Er zijn meer dan 1 miljoen drones geregistreerd in de VS De meeste behoren tot mensen die ze voor de lol vliegen, maar een groeiend aantal wordt commercieel gebruikt. Bedrijven zoals Amazon, UPS, Google en DHL onderzoeken al manieren om pakketten met drones te leveren in plaats van vrachtwagens. Ons nieuwe onderzoek heeft gemeten hoe die verandering zou veranderen hoe de VS energie gebruiken, en de daaruit voortvloeiende milieueffecten.
We hebben geconstateerd dat het gebruik van elektrische drones in plaats van vrachtwagens of bestelwagens met dieselmotor het energieverbruik en de uitstoot van broeikasgassen kan verminderen. Maar in andere gevallen zou het gebruik van vrachtwagens - vooral die met elektrische aandrijving - efficiënter en schoner zijn.
De Amerikaanse elektriciteitssector is snel overgestapt op opwekking van elektriciteit met minder broeikasgasemissies. Maar transport wordt nog steeds grotendeels aangedreven door brandstoffen gemaakt van olie en is nu de grootste bron van broeikasgasemissies in de VS Ongeveer een kwart van de transportemissies, het equivalent van 415 miljoen ton kooldioxide, is afkomstig van middelzware en zware duty trucks, het soort voertuigen dat vracht levert aan magazijnen, bedrijven en consumenten thuis.
Het verminderen van de behoefte aan vrachtvervoer door sommige pakketten met elektrische drones te leveren, kan brandstof en mogelijk koolstofemissies besparen. We hebben gemodelleerd hoeveel energie drone levering zou gebruiken, en hoe het anders zou zijn dan de manieren waarop pakketten nu worden geleverd.
Het energieverbruik van een drone vinden
Ten eerste heeft ons team - onder leiding van Lawrence Livermore National Laboratory en onderzoekers van Carnegie Mellon University, SRI International en de University of Colorado – Boulder - het energieverbruik gemeten van drc's in quadcopter en octocopter-stijl met verschillende laadvermogens. De hoeveelheid energie die een drone gebruikt, is afhankelijk van hoe zwaar de drone zelf is, de batterijen en de pakketten die hij vervoert, evenals andere factoren, waaronder hoe snel hij beweegt en windcondities.
Om een algemene schatting te maken, hebben we een quadcopter-drone gekozen die een pakket van 0, 5 kg (1, 1 pond) en een octocopter-drone kan leveren die een pakket van 8 kg (17, 6 pond) kan leveren, elk met een bereik van ongeveer 2, 5 mijl (4 km). We hebben een aantal batterijtechnologieën en brandstoffen overwogen, maar hebben ons op basis van lithiumbatterijen voor onze basishoes gericht, want dat is wat de meeste huidige elektrische drones aandrijft.
Emissies vergelijken
Hoewel het de zwaartekracht bestrijdt om boven te blijven, verbruikt een elektrische drone veel minder energie per mijl dan een zware stalen bestelwagen die diesel brandt. Maar een bestelwagen of bestelwagen kan veel pakketten tegelijk vervoeren, dus de energiebehoeften en milieueffecten moeten per pakket worden toegewezen.
Verschillende bestelauto's kunnen rijden op diesel, aardgas, elektriciteit of benzine, elk met verschillende energie- en emissiekenmerken. We hebben ook de milieueffecten meegenomen van het maken van deze brandstoffen en van het maken van batterijen voor elektrische voertuigen. De energie die nodig is om van ruwe olie dieselolie te maken, kan 20% of meer broeikasgassen toevoegen aan de hoeveelheid die wordt gegenereerd wanneer de brandstof wordt verbrand. En terwijl de productie van batterijen verbetert, genereert het maken van batterijen nog steeds kooldioxide.
Vervolgens hebben we de hoeveelheid uitgestoten broeikasgassen berekend. Een gallon diesel verbranden stoot ongeveer 10 kg koolstofdioxide uit, maar de uitstoot van elektriciteit varieert per regio, afhankelijk van hoe het wordt gegenereerd. Sommige gebieden verbranden meer steenkool en aardgas om stroom op te wekken, terwijl andere minder fossiele brandstoffen gebruiken en meer afhankelijk zijn van kernenergie, waterkracht, wind- en zonne-energie.
Over het algemeen wordt de elektriciteitsproductie in de VS in de loop van de tijd schoner. Om het bereik van energiebehoeften en milieueffecten te tonen, hebben we bijzondere aandacht besteed aan Californië, dat een koolstofarm netwerk heeft, en Missouri, dat zich in een koolstofintensieve regio bevindt.
Extra magazijnen?
Om drones met een beperkt bereik te bedienen, zouden bedrijven bovendien moeten veranderen hoe hun bezorgsystemen energie gebruiken. Drones konden items in meerdere benen vervoeren, bijna zoals de Pony Express of postkoetsen met paarden in de vroege dagen van het Amerikaanse Westen. Of, zoals Amazon test, kunnen kleinere lokale magazijnen belangrijke afleverbestemmingen binnen het bereik van de drones bedienen.
We berekenden dat het bedienen van de stad San Francisco ongeveer vier stedelijke pakhuizen met drone-bases zou vereisen. Om het grotere Bay Area te dekken, zouden tientallen nieuwe magazijnen nodig zijn, die elk elektriciteit en potentieel aardgas nodig hebben om te werken, net als andere magazijnen. We hebben dit extra energieverbruik opgenomen in onze schattingen.
Kleine drone-afgifte kan emissies besparen
Door alle factoren te combineren, vonden we dat pakketbezorging met kleine drones beter voor het milieu kan zijn dan bezorging met vrachtwagens. Gemiddeld levert de levering van een pakket door vrachtwagens in de VS ongeveer 1 kg broeikasgasemissies op. In Californië zou drone-levering van een klein pakket resulteren in ongeveer 0, 42 kg broeikasgasemissies. Dat is een besparing van 54 procent ten opzichte van de 0, 92 kg broeikasgassen die horen bij een pakket dat per vrachtwagen in die staat wordt afgeleverd. In koolstofintensief Missouri zou de verbetering kleiner zijn - slechts 23 procent minder - maar nog steeds beter.
Kleine drones waren beter dan welke vrachtwagen of bestelbus dan ook, aangedreven door diesel, benzine, aardgas of zelfs elektriciteit.
Onze bevindingen over grotere drones waren minder eenduidig. Ze waren 9 procent beter dan dieselauto's in Californië, maar veel slechter als ze in Missouri werden opgeladen. Omdat grote drones meer kilowattuur nodig hebben om een mijl te vliegen, is de koolstofintensiteit van elektriciteit echt belangrijk voor grote drones. Zelfs op plaatsen waar energie meestal wordt opgewekt uit schone bronnen, is het waarschijnlijk beter om grotere pakketten met elektrische bestelwagens of elektrische vrachtwagens te leveren in plaats van grote drones, vanwege de extra magazijnenergie die nodig is voor drones.
Maar als je dat essentiële ingrediënt voor het diner vanavond bent vergeten, suggereren onze bevindingen dat het veel beter is om de supermarkt het per drone naar je toe te sturen in plaats van je auto naar de winkel en terug te brengen.
Volgende stappen voor duurzaamheid
Zoals elk energiemodel kunnen onze schattingen veranderen, afhankelijk van de gebruikte veronderstellingen. De hoeveelheid ruimte die nodig is om pakketten voor drones op te slaan, en hoeveel energiedrones gebruiken, zijn belangrijke factoren, evenals de koolstofvoetafdruk van de gebruikte elektriciteit. In onze paper onderzoeken we hoe de resultaten veranderen onder verschillende veronderstellingen.
Voor voertuigen op de grond, is de beste manier om de efficiëntie te verbeteren het verhogen van het aantal pakketten dat per mijl wordt afgeleverd of het overschakelen op elektrische vrachtwagens of bestelwagens.
Naarmate meer bedrijven drones gaan gebruiken, is pakketbezorging een van hun taken. Om de potentiële voordelen voor het milieu te maximaliseren, moeten bedrijven zich richten op het gebruik van kleinere drones die zijn belast met koolstofarme elektriciteit om lichte pakketten te leveren, en op het beperken van de hoeveelheid opslagruimte die is bedoeld voor het leveren van drones. Zwaardere pakketten zijn waarschijnlijk het meest geschikt voor efficiënte, vaak elektrische, voertuigen voor levering op de grond. De grootste winst komt van het verbeteren van de energie-efficiëntie van magazijnen en, cruciaal, het verminderen van de hoeveelheid elektriciteit die wordt gegenereerd door koolstofintensieve brandstoffen. Nu moeten we gewoon iets doen aan het geluid van al die propellers boven ons.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Constantine Samaras, universitair docent Civiele techniek en milieu, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, milieuwetenschapper, Lawrence Livermore National Laboratory
