La carrera para descarbonizar la electricidad

Una de las propuestas de valor clave de los vehículos eléctricos (EV) para los consumidores, y el planeta, es su huella de carbono ultrabaja una vez en funcionamiento. A diferencia de los automóviles y vehículos comerciales con motores de combustión interna, los vehículos eléctricos no producen emisiones directas del tubo de escape al quemar diésel y gasolina. Pero los vehículos eléctricos que funcionan con baterías tienen un gran desafío de emisiones: la producción de las propias baterías es un proceso altamente intensivo en carbono.

Este artículo es un esfuerzo de colaboración de Martin Linder, Tomas Nauclér, Stefan Nekovar, Alexander Pfeiffer y Nikola Vekić, que representa los puntos de vista de la práctica automotriz y de ensamblaje de McKinsey.

De hecho, la producción de las grandes baterías de iones de litio que se utilizan para alimentar los vehículos eléctricos es la mayor fuente de emisiones integradas tanto para los automóviles como para los camiones eléctricos, y representa entre el 40 y el 60 por ciento de las emisiones totales de producción, según nuestra estimación. En otras palabras, la fabricación de baterías puede generar tantas emisiones como la producción de todos los demás materiales que se utilizan para fabricar un vehículo eléctrico, o incluso más (Gráfico 1).

A medida que aumenta la presión para descarbonizar y aumenta la demanda de vehículos eléctricos en todo el mundo, los fabricantes se apresuran a abordar este desafío de emisiones. Más de 100 OEM de la industria automotriz y sus proveedores se han comprometido a reducir las emisiones como parte de la iniciativa Science Based Targets. Unase a este grupo.

Las decisiones individuales de los OEM pueden marcar una diferencia sustancial. Los niveles de emisión de la producción de baterías EV dependen de una variedad de factores, incluidas las opciones de diseño, el tipo de vehículo, el alcance y los requisitos de carga, así como las ubicaciones de producción y abastecimiento. Las fuentes de energía utilizadas para producir varios componentes de la batería son uno de los factores más importantes que explican la amplia variación en la huella de carbono de los diferentes OEM.

La buena noticia es que es posible que se produzcan grandes reducciones en las emisiones de carbono de la producción de baterías para vehículos eléctricos en los próximos cinco a diez años. Este artículo analiza por qué la producción de baterías para vehículos eléctricos es una actividad con tantas emisiones y qué se puede hacer para reducir su huella de carbono.

Un EV tiene aproximadamente el doble de la huella de producción de un vehículo típico con motor de combustión interna (ICE). Ambos tienen emisiones de producción integradas similares, por ejemplo, al producir la carrocería del vehículo, que tiene entre cinco y diez toneladas de emisiones de CO2e, dependiendo de su tamaño y ubicación de producción. Sin embargo, además de eso, producir un EV típico (con un paquete de baterías de 75 kWh) emite más de siete toneladas de emisiones de CO2e solo en la batería.

Los materiales y la energía necesarios para producir baterías EV explican gran parte de su gran huella de carbono. Las baterías de vehículos eléctricos contienen níquel, manganeso, cobalto, litio y grafito, que emiten cantidades sustanciales de gases de efecto invernadero (GEI) en sus procesos de extracción y refinación. Además, la producción de materiales activos de ánodo y cátodo requiere temperaturas altas que consumen mucha energía para algunos procesos. La química de las baterías, la tecnología de producción, la selección de proveedores de materias primas y las rutas de transporte son otros factores determinantes de la cantidad de carbono de producción incorporado.

Las decisiones de abastecimiento, incluida la energía utilizada, tienen un gran impacto en las emisiones, dependiendo de si se utilizan energías renovables, como la energía solar y eólica, o combustibles fósiles, como el gas natural. Los productores que usan electricidad renovable ya tienen una huella de carbono significativamente menor en su producción de baterías que los que usan combustibles fósiles. El Anexo 2 destaca la amplia variación en las emisiones relacionadas con las baterías según las opciones de la cadena de valor.

Por ahora, la mayoría de las baterías se fabrican en Asia: China domina el mercado con una participación de mercado de más del 70 por ciento y tiene los procesos de producción más intensivos en emisiones. Por el contrario, Suecia ha mantenido un nivel relativamente bajo de emisiones de la producción de baterías, con un promedio de menos de la mitad del de China.

Más productores de baterías han establecido capacidad en Europa, lo que ha ayudado a reducir el promedio mundial de emisiones por kWh porque la electricidad tiene una menor intensidad de carbono en Europa que en la mayoría de los países asiáticos, debido a una mayor proporción de fuentes de energía renovable. Suponiendo que continúe el impulso global hacia la descarbonización de las redes eléctricas, incluso en China, nuestro modelo sugiere que el promedio global de GEI de la producción de baterías podría disminuir a 85 kg CO2e/kWh para 2025. Esta reducción se produciría en gran medida como resultado de una menor emisión. intensa generación de energía en las redes de los países productores de baterías.

Un número creciente de OEM espera que la producción de baterías bajas en carbono se convierta en una ventaja competitiva. Algunos actores líderes ya apuntan a reducir las emisiones por debajo de los 20 kg CO2e/kWh, o hasta casi diez veces menos que los OEM más intensivos en emisiones en la actualidad. Cualquier diferencial continuo entre los mejores y los peores en su clase brindará oportunidades para que los líderes diferencien sus ofertas.

Para tomar la delantera en productos bajos en carbono, los fabricantes de celdas de paquetes de baterías y materiales activos deberán considerar no solo descarbonizar sus propias operaciones, sino también abordar las emisiones de los materiales y componentes que compran a sus proveedores.

Según nuestras estimaciones, la producción de la batería EV promedio actual emite hasta 100 kilogramos (kg) de CO2 equivalente por kilovatio-hora (CO2e/kWh).

Los jugadores ambiciosos tienen la capacidad de reducir la huella de carbono de la producción de baterías hasta en un 75 por ciento en promedio en los próximos cinco a siete años, pero hacerlo requerirá acción en toda la cadena de valor.

Varias estrategias pueden ayudar con la reducción. Sus costos dependerán en gran medida de las tecnologías existentes y de factores externos como la geografía. Algunas de estas estrategias ahorrarán costos, mientras que otras tendrán una prima considerable. Los factores clave influyen en cómo las baterías bajas en carbono competitivas pueden incluir la ubicación de producción y el mercado objetivo. En algunos casos ventajosos, podría ser posible descarbonizar hasta un 80 por ciento con un costo adicional mínimo para el cliente final.

Los cambios regulatorios, como el Mecanismo de Ajuste Fronterizo de Carbono (CBAM) de la Unión Europea y la Ley de Reducción de la Inflación (IRA) en los Estados Unidos, pueden centrar la atención en los cambios necesarios y potencialmente ayudar a reducir los costos tecnológicos para lograrlos. El CBAM, por ejemplo, es un impuesto fronterizo que encarece la importación de productos con alto contenido de carbono a la Unión Europea. Esto puede dar a los actores locales de bajas emisiones de carbono una ventaja competitiva, incluso si tienen una base de costos más alta para la producción. En Estados Unidos, el IRA subsidia la producción local de baterías así como los componentes necesarios para fabricarlas. Parte del subsidio se otorga si los productores cumplen con los requisitos de contenido local, por lo que un cierto porcentaje de minerales puede provenir solo de Estados Unidos o de países con los que Estados Unidos tiene un tratado de libre comercio. Este requisito fomenta directamente una mayor producción local o el reciclaje de minerales y componentes e indirectamente conduce a baterías más sostenibles.

Las regulaciones también brindan cada vez más incentivos para que los OEM reduzcan las emisiones de las baterías. Por ejemplo, la estrategia de baterías sostenibles de la UE acordada recientemente introducirá el etiquetado de la huella de carbono para 2024 y exigirá otros requisitos de sostenibilidad, como el contenido reciclado, el rendimiento y la durabilidad. La transición energética de la UE y la industria competitiva", Comisión Europea, 9 de diciembre de 2022. En consecuencia, los fabricantes de baterías podrían ver una presión cada vez mayor por parte de los clientes para reducir las emisiones integradas en la cadena de suministro de la batería.

El mayor impacto en cualquiera de estas estrategias provendría de cambiar a fuentes de electricidad renovables o iniciar acuerdos de compra de energía verde (PPA, por sus siglas en inglés) en cada eslabón de la cadena de valor. Para la reducción total de las emisiones de la electricidad, el tipo y la calidad del PPA son importantes.

Las alternativas tecnológicas específicas pueden reducir las emisiones y, en algunos casos, ahorrar costos (Anexo 3). Las áreas con mayor impacto incluyen las siguientes:

Extracción y refinación de materias primas. En promedio, las materias primas de minería y refinación representan alrededor de una cuarta parte de las emisiones totales de producción de baterías, y el litio y el níquel son responsables de más de la mitad. Las emisiones de níquel de grado de batería varían en un factor de aproximadamente diez.4 "Presión para descarbonizar: impulsores de las emisiones del lado de la mina", McKinsey, 7 de julio de 2021. La ubicación, el tipo de mineral y la tecnología de procesamiento explican esta amplia variación. Obtener el metal de productores sostenibles, por ejemplo, aquellos que ya podrían haber cambiado a equipos de minería electrificados o fuentes de energía renovable para electricidad, puede resultar en una reducción de emisiones en algunos casos de hasta un 30 por ciento por celda de batería creada.

Fabricación de material activo (ánodo y cátodo). Tanto para los materiales activos del cátodo como para los materiales activos del ánodo, la mayoría de las emisiones provienen del procesamiento a alta temperatura. En estos pasos, se utilizan calderas y electricidad para precipitar y secar los materiales y exponerlos a un calor intenso durante varias horas. Debido a que estos procesos requieren electricidad, se necesita un esfuerzo adicional para garantizar la estabilidad y continuidad del proceso. Una victoria rápida implicaría cambiar el consumo de electricidad actual a un PPA limpio las 24 horas del día con una coincidencia del 100 por ciento de la oferta y la demanda; esto reduciría hasta un 25 por ciento de las emisiones totales de fabricación de la mina a la celda.

Fabricación de células. Las empresas pueden electrificar completamente el proceso de producción. La mayoría de las emisiones no eléctricas en la fabricación de celdas en la actualidad provienen del proceso de secado de electrodos, que requiere calor a temperatura media entre 50 °C y 160 °C. Los fabricantes típicos de celdas utilizan líneas de secado de electrodos alimentados con gas natural, pero existen versiones electrificadas de esta tecnología. Además, las innovaciones como el recubrimiento en seco o el cambio de aglutinantes convencionales como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), un plástico especial, a alternativas solubles en agua durante la fabricación de electrodos podrían reducir significativamente el consumo de energía y las emisiones y los costos relacionados. Suministrar un proceso de fabricación de celdas completamente electrificado con electricidad baja en carbono las 24 horas del día, los 7 días de la semana da como resultado, en promedio, una reducción del 25 por ciento de las emisiones totales de fabricación de la mina a la celda.

Las medidas adicionales más allá de abordar el proceso de producción primaria también pueden marcar la diferencia. Estos incluyen el uso de materiales reciclados en lugar de materias primas vírgenes, la mejora de las emisiones logísticas a lo largo de la cadena de suministro, la elección de la química de los materiales utilizados para la batería y, potencialmente, incluso el replanteamiento del tamaño de las baterías.

Reciclaje. El reciclaje no solo es un remedio a largo plazo para la probable escasez futura de materias primas para baterías, como el litio y el níquel, sino también una palanca fundamental para disminuir las emisiones de las baterías y reducir la dependencia de los mercados de la UE y los EE. UU. de las regiones mineras intensivas en carbono. Con muchas fábricas de baterías nuevas aumentando en todo el mundo, grandes volúmenes de desechos de producción estarán disponibles, lo que aumentará la relevancia de una cadena de valor de reciclaje en funcionamiento incluso antes de que un gran número de vehículos eléctricos lleguen al final de su vida útil en cinco a diez años. Hoy en día, la huella de carbono de los materiales de batería reciclados suele ser cuatro veces menor que la de las materias primas de fuentes primarias. Por lo tanto, aumentar la proporción de materiales reciclados en la producción es un paso importante hacia la descarbonización.

Logística. Por lo general, solo una pequeña parte de las emisiones de GEI de las baterías (alrededor del 5 por ciento de la huella total) se origina en el transporte de las celdas de las baterías o sus componentes. La descarbonización en curso del sector del transporte y un cambio a modos de transporte de bajas emisiones, como los trenes, serán necesarios para una descarbonización profunda. Además, un mayor impulso en la localización de la cadena de valor de las baterías podría reducir las emisiones en las regiones de producción de automóviles, como la Unión Europea y los Estados Unidos.

Química. En la actualidad, los fabricantes de celdas y los OEM eligen entre celdas de alto rendimiento de níquel-manganeso-cobalto (NMC) y litio-hierro-fosfato (LFP). Nuestro análisis sugiere que, si bien las baterías NMC tienen una densidad de energía entre un 30 y un 40 % mayor, las celdas LFP tienen una vida útil esperada del ciclo de carga mayor y, en promedio, entre un 15 y un 25 % menos de emisiones de carbono. Esto se debe principalmente a una menor cantidad de emisiones de material incrustado en el cátodo. Varios OEM, productores de celdas y fabricantes de cátodos están buscando químicas alternativas para reducir las emisiones y los costos mientras mantienen o aumentan la densidad de energía. Cuando se producen cátodos de óxido de litio-níquel-manganeso (LNMO), por ejemplo, el objetivo es sustituir materiales caros y que generan muchas emisiones, como el níquel, por materiales más baratos, abundantes y sostenibles, como el manganeso.

Tamaño de la batería. Por ahora, los productores de vehículos eléctricos se están enfocando en aumentar el tamaño de los paquetes de baterías para permitir que los conductores viajen distancias más largas. En 2021, el EV con el mayor alcance alcanzó las 405 millas (652 kilómetros [km]) con una sola carga de batería.5 "En el año modelo 2021, el vehículo eléctrico con el mayor alcance alcanzó las 405 millas con una sola carga", Office of Energy Eficiencia y energía renovable, 10 de enero de 2022. En 2022, la cantidad de vehículos eléctricos con un alcance de más de 300 millas (483 km) se triplicó en los Estados Unidos. de 300 millas o más", Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 29 de agosto de 2022. Sin embargo, existe una discrepancia entre el tamaño creciente de las baterías y las distancias que los conductores promedio recorren diariamente, que es menos de 40 millas (64 km) en el Estados Unidos. Según la Administración Federal de Carreteras (FHWA), el 95 por ciento de todos los viajes fueron de menos de 30 millas (48 km), menos de una décima parte de la distancia que puede recorrer el EV de mayor alcance con una sola carga. Debido a esta desconexión entre la innovación y la aplicación, los recursos limitados asignados a la producción de baterías se infrautilizan en gran medida. Por lo tanto, una forma radical de reducir las emisiones sería construir paquetes de baterías más pequeños adaptados más a las necesidades del consumidor. En China, por ejemplo, el vehículo eléctrico más vendido en 2021 fue el Wuling Hongguang Mini EV, que tiene una oferta de batería de nueve a 14 kWh y un alcance de 75 a 106 millas (121 km a 171 km).7Mark Kane, " China: Más de 40 000 Wuling Hong Guang MINI EV se vendieron en noviembre", InsideEVs, 10 de diciembre de 2021.

Para construir baterías sin carbono, los actores a lo largo de toda la cadena de valor deben trabajar juntos y con otras partes interesadas, incluidos los gobiernos y los financistas. Para tener éxito, deben considerar la acción en cinco áreas:

Proveedores. Los productores pueden establecer una señal clara de demanda de productos sin carbono a lo largo de la cadena de valor a los proveedores. Por ejemplo, el mejor OEM de vehículos eléctricos de su clase podría enviar una señal a sus proveedores de células, que a su vez pueden transmitir esa demanda a sus proveedores de materiales activos, y así sucesivamente, hasta que la demanda de dichos materiales encuentre su camino hacia el valor. cadena hasta la extracción y refinación de materias primas. Esto se puede hacer mediante el establecimiento de asociaciones de adquisiciones para desarrollar conjuntamente soluciones bajas en carbono o aumentar la demanda de productos bajos en carbono.

inversores Las partes interesadas pueden considerar ayudar a los innovadores con sus inversiones asegurando financiamiento. Por ejemplo, podrían usar compromisos de volumen a largo plazo para la producción sostenible para construir una nueva tecnología de producción de bajas emisiones. Los subsidios públicos podrían ser potencialmente beneficiosos para lograr estos objetivos, si los gobiernos están dispuestos a considerarlos.

Reciclaje. Los jugadores de toda la cadena de valor podrían ampliar la recolección y el reciclaje de baterías, incluida la logística, las pruebas y el desmontaje, el procesamiento y el seguimiento y rastreo digital. Como se describió anteriormente, aumentar la proporción de materiales reciclados en las nuevas celdas de las baterías no solo ayudaría a abordar la escasez de suministro prevista para los materiales de las baterías, sino que también reduciría significativamente la huella de CO2e de dichas baterías.

Métrica. Los productores podrían aumentar la transparencia al establecer estándares y métricas. Una opción sería un "pasaporte de batería", 8 "Battery Passport", Global Battery Alliance, 15 de marzo de 2022, que fue lanzado recientemente por Global Battery Alliance. 9 "Battery Passport Pilot", Global Battery Alliance, 2022. Otras opciones incluir estándares de segunda vida o certificaciones para productos bajos en carbono que faciliten a los clientes elegir opciones bajas en carbono y realizar un seguimiento de las mejoras a lo largo de la cadena de valor.

Asociaciones. Los actores a lo largo de la cadena de valor pueden querer formar asociaciones multilaterales. Por ejemplo, una asociación entre empresas de materias primas (como níquel, cobalto, litio y aluminio), productores de materiales activos, fabricantes de celdas y OEM podría ayudar a abordar los problemas a lo largo de toda la cadena de valor. Tales asociaciones podrían considerar hacer un compromiso conjunto para cambiar a fuentes de electricidad renovables en cada paso de la cadena de valor, por ejemplo.

Las compañías de baterías para vehículos eléctricos que buscan comenzar a descarbonizar sus propias emisiones aguas arriba tendrían que crear un libro de jugadas. Un primer paso podría ser crear una descripción general completa de la huella de carbono de su propio producto basada en una comprensión detallada de sus emisiones aguas arriba. Esta descripción general podría mostrar su cartera de proveedores y otros actores con los que trabajan a lo largo de la cadena de valor. Las empresas podrían lograr esto recopilando datos primarios de sus proveedores (y, a su vez, de los proveedores de sus proveedores) y evaluando las opciones de descarbonización disponibles hoy y con el tiempo. Esta información y transparencia ayudaría a establecer el nivel de ambición adecuado y ayudaría a las empresas a elegir la estrategia correcta en función de una cuidadosa consideración de la oportunidad, el costo y el riesgo de diferenciación.

Como posible seguimiento, es posible que las empresas deseen elaborar un plan de acción concreto para alcanzar sus objetivos, incluidas ganancias rápidas, como cambiar a fuentes de energía renovable y acciones estratégicas a largo plazo en toda su cadena de suministro. Las acciones estratégicas podrían incluir el establecimiento de alianzas y asociaciones con actores relevantes a lo largo de la cadena de valor. Finalmente, las empresas podrían desarrollar una estrategia para posicionarse frente a clientes conscientes del CO2 y buscar formas de diferenciarse de los competidores, lo que podría generar primas de precios sostenibles a mediano plazo.10Marcelo Azevedo, Anna Moore, Caroline Van den Heuvel y Michel Van Hoey, "Capturar el valor premium verde de los materiales sostenibles", McKinsey, 28 de octubre de 2022.

En la carrera por reducir las emisiones generadas por la producción de baterías para vehículos eléctricos, los OEM tienen muchas opciones para salir adelante. Las tecnologías están en su lugar o están surgiendo rápidamente y les permitirán reducir sustancialmente la huella de carbono de las baterías. Hacerlo garantizará que los vehículos eléctricos estén a la altura de las esperanzas que muchos consumidores depositan en ellos y marcarán un gran avance en la carrera más amplia para descarbonizar la movilidad y la economía en su conjunto.

Martín Linderes socio sénior de la oficina de McKinsey en Múnich,Tomas Naucléres socio mayoritario en la oficina de Estocolmo,Stefan Nekovares consultor en la oficina de Londres,Alejandro Pfeifferes socio asociado en la oficina de Amsterdam, yNikola Vekićes consultor en la oficina de Bruselas.

Los autores desean agradecer a Marcelo Azevedo, Andreas Breiter, Nicolò Campagnol, Jakob Fleischmann, Xènia Greenhalgh, Mikael Hanicke, Eric Hannon, Evan Horetsky, Raphael Rettig, Lina Romero, Jade Rossi, Nitin Shetty, Lukas Torscht, Alexandre van de Rijt, Marlene von Monschaw, Monica Wang y Ting Wu por sus contribuciones a este artículo.