Monday, May 20, 2024
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Chinas Übergang zu Elektrofahrzeugen MIT News

In den letzten Jahrzehnten ist China schnell Das Wirtschaftswachstum hat es immer mehr Verbrauchern ermöglicht, ihre eigenen Autos zu kaufen. Das Ergebnis war eine verbesserte Mobilität und der größte Automobilmarkt der Welt – aber auch eine ernsthafte Luftverschmutzung in den Städten, hohe Treibhausgasemissionen und eine wachsende Abhängigkeit von Ölimporten.

Um diesen besorgniserregenden Trends entgegenzuwirken, hat die chinesische Regierung Richtlinien eingeführt, um die Einführung von Plug-in-Elektrofahrzeugen (EVs) zu fördern. Da der Kauf eines Elektrofahrzeugs mehr kostet als der Kauf eines konventionellen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor (ICE), begann die Regierung 2009, großzügige Subventionen für den Kauf von Elektrofahrzeugen bereitzustellen. Der Preisunterschied und die Anzahl der Käufer waren jedoch beide groß, so dass die Bezahlung der Subventionen für die Regierung äußerst kostspielig wurde.

Infolgedessen planten Chinas politische Entscheidungsträger, die Subventionen Ende 2020 auslaufen zu lassen und stattdessen den Automobilherstellern ein Mandat aufzuerlegen. Einfach ausgedrückt, verlangt das Mandat, dass ein bestimmter Prozentsatz aller Fahrzeuge, die jedes Jahr von einem Hersteller verkauft werden, batteriebetrieben sein muss. Um finanzielle Sanktionen zu vermeiden, müssen Hersteller jedes Jahr eine festgelegte Anzahl von Punkten verdienen, die für jeden produzierten Elektrofahrzeug nach einer komplexen Formel vergeben werden, die Reichweite, Energieeffizienz, Leistung und mehr berücksichtigt. Die Anforderungen werden mit der Zeit immer strenger, mit dem Ziel, dass Elektrofahrzeuge bis 2030 40 Prozent aller Autoverkäufe ausmachen.

Laut William H. Green, Professor für Chemieingenieurwesen bei Hoyt C. Hottel, wird dieser Schritt einen enormen Einfluss auf die weltweite Herstellung von Elektrofahrzeugen haben. “Dies ist eines der stärksten Mandate für Elektroautos weltweit und wird dem größten Automarkt der Welt auferlegt”, sagt er. “Die Herstellung von Elektrofahrzeugen und die Herstellung von Batterien für diese Fahrzeuge werden gigantisch zunehmen, was die Kosten für beide weltweit senkt.”

Aber wie wird sich das Mandat in China auswirken? Der Übergang zu Elektrofahrzeugen wird viele ökologische und andere Vorteile bringen. Aber wie viel wird es die Nation kosten? 2016 beschlossen die Kollegen des MIT für Chemieingenieurwesen Green und die damalige Doktorandin I-Yun Lisa Hsieh PhD ’20, dies herauszufinden. Ihr Ziel war es, die gemischten Auswirkungen des Mandats auf alle betroffenen Faktoren zu untersuchen: Batteriepreise, Herstellungskosten, Fahrzeugpreise und -verkäufe sowie die Kosten für den Verbraucher, ein Auto zu besitzen und zu betreiben. Basierend auf ihren Ergebnissen könnten sie die gesamten gesellschaftlichen Kosten für die Einhaltung des Mandats im kommenden Jahrzehnt schätzen. (Beachten Sie, dass die chinesische Regierung aufgrund der Covid-19-Pandemie kürzlich die Subventionsunterstützung für Elektrofahrzeuge um zwei Jahre verlängert hat und dass diese Analyse durchgeführt wurde, bevor diese Änderung angekündigt wurde.)

Batteriepreise betrachten

“Der Hauptgrund, warum Elektrofahrzeuge teuer sind, ist, dass ihre Batterien teuer sind”, sagt Green. In den letzten Jahren sind die Batteriepreise vor allem aufgrund des „Lerneffekts“ rapide gesunken: Mit zunehmendem Produktionsvolumen finden Hersteller Wege, die Effizienz zu verbessern, und die Kosten sinken. Es wird allgemein angenommen, dass die Batteriepreise weiter sinken werden, da Elektrofahrzeuge mehr vom Automarkt übernehmen.

Mithilfe eines neuen Modellierungsansatzes stellten Green und Hsieh fest, dass Lerneffekte die Kosten für die Batterieproduktion erheblich senken, für den Abbau und die Synthese kritischer Batteriematerialien jedoch nicht wesentlich. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Preis für die am weitesten verbreitete EV-Batterietechnologie – die Lithium-Ionen-Nickel-Mangan-Kobalt-Batterie – tatsächlich sinken wird, wenn mehr hergestellt werden. Der Rückgang wird sich jedoch verlangsamen, wenn sich der Preis den Kosten der darin enthaltenen Rohstoffe nähert.

Aus den resultierenden Schätzungen des Batteriepreises berechneten die Forscher die zusätzlichen Kosten für die Herstellung eines Elektrofahrzeugs im Laufe der Zeit und ermittelten – unter der Annahme eines Standardaufschlags für den Gewinn – den wahrscheinlichen Verkaufspreis für diese Autos. In früheren Arbeiten hatten sie verschiedene Datenquellen und Analysetechniken verwendet, um die „Erschwinglichkeit“ für die chinesische Bevölkerung zu bestimmen – mit anderen Worten, den Bruchteil ihres Einkommens, der für den Kauf eines Autos zur Verfügung steht. Basierend auf diesen Erkenntnissen untersuchten sie die erwarteten Auswirkungen auf den Autoverkauf in China zwischen 2018 und 2030.

Als Vergleichsbasis gingen die Forscher zunächst von einem „kontrafaktischen“ (nicht naturgetreuen) Szenario aus – Autoverkäufe ohne signifikante Einführung von Elektrofahrzeugen, also ohne das neue Mandat. Unter dieser Annahme steigen die prognostizierten jährlichen Autoverkäufe bis 2030 auf über 34 Millionen.

Wenn die Subvention für EV-Käufe gestrichen wird und das Mandat im Jahr 2020 in Kraft tritt, schrumpfen die gesamten Autoverkäufe. Danach erhöhen die wachsende Wirtschaft und die steigenden Einkommen die Kaufkraft der Verbraucher und erhöhen die Nachfrage nach privatem Autobesitz. Der Jahresumsatz ist im Durchschnitt um 20 Prozent niedriger als im kontrafaktischen Szenario, soll aber bis 2030 etwa 30 Millionen erreichen.

Die Forscher prognostizierten auch die Umsatzverteilung zwischen ICE-Fahrzeugen und Batterie-Elektrofahrzeugen zu drei Zeitpunkten. Nach dieser Analyse machen Elektrofahrzeuge im Jahr 2020 nur 7 Prozent der Gesamtzahl aus (1,6 Millionen Fahrzeuge). Bis 2025 beträgt dieser Anteil bis zu 21 Prozent (5,4 Millionen). Bis 2030 sind es bis zu 37 Prozent (11,2 Millionen) – nahe am 40-Prozent-Ziel der Regierung. Insgesamt werden zwischen 2020 und 2030 66 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft.

Diese Ergebnisse verfolgen auch die Aufteilung zwischen zwei Arten von Plug-in-Elektrofahrzeugen: reine Batterie-Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge (die sowohl mit Batterien als auch mit Benzin betrieben werden). Etwa doppelt so viele reine Batterie-Elektrofahrzeuge werden verkauft als Hybrid-Elektrofahrzeuge, obwohl erstere aufgrund der höheren Kosten ihrer Batterien teurer sind. „Das Mandat beinhaltet eine besondere Präferenz für Autos mit größerer Reichweite, dh Autos mit großen Batterien“, sagt Green. “Die Automobilhersteller haben also einen großen Anreiz, die reinen Batterie-Elektrofahrzeuge herzustellen und im Rahmen der Mandatsformel zusätzliche Punkte zu erhalten.”

Für den Verbraucher umfassen die zusätzlichen Kosten für den Besitz eines Elektrofahrzeugs alle Unterschiede in den Fahrzeugkosten über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. Um diesen Unterschied zu berechnen, quantifizierten die Forscher die „Gesamtbetriebskosten“ (TCO), einschließlich der Anschaffungskosten, Kraftstoffkosten sowie Betriebs- und Wartungskosten (einschließlich Versicherung) ihrer beiden Plug-in-Elektrofahrzeuge und eines ICE-Fahrzeugs bis 2030 .

Ihre Ergebnisse zeigen, dass der Besitz einer der beiden Arten von Plug-in-Elektrofahrzeugen vor 2020 aufgrund der für den Kauf von Elektrofahrzeugen gezahlten Subvention weniger kostspielig ist als der Besitz eines ICE-Fahrzeugs. Nachdem die Subvention gestrichen und das Mandat im Jahr 2020 auferlegt wurde, ist der Besitz eines Hybrid-Elektrofahrzeugs mit dem Besitz eines ICE-Fahrzeugs vergleichbar. Der Besitz eines reinen Batterie-Elektrofahrzeugs ist aufgrund seiner teuren Batterien teurer. Durch sinkende Batteriepreise werden die Gesamtbetriebskosten für beide Arten von Elektrofahrzeugen gesenkt, aber die reine Batterie-Elektrofahrzeuge bleiben bis 2030 teurer.

Kosten für die Gesellschaft

Der nächste Schritt für die Forscher bestand darin, die Gesamtkosten für China zu berechnen, die durch die Einführung von Elektrofahrzeugen entstehen. Der grundlegende Ansatz ist unkompliziert: Sie berechnen die zusätzlichen Gesamtbetriebskosten für jeden in jedem Jahr verkauften Elektrofahrzeug, reduzieren diese Kosten auf den Barwert und multiplizieren die resultierende Zahl mit der Anzahl der in diesem Jahr verkauften Autos. (Sie schließen Steuern aus, die in den Kaufpreisen des Fahrzeugs, von Strom und Benzin usw. enthalten sind, da die Gesellschaft andere Steuern zahlen muss, um diese entgangenen Einnahmen zu ersetzen.)

Mit dieser Methode berechneten sie die zusätzlichen Kosten für die Gesellschaft jedes in jedem Jahr verkauften Elektrofahrzeugs sowie die zusätzlichen Kosten pro gefahrenem Kilometer, vorausgesetzt, das Fahrzeug hat eine Lebensdauer von 12 Jahren und wird jedes Jahr 12.500 Kilometer gefahren. Die Ergebnisse zeigen, dass die zusätzlichen Kosten für den Besitz und das Fahren eines Elektrofahrzeugs von 2021 bis 2030 sinken. Die Kosten sinken bei reinen Batterie-Elektrofahrzeugen stärker als bei Hybrid-Elektrofahrzeugen, die ersteren bleiben jedoch teurer.

Durch die Kombination der Kosten pro Auto für die Gesellschaft mit der Anzahl der verkauften Autos berechneten die Forscher die zusätzlichen Gesamtkosten. In ihren Ergebnissen gleicht die Gesamtzahl der in einem Jahr verkauften Elektrofahrzeuge einen Rückgang der Fahrzeugkosten mehr als aus, sodass die zusätzlichen Kosten für die Gesellschaft steigen. Und diese Kosten sind beträchtlich. Im Durchschnitt wird der durch das Mandat erzwungene Übergang zu Elektrofahrzeugen von 2021 bis 2030 100 Milliarden Yuan pro Jahr kosten, was etwa 2 Prozent der landesweiten Ausgaben im Verkehrssektor pro Jahr entspricht.

In den zehn Jahren von 2021 bis 2030 entsprechen die jährlichen gesellschaftlichen Kosten des Übergangs zu fast 40 Prozent Elektrofahrzeugen etwa 0,1 Prozent des wachsenden chinesischen Bruttoinlandsprodukts. „Die Kosten für die Gesellschaft, den Verkauf von Elektrofahrzeugen anstelle von ICE-Fahrzeugen zu erzwingen, sind daher erheblich“, sagt Hsieh. “Die Leute werden viel weniger Geld in der Tasche haben, um es für andere Einkäufe auszugeben.”

Andere Überlegungen

Green und Hsieh betonen, dass die hohen gesellschaftlichen Kosten der erzwungenen Einführung von Elektrofahrzeugen im Lichte der potenziellen Vorteile berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise wird durch die Umstellung von ICE-Fahrzeugen auf Elektrofahrzeuge die Luftverschmutzung und die damit verbundenen Gesundheitskosten gesenkt. Reduzierung der Kohlendioxidemissionen zur Eindämmung des Klimawandels; Verringerung der Abhängigkeit von importiertem Erdöl, Verbesserung der nationalen Energiesicherheit und Zahlungsbilanz des Landes.

Hsieh arbeitet nun daran, diese Vorteile zu quantifizieren, damit das Team eine ordnungsgemäße Kosten-Nutzen-Analyse des Übergangs Chinas zu Elektrofahrzeugen durchführen kann. Ihre ersten Ergebnisse legen nahe, dass die monetisierten Vorteile – wie auch die Kosten – erheblich sind. “Der Nutzen scheint in der Größenordnung der Kosten zu liegen”, sagt sie. “Es ist so nah, dass wir vorsichtig sein müssen, um die richtigen Zahlen zu finden.”

Die Forscher führen zwei weitere Faktoren an, die sich auf die Kostenseite der Gleichung auswirken können. Anfang 2018 begannen sechs chinesische Megastädte mit hoher Luftverschmutzung, die Anzahl der für ICE-Fahrzeuge ausgestellten Kennzeichen zu beschränken und hohe Gebühren für diese zu erheben. Mit ihren kostengünstigeren, häufiger vorkommenden „grünen Autokennzeichen“ wurden Elektrofahrzeuge kostengünstiger und die Verkäufe stiegen. Um die chinesischen Autohersteller zu schützen, hat die nationale Regierung kürzlich angekündigt, diese Beschränkungen zu beenden. Das Ergebnis und seine Auswirkungen auf den Verkauf von Elektrofahrzeugen bleiben ungewiss. (Aufgrund der Pandemie wurden die Richtlinien zur Einschränkung des Autobesitzes vorerst größtenteils gelockert.)

Die zweite Einschränkung betrifft die Preisgestaltung der Fahrzeuge durch die Automobilhersteller. Die hier gemeldeten Ergebnisse gehen davon aus, dass die Preise so berechnet werden, wie sie heute sind: die Herstellungskosten des Fahrzeugs zuzüglich eines bestimmten prozentualen Gewinnaufschlags. Mit dem neuen Mandat müssen die Autohersteller ihre Preisstrategie ändern, um genügend Käufer davon zu überzeugen, Elektrofahrzeuge zu kaufen, um den erforderlichen Anteil zu erreichen. “Wir wissen nicht, was sie tun werden, aber eine Möglichkeit ist, dass sie den Preis für ihre Batterieautos senken und den Preis für ihre Benzinautos erhöhen”, sagt Green. “Auf diese Weise können sie immer noch ihre Gewinne erzielen, während sie im Rahmen des Gesetzes arbeiten.” Als Beispiel führt er an, wie US-Autohersteller auf die Standards des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs von Unternehmen reagierten, indem sie die relativen Preise ihrer Fahrzeuge mit niedrigem und hohem Wirkungsgrad anpassten.

Eine solche Änderung der Preisstrategie der chinesischen Autohersteller würde zwar den Preis für Elektrofahrzeuge senken, aber auch die durchschnittlichen Autopreise insgesamt in die Höhe treiben, da der gesamte Autoverkaufsmix von ICE-Fahrzeugen dominiert wird. “Einige Menschen in China, die sich sonst ein billiges Benzinauto leisten könnten, können es sich jetzt nicht leisten”, sagt Hsieh. “Sie werden aus dem Markt herausgepreist.”

Green betont die Auswirkungen des Mandats auf alle Automobilhersteller weltweit. “Ich kann nicht übertreiben, wie wichtig das ist”, sagt er. “Als das Mandat herauskam, stellten die Autohersteller fest, dass Elektrofahrzeuge eher ein wichtiger Markt als ein Nischenmarkt geworden waren.” Und er glaubt, dass die zusätzlichen Kosten für den Kauf eines Elektrofahrzeugs auch ohne Subventionen für viele Autokäufer nicht unerschwinglich sind – insbesondere angesichts der Vorteile, die sie bieten.

Er hat jedoch ein letztes Anliegen. Da immer mehr Elektrofahrzeuge hergestellt werden, wird die weltweite Versorgung mit kritischen Batteriematerialien zunehmend eingeschränkt. Gleichzeitig wird jedoch das Angebot an verbrauchten Batterien zunehmen, was die Möglichkeit bietet, kritische Materialien für die Verwendung in neuen Batterien zu recyceln und gleichzeitig zu verhindern, dass Umweltbedrohungen entsorgt werden. Die Forscher empfehlen den politischen Entscheidungsträgern, “die gesamte Industriekette zwischen Autoherstellern, Batterieherstellern, Gebrauchtwagenhändlern und Schrottunternehmen in Batterierecyclingsysteme zu integrieren, um eine nachhaltigere Gesellschaft zu erreichen”.

Diese Forschung wurde durch die Studie Mobility of the Future der MIT Energy Initiative unterstützt.

Dieser Artikel erscheint in der Herbstausgabe 2020 von Energy Futures, dem Magazin der MIT Energy Initiative.

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