skrivet av Helena Berg
Tidigare i år presenterades en studie om var det är lämpligast att producera fordonsanpassade Li-jonbatterier [1]. Studien gjordes av Clean Energy Manufacturing Analysis Center (CEMAC) och finansierades av Department of Energy som en del av Clean Energy Manufacturing Initiative.
Det bakomliggande syftet är att stärka USAs konkurrenskraft och utvärdera om storskalig batteriproduktion i USA är lönsam. Om inte - var ska man då producera celler till USAs fordonstillverkare?
Detta nyhetsbrev är en sammanfattning av rapporten och de övergripande slutsatserna.
Asien dominerar cellproduktionen och slutsatsen som dras är att erfarenhet av cellproduktion för konsumentelektronik är helt avgörande. Produktionskunnande, stark inköpskraft, etablerade och fungerande leverantörskedjor och samarbetsavtal är några avgörande faktorer. Nystartade företag med fokus enbart på fordonsbatterier har svårt att hävda sig i konkurrensen.
Slutsatsen är dock att Li-jonceller skulle kunna tillverkas i Mexico på ett konkurrenskraftigt sätt – 10 % billigare än i Asien. Under vissa förutsättningar kan även produktion i USA vara attraktivt.
Produktionskapacitet och utnyttjandegrad
85 % av all produktionskapacitet globalt sett och 79 % av produktionskapaciteten för fordonsceller finns i Japan, Kina och Korea. Redan på 1990-talet gjordes stora och långsiktiga satsningar från den japanska staten för att etablera cellproduktion baserade på resultat från starka forskningsmiljöer. Investeringarna gjordes trots lång utvecklingstid och låg avkastningspotential. Korea och Kina följde efter under 00-talet. I början var både Korea och Kina starkt beroende av Japan, men man har lyckats etablera starka inhemsk forskningsmiljöer och säkerställt sina egna leverantörskedjor. Detta har lett till konkurrenskraftiga celler från Korea och Kina [2, 3]. Kina har även jobbat med skattelättnader och incentives vid investeringar, och ofta krävs inhemskt producerade delar, och exportrestriktioner.
I USA finns ca 7 % (räknat innan Teslas Gigafactory är igång) och inom EU 3,5 % av den globala produktionskapaciteten av Li-jonbatterier. Om man räknar in Gigafactory och andra kända fabriker som är på gång, kommer USA stå för 32% av all produktionskapacitet av Li-jonbatterier.
CEMAC har även räknat på marknaden för fordonsanpassade Li-jonceller och tror att denna kommer mer än fördubblas mellan 2015 och 2020: från 17 GWh till 39 GWh.
2014 fanns en stor överkapacitet för produktion av fordonsanpassade celler - endast 22 % utnyttjades. Orsaker som anges är en överskattning av försäljningsprognoserna av xEV och att många länder och regioner gett stora stöd för att bygga upp inhemsk cellproduktion.
Med modesta försäljningsprognoser (25 % årlig ökning) torde den nuvarande globala cellproduktionskapaciteten för fordonsceller vara tillräcklig till 2018.
Cellproduktion - en kritisk process
Att producera en cell görs i ett flertal steg och många av processtegen är ytterst kritiska för den färdiga cellens prestanda och livslängd. Många steg görs i renrumsmiljö och fukthalten i luften bör vara extremt låg (
Att gå från råmaterial till att tillverka de aktiva batterimaterialen är kritiskt för slutprodukten. Det samma gäller för produktionen av elektroder, elektrolyter och själva cellen. Inom dessa områden hittar man mest IP och affärshemligheter. Produktion av råmaterialen (t.ex. brytning av litium och andra metaller) och packtillverkningen anser CEMAC inte vara kritiska, men viktiga.
I Asien är leverantörer av råmaterial, elektroder och elektrolyter starkt förankrade i olika, ofta nationella, nätverk, vilket gör att celltillverkare knutna till dessa nätverk kan förhandla till sig bra priser. Celltillverkare utanför nätverken får inte tillgång till fördelarna, och kan ha svårt att ens få möjlighet att köpa material. Ofta finns även vertikala samarbeten som ännu mer bidrar till fördelaktiga prissättningar. I USA är leverantörskedjan outvecklad och består av många nya och oerfarna leverantörer.
Modellen
Baserat på en gedigen genomgång av alla de faktorer som påverkar batteriproduktionen har CEMAC modellerat cellproduktion i ett antal länder. De har satt en prislapp på alla produktionssteg (fasta och rörliga kostnader) baserat på inventarier, verktyg, materialflöden, personalåtgång, laborerat med automatiseringsgrad, utnyttjandegrad, ställtider, osv. Totalt har man utgått från 240 oberoende parametrar som härrör från produktionsprocessen och 30 oberoende parametrar som är specifika för varje land. Man har även modellerat kostnaderna för en produktion som går jämt upp och en som ger en långsiktig vinst.
Samma cell har 'producerats' i alla modellerade fall: en 20 Ah pouch-cell baserad på NMC-katod och grafit-anod. Produktionskapaciteten har satts till 600 GWh/år med en 85 % beläggningsgrad och ett produktionsutbyte av färdiga celler på 80 %. I ett Kina-fall har man antagit 90 % beläggningsgrad och ett 70 % utbyte p.g.a. en lägre automatiseringsgrad och en högre personalåtgång.
De länder man studerat är Kina, Japan, Korea, USA och Mexico. För USA har man antagit två fall: 1) start-up med R&D-karaktär och 2) etablerade företag med stark leverantörsstruktur. I fallet Mexico har man utgått från att det är ett japanskt bolag som sätter upp produktion i landet. Mexico är valt p.g.a. geografisk närhet till USA, lägre lönekostnader än USA, samt att lönekostnaderna är lika eller lägre än i Kina.
Let's go south
Om man ska följa rapporten ska man ur ett strikt ekonomiskt perspektiv tillverka Li-jonceller till fordon i Mexico.
Kina, Korea och Mexico är de länder som ger lägst cellkostnad per kWh. Material- och personalkostnaderna är de faktorer som är avgörande.
Dyrast att producera är i USA av ett R&D start-up - $278/kWh. Billigast i Kina om tillverkaren har produktionserfarenhet av celler för fordons och konsumentelektronik - $217/kWh. Dessa siffror gäller om produktionen går jämnt upp dvs. utan någon som helst vinst.
Om man räknar på en långsiktig verksamhet (dvs. produktionen går med vinst) och räknar in transportkostnaderna till USA av de färdiga cellerna blir det billigast att producera celler i Mexico - $333/kWh. Lönekostnaden är den största orsaken.
I ett framtida scenario med produktion av celler i USA av en etablerad tillverkare blir kostnaden 10 % högre än i Mexico - och detta är jämförbart med celler från Asien. För ett start-up-företag i USA skulle cellerna kosta $572/kWh - dvs. 170 % mer än celler från Mexico.
En förutsättning för attraktiva cellkostnader i USA är att 8 % skatt på kapitalkostnaderna erhålls.
Även om cellerna görs någon annanstans så bör packtillverkningen göras i nära anslutning till fordonsproduktionen och slutkunderna. En av drivkrafterna är att ett batteripack aldrig är en 'bulkvara' och att OEMerna oftast själva designar packet.
Vad driver val av land?
Kostnaderna för cellproduktionen drivs av katodmaterialet, kapitalkostnaderna och produktionsutbytet av färdiga celler. Beläggningsgraden i produktionsanläggningen får en betydande roll om mindre än 50 % av tillgänglig produktionskapacitet används.
CEMAC har även identifierat icke-ekonomiska faktorer som påverkar val av produktionsland: tillgång till råmaterial (grafit, Li, Ni, Co, osv.), leverantörsbasen, det generella affärsklimatet, logistik och infrastruktur, immateriella aspekter, landets rykte, och inte minst tillgång till välutbildad personal.
Egna kommentarer
Rapporten baseras på en gedigen genomgång och utgår från USAs behov. Det torde inte vara allt för komplicerat att använda modellen på fler länder.
Kostnaderna avser 2015. Vore intressant att även se kostnadsutvecklingen fram till 2025 eller 2030.
EU finns inte med som en region i utvärderingen. Vore intressant om en liknande studie genomfördes ur ett europeiskt perspektiv. EU-kommissionen har som mål att öka batteriproduktionen inom EU för att skapa fler arbetstillfällen, öka konkurrenskraften och ta till vara europeisk forskning. Kommer Tesla, LG Chem och Samsung göra slag i saken och starta produktion inom EU som de tidigare indikerat? Kommer det bli celler ’made in Germany’? Hur skulle produktion av celler i Sverige stå sig? Är det de icke-ekonomiska aspekterna som är mer avgörande för EU? Många frågor som vore intressant att få svar på.
2013 presenterade tyska M+W en mindre omfattande studie av cellproduktion i EU, Kina och Ryssland. Prisskillnaden var då 6 % mellan länderna, till Kinas fördel, men om man även beaktade produktionsutbytet blev skillnaden ännu mindre (se OMEV maj 2013).
Ett produktionsutbyte på 80 % låter kanske lågt, men å andra sidan är det en mycket avancerad produkt som avses.
Referenser
[1] CEMAC 2015: Automotive Lithium‐ion Battery (LIB) Supply Chain and U.S. Competitiveness Considerations: länk
[2] Pike Research 2011: Lithium‐Ion Battery Materials: Japan Dominates in the EV Era. länk
[3] Pike Research 2013: Electric Vehicle Batteries
