V USA je registrováno více než 1 milion dronů. Většina z nich patří lidem, kteří je létají pro zábavu, ale stále více jich je komerčně využíváno. Společnosti včetně Amazonu, UPS, Google a DHL již zkoumají způsoby, jak dodávat balíčky s drony místo nákladních vozidel. Náš nový výzkum změřil, jak by tento posun změnil způsob, jakým USA používají energii, a výsledné dopady na životní prostředí.
Zjistili jsme, že v některých případech by použití energie poháněných dronů namísto nákladních automobilů nebo dodávkových vozidel mohlo snížit spotřebu energie a emise skleníkových plynů. V jiných případech by však používání nákladních vozidel - zejména těch s elektrickým pohonem - bylo efektivnější a čistší.
Americký elektroenergetický sektor rychle přechází na výrobu energie s nižšími emisemi skleníkových plynů. Doprava je však stále do značné míry poháněna palivy vyrobenými z ropy a je nyní největším zdrojem emisí skleníkových plynů v USA. Asi čtvrtina emisí z dopravy, ekvivalent 415 milionů metrických tun oxidu uhličitého, pochází ze středních a těžkých paliv. nákladní vozidla, druhy vozidel, která dodávají náklad do skladů, podniků a domů spotřebitelů.
Snížení potřeby nákladních automobilů dodáváním některých balíčků s elektrickými drony by mohlo ušetřit palivo a potenciálně emise uhlíku. Modelovali jsme, kolik spotřeby energie dronů by se spotřebovalo a jak by se lišilo od způsobů, jak jsou nyní dodávány balíčky.
Nalezení využití energie robota
Za prvé, náš tým - vedený z Lawrence Livermore National Laboratory, a včetně vědců z Carnegie Mellon University, SRI International a University of Colorado - Boulder - měřil energetické využití kvadrokoptéry a oktokoptéry ve stylu nesoucí různá užitečná zatížení. Množství energie, kterou dron spotřebuje, závisí na tom, jak je samotný dron těžký, na bateriích a na jakýchkoli obalech, které nese - a na dalších faktorech, včetně rychlosti jeho pohybu a podmínek větru.
Pro účely celkového odhadu jsme se usadili na kvadrokoptérním robotu, který je schopen dodat balíček o hmotnosti 1, 1 kg (0, 5 kg), a na oktokoskopu, který je schopen dodat balíček o hmotnosti 17, 6 libry (8 kg), každý s dosahem asi 2, 5 mil (4 km). U našeho základního případu jsme uvažovali o řadě bateriových technologií a paliv, ale zaměřili jsme se na lithiové baterie, protože to pohání nejaktuálnější elektrické drony.
Porovnání emisí
Přestože je bojovat s gravitací zůstat nahoře, elektrický dron spotřebuje mnohem méně energie na kilometr než těžká ocelová dodávka kamionu spalující naftu. Dodací vůz nebo dodávka však může nést mnoho balíků najednou, takže energetické potřeby a účinky na životní prostředí musí být přiděleny na jeden balíček.
Na naftu, zemní plyn, elektřinu nebo benzín lze provozovat různá dodávková vozidla, z nichž každá má různé energetické a emisní charakteristiky. Zahrnovali jsme také environmentální dopady výroby těchto paliv a výroby baterií elektrických vozidel. Energie potřebná k přeměně ropy na motorovou naftu může přidat dalších 20 procent nebo více skleníkových plynů k množství vytvořenému při spalování paliva. A zatímco se výroba baterií zlepšuje, výroba baterií stále generuje oxid uhličitý.
Pak jsme vypočítali množství emitovaných skleníkových plynů. Spalování galonu nafty emituje asi 10 kg oxidu uhličitého, ale emise z elektřiny se liší v závislosti na tom, jak se vyrábí. Některé oblasti spalují více uhlí a zemního plynu za účelem výroby energie, zatímco jiné mají méně fosilních paliv a více se spoléhají na jadernou, vodní, větrnou a sluneční energii.
Obecně platí, že výroba elektrické energie v USA se postupem času čistí. Abychom ukázali rozsah energetických potřeb a vlivů na životní prostředí, věnovali jsme zvláštní pozornost Kalifornii, která má nízkouhlíkovou síť, a Missouri, která je v oblasti náročné na uhlík.
Zvláštní sklady?
Navíc, aby společnosti sloužily dronům s omezeným dosahem, musely by změnit způsob, jakým jejich systémy dodávek využívají energii. Dronové mohli přepravovat předměty na několika nohách, téměř jako Pony Express nebo dostavní koně s koňmi v prvních dnech amerického západu. Nebo, jak Amazon testuje, menší místní sklady mohou sloužit klíčovým cílům dodávek v dosahu robotů.
Vypočítali jsme, že obsluha města San Francisco by vyžadovala asi čtyři městské sklady se základnami dronů. K pokrytí větší zátoky by bylo zapotřebí desítek nových skladů, z nichž každý potřebuje k provozu elektřinu a potenciálně zemní plyn, stejně jako ostatní sklady. Toto extra využití energie jsme zahrnuli do našich odhadů.
Malé dodání sondy může snížit emise
Při kombinaci všech faktorů jsme zjistili, že dodávka balíků s malými drony může být pro životní prostředí lepší než dodávka s kamiony. V průměru v USA způsobí dodávka nákladního automobilu přibližně 1 kg emisí skleníkových plynů. V Kalifornii by dodávka malého balení dronem vedla k asi 0, 42 kg emisí skleníkových plynů. To představuje úsporu 54 procent z 0, 92 kg skleníkových plynů spojených s balíčkem dodávaným kamionem v tomto stavu. U uhlíkem náročné Missouri by zlepšení bylo menší - pouze 23% snížení - ale ještě lepší.
Drobné drony byly lepší než jakýkoli kamion nebo dodávka, ať už poháněné motorovou naftou, benzínem, zemním plynem nebo dokonce elektřinou.
Naše zjištění o větších dronech byla méně jasná. Když byli v Kalifornii, byli o 9 procent lepší než dieselové nákladní automobily, ale mnohem horší, když byli vybiti v Missouri. Protože velké drony potřebují kilowatthodiny více kilometrů, je pro velké drony opravdu důležitá uhlíková intenzita elektřiny. Dokonce i v místech, kde je energie obvykle vyráběna z čistých zdrojů, je pravděpodobně lepší dodávat větší balíčky s elektrickými dodávkami nebo elektrickými náklaďáky než velkými drony, a to z důvodu další skladové energie potřebné pro drony.
Ale pokud jste zapomněli na tuto základní ingredienci na večerní večeři, naše zjištění naznačují, že je mnohem lepší nechat si ji poslat obchodem s potravinami než dronem, než vzít auto do obchodu a zpět.
Další kroky k udržitelnosti
Stejně jako u každého energetického modelu se naše odhady mohou měnit v závislosti na použitých předpokladech. Množství prostoru potřebného k uložení balíčků pro drony a množství energie, kterou drony spotřebovávají, jsou důležitými faktory, stejně jako uhlíková stopa použité elektřiny. V našem příspěvku zkoumáme, jak se výsledky mění za různých předpokladů.
U pozemních dopravních prostředků nejlepší způsoby, jak zlepšit efektivitu, jsou zvýšení počtu dodávaných balíků na míli nebo přechod na elektrické dodávkové vozy nebo dodávky.
Jakmile začnou drony používat další společnosti, bude dodávka balíků jedním z jejich úkolů. V zájmu maximalizace potenciálních přínosů pro životní prostředí by se společnosti měly zaměřit na používání menších robotů nabitých nízkouhlíkovou elektřinou k dodání lehkých balíčků a na omezení toho, kolik skladového prostoru je věnováno doručovacím robotům. Těžší balíčky jsou pravděpodobně nejvhodnější pro efektivní, často elektrická pozemní vozidla. Největší zisky přinese zlepšení energetické účinnosti skladů a zásadně snížení množství elektřiny vyrobené z paliv náročných na uhlík. Teď musíme jen něco udělat s hlukem všech těch vrtulí nad hlavou.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Constantine Samaras, odborný asistent stavebního a environmentálního inženýrství, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, ekologický vědec, Národní laboratoř Lawrence Livermore
