La carrera por descarbonizar las baterías de los vehículos eléctricos

Si bien los vehículos eléctricos son limpios, su producción de baterías requiere una gran cantidad de carbono. Los principales fabricantes se están moviendo rápidamente para intentar solucionar este problema.

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 enfrentan un importante desafío en materia de emisiones: la producción de las baterías en sí es un proceso con un alto contenido de carbono.Barra lateral

Sobre los autores

De hecho, la producción de las grandes baterías de iones de litio utilizadas para alimentar los vehículos eléctricos es la mayor fuente de emisiones incorporadas tanto para los automóviles como para los camiones eléctricos, y representa entre el 40 y el 60 por ciento de las emisiones totales de la producción, según nuestras estimaciones. En otras palabras, fabricar baterías puede generar tantas emisiones como producir todos los demás materiales necesarios para fabricar un vehículo eléctrico, o incluso más (Anexo 1).

Exhibición 1

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A medida que aumenta la presión para descarbonizar y aumenta la demanda de vehículos eléctricos a nivel mundial, los fabricantes se apresuran a abordar este desafío de emisiones. Más de 100 fabricantes de equipos originales de la industria automotriz y sus proveedores se han comprometido a reducir las emisiones como parte de la iniciativa Science Based Targets.¹También se espera que otros líderes de la industria se unan a este grupo.

Las decisiones individuales de los OEM pueden marcar una diferencia sustancial. Los niveles de emisiones de la producción de baterías para vehículos eléctricos dependen de una variedad de factores, incluidas las opciones de diseño, el tipo de vehículo, la autonomía y los requisitos de transporte, así como los lugares de producción y abastecimiento. Las fuentes de energía utilizadas para producir diversos componentes de baterías son uno de los factores más importantes que explican la amplia variación en la huella de carbono de los diferentes fabricantes de equipos originales.

La buena noticia es que es posible lograr grandes reducciones en las emisiones de carbono derivadas 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.

Por qué las baterías de los vehículos eléctricos tienen una huella de carbono tan grande

Un vehículo eléctrico tiene aproximadamente el doble de espacio de producción que un vehículo típico con motor de combustión interna (ICE). Ambos tienen emisiones de producción similares incorporadas, por ejemplo, al producir la carrocería del vehículo, que suponen entre cinco y diez toneladas de emisiones de CO ₂ e, dependiendo de su tamaño y lugar de producción. Sin embargo, además de eso, producir un vehículo eléctrico típico (con una batería de 75 kWh) emite más de siete toneladas de CO ₂ e solo en la batería.

Los materiales y la energía necesarios para producir baterías para vehículos eléctricos explican gran parte de su importante huella de carbono. Las baterías de los 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 ánodos y cátodos requiere en algunos procesos temperaturas elevadas y que consumen mucha energía. 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 solar y la eólica o combustibles fósiles como el gas natural. Los productores que utilizan electricidad renovable ya tienen una huella de carbono significativamente menor en su producción de baterías que los que utilizan combustibles fósiles. El Cuadro 2 destaca la amplia variación en las emisiones relacionadas con las baterías según las opciones de la cadena de valor.

Anexo 2

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Por ahora, la mayoría de las baterías se fabrican en Asia: China domina el mercado con una cuota 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 procedentes de la producción de baterías, con un promedio de menos de la mitad que el de China.

Más productores de baterías han establecido capacidad en Europa, lo que ha ayudado a reducir el promedio global 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 renovables. 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 provenientes de la producción de baterías podría disminuir a 85 kg CO ₂ e/kWh para 2025. Esta reducción se produciría en gran medida como resultado de una menor generación de energía con elevadas emisiones en las redes de los países productores de baterías.

Un número cada vez mayor de fabricantes de equipos originales espera que la producción de baterías con bajas emisiones de carbono se convierta en una ventaja competitiva. Algunos actores líderes ya apuntan a reducir las emisiones por debajo de 20 kg CO ₂ e/kWh, o hasta casi diez veces menos que los fabricantes de equipos originales con mayores emisiones en la actualidad. Cualquier diferencia continua entre los mejores y peores actores de su clase brindará oportunidades para que los líderes diferencien sus ofertas.

Para tomar la delantera en productos con bajas emisiones de carbono, los fabricantes de celdas 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.

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Es factible lograr importantes reducciones de emisiones de aquí a 2030

Según nuestras estimaciones, la producción de una batería eléctrica promedio hoy en día emite hasta 100 kilogramos (kg) de CO ₂ equivalente por kilovatio-hora (CO ₂ e/kWh).

Los actores 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 acciones en toda la cadena de valor.

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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 un costo considerable. Los factores clave que influyen en la competitividad de las baterías bajas en carbono incluyen la ubicación de producción y el mercado objetivo. En algunos casos ventajosos, podría ser posible descarbonizar hasta un 80 por ciento con un coste adicional mínimo para el cliente final.

Los cambios regulatorios como el Mecanismo de Ajuste en Frontera 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 de tecnología 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 con bajas emisiones de carbono una ventaja competitiva incluso si tienen una base de costos de producción más alta. 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 sólo puede provenir de Estados Unidos o de países con los que Estados Unidos tiene un acuerdo de libre comercio. Este requisito fomenta directamente una mayor producción o reciclaje local 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 recientemente acordada introducirá el etiquetado de la huella de carbono para 2024 y exigirá otros requisitos de sostenibilidad, como contenido reciclado, rendimiento y durabilidad.²En consecuencia, los fabricantes de baterías podrían ver una presión cada vez mayor por parte de los clientes para reducir las emisiones incorporadas en la cadena de suministro de baterías.

El mayor impacto en cualquiera de estas estrategias vendría del cambio a fuentes de electricidad renovables o del inicio de acuerdos de compra de energía verde (PPA) en cada eslabón de la cadena de valor. Para una reducción total de las emisiones de la electricidad, el tipo y la calidad del PPA son importantes.³

Reducir las emisiones con tecnología

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

Anexo 3

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Extracción y refinación de materias primas. En promedio, la minería y la refinación de materias primas representan aproximadamente una cuarta parte de las emisiones totales de la producción de baterías, y el litio y el níquel son responsables de más de la mitad. Las emisiones de níquel apto para baterías varían en un factor de aproximadamente diez.⁴La ubicación, el tipo de mineral y la tecnología de procesamiento explican esta amplia variación. Adquirir el metal de productores sostenibles (aquellos que ya podrían haber cambiado a equipos de minería electrificados o fuentes de energía renovables para obtener electricidad, por ejemplo) puede resultar en una reducción de emisiones en algunos casos de hasta un 30 por ciento por celda de batería creada.

Fabricación de materiales activos (ánodo y cátodo). Tanto para los materiales activos catódicos como para los materiales activos anódicos, 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 fuerte calor durante varias horas. Debido a que estos procesos requieren electricidad, se necesita un esfuerzo adicional para garantizar la estabilidad y continuidad del proceso. Una ganancia rápida implicaría cambiar el consumo de electricidad actual a un PPA limpio las 24 horas del día con una adaptación del 100 por ciento de la oferta y la demanda; esto reduciría hasta un 25 por ciento de las emisiones totales de fabricación de mina a celda.

Fabricación de células. Las empresas pueden electrificar completamente el proceso de producción. La mayoría de las emisiones no eléctricas en la fabricación de células hoy en día provienen del proceso de secado de electrodos, que requiere calor a temperatura media entre 50°C y 160°C. Los fabricantes de celdas típicos utilizan líneas de secado de electrodos alimentadas con gas natural, pero existen versiones electrificadas de esta tecnología. Además, innovaciones como el recubrimiento 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 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 mina a celda.

Uso de factores adyacentes a la producción para reducir las emisiones

Medidas adicionales más allá de abordar el proceso de producción primaria también pueden marcar la diferencia. Entre ellas se 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 propias baterías.

Reciclaje. El reciclaje no es sólo 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 el crecimiento de muchas nuevas fábricas de baterías en todo el mundo, estarán disponibles grandes volúmenes de chatarra de producción, lo que aumentará la relevancia de una cadena de valor de reciclaje que funcione incluso antes de que un mayor número de vehículos eléctricos lleguen al final de su vida útil dentro de cinco a diez años. Hoy en día, la huella de carbono de los materiales reciclados de las baterías suele ser cuatro veces menor que la de las materias primas de fuentes primarias. Por tanto, aumentar la proporción de materiales reciclados en la producción es un paso importante hacia la descarbonización.

Logística. Normalmente, sólo 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. Para una descarbonización profunda será necesaria la descarbonización en curso del sector del transporte y un cambio a modos de transporte de bajas emisiones, como los trenes. Además, un mayor impulso en la localización de la cadena de valor de las baterías podría reducir las emisiones en regiones de producción de automóviles como la Unión Europea y Estados Unidos.

Química. Hoy en día, los fabricantes de celdas y los OEM eligen entre celdas de níquel-manganeso-cobalto (NMC) y de litio-hierro-fosfato (LFP) de alto rendimiento. Nuestro análisis sugiere que, mientras que las baterías NMC tienen una densidad de energía entre un 30 y un 40 por ciento mayor, las celdas LFP tienen una vida útil esperada de ciclo de carga mayor y, en promedio, entre un 15 y un 25 por ciento menos de emisiones de carbono. Esto se debe principalmente a una menor cantidad de emisiones de material incrustado en el cátodo. Varios fabricantes de equipos originales, productores de células y fabricantes de cátodos están buscando productos químicos alternativos para reducir las emisiones y los costos y al mismo tiempo mantener o aumentar la densidad de energía. Al producir cátodos de óxido de litio, níquel y manganeso (LNMO), por ejemplo, el objetivo es sustituir materiales caros y con elevadas emisiones, como el níquel, por materiales más baratos, abundantes y más sostenibles, como el manganeso.

Tamaño de la batería. Por ahora, los productores de vehículos eléctricos se están centrando en aumentar el tamaño de las baterías para permitir a los conductores viajar distancias más largas. En 2021, el vehículo eléctrico con mayor autonomía alcanzó las 405 millas (652 kilómetros [km]) con una sola carga de batería.⁵En 2022, el número de vehículos eléctricos con una autonomía superior a 483 km (300 millas) se triplicó en Estados Unidos.⁶Sin embargo, existe una discrepancia entre el tamaño cada vez mayor de las baterías y las distancias que los conductores promedio recorren diariamente, que son menos de 40 millas (64 km) en 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 un vehículo eléctrico de mayor autonomía con una sola carga. Debido a esta desconexión entre innovación y aplicación, los recursos limitados asignados a la producción de baterías están en gran medida infrautilizados. Por lo tanto, una forma radical de reducir las emisiones sería construir paquetes de baterías más pequeños y más adaptados a las necesidades de los consumidores. 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 una autonomía de 75 a 106 millas (121 km a 171 km).⁷