos. Por lo tanto, este estudio plantea la pregunta: ¿Cuál es la trayectoria de costo futura más probable para los componentes centrales de la camión de emisión cero para 2050? El documento analiza los costos proyectados para cinco componentes críticos de camiones eléctricos de batería (apuestas) y/o celda de combustible (FCET). La penetración rápida del mercado de camiones de emisión cero se puede lograr rápidamente con los costos innovadores requeridos. Como tecnología líder, los camiones eléctricos de batería demuestran mejores perspectivas y rentabilidad inmediata, lo que respalda las opiniones optimistas sobre la descarbonización de la carretera.

Meta pronóstico utilizando análisis de regresión

Este estudio identificó la literatura relevante a través de las búsquedas de bases de datos SCOPUS y Google Scholar, clasificando las fuentes en tres tipos: casi mercado (pronósticos del mercado y anuncios de la industria de analistas de renombre y firmas de consultoría), científicos (documentos revisados por pares) y otros (publicaciones académicas no revisadas por el par). Todos los valores de costo se estandarizaron a los precios de adquisición de OEM a nivel de sistema para componentes de camiones de emisión cero.

Costos de sistema de batería y del sistema de celdas de combustible en rápida disminución

La Figura 1 indica que los costos del sistema de batería podrían disminuir en un 64% a 75% antes de 2050, y las disminuciones anuales permanecen rápidas y sostenidas. En comparación con otros, las estimaciones cercanas al mercado demuestran un mayor optimismo, que muestra variaciones más pequeñas y más estables. Esta tendencia se refleja en las proyecciones de costos proyectadas: los modelos científicos y otros adoptan un enfoque más conservador. Durante los años 2020,2030 y 2050, los costos del proyecto pronostican los costos del proyecto de € 275, € 140 y € 70 por kWh respectivamente; Las estimaciones científicas (verdes) se encuentran en € 310, € 180 y € 100 por kWh; mientras que otros (morados) anticipan costos de € 200 y € 115 por kWh en 2030 y 2050 respectivamente.

Figura 1. Pronóstico de costos del sistema de batería de camiones de emisión cero

Como se muestra en la Figura 2, se prevé que el costo de los sistemas de celdas de combustible disminuya en un 65% a 85% para 2050. El escenario cercano al mercado (azul) se estima en aproximadamente € 540 por kilovatio en 2020, cae por debajo del umbral de € 100 por 2045 y alcanza alrededor de € 85 por kilwatt por 2050. En contrato, el escenario de € por tarde) se espera que se retrase por el escenario de la ciencia). 2030, en última instancia, estableciéndose en aproximadamente 80 € por kilovatio para 2050. El otro escenario (púrpura) se encuentra entre las estimaciones científicas y casi científicas, no alcanzar el nivel de € 100 por kilovatio.

Figura 2. Previsión de costos para sistemas de celdas de combustible ZET de servicio pesado

Descripción general de los costos para cinco componentes principales de ZET

La Tabla 1 presenta los costos de componentes de los camiones de emisión cero. El potencial de reducción de costos para componentes adyacentes es relativamente limitado. Se proyecta que el costo de los motores eléctricos disminuya de aproximadamente € 42 por kilovatio en 2020 a € 30 por kilovatio para 2050. Para los tanques de almacenamiento de hidrógeno, la reducción de costos durante el período 2020-2050 se estima en 2.6% -2.9%. El costo del sistema estable para los componentes PE y HV permanece alrededor de € 50 por kilovatio. Tabla 1: Costos de componentes a nivel de sistema de cinco componentes principales de energía cero en € 2020

Diferentes expectativas de costos para baterías y celdas de combustible

Según las meta-predicciones, se espera que los costos de batería y celdas de combustible disminuyan rápidamente. El análisis comparativo revelado en este estudio destaca la compleja interacción entre las proyecciones científicas y las realidades reales del mercado para las tecnologías emergentes en varias etapas de vencimiento comercial. El análisis de los pronósticos de costos de la batería indica la estabilidad cercana al mercado en diferentes plazos, mientras que las estimaciones de costos científicos publicados entre 2010 y 2023 enfrentan revisiones significativas a la baja. Los sistemas de celdas de combustible demuestran una tendencia inversa. En comparación con las proyecciones cercanas al mercado, los modelos científicos muestran una mayor estabilidad y perspectivas consistentemente más optimistas. La divergencia puede provenir de las diferencias en la madurez tecnológica e incertidumbres con respecto a las trayectorias de desarrollo futuras de estas dos tecnologías.

Volúmenes requeridos, tarifas de aprendizaje y costos de avance

Este estudio compara las estimaciones de costos con la expansión del mercado potencial de los camiones de emisión cero de tipo S en América del Norte, Europa y China, que proyecta un total de producción anual entre 2.5 millones a 3 millones de unidades. Los resultados de la regresión indican que lograr el sistema de batería cuesta alrededor de € 150 por kWh para 2028 (cerca del mercado) a 2032 (científico) requeriría una producción acumulativa entre 1.300 GWH (cerca del mercado) y 5.200 GWH (científico), correspondiente a las tasas de aprendizaje de aproximadamente el 16% (científico) y el 19% (cerca del mercado). Para lograr la generación de electricidad por debajo de € 100 por kWh para 2039 (cerca del mercado) a 2049 (científico), se necesitarían 11,000 gwh (cerca del mercado) o incluso 68,000 GWH (científico) de producción de electricidad. Dada la importante cuota de mercado de los camiones eléctricos con baterías, es probable que el escenario anterior sea factible a fines de la década de 2030. Para los sistemas de celdas de combustible que se dirigen a 150 € por kW para 2027 (científico) a 2035 (cerca del mercado), la producción acumulativa necesitaría variar de 135,000 unidades (científicas) a 1,4 millones de unidades (cerca del mercado). Se proyecta que la tasa de adopción correspondiente variará del 14% (fase científica) al 26% (fase de mercado cercana). Dada la adopción generalizada de modelos de camiones de celdas de combustible a fines de la década de 1920, este último escenario puede ser factible. Los precios por debajo de € 100 por kilovatio podrían lograrse entre 2040 (fase científica) y 2045 (fase cercana al mercado), con la demanda acumulativa que se espera fluctuar entre 2.3 millones de unidades (fase científica) y 6.8 millones de unidades (fase de mercado cercana).

Discusión

Este estudio compara los hallazgos de la investigación con estimaciones de costos objetivo o mínimo para evitar proyecciones demasiado conservadoras. Después de recalibrar los costos del sistema de la batería, el precio estimado es de aproximadamente 90 € por kWh para 2030 y € 70 por kWh para 2050, alineándose estrechamente con los objetivos proyectados establecidos por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la iniciativa SRIA48 de hidrógeno de Europa. El enfoque de meta-predicción centrado en el costo puede pasar por alto las dependencias de escenarios y la especificidad técnica/tendencias. Los escenarios y supuestos centrales influyen en los volúmenes de producción, que a su vez afectan la evolución del costo de los componentes. El análisis de regresión adicional indica que los escenarios de costo optimistas demuestran una mayor rentabilidad de las baterías y las celdas de combustible. Los factores críticos como el diseño técnico y la selección de materiales afectan significativamente el costo y el rendimiento. Las incertidumbres de los componentes y las brechas de datos obstaculizan las evaluaciones tecnológicas integrales de las tecnologías individuales de 2020 a 2050. Si bien se espera que los costos de la batería y las celdas de combustible disminuyan con un rendimiento técnico mejorado, los avances tecnológicos que involucran nuevos componentes y tendencias emergentes podrían compensar estas reducciones de costos. Los camiones eléctricos actualmente demuestran competitividad de costos en comparación con los camiones diesel. Sin embargo, debido a los precios potencialmente altos de hidrógeno verde, los camiones de celdas de combustible pueden tener dificultades para lograr la paridad total del costo de propiedad a lo largo de la década de 2030. La relación costo de compra para camiones de emisión cero aumenta sustancialmente en comparación con los camiones diesel actuales. Más allá de los factores económicos, las capacidades tecnológicas también influyen en las decisiones de compra de camiones. Los vehículos eléctricos de emisión cero han alcanzado la paridad técnica con camiones diesel. En última instancia, la disponibilidad de infraestructura y la aceptación del usuario desempeñarán papeles decisivos en la adopción.

Conclusión

Este estudio proporciona una visión general de las estimaciones de costos para cinco componentes clave de los camiones de emisión cero a través del análisis de meta-predicción y regresión, lo que produce cuatro conclusiones clave: primero, se proyecta que los costos de componentes para camiones de emisión cero disminuyan significativamente. Se espera que los costos futuros del sistema de baterías se estabilicen a € 150 por kWh para 2035 y superen los 100 € por kWh para 2050. Los costos del sistema de celdas de combustible pueden alcanzar alrededor de € 150 por kWh a fines de la década de 2030, con un potencial máximo que se acerca a 100 € por kWh a fines de la década de 2040. En segundo lugar, las proyecciones de costos muestran variaciones sistemáticas en las categorías de tecnología, que pueden depender de la madurez tecnológica. Si bien las baterías cercanas al mercado demuestran las proyecciones de costos más estables entre las fuentes, sus pronósticos siguen siendo más optimistas que las de los sistemas científicos. Para las celdas de combustible, los enfoques científicos tienden a costos más bajos o objetivo. Tercero, el potencial sustancial de reducción de costos admite perspectivas optimistas para ambas tecnologías. Esto indica que el despliegue rápido de camiones de emisión cero tendrá un impacto significativo en los participantes en los sectores de transporte y energía. Finalmente, la investigación destaca la competencia entre las tecnologías de camiones de cero emisiones y plantea preguntas sobre el liderazgo del mercado y la necesidad de adoptar diferentes tecnologías. Todas las reducciones de costos anticipadas dependen de la transición exitosa a la carga de carretera baja en carbono. En comparación con los camiones de celdas de combustible, los camiones de emisión cero pueden ofrecer la vía más rentable para lograr la paridad total de costo de propiedad, mientras que los camiones de celdas de combustible aún pueden requerir un apoyo de política adicional hasta 2030.