Total Cost of Ownership w projektach wodorowych heavy duty

Wodoromobilność to pojęcie, które dopiero przebija się do naszego języka. Coraz więcej sygnałów wskazuje jednak na to, że w ciągu najbliższej dekady to właśnie wodór będzie paliwem, które ostatecznie zmieni oblicze bezemisyjnej komunikacji. Porównajmy więc ekonomiczną wydajność pojazdów heavy duty (autobusy, ciężarówki, itp.) z ogniwami paliwowymi pod kątem najważniejszego wskaźnika biznesowego, czyli TCO (całkowitych kosztów posiadania). Spojrzenie pozwoli na analizę FCEV (pojazd wodorowy – fuel cell electric vehicles) w porównaniu do BEV (pojazd elektryczny – battery electric vehicles) i pojazdów z silnikami spalinowymi.

Taka analiza uwzględnia łączne koszty zakupu komponentów pojazdu, czyli tzw. BOM (Bill Of Materials), koszty operacyjne jego użytkowania, takie jak paliwo, konserwację, oraz – co jest niezwykle ważne – infrastrukturę niezbędną do tego, żeby pojazd mógł się poruszać.

Celem analizy TCO jest zrozumienie, które komponenty generują obecne i przyszłe koszty, zarówno z perspektywy budowy pojazdu, jak i jego działania.

Kluczowe elementy analizy

W analizie TCO należy przyjąć odpowiednią marżę brutto z perspektywy OEM (producenta) oraz uwzględnić uzysk z powodu osiągania ekonomii skali. Wynika to z faktu, że producenci mogą na początkowym etapie zaakceptować straty wynikające z wprowadzenia do floty np. pojazdów wodorowych, mając świadomość, że strata ta zostanie odbudowana w efekcie uzyskania efektów skali i zajęcia znaczącej pozycji rynkowej.

Ponieważ pojazdy składają się z tysięcy różnych komponentów, dość trudno jest określić, które z nich są identyczne z uwzględnionymi w nowych rozwiązaniach, a które są tylko „podobne”, ale wymagają modyfikacji. Przy analizie TCO podział komponentów na te grupy ma duże znaczenie, albowiem musimy założyć, na których komponentach systemów napędowych FCEV będziemy osiągać ekonomię skali w ciągu lat, czyli innymi słowy będą one rezerwuarem marży w przyszłości.

W modelach TCO koszty są z reguły rozłożone na wydatki związane z zakupem oraz koszty operacyjne. W kosztach zakupu pojazdów FCEV i BEV uwzględnia się: oczekiwaną lub rynkową marżę brutto, moduł energetyczny i wodorowy oraz inne elementy pojazdu. W przypadku kosztów operacyjnych natomiast uwzględnia się koszty paliwa, koszty i wydatki na stacje ładowania, koszty konserwacji, wymiany części oraz koszty ubezpieczenia.

W przypadku wodoru nakłady na stacje ładowania obejmują koszty infrastruktury, które zakładam, że przynajmniej w początkowym okresie ponosi jednak operator pojazdu (co może zaburzać model, gdy wydatki te pokryte zostaną ze środków publicznych). Podobnie przyjmuję, że pojazdy BEV wymagają dedykowanych ładowarek w trakcie eksploatacji.

Efektywność FCEV

Gdy spojrzymy na efektywność z perspektywy TCO opartej na powyższych założeniach, nie jest zaskakujące, że FCEV są na dziś droższe w porównaniu do BEV i pojazdów z silnikiem spalinowym (ICE). W przeliczeniu na $$$ na 100 km TCO FCEV tworzy proporcję 1 do 2/3 w porównaniu do BEV, podczas gdy w porównaniu do ICE – odpowiednio 1 do 1/2.

Dziś największe różnice kosztowe wynikają z modułu energetycznego. Obecny system ogniw paliwowych wciąż jest drogi i stanowi około 3/4 kosztów modułu energetycznego i około 1/7 całkowitych kosztów pojazdu z ogniwem paliwowym. Poza systemem ogniw paliwowych zbiorniki na wodór stanowią około 15% kosztów modułu energetycznego. Te dwa komponenty łącznie konsumują większość nadmiarowych kosztów w porównaniu do pozostałych dwóch typów pojazdów.

Poza modułem energetycznym koszty komponentów dla FCEV i BEV również odgrywają istotną rolę w ich ogólnej cenie. Jednak, jak można się spodziewać, koszt komponentów jest mniejszy dla BEV ze względu na ich wcześniejszą komercjalizację i zbliżenie do masowego rynku. Konsensus branżowy wśród ekspertów wskazuje, że FCEV mogą osiągnąć pełną skalę ekonomii w ciągu najbliższych kilku lat, co w modelu TCO pozwoliłoby na redukcję nadmiarowej marży na komponentach. Warto pamiętać, że podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii koszty komponentów zaczynają szybko maleć osiągając korzyści skali.

Koszt paliwa stanowi największą część kosztów operacyjnych pojazdów z ogniwami paliwowymi z powodu wysokich cen wodoru, podczas gdy pojazdy z napędem elektrycznym są tańsze w eksploatacji z powodu relatywnie niższych kosztów energii elektrycznej.

W porównaniu do pojazdów z silnikami spalinowymi pojazdy elektryczne wymagają mniej kosztownych napraw, ponieważ ich silnik elektryczny ma prostsze mechanizmy. Jednak koszty wymiany ogniw paliwowych i baterii w pojazdach FCEV i BEV powodują dodatkowe obciążenia dla operatora. Jest to spowodowane dość krótką żywotnością systemu z ogniwami paliwowymi, która obecnie wynosi około 25 000 do 30 000 godzin, a w przypadku baterii elektrycznych od 5 do 10–12 lat.

Także w tym przypadku magia ekonomii skali działa, więc jak można się spodziewać, koszty wymiany ogniw najprawdopodobniej spadną w miarę dojrzewania i rozwoju technologii.

Kolejnym ważnym elementem kosztów operacyjnych ujmowanych w analizie TCO są koszty budowy infrastruktury dla pojazdów z ogniwami paliwowymi i elektrycznymi. Dla przykładu, stacja tankowania wodoru dla floty to wydatek rzędu kilku milionów dolarów. Mimo że nie możemy założyć w modelu TCO, iż koszty te zostaną pokryte źródłami zewnętrznymi, definiując wnioski z analizy, powinniśmy pamiętać, że wydatki na infrastrukturę wodorową są przewidziane w budżetach publicznych, np. w UE. Podobnie infrastruktura dla pojazdów z napędem elektrycznym wymaga dużych inwestycji, w tym wydatków na dużą skalę wymagają modyfikacje sieci i podstacji elektroenergetycznych.

Kolejnym aspektem – często w prognozach TCO pomijanym – są wyzwania, jakie staną w niedalekiej przyszłości przed użytkownikami pojazdów z silnikami spalinowymi. Niewątpliwie regulacje obniżą relatywną atrakcyjność i efektywność tych napędów, ale nie mając konkretnych rozwiązań, nie uwzględniam ich w analizie TCO.

Analizę oparłem na podejściu, że koszty eksploatacyjne silników spalinowych pozostaną stosunkowo stabilne w ciągu najbliższych 10 lat. (Przy formułowaniu wniosków powinniśmy pamiętać, że jurysdykcje na całym świecie wywierają presję na korzystanie z pojazdów z silnikami spalinowymi).

Podsumowanie

W teoretycznym modelu TCO – według założeń opisanych powyżej – pojazd z wodorowym ogniwem paliwowym FCEV powinien osiągnąć próg rentowności w drugiej połowie obecnej dekady, zarówno w stosunku do pojazdów z silnikami spalinowymi (ICEV), jak i w odniesieniu do pojazdów elektrycznych z systemami bateryjnymi (BEV).

Mając na uwadze uzyski na obniżaniu kosztów komponentów, wynikające z ekonomii skali, obserwowane historycznie na innych segmentach rynku automotive, szacuję, że koszt całkowity TCO pojazdu FCEV może spaść o prawie 50% w ciągu najbliższych 10 lat.

Spadki kosztów w wymiarze TCO w ciągu najbliższych lat wynikać będą ze zmniejszenia ceny praktycznie każdego z elementów składowych kosztów, w tym w szczególności przyjmuję w analizie głębsze spadki cen związanych z:

• optymalizacją ceny systemu ogniwa paliwowego,
• optymalizacją kosztu zastąpienia ogniwa FC poprzez wydłużenie żywotności ogniw paliwowych,
• optymalizacją wymagań technologicznych systemów FC,
• spadkiem udziału w TCO jednostkowego kosztu infrastruktury,
• optymalizacją BOM (czyli kosztów wszystkich komponentów) poprzez spadek ich cen w efekcie uzyskania korzyści skali.

Obecnie cykl życia systemu ogniwa paliwowego na rynku automotive oscyluje wokół 25 000 godzin, w zasięgu są już rozwiązania z żywotnością przekraczającą 30 000 h, natomiast w horyzoncie kilku lat lifetime ogniw paliwowych powinien osiągać nawet 80 000 h.

Nad takim rozwiązaniem pracujemy w Impact Clean Power Technology – liderem na rynku tradycyjnych systemów bateryjnych dla sektora transportowego. Wspólnie z partnerami: Toshibą oraz ITOCHU wdrażamy wodorowe ogniwo paliwowe nowej generacji z żywotnością sięgającą 80 000 h, służące do produkcji energii i ciepła, dedykowane użytkownikom zarówno z domeny publicznej, jak też prywatnej – podkreśla Artur Jagusiewicz, Chief Technology Officer firmy.

Mając na uwadze powyższe, koszty utrzymania i wymiany ogniw wodorowych pojazdów będą spadać, obniżając TCO pojazdów FCEB.

Koszty paliwa wodorowego i infrastruktury to dwa znaczące elementy modelu kosztów operacyjnych, stanowiące ponad 50% kosztów operacyjnych.

W chwili obecnej koszty wodoru są znacznie wyższe niż koszty diesla lub benzyny używanych przez konwencjonalne pojazdy z silnikiem spalinowym oraz koszty energii elektrycznej używanej przez elektryczne autobusy.

Dzięki rozwojowi technologii przechowywania i transportu H2, osiągnięciu ekonomii skali w wyniku masowego zastosowania, a także dzięki zaangażowaniu UE w stabilizację cen wodoru na akceptowalnym gospodarczo poziomie cena paliwa wodorowego powinna istotnie spaść w horyzoncie do 2030 r.

Reasumując – na mapie transformacji wodorowej widzimy już projekty, które powinny doprowadzić do znaczących spadków kosztów komponentów, infrastruktury, jak też kosztu samego paliwa – zielonego wodoru. Można zatem oczekiwać, że w horyzoncie najbliższych 5 lat aplikacje wodorowe w pojazdach ciężkich, np. autobusowych, powinny uzyskać próg rentowności w porównaniu do pojazdów elektrycznych i spalinowych.

Autor:
Krzysztof Dresler
Dyrektor Projektów Wodorowych ICPT
Przewodniczący Komitetu Wodorowego PSPA

artykuł sponsorowany