Märka: processer
Elstål – Ännu en tillfällig brist i leveranskedjan eller ett hot mot OEMs elektrifieringsplaner?
Medan stora stålproducenter investerar miljoner för att öka produktionskapaciteten för elstål, kan den snabba tillväxten av hybrid- och elfordonssegmentet potentiellt få materialefterfrågan att överträffa utbudet från 2025.
När bilindustrin kämpar mot halvledarbristen, som har hindrat produktionen av 9.3 miljoner enheter hittills, väcker den snabba ökningen av tillväxten av försäljningen av elbilar frågor om den framtida tillgängligheten av tillräckligt med elektriskt stål som behövs för att producera elmotorer för att uppfylla de elektrifieringsmål som satts upp. av tillsynsmyndigheter och OEM-företag runt om i världen.
Flera stora stålproducenter har aviserat investeringar i ny xEV-stålkapacitet under de kommande tre till fem åren, men kommer detta att vara tillräckligt för att möta de specifika kvalitets- och regionala kraven på xEV-marknaden?
Vad är elektriskt stål? Varför spelar det någon roll för bilindustrin?
Elstål, eller kiselstål, är en järn-kisellegering som har överlägsna magnetiska egenskaper jämfört med andra typer av stållegeringar, vilket gör den optimerad för en mängd olika elektriska maskiner, allt från kraft- och distributionstransformatorer till elmotorer.
Medan elstål beräknas av IHS Markit stå för endast 1 % av den globala stålmarknaden på 2 miljarder ton 2020, betraktas dess utbud som en allt mer kritisk input till OEM-tillverkares elektrifieringsplaner såväl som olika energiomställningsinitiativ. En viktig biltillämpning av elstål i bilindustrin är elmotorer. Dessa system omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi genom att aktivera kopparlindningar i en stator, vilket skapar ett magnetfält som sedan får rotorn att snurra.
Marknaden för kommersiellt elstål är uppdelad i två huvudkategorier: marknaden för spannmålsorienterat elstål (GOES) och marknaden för icke-orienterat elstål (NOES).
Denna distinktion är grundläggande för att förstå vilken typ av elektriskt stål som bilindustrin har en exponering och vilka begränsningsstrategier som kan krävas. GOES används i statiska maskiner som transformatorer, som kräver enkelriktad magnetisering, medan NOES används i roterande maskiner som motorer och generatorer, som kräver multiriktad magnetisering.
Ansökningarna för NOES är omfattande och inkluderar hushållsapparater (tvättmaskiner, diskmaskiner, etc.), värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC) (inklusive hushållskylning), bilapplikationer, små, medelstora och stora industrimotorer, kraftgeneratorer, pumpar etc. På grund av den avsevärt högre volymen av efterfrågan på roterande maskiner översteg den globala NOES-produktionen 2019 avsevärt kvantiteten kornorienterade elektroplåtar som producerades det året.
Biltillverkare har en direkt exponering för NOES, men de är indirekt också exponerade för GOES.
- NOES är en direkt materialinsats som används vid tillverkning av elmotorer för både hybrid- och elfordon, såväl som i många lågeffektmotortillämpningar, allt från högeffektiva motorer som de som används i elektrisk servostyrning, olje- och bränslepumpar till korta motorer. tidsstyrda motorer som de som används för komfort och bekvämlighet som elektrisk stolsjustering eller soltak. Cirka 35 till 45 lågeffektsmotorer monteras i genomsnitt per bil, varav cirka 20 i B-segmentet och 80 i E-segmentet (med vissa ytterligheter som Mercedes S-klassen som har fler än 100 motorer).
- Den kritiska skillnaden mellan de olika motortyperna ligger i den NOES-kvalitet som används. Som referens använder mildhybridmotorer mindre än 10 USD av högkvalitativ NOES, medan batteridrivna fordon kommer att använda någonstans mellan 60 USD och 150 USD per motor av en förlängning av högkvalitativ NOES, kallad xEV-klass, vilket i vissa konfigurationer kan representerar till och med mer än USD300 NOES-innehåll per fordon, till exempel när de har individuella dragmotorer på fram- och bakaxeln för att oberoende driva de fyra hjulen, som i Rivian R1T. Denna xEV-klass är där problem med kapacitetsbegränsningar dyker upp.
Även om den här artikeln kommer att fokusera på specifika problem kring NOES av xEV-grad, bör det noteras att GOES är avgörande för att stödja utbyggnaden av välbehövlig laddningsinfrastruktur för elbilar. OEM-tillverkare har därför en indirekt exponering för detta undersegment av elstål, vilket innebär att det är avgörande för fordonsindustrin att förstå och hantera sin exponering för båda kategorierna av stållegeringar. Många stålverk använder också gemensam produktionsutrustning för GOES och NOES. Detta förvärrar risken ytterligare på grund av den ökade svårigheten att förstå strategier för tilldelning av producentkapacitet.
Finns det en överhängande brist på xEV NOES för bilsektorn? Varför?
NOES-kapaciteten har varit tillräcklig för att tillgodose behoven hos de olika industrisektorerna under de senaste åren, men en ökad efterfrågan från fordonssektorn, i synnerhet med OEM-tillverkares acceleration i sin elektrifieringsinsats, kommer sannolikt att resultera i ett betydande tryck för ståltillverkare att tjäna både fordonssektorn och de andra sektorerna som använder denna stållegering från 2023 och framåt.
Medan vi 2022, med viss oro och antar att inga andra störningar uppströms och nedströms, förväntar oss att OEM:s beställningar kommer att uppfyllas. Vi förutser ett strukturellt kapacitetsunderskott för att tillgodose fordonssektorns krav, vilket kommer att kräva betydande kapitalinvesteringar under de kommande åren.
Av de över 11 miljoner ton NOES som producerades 2020 stod NOES av xEV-kvalitet för totalt 456,000 XNUMX ton, men vad gäller fordonssektorn är detta den absolut mest kritiska.
Det finns olika anledningar till att en kapacitetskris för NOES av xEV-grad kan uppstå.
- Det finns begränsat utrymme för nya deltagare: Endast 14 företag kan för närvarande tillverka NOES av xEV-grad som uppfyller globala OEM-krav. Fler tillverkare kan besluta sig för att gå in i denna sektor i framtiden, men det finns stora inträdeshinder orsakade av kapitalutgifter i samband med kallvalsning, glödgning och beläggningsutrustning, tillverkningskunnande, OEM-leverantörsrelationer och patentskydd. OEM-tillverkare kan nu köpa högkvalitativa NOES från ett ökat (om än fortfarande begränsat) antal högvolymsleverantörer av elstål.
- Koncentrerad tillverkningsfotavtryck: Cirka 88 % av tillverkningen är koncentrerad till Stor-Kina, Japan och Sydkorea och exporteras sedan till andra regioner, vanligtvis i form av stålspolar. Utbudet är extremt begränsat i Nordamerika. Det finns bara fem fabriker globalt som har ett brett produktutbud som på ett meningsfullt sätt täcker hela spektrumet av produkter och endast en av dem är belägen utanför Asien.
- Utrymmet att byta material eller stålleverantör är begränsat: På grund av korrelationen mellan effektiviteten hos en motor och en elbils arbetsområde kan skillnader i härdförlust (ett kritiskt mått på den ingående elektriska energi som slösas bort som värme under magnetisering) mellan konkurrerande NOES-produktleverantörer ha betydande inverkan på OEM-köpbeslut, särskilt för OEM-tillverkare som köper elektriska stållaminat i stora volymer.
Även om OEM-tillverkare och tillverkare av drag-1-traktionsmotorer kan ha flera fabriker på sin godkända inköpslista, har de flesta program bara ett PPAP-godkänt stålverk. Materialegenskaper är också en fråga om tvister mellan leverantörer.
Till exempel, i oktober 2021 stämde Nippon Steel Toyota och Baoshan Iron and Steel (Baosteel), ett dotterbolag till den statligt drivna China Baowu Steel Group, som är den största ståltillverkaren i världen. Nippon Steel hävdar att stålet som levererats av Baowu till Toyota för dess hybridmotorkärnor bryter mot dess patent på sammansättning, tjocklek, kristallkornsdiameter och magnetiska egenskaper. - Nedströmsprocesser möter också flaskhalsar: Bortsett från det begränsade antalet ståltillverkare som kan producera xEV NOES, kan flaskhalsar uppstå över hela nedströms motorförsörjningskedjan. Det finns inte bara 20 stämplar för motorkärnlaminering som kan tillgodose OEMs behov, utan det finns också bara fem företag som kan tillverka dessa unika stämplingspressar och färre än 10 oberoende verktygsbutiker med kompetensen att tillverka de unika stämplingsformarna som kan stödja toppmoderna motorkonstruktioner.
Ledtiderna för vissa delar av nyckelproduktionsutrustning har fördubblats under de senaste fyra åren. Dessutom är inte bara många av dessa företag små, familjeägda företag som har kapitalbegränsningar som begränsar deras förmåga att skala, en stor del av dessa har inte traditionellt deltagit på ett betydande sätt i fordonsindustrin.
Hur mycket NOES av xEV-grad behöver OEM-tillverkare på medellång sikt? Hur stor är bristen?
Den globala bruttoefterfrågan på NOES av xEV-kvalitet som krävs för tillverkning av dragmotorer i lätta hybridfordon och elektriska fordon förväntas växa från 320,000 2020 ton efterfrågat 2.5 till drygt 2027 miljoner ton år 4.0 och över 2033 miljoner ton år XNUMX.
Baserat på kapacitetsdata från Metals Technology Consulting framträder en betydande oro kring kapacitetsbegränsningar 2023. Det är högst osannolikt att bruken kan stödja efterfrågan på marknaden från 2025 och framåt utan betydande ytterligare investeringar. Men att utöka kapaciteten 2025 kräver att bruken fattar beslut omedelbart. Situationen ser ännu svårare ut när man tar hänsyn till att de flesta NOES-bruk av xEV-kvalitet endast kan upprätthålla 90 % kapacitetsutnyttjande över längre tidsperioder.
På grund av den exponentiella tillväxten av elektrifierade fordon under de kommande åren kvarstår en risk för att utbudet av elstål inte kommer att möta efterfrågan mellan 2023 och 2025. Trots beräknade kapacitetsökningar kommer en strukturell brist på 61,000 2026 ton sannolikt att inträffa 357,000. Utan ytterligare större investeringar kan denna brist öka dramatiskt till 2027 927,000 ton 2030, vilket kulminerar till en brist på XNUMX XNUMX ton år XNUMX.
Vilka OEM är mer utsatta?
Bristen förväntas särskilt påverka OEM-företag som siktar på en hög andel hybrid- och elektriska modeller som en del av deras framtida produktförsäljning. Även om tillverkare av batteridrivna elfordon (BEV), särskilt renodlade OEM-tillverkare som Tesla, är mer exponerade, finns det också en exponering för OEM-tillverkare som vill säkra sina elektrifieringssatsningar med en högre andel hybridisering i sin mix, som Toyota till exempel. Dessutom, sådana som Jaguar, Mini, Volvo, Mercedes-Benz och Alfa Romeo som avser att sälja endast plug-ins eller elbilar från 2025-30 och framåt, tillsammans med större OEM-tillverkare som Renault-Nissan-Mitsubishi och Volkswagen.
OEM-tillverkare med en stor andel av fordonsbyggen i Europa möter också allvarliga motvindar eftersom obalansen mellan utbud och efterfrågan ser ut att vara den mest uttalade i den regionen, särskilt när man tar hänsyn till utmaningarna med kostnadskonkurrenskraften till följd av tullar på importerat material.
Vilken region har den största klyftan?
Regionspecifika effekter för OEM-tillverkare kommer sannolikt att vara direkt drivna av produktionskapaciteten hos inhemska stålleverantörer och de importtullar som finns i regionen. I regioner som förväntas efterfråga betydligt högre volymer jämfört med inhemskt utbud kan importtullar kraftigt påverka driftskostnaderna för OEM-tillverkare som köper motorkärnor i höga volymer. Till exempel i USA tillämpar avsnitt 232 höga tullar, som närmar sig 200 %, på NOES importerade från sju länder utanför EU och kvotbaserade tullar på NOES importerade från EU.
Europa är den region med den största obalansen i utbudet, men hittills har Nordamerika fortfarande en stor död fläck för NOES elstålproduktion. Cleveland Cliffs (tidigare AK Steel) är den enda lokala tillverkaren av NOES. Cleveland Cliffs NOES- och GOES-tillverkning delar gemensam produktionsutrustning. Cleveland Cliffs fokuserar avsevärt mer på spannmålsorienterad stålproduktion för att möta den ökande regionala efterfrågan på elektriska transformatorer, vilket minskar den tillgängliga NOES-kapaciteten av xEV-grad.
Den amerikanska stålägda Big River Steel-fabriken i Osceola, Arkansas, USA startar NOES-produktion under tredje kvartalet 2023. Detta kommer att ge 180,000 45,000 ton NOES-kapacitet per år online, varav XNUMX XNUMX sannolikt kommer att allokeras till xEV-grade NOES.
Med tanke på de aggressiva fordonselektrifieringsmålen som fastställts av Biden-administrationens infrastrukturproposition, den tid som krävs för Big River Steel att starta xEV NOES-produktion och den ytterligare tid som krävs för att öka produktionen till full kapacitet, kommer OEM-tillverkare i regionen sannolikt att fortsätta att står inför begränsade lokala utbudsmöjligheter, vilket driver upp motorkostnaderna på kort sikt och skadar deras internationella konkurrenskraft.
Investerar ståltillverkare för att fylla den kapacitetsluckan? Kan nya spelare lösa situationen?
Stålleverantörer har aviserat investeringar på flera miljoner dollar för att öka produktionen av högkvalitativa och xEV-klassade NOES. Men även vid redovisning av dessa kommer det fortfarande att finnas ett investeringsgap. Som referens kan bristen på 650,000 2028 ton till 6 kräva cirka 12 till XNUMX nya fabriker (beroende på storlek och läge) för att tillgodose ökad efterfrågan från bilsektorn.
Att lägga till en ny anläggning tar vanligtvis cirka tre år för en befintlig aktör, med ungefär ett år för ingenjörsarbete och två år för konstruktion. För en ny spelare kan det ta allt mellan två och åtta år att producera NOES av hög kvalitet eller xEV-klassade NOES och att konstruera och bygga anläggningen, utöver de första tre åren.
Vad mer kan ståltillverkare göra för att ta itu med kapacitetsbegränsningen för bilar?
Bilsektorn är ett strategiskt tillväxtområde för ståltillverkare, särskilt för specialstållegeringar, och är generellt sett en viktig inkomstkälla. Detta kunde inte måla upp en mer annorlunda bild än vad som är uppenbart i bristen på halvledarchip. I denna potentiella brist på elstål är bilsektorn mer i förarsätet än någonsin i spånbristen. Bilsektorn skulle kunna dra nytta av den inbyggda flexibiliteten som stålverken har. De flesta kvarnar som tillverkar elstål har kallvalsdesign. Detta gör att viktiga delar av utrustningen kan delas mellan låggradiga NOES, högklassiga NOES och xEV-klassade NOES. I flera fall delar bruken också utrustning mellan NOES och GOES av xEV-grad.
Bruk konstruerades målmedvetet på ett sådant sätt för att möjliggöra kostnadseffektiv blandad produkttillverkning för att minska riskerna i produktmixförändringar. Detta resulterar i en struktur där bruken kan välja att allokera kapacitet baserat på marknadens efterfrågan per produkt, produktlönsamhet och avtalsenliga förpliktelser med kunder. Omställningar för att justera produktmixen kan dock resultera i en kapacitetsminskning på så mycket som 20 %. De xEV-NOES-kvaliteter som bilsektorn behöver är förknippade med högre vinstmarginaler.
Därför kommer ståltillverkare sannolikt att prioritera efterfrågan från bilsektorn i tilldelningen av befintliga "svingkapaciteter". Det betyder att de kommer att prioritera xEV-grad NOES framför låggradig NOES. Det finns dock en potentiell risk att filten kan vara alldeles för kort, vilket innebär att skärning av höggradiga NOES till förmån för xEV-grad NOES kan resultera i efterföljande brist på höggradiga NOES. Detta kommer sannolikt att orsaka nedströmseffekter på kostnaderna för den mängd lågeffektmotorer som används för hjälpsystem i ett fordon, såväl som andra industrisektorer.
Förutom att konvertera viss kapacitet från andra kvaliteter till xEV-grade kapacitet, kan ståltillverkare också öka produktionen genom att prioritera tillverkning av något tjockare tjockleksplåtar. Kontraintuitivt hjälper inte användningen av tunnare stålplåtar att utöka produktionskapaciteten. Tekniker som utvecklats för att förbättra magnetiska egenskaper vid paritet av tjocklek förbrukar valskapacitet, vilket är en viktig begränsning i produktionen. Som referens, 1 metriskt ton dubbel kallreducerad 0.25 mm xEV-grad NOES tar samma kapacitet som 2.5 metriska ton 0.35 mm xEV-grad NOES. Det finns dock en stor gräns för att använda tjockare plåt eftersom det kräver en smärtsam omkonstruktion av motorkärnor för att ta hänsyn till minskningen av motoreffektiviteten och den resulterande effekten på fordonets räckvidd.
Kan inte OEM eller billeverantörer tillverka motorer utan NOES?
Kort sagt, axialflödesmotorer är en design som använder GOES snarare än NOES, men den används för närvarande bara i nischsegment, särskilt högpresterande elbilar, till exempel var Ferrari LaFerrari det första fordonet med en axiell flödesmotor. Mercedes AMG kommer också att ha denna teknik från 2025.
Hur ser en begränsningsstrategi ut för OEM:er?
I princip kan NOES-bristrisken för fordonsindustrin endast lösas genom en total ökning av ståltillverkarnas NOES-produktion av xEV-grad. Emellertid kan OEM-tillverkare, ofta i samarbete med stora leverantörer av traktionsmotorer, tillämpa flera begränsningsstrategier, inklusive användning av alternativa motorkonfigurationer och material och större vertikal integration i motorförsörjningskedjan.
- Alternativa motorkonfigurationer: En bristrisk för icke-orienterat elektriskt stål kan vara en möjlighet att potentiellt aktivera innovation inom dragmotorer. Till exempel kan OEM-tillverkare och tier-1-leverantörer försöka ändra plangeometrin hos rotorerna och statorerna för att minska planerat designskrot i tillverkningsprocessen, vilket vanligtvis ligger mellan 30 % och 45 %, men i vissa konstruktioner kan det vara så högt. som 75 %.
- Större vertikal integration: OEM-tillverkare kan försöka vertikalt integrera sina motorförsörjningskedjor och samarbeta direkt med ståltillverkare för att bättre kontrollera sina insatser. OEM-tillverkare är angelägna om att minska sitt beroende av tier-1-leverantörer för elmotorer av olika skäl, inklusive möjligheten att nu dra nytta av stordriftsfördelar med högre volymer per plattform, för att behålla intern kritisk ingenjörsskicklighet och att konvertera en del av sin personalstyrka till denna nya värdekedja medan tillverkningen av förbränningsmotorer (ICE) fasas ut.
Till exempel tillkännagav General Motors (GM) nyligen en allians med GE för att skapa en regional leveranskedja för material som elektriskt stål. Genom att samarbeta med ståltillverkare kommer biltillverkarna att kontinuerligt kunna utöka driftområdet för sina fordon med optimerade NOES-kvaliteter för deras behov. - Genomtänkt materialteknik och utveckling av tryckspecifikationer: OEM-tillverkare som väljer att inte samarbeta med stålverk kan behöva tänka om hur materialspecifikationerna utvecklas. Idag är det fokus främst på att optimera motorprestanda, inte på att minska riskerna i leveranskedjan. Detta resulterar i situationer där OEM-tillverkare bara kan köpa stål från ett bruk i världen eftersom det är den enda leverantören som är kapabel.
Kan denna potentiella kapacitetsnedgång påverka OEMs elektrifieringsinsats?
Denna potentiella brist kan allvarligt påverka OEM-tillverkares elektrifieringsplaner om detta inte åtgärdas genom att lägga till mer kapacitet och investeringar i ny kapacitet. Även om åtgärder som tilldelning av "svängkapacitet" (tillverkningskapacitet som kan rymma en bredare produktmix utan större ingrepp i produktionslinjekonfiguration eller process), modifiering av motorkärndesigner för att minska materialanvändning, antagande av olika material och integrering av leveranskedjor kan lindra NOES Försörjningskedjans risker för OEM-tillverkare på kort sikt är att öka ytterligare produktionskapacitet den enda åtgärden för att komma till rätta med den strukturella obalansen mellan kapacitet och den stora efterfrågan på elstål.
FÖR ATT ÅTKOMMA DEN HELA RAPPORTEN, VÄNLIGEN PRENUMERERA PÅ AUTOTECHINSIGHTS NYHETER OCH ANALYS
AUTOTECHINSIGHT-prenumeranter kan få tillgång till HELA RAPPORTEN HÄR
Prateek Biswas, senioranalytiker, Supply Chain and Technology, IHS Markit
Senaste intelligens
