Eлектрическата стомана – тактически дефицит или стратегическа заплаха?

Как ще се справяме със структурния дисбаланс

    Когато миналата година стана дума за факторите, влияещи върху веригата на автомобилните доставки, недостигът на полупроводникови компоненти бе и ще продължава да бъде мода и през тази година.

Както обаче подобава на една индустрия с толкова сложна верига на добавената стойност във времена на критична центробежна динамика, това далеч не е единственият й проблем.

Преструктурираното под влияние на комбинация от синтетичен регулаторен натиск и приоритизиране на приходите производство доведе до забележителен ръст на електромобилното предлагане, който създава поредния снабдителен проблем – обект на много интересен анализ от IHS Markit, който днес ще резюмирам с минимум елементи на разсъждение.

–

   И така, докато големите производители на стомана инвестират милиони за увеличаване на производствения капацитет на електрическа стомана, бързият растеж в сегмента на хибридните и електрически превозни средства съдържа потенциален риск за изпреварващо материално търсене от 2025 г.

Тъй като автомобилната индустрия се бори с дефицита на полупроводници, възпрепятствал до момента производството на 9,3 милиона автомобила, бързият ръст на електромобилните продажби повдига въпроси относно бъдещата наличност на достатъчно електрическа стомана, необходима за производството на електрически двигатели с чиято помощ да се изпълнят поставените регулаторни електрификационни цели, а оттам и тези на автомобилните производители по целия свят.

Няколко големи производители на стомана обявиха инвестиции в нов капацитет за производство на електромобилна стомана от т.нар. xEV* клас през следващите три до пет години, но дали това ще бъде достатъчно да отговори на специфичните качествени и регионални пазарни xEV изисквания?

Какво е електрическа стомана и защо е важна за колите

    Електрическата, известна също и като силициева, стомана е сплав от желязо и силиций с превъзхождащи другите класове стомани магнитни свойства. Те я правят оптимална за прилагане в различни електрически машини – от силови и разпределителни трансформатори до електромотори.

И докато IHS Markit оценяват дела на електрическата стомана на символичния един процент от двата милиарда метрични тона общ стоманен пазар през 2020-а, нейното предлагане се счита за все по-критично важен компонент не само в електрификационните програми на производителите, но и в различни други инициативи за енергиен преход.

Истински важното производствено автомобилно приложение на електрическата стомана са електродвигателите. Те представляват системи за преобразуване на електрическата енергия в механична чрез захранването на медните намотки в статора, които създават магнитно поле, каращо ротора да се върти.

Търговският пазар на електрическа стомана е разделен на две основни категории: зърнесто-ориентирана електрическа стомана (с английско обозначение GOES) и неориентирана електрическа стомана (NOES). Това разграничаване е основно за разбиране на това към кой тип електрическа стомана автомобилната индустрия има експозиция и какви са смекчаващите стратегии, произтичащи от нея.

GOES се използва в статични машини, като трансформатори, изискващи еднопосочно намагнитване, докато NOES се прилага във въртящи се машини, като двигатели и генератори, които изискват многопосочно намагнитване. Приложенията на NOES са обширни и включват домакински уреди (перални, съдомиялни и т.н.), отопление, вентилация и климатизация (домашното охлаждане включително), автомобилни приложения, малки, средни и големи промишлени двигатели, генератори, помпи и други. Поради значително по-големия обем на търсене на ротационни машини, през 2019 г. световното производство на NOES, към която автомобилната индустрия има пряка експозиция, значително надхвърли GOES, експозицията към която е непряка.

Неориентираната стомана представлява материал за директно влагане, използван в производството на електромотори – както за хибриди, така и за електромобили, но има множество приложения в двигатели с ниска мощност, вариращи от такива с дълъг работен цикъл (прилагани в усилването на волана, маслените и горивни помпи) до тези с кратък, използвани за комфорт и удобство (управлението на седалките или люка на покрива). В един автомобил се монтират средно 35-45 електромотора с ниска мощност, вариращи от 20 в В сегмент до 80 в Е, като в някои крайни случаи, какъвто е Mercedes-Benz S-класа, броят им надхвърля 100.

Критичната разлика между различните типове двигатели е в използвания дял на NOES: леките хибридни двигатели например използват по-малко от 10 USD от висококачествения материал, докато батерийните електромобили го използват в порядък  60-150 USD/двигател (наричан още xEV клас). В някои конфигурации съдържанието му може да надхвърля 300 USD/автомобил, основно когато предната и задна оси, или четирите колела, имат индивидуални тягови двигатели, както е в Rivian R1T. Точно този висок xEV клас е сегментът, пораждащ капацитетните тревоги.

Независимо, че този анализ се концентрира върху конкретни опасения относно NOES от клас xEV, то не трябва да забравяме, че зърнесто-ориентираната стомана е от решаващо значение за разгръщането на критично важната електромобилна зарядна инфраструктура. По тази линя автомобилните производители са изложени непряко и към тази категория електрически стомани, което пък означава, че автомобилната индустрия трябва да разбира и управлява експозицията си и към двете.

Много стоманодобивни заводи използват общо производствено оборудване за GOES и NOES – обстоятелство, което допълнително утежнява риска заради повишената трудност при разбирането на стратегиите за разпределяне на производствения капацитет.

Пред  риск ли сме и защо

    През последните години капацитетът на NOES е достатъчен за задоволяване на нуждите в различни промишлени сектори, но повишеното търсене от автомобилния, дължащо се на ускорената му електрификация, ще доведе до значителен натиск върху стоманодобива да обслужва всички отрасли след 2023-а.

И докато през 2022 г., с известни опасения и допускания, че няма да има прекъсвания нагоре и надолу по веригата, IHS Markit очакват индустриалните поръчки да бъдат изпълнени, то те провиждат структурен капацитетен дефицит за задоволяване изискванията на автомобилния отрасъл, който ще налага значителни капиталови инвестиции през идните години.

От общо над 11-те милиона тона NOES, произведени през 2020-а, NOES от клас xEV са общо 456 000 тона, но за автомобилния сектор те са най-критичните, а причините за евентуален спад в капацитета са различни:

1. Ограниченото пространство за нови участници  

    В момента само 14 компании са в състояние да произвеждат NOES от xEV клас според глобалните стандарти на производителите. В бъдеще в този сектор могат да решат да навлязат нови играчи, но бариерите за навлизане са високи, дължащи се на капиталовите разходи, свързани със студеното валцуване, закаляване и нанасяне на покрития, производствено ноу-хау, изграждането на взаимоотношения с доставчиците и патентна защита. Понастоящем производителите вече могат да купуват висококачествени неориентирани стомани от нараснал (макар и все още ограничен) брой доставчици на електрическа стомана в голям обем.

2. Концентриран производствен отпечатък

    Около 88% от производството е съсредоточено в Китай, Япония и Южна Корея, след което се изнася в другите региони, обикновено под формата на стоманени рулони. В Северна Америка например предлагането е изключително ограничено, а в света има само пет стоманодобивни предприятия, разполагащи с достатъчно широко продуктово предлагане, което да покрива пълния продуктов спектър, и само едно от тях се намира извън Азия. 

3. Възможностите за смяна на доставчици са лимитирани

   Заради корелацията между ефективността на електромотора и автономията на електромобила, разликите в загубите в сърцевината (критично важна мярка за загубите на входящата електрическа енергия под формата на топлина при намагнитване) между конкретните доставчици на NOES може да има значително въздействие върху решението за покупка от страна на производителите, особено онези, които купуват ламинирани електрически стомани в големи обеми.

Докато производителите и доставчиците на тягови двигатели от I рeд могат да имат множество стоманодобивни заводи в одобрения си списък от доставчици, в повечето им програми има само по един стоманодобивен завод, одобрен по PPAP (Production Part Approval Process). Ситуацията се усложнява допълнително от факта, че характеристиките на материалите са предмет на съдебни спорове между доставчиците.

Пример: през октомври 2021 г. Nippon Steel заведе иск срещу Toyota и Baoshan Iron and Steel (Baosteel), дъщерно дружество на държавната China Baowu Steel Group – най-големият световен производител на стомана. Nippon Steel твърдят, че стоманата, доставяна от Baowu на Toyota за хибридните им двигателни сърцевини, нарушава патентите им за състав, дебелина, диаметър на кристалните зърна и магнитни свойства.

Тесни места има и надолу по веригата на доставките: освен ограничения брой производители на NOES от клас xEV, не само, че в света има едва 20 преси за ламиниране на двигателна сърцевина, способни да задоволяват нуждите на автомобилния отрасъл, но само 5 компании произвеждат тези уникални щамповъчни преси и под 10 независими инструментални цеха, компетентни да произвеждат уникалните щамповъчни матрици, които са в състояние да поддържат най-съвременния двигателен дизайн.

През последните четири години сроковете за изпълнение на определени компоненти от ключово производствено оборудване са се удвоили. Освен това, не просто много от тези компании са малки, семейни предприятия с капиталови ограничения, лимитиращи способностите им да мащабират, но и голяма част от тях не са традиционни и значими участници в автомобилната индустрия.

Колко NOES и какъв е дефицитът

    Очаква се брутното световно търсене на NOES от xEV клас за производството на тягови двигатели в хибридни и електрически превозни средства да нарасне от 320 000 тона през 2020 г. до малко над 2,5 млн. до 2027 и 4 до 2033-а.

На база капацитетните данни от Metals Technology Consulting се появява загриженост по отношение на ограниченията догодина. Малко вероятно е стоманодобивните предприятия да поддържат търсенето от 2025 г. нататък без значителни допълнителни инвестиции. Добавянето на капацитет през 2025-а обаче изисква вземането на решения веднага, а ситуацията изглежда още по-критична в светлината на обстоятелството, че повечето стоманодобивни заводи за NEOS от клас xEV могат да поддържат дългосрочно само 90% капацитетна утилизация.

Заради експоненциалния растеж на електрифицираните превозни средства през следващите години, рискът за дефицит в доставките на електрическа стомана между 2023 и 2025 година остава. Независимо от вече планираните капацитетни увеличения, през 2026 се очаква структурен недостиг от 61 000 тона, който без други големи инвестиции може да нарасне драстично до 357 000 през 2027-а, а кулминацията се очаква през 2030, когато величината му ще се е извисила до 927 000.    

Кои са по-заплашени

    Очаква се недостигът да засегне производителите, насочени към по-висок дял хибридни и електрически модели в бъдещото си продуктово предлагане. И въпреки, че производителите на батерийни електромобили, като изцяло електрическите Tesla, са с по-голяма експозиция, сред тях са и онези, които предпочитат да хеджират електрическите си залози с по-висок дял на хибридизация в продуктовия микс, като Toyota. Към тях можем да присъединим и онези, които към 2030 възнамеряват да преминат изцяло към зарядни хибриди и електромобили, а именно Jaguar, Mini, Volvo, Mercedes-Benz и Alfa Romeo, към които следва да прибавим и по-големи като Renault-Nissan-Mitsubishi и Volkswagen.

Пред сериозни затруднения са изправени и отрасловите играчи с голям европейски производствен дял, тъй като дисбалансът между търсенето и предлагането изглежда най-силно изразен тъкмо в този регион, особено когато се вземат предвид предизвикателствата пред конкурентоспособността на разходите, произтичащи от митническите тарифи за вносен материал.

Кой регион е с най-голяма разлика

  Специфичните регионални ефекти върху производителите вероятно ще бъдат пряко обусловени от производствените възможности на местните доставчици на стомана и действащите вносни мита. Региони, за които се очаква да потребяват значително по-високи обеми от местното предлагане, вносните тарифи могат да повлияят силно върху оперативните разходи на производители, купуващи двигателни сърцевини в голям обем.

Съединените щати са добър пример: техният Раздел 232 прилага приближаващи 200-те процента високи мита върху NOES, внесени от седем страни извън ЕС и квотно базирани тарифи върху внесените от ЕС. Регионалният импортен дисбаланс е най-висок в Европа, но към днешна дата САЩ все още имат голямо бяло производствено петно. Cleveland Cliffs (AK Steel преди това) е единственият местен производител, а NOES и GOES споделят общо оборудване. За да отговори на нарастващото регионално търсене на електрически трансформатори, Cleveland Cliffs се фокусират значително повече върху зърнесто-ориентираната стомана, намалявайки наличния NOES капацитет от xEV клас.

Притежаваният от U.S. Steel завод Big River Steel в Оцеола, Арканзас стартира производството на неориентирана стомана през третото тримесечие на 2023 г., което ще донесе годишен капацитет от 180 000 тона, 45 000 от които се очаква да бъдат разпределени за xEV клас.

Имайки предвид агресивните електрификационни цели, поставени от администрацията на Байдън, времето, необходимо на Big River Steel, за да започне производство и допълнителното време, необходимо за достигане на пълен капацитет, регионалните производители вероятно ще продължат да бъдат изправени пред ограничени възможности за местно снабдяване, което води до краткосрочно повишаване на разходите за двигатели и вреди на международната им конкурентоспособност.

Инвестират ли производителите и подлежи ли ситуацията на решаване с нови участници

  Доставчиците на стомана обявиха многомилионни инвестиции за разширяване на  производството на висококачествена неориентирана стомана клас xEV, но дори да отчетем и тях, остава незапълнена празнина. Справката показва, че за да се задоволи недостигът от 650 000 тона до 2028 г. вследствие на нарастващото автомобилно търсене, в зависимост от размера и местоположението им, са необходими от 6 до 12 нови предприятия.

За съществуващ играч добавянето на нов завод обикновено отнема три години – една за инженеринг и две за строителство. За нов участник, в допълнение към първите три години, са необходими още между две и осем – както за проектиране и инженеринг, така и за достигане до изисквания от автомобилната промишленост висок клас на крайния продукт.

Какво още може да се направи за справяне с капацитетните ограничения

   От гледна точка на стоманопроизводителите автомобилният сектор е зона на стратегически растеж, особено когато става дума за специалните стоманени сплави, а изобщо е основен източник на приходи – обстоятелство, рисуващо картина, различна от чиповия полупроводников недостиг.

В потенциалния дефицит на електрическа стомана автомобилният сектор е в по-голяма степен на шофьорското място, отколкото бе при чиповия. Той би могъл да се възползва от присъщата гъвкавост на стоманодобивните заводи, повечето от които имат т.нар. „студен дизайн“, позволяващ им критични елементи от оборудването да се споделят между различни класове NOЕS; в няколко случая заводите споделят оборудване между NOES xEV и GOES.

Изграждането на предприятията по този начин е преднамерено, за да позволява рентабилно производство на смесена продукция, смекчаваща рисковете при промени в продуктовия микс на търсенето. Това води до структура, в която заводите могат да избират разпределението на капацитета си в зависимост от търсенето, рентабилността и договорните задължения с клиентите. Въпреки това, необходимите настройки за промяна могат да доведат до капацитетен спад с до 20%, а необходимият за автомобилната индустрия клас NOES е свързан с по-високи маржове на печалба.

Поради това при разпределянето на своя „реверсивен капацитет“ производителите на стомана вероятно ще дадат приоритет на автомобилното търсене, което означава приоритизиране на NOES xEV пред по-ниските класове. Въпреки това съществува потенциален риск „одеалото“ да се окаже твърде късо, което означава, че намаляването на висококачествени NOES в полза на NOES xEV би могло да доведе последващия им недостиг. Той от своя страна ще предизвика ефекти надолу по веригата върху разходите за множеството двигатели с ниска мощност, използвани в спомагателните системи на колите, както и в други промишлени отрасли.

Освен преобразуването на капацитета от други класове в клас xEV, производителите на стомана биха могли също да увеличат производството, давайки приоритет на малко по-дебели листове. Противно на допускането, използването на по-тънки стоманени листове не помага за разширяване на производствения капацитет: 1 метричен тон от двойно студено валцуван 0,25-милиметов NEOS xEV изисква същия капацитет като 2,5 метрични тона от 0,35 мм. За да е още малко по-сложно, ограничението в употребата на по-дебели листове произтича от налагащото се болезнено препроектиране на сърцевините на двигателите, за да се отчете намаляването на ефективността им и произтичащия от нея спад на автономията.

   Свръхкомпактният безчетков електродвигател на Volkswagen ID.3

  Възможни ли са електродвигатели без NOES?

     Накратко, двигателите с аксиален поток използват GOES, но понастоящем се прилагат само в нишови сегменти на електромобили от висок клас, като LaFerrari на Ferrari – първият електромобил с аксиален поток. От 2025 Mercedes-Benz ще внедряват технологията в AMG.

Как изглежда смекчаващата стратегия на автомобилните производители

    По принцип, рискът от дефицит на NOES за автомобилната индустрия подлежи на разрешаване само чрез цялостно увеличаване на производството му от стоманодобива. Въпреки това, производителите и доставчиците на тягови двигатели от I ред могат да преследват някои стратегии за смекчаване, включително използването на алтернативни електромоторни материали и  конфигурации, както и по-голяма вертикална интеграция във веригата на доставки на мотори.

Алтернативни двигателни конфигурации. Pискът от недостиг на неориентирана електрическа стомана би могъл да налее вода в мелницата на иновациите в самите тягови двигатели. Производителите и доставчиците от I ред например могат да се опитат да променят равнинната геометрия на роторите и статорите, за да намалят проектно планирания производствен скрап, който обикновено е между 35 и 45%, но в някои проекти би могъл да стигне до 75.

По-голяма вертикална интеграция. Автомобилните производители могат да се стремят към вертикално интегриране на своите вериги за доставки на двигатели, партнирайки си пряко със стоманодобива и контролирайки така по-добре входящите си обеми. Те са изкушени да намалят зависимостта си от доставчиците от I ред на електромотори по различни причини, включително възможността сега да се възползват от икономиите от мащаб, предоставени от по-големите обеми на платформа, както и да запазят критично важните си вътрешни инженерни умения, а и да преориентират част от работната си сила към тази нова верига на добавената стойност, докато производството на двигатели с вътрешно горене върви към постепенно затихване.

General Motors например напоследък обявиха съюз с General Electric в създаването на регионална верига за доставки на материали като електрическа стомана. Партнирайки със стоманодобивната промишленост, автомобилните производители биха могли непрекъснато да увеличават пробега на превозните си средства с оптимизация на класовете NOES за нуждите им.

Внимателно материално проектиране и разработване на спецификациите. Автомобилните производители, които изберат да не си партнират със стоманодобивните предприятия, може да се наложи да преосмислят разработването на материалните си спецификации. Днес фокусът е върху оптимизирането на производителността на двигателя, а не върху намаляването на риска във веригата на доставки. Това води до ситуации, в които автомобилните производители могат да купуват стомана от само един завод в света, тъй като само той е способен да отговори на дадена спецификация.

Може ли капацитетният дефицит да повлияе на процеса на електрификация

    Ако не бъдат направени инвестиции в нов капацитет, потенциалният недостиг може сериозно да засегне електрификационните планове на производителите. Докато мерки като алокацията на „реверсивен капацитет“ (производствен капацитет, който е в състояние да обхване по-широк продуктов микс без сериозна намеса в конфигурацията или процеса на производствената линия), модифицикациите в дизайна на сърцевината на двигателя с оглед намалената материална употреба, адаптирането на различни материали и интегрирането на вериги за доставки биха могли да облекчат NOES рисковете краткосрочно, докато увеличаването на производствения капацитет е единствената мярка за справяне със структурния дисбаланс между капацитета и високия растеж в търсенето на електрическа стомана.

 

*Забележка: xEV е общ термин за обозначаване на електромобилите (EV) и зарядните хибриди (PHEV).