Det er mer enn 1 million droner registrert i USA. De fleste av dem tilhører folk som flyr dem for moro skyld, men et økende antall brukes kommersielt. Selskaper inkludert Amazon, UPS, Google og DHL undersøker allerede måter å levere pakker med droner i stedet for lastebiler. Den nye forskningen vår har målt hvordan det skiftet vil endre hvordan USA bruker energi og de resulterende miljøeffektene.
Vi fant at bruk av elektriske droner i stedet for dieseldrevne lastebiler eller varebiler i noen tilfeller kan redusere energibruk og klimagassutslipp. Men i andre tilfeller ville det være mer effektivt og renere å bruke lastebiler - spesielt elektrisk drevne.
Den amerikanske elsektoren har raskt gått over til å produsere kraft med færre klimagassutslipp. Men transport er fremdeles stort sett drevet av drivstoff laget av olje og er nå den største kilden til klimagassutslipp i USA. Omtrent en fjerdedel av transportutslippene, tilsvarende 415 millioner tonn karbondioksid, kommer fra middels og tung- vogntog, slags kjøretøy som leverer gods til lager, bedrifter og forbrukernes hjem.
Å redusere behovet for lastebil ved å levere noen pakker med elektriske droner kan spare drivstoff og potensielt karbonutslipp. Vi modellerte hvor mye energi som drone-levering ville bruke, og hvordan det ville være forskjellig fra måtene pakker blir levert nå.
Finne en drones energibruk
For det første målte teamet vårt - ledet fra Lawrence Livermore National Laboratory, og inkludert forskere fra Carnegie Mellon University, SRI International og University of Colorado – Boulder - energibruken til droninger med quadcopter og octocopter-stil med forskjellige nyttelast. Hvor mye energi en drone bruker avhenger av hvor tung dronen selv er, batteriene og hvilke pakker den har på seg - så vel som andre faktorer, inkludert hvor raskt den er i bevegelse og vindforhold.
For å lage et samlet estimat, avgjorde vi en quadcopter drone som var i stand til å levere en 1, 1 pund (0, 5 kg) pakke og en octocopter drone som er i stand til å levere en pakke på 17, 6 pund (8 kg), hver med en rekkevidde på cirka 2, 5 mil (4 km). Vi vurderte en rekke batteriteknologier og drivstoff, men fokuserte på litium-baserte batterier for basismaterialet vårt, fordi det er det som styrker de fleste aktuelle elektriske droner.
Sammenligning av utslipp
Selv om den kjemper mot tyngdekraften for å holde seg høye, bruker en elektrisk drone mye mindre energi per mil enn en tung lastebil med brennende diesel. Men en lastebil eller varebil kan frakte mange pakker samtidig, så energibehovet og miljøeffektene må tildeles per pakke.
Ulike leveringsbiler kan kjøres på diesel, naturgass, strøm eller bensin, hver med forskjellige energi- og utslippskarakteristikker. Vi inkluderte også miljøeffektene av å lage disse drivstoffene og lage elektriske kjøretøybatterier. Energien som trengs for å gjøre råolje om til diesel, kan legge til ytterligere 20 prosent eller mer av klimagasser til mengden som genereres når drivstoffet brennes. Og mens batteriproduksjonen forbedres, produserer batterier fremdeles karbondioksid.
Deretter beregnet vi mengden klimagasser som ble avgitt. Forbrenning av en gallon diesel gir ut cirka 10 kg karbondioksid, men utslippene fra elektrisitet varierer etter region, avhengig av hvordan den genereres. Noen områder forbrenner mer kull og naturgass for å generere kraft, mens andre har færre fossile brensler og er mer avhengige av kjernekraft, vannkraft, vind og solkraft.
Generelt sett blir elektrisk kraftproduksjon i USA renere over tid. For å vise spekteret av energibehov og miljøeffekter, la vi spesielt vekt på California, som har et lavkarbon-nett, og Missouri, som er i en karbonintensiv region.
Ekstra lager?
I tillegg, for å betjene droner med begrenset rekkevidde, vil selskaper måtte endre hvordan leveringssystemene deres bruker energi. Droner kunne transportere gjenstander i flere bein, nesten som Pony Express eller stagecoaches gjorde med hester i de første dagene av det amerikanske vesten. Eller som Amazon tester, kan mindre lokale varehus tjene viktige leveringsdestinasjoner innenfor dronenes rekkevidde.
Vi beregnet at det å betjene byen San Francisco ville kreve rundt fire urbane lagre med drone-baser. For å dekke det større Bay Area vil kreve dusinvis av nye lager, som hver trenger strøm og potensielt naturgass for å operere, akkurat som andre lager. Vi inkluderte denne ekstra energibruken i estimatene våre.
Liten drone-levering kan spare utslipp
Ved å kombinere alle faktorene fant vi at levering av pakker med små droner kan være bedre for miljøet enn levering med lastebiler. Gjennomsnittlig i USA resulterer truckleveranse av en pakke i omtrent 1 kg klimagassutslipp. I California ville dronelevering av en liten pakke resultere i omtrent 0, 42 kg klimagassutslipp. Det er en besparelse på 54 prosent fra 0, 92 kg klimagasser forbundet med en pakke levert med lastebil i den tilstanden. I karbonintensiv Missouri ville forbedringen være mindre - bare 23 prosent reduksjon - men likevel bedre.
Små droner var bedre enn noen lastebil eller varebil, enten de er drevet av diesel, bensin, naturgass eller til og med strøm.
Funnene våre om større droner var mindre tydelige. De var 9 prosent bedre enn dieselbiler i California, men mye verre når de ble belastet i Missouri. Fordi store droner trenger flere kilowatt-timer for å fly en kilometer, betyr karbonintensiteten til elektrisitet veldig viktig for store droner. Selv på steder der det vanligvis genereres energi fra rene kilder, er det sannsynligvis bedre å levere større pakker med elektriske varebiler eller elektriske lastebiler i stedet for store droner, på grunn av den ekstra lagerenergien som trengs for droner.
Men hvis du glemte den essensielle ingrediensen til kveldens middag, antyder funnene våre at det er mye bedre å la matbutikken sende den til deg med drone i stedet for å ta bilen til butikken og tilbake.
Neste trinn for bærekraft
Som enhver energimodell, kan estimatene våre endre seg avhengig av forutsetningene som er brukt. Mengden plass som trengs for å lagre pakker for droner, og hvor mye energi droner bruker, er viktige faktorer, og det samme gjelder karbonavtrykket til den brukte strømmen. I vår artikkel undersøker vi hvordan resultatene endres under forskjellige forutsetninger.
For bakkeleveranser er de beste måtene å forbedre effektiviteten på å øke antall pakker som leveres per kilometer eller bytte til elektriske transportbiler eller varebiler.
Etter hvert som flere selskaper begynner å bruke droner, vil levering av pakker være en av oppgavene deres. For å maksimere de potensielle miljøfordelene, bør selskapene fokusere på å bruke mindre droner som er ladet med lite kullsyre til å levere lette pakker, og på å begrense hvor mye lagerplass som er dedikert til å betjene leveringsdroner. Tyngre pakker er sannsynligvis best egnet for effektive, ofte elektriske bakkeleveranser. De største gevinstene vil komme av å forbedre lagrenes energieffektivitet og avgjørende redusere mengden strøm produsert fra karbonintensivt brensel. Nå må vi bare gjøre noe med støyen fra alle disse propellene.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Constantine Samaras, assisterende professor i sivil- og miljøteknikk, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, miljøforsker, Lawrence Livermore National Laboratory
