Yhdysvalloissa on rekisteröity yli miljoona droonia. Suurin osa heistä kuuluu ihmisille, jotka lentävät heitä huvin vuoksi, mutta yhä enemmän niitä käytetään kaupallisesti. Yritykset, kuten Amazon, UPS, Google ja DHL, etsivät jo tapoja toimittaa paketteja drooneilla kuorma-autojen sijasta. Uusi tutkimuksemme on mitannut, kuinka muutos muuttaisi sitä, kuinka Yhdysvallat käyttää energiaa, ja siitä johtuvat ympäristövaikutukset.
Havaitsimme, että joissain tapauksissa sähkökäyttöisten droonien käyttäminen dieselkäyttöisten kuorma-autojen tai pakettiautojen sijasta voisi vähentää energiankulutusta ja kasvihuonekaasupäästöjä. Mutta muissa tapauksissa kuorma-autojen - etenkin sähkökäyttöisten - käyttö olisi tehokkaampaa ja puhtaampaa.
Yhdysvaltain sähkösektori on siirtynyt nopeasti sähköntuotantoon vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä. Mutta kuljetus tapahtuu edelleen pääosin öljystä valmistetuilla polttoaineilla, ja se on nyt suurin kasvihuonekaasupäästöjen lähde Yhdysvalloissa. Noin neljäsosa kuljetuspäästöistä, mikä vastaa 415 miljoonaa tonnia hiilidioksidia, tulee keskipitkästä ja raskas- kuljetusautot, sellaiset ajoneuvot, jotka toimittavat rahtia varastoihin, yrityksiin ja kuluttajien koteihin.
Kuljetuskustannusten vähentäminen toimittamalla eräitä paketteja sähkö droneilla voisi säästää polttoainetta ja mahdollisesti hiilidioksidipäästöjä. Mallinnimme kuinka paljon drone-toimitukset käyttäisivät ja miten se eroaa pakettien toimitustavoista nyt.
Dronon energian käytön löytäminen
Ensinnäkin tiimimme - johdolla Lawrence Livermoren kansallisesta laboratoriosta, mukaan lukien tutkijat Carnegie Mellon Universitystä, SRI Internationalista ja Colorado University of Boulderista - mittasi eri hyötykuormaa kuljettavien nelikopteri- ja oktokopterityyppisten droonien energiankulutusta. Dronon käyttämä energiamäärä riippuu siitä, kuinka drone itse on, sen akkuista ja mistä tahansa pakkauksista, joita se kuljettaa - sekä muista tekijöistä, mukaan lukien kuinka nopeasti se liikkuu ja tuuliolosuhteet.
Kokonaisarvioinnin tekemistä varten asettimme quadcopter-droniin, joka pystyy toimittamaan 1, 1 paunan (0, 5 kg) paketin, ja octocopter-dronelle, joka pystyy toimittamaan 17, 6 paunan (8 kg) paketin, jokaisen etäisyys noin 2, 5 mailia. (4 km). Harkitsimme erilaisia akkutekniikoita ja polttoaineita, mutta keskityimme litiumpohjaisiin akkuihin kantaesämme varten, koska se antaa voiman suurimmalle osalle nykyisistä sähköisistä droneista.
Päästöjen vertailu
Vaikka se torjuu painovoimaa pysyäkseen korkealla, sähköinen droni kuluttaa paljon vähemmän energiaa mailia kohti kuin raskas teräsjakeluauto, joka polttaa dieselpolttoainetta. Jakeluauto tai pakettiauto voi kuitenkin kuljettaa useita paketteja kerralla, joten energiatarpeet ja ympäristövaikutukset on jaettava pakkausta kohden.
Eri toimitusautot voivat käyttää diesel-, maakaasu-, sähkö- tai bensiinimoottoreita, jokaisella on erilaiset energia- ja päästöominaisuudet. Olemme sisällyttäneet myös näiden polttoaineiden ja sähköajoneuvojen akkujen valmistuksen ympäristövaikutukset. Raakaöljyn muuttamiseksi dieselpolttoaineeksi tarvittava energia voi lisätä vielä 20 prosenttia tai enemmän kasvihuonekaasuja määrään, joka syntyy polttoaineen poltettaessa. Ja vaikka paristojen valmistus paranee, paristojen valmistaminen tuottaa silti hiilidioksidia.
Sitten lasimme kasvihuonekaasujen määrän. Poltettaessa gallonaa dieselpolttoainetta syntyy noin 10 kg hiilidioksidia, mutta sähkön päästöt vaihtelevat alueittain riippuen siitä, miten ne syntyvät. Jotkut alueet polttavat enemmän hiiltä ja maakaasua energian tuottamiseksi, kun taas toisilla on vähemmän fossiilisia polttoaineita, ja ne luottavat enemmän ydin-, vesivoima-, tuuli- ja aurinkovoimaan.
Yleensä sähköntuotanto Yhdysvalloissa on puhdistumassa ajan myötä. Energian tarpeiden ja ympäristövaikutusten osoittamiseksi kiinnitimme erityistä huomiota Kaliforniaan, jolla on vähähiilinen verkko, ja Missouriin, joka on hiiliintensiivisellä alueella.
Lisävarastot?
Lisäksi palvellakseen rajoitetun alueen drooneja yritysten olisi muutettava tapaa, jolla niiden toimitusjärjestelmät käyttävät energiaa. Droonit pystyivät kuljettamaan tavaroita useissa jaloissa, melkein kuin Pony Express tai lava-linja-autot tekivät hevosilla Amerikan lännen alkuaikoina. Tai kuten Amazon testaa, pienemmät paikalliset varastot voisivat palvella tärkeimpiä toimituskohteita droonien alueella.
Laskimme, että San Franciscon kaupungin palveleminen vaatii noin neljä kaupunkivaroja, joissa on droonituki. Laajemman lahden alueen peittäminen vaatisi kymmeniä uusia varastoja, joista jokainen tarvitsee sähköä ja mahdollisesti maakaasua toimimaan, kuten muutkin varastot. Olemme sisällyttäneet tämän ylimääräisen energian käytön arvioihimme.
Pieni droonien toimitus voi säästää päästöjä
Yhdistämällä kaikki tekijät havaitsimme, että pakettien toimitus pienillä droneilla voi olla ympäristölle parempi kuin toimitus kuorma-autoilla. Keskimäärin Yhdysvalloissa pakettiautojen toimittaminen aiheuttaa noin 1 kg kasvihuonekaasupäästöjä. Kaliforniassa pienen paketin droonitoimitus johtaisi noin 0, 42 kg kasvihuonekaasupäästöihin. Se on 54 prosentin säästö verrattuna 0, 92 kg kasvihuonekaasuihin, jotka liittyvät kuorma-autojen tässä tilassa toimittamiin paketteihin. Hiili-intensiivisessä Missourissa parannus olisi pienempi - vain 23 prosentin vähennys - mutta silti parempi.
Pienet droonit olivat parempia kuin kuorma-autot tai pakettiautot, olipa kyse moottorista dieselpolttoaineella, bensiinillä, maakaasulla tai jopa sähköllä.
Tuloksemme suuremmista drooneista olivat vähemmän selkeitä. Ne olivat 9 prosenttia parempia kuin dieselkuorma-autot Kaliforniassa, mutta paljon huonommat, kun niitä ladataan Missourissa. Koska suuret droonit tarvitsevat enemmän kilowattituntia mailin lentämiseen, sähkön hiili-intensiteetillä on todella merkitystä suurille drooneille. Jopa paikoissa, joissa energiaa tuotetaan tyypillisesti puhtaista lähteistä, on todennäköisesti parempi toimittaa suurempia paketteja sähkökärryillä tai sähkökuorma-autoilla kuin isoilla droneilla, koska droneille tarvitaan ylimääräistä varastointienergiaa.
Mutta jos unohdit tämän tärkeän ainesosan illalliselle, havaintomme perusteella on paljon parempi, että ruokakauppa lähettää sen sinulle droonilla sen sijaan, että autosi viedään kauppaan ja takaisin.
Seuraavat vaiheet kestävyyden saavuttamiseksi
Kuten mikä tahansa energiamalli, arviomme voivat muuttua käytetyistä oletuksista riippuen. Tila, joka tarvitaan drone-pakettien säilyttämiseen, ja kuinka paljon energiaa drones käyttävät, ovat tärkeitä tekijöitä, samoin kuin käytetyn sähkön hiilijalanjälki. Tutkimuksessamme tutkimme kuinka tulokset muuttuvat eri oletuksissa.
Maansiirtoajoneuvoissa parhaita tapoja parantaa tehokkuutta on lisätä mailia kohti toimitettujen pakettien määrää tai siirtyä sähköisiin jakeluautoihin tai pakettiautoihin.
Kun yhä useammat yritykset alkavat käyttää drooneja, paketin toimitus on yksi heidän tehtävistä. Mahdollisten ympäristöhyötyjen maksimoimiseksi yritysten tulisi keskittyä pienempien, vähähiilisestä sähköstä ladattujen dronejen käyttämiseen kevyiden pakettien toimittamiseen ja rajoittamiseen, kuinka paljon varastotilaa on varattu jakeluherrojen palvelemiseen. Raskaammat pakkaukset soveltuvat todennäköisesti parhaiten tehokkaisiin, usein sähköisiin, maata kuljettaviin ajoneuvoihin. Suurimmat hyödyt saadaan varaston energiatehokkuuden parantamisesta ja ennen kaikkea hiili-intensiivisistä polttoaineista tuotetun sähkön vähentämisestä. Nyt meidän on tehtävä vain jotain kaikkien näiden potkurien melusta.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Constantine Samaras, maa- ja vesirakennuksen apulaisprofessori, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, ympäristötutkija, Lawrence Livermoren kansallinen laboratorio
