Има повече от 1 милион дронове, регистрирани в САЩ. Повечето от тях принадлежат на хора, които ги летят за забавление, но все по-голям брой се използват в търговската мрежа. Компании, включително Amazon, UPS, Google и DHL, вече проучват начини да доставят пакети с дронове вместо камиони. Нашите нови изследвания измерват как тази промяна ще се промени как САЩ използват енергия и произтичащите от това въздействия върху околната среда.
Установихме, че в някои случаи използването на дронове с електрически двигатели, а не камиони или микробуси с дизелово гориво може да намали използването на енергия и емисиите на парникови газове. Но в други случаи използването на камиони - особено такива с електрическо захранване - би било по-ефективно и по-чисто.
Американският електроенергиен сектор бързо преминава към производство на енергия с по-малко емисии на парникови газове. Но транспортът все още в голяма степен се задвижва от горива, произведени от петрол и сега е най-големият източник на емисии на парникови газове в САЩ. Около една четвърт от транспортните емисии, еквивалент на 415 милиона тона въглероден диоксид, идва от средни и тежки дежурни камиони, видовете превозни средства, които доставят товари до складове, предприятия и домове на потребителите.
Намаляването на необходимостта от превоз на товари чрез доставяне на някои пакети с електрически дронове може да спести гориво и потенциално въглеродни емисии. Моделирахме колко енергия ще използва доставката на дронове и как тя ще бъде различна от начините, по които се доставят пакетите сега.
Намиране на използване на енергия от дрон
Първо, нашият екип - ръководен от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор и включващ изследователи от университета Карнеги Мелън, SRI International и Университета в Колорадо - Боулдър - измерва енергийното използване на дронове в стил quadcopter и октокоптер, носещи различни полезни натоварвания. Количеството енергия, което един дрон използва зависи от това колко тежък е самият дрон, батериите му и каквито и пакети да носи - както и от други фактори, включително колко бързо се движи и условията на вятъра.
За да направим обща оценка, ние се настанихме на квадрокоптер безпилотник, способен да достави пакет от 1, 1 фунта (0, 5 кг) и октокоптер дрон, способен да достави пакет от 17, 6 паунда (8 кг), всеки с обхват от около 2, 5 мили (4 км). Ние разгледахме редица технологии за батерии и горива, но се фокусирахме върху батерии на базата на литий за нашия основен случай, тъй като точно това захранва повечето актуални електрически дронове.
Сравняване на емисиите
Въпреки че се бори с гравитацията, за да се задържи на височина, електрическият дрон използва много по-малко енергия на километър, отколкото тежкотоварен камион за доставка на стомана, който гори дизелово гориво. Но камионът или микробусът може да превозва много опаковки наведнъж, така че енергийните нужди и въздействието върху околната среда трябва да бъдат разпределени за всеки пакет.
Различните превозни средства могат да работят на дизел, природен газ, електричество или бензин, всяко с различни характеристики на енергията и емисиите. Включихме и екологичните ефекти от производството на тези горива и от производството на електрически акумулатори на превозни средства. Енергията, необходима за превръщането на суровия петрол в дизелово гориво, може да добави още 20 процента или повече парникови газове към количеството, генерирано при изгарянето на горивото. И докато производството на батерии се подобрява, производството на батерии все още генерира въглероден диоксид.
Тогава изчислихме количеството на емисиите на парникови газове. Изгарянето на галон дизелово гориво отделя около 10 кг въглероден диоксид, но емисиите от електроенергия варират в зависимост от региона, в зависимост от това как се генерира. Някои райони изгарят повече въглища и природен газ, за да генерират енергия, докато други имат по-малко изкопаеми горива и разчитат повече на ядрена, хидроенергийна, вятърна и слънчева енергия.
Като цяло производството на електроенергия в САЩ с времето става по-чисто. За да покажем обхвата на енергийните нужди и въздействието върху околната среда, обърнахме специално внимание на Калифорния, която има нисковъглеродна мрежа, и Мисури, който е в регион, който е с въглерод.
Допълнителни складове?
Освен това, за да обслужват дронове с ограничен обхват, компаниите ще трябва да променят начина, по който техните системи за доставка използват енергия. Дроновете можеха да транспортират предмети в няколко крака, почти като Pony Express или сценични карета правеха с коне в ранните дни на американския Запад. Или, както Amazon тества, по-малките местни складове могат да обслужват ключови дестинации за доставка в рамките на обхвата на дроновете.
Изчислихме, че обслужването на град Сан Франциско ще изисква около четири градски склада с дронни бази. За да покрият по-голямата зона на залива, ще са необходими десетки нови складове, всеки от които се нуждае от електричество и потенциално природен газ, за да работи, както и други складове. Включихме това допълнително използване на енергия в нашите оценки.
Малката доставка на дронове може да спести емисии
Комбинирайки всички фактори, открихме, че доставката на пакети с малки дронове може да бъде по-добра за околната среда, отколкото доставката с камиони. Средно в САЩ доставката на пакет с камиони води до около 1 кг емисии на парникови газове. В Калифорния доставката на дронове на малък пакет би довела до около 0, 42 кг парникови газове. Това е икономия на 54 процента от 0, 92 кг парникови газове, свързани с пакет, доставен с камион в това състояние. В интензивната на въглерод Мисури подобрението ще бъде по-малко - само с 23% намаление - но все пак по-добро.
Малките дронове бяха по-добри от всеки камион или микробус, независимо дали се задвижват от дизелово гориво, бензин, природен газ или дори електричество.
Нашите открития за по-големи дронове бяха по-малко ясни. Те бяха с 9 процента по-добри от дизеловите камиони, когато бяха в Калифорния, но много по-лоши, когато бяха заредени в Мисури. Тъй като големите дронове се нуждаят от повече киловатчаса, за да прелетят една миля, въглеродният интензитет на електричеството наистина има значение за големите дронове. Дори на места, където обикновено се генерира енергия от чисти източници, вероятно е по-добре да се доставят по-големи пакети с електрически микробуси или електрически камиони, а не с големи дронове, заради допълнителната складова енергия, необходима за дронове.
Но ако сте забравили тази съществена съставка за тази вечеря, нашите открития предполагат, че е много по-добре хранителният магазин да ви го изпрати с дрон, отколкото да вземете колата си до магазина и обратно.
Следващи стъпки за устойчивост
Както всеки енергиен модел, нашите оценки могат да се променят в зависимост от използваните предположения. Количеството пространство, необходимо за съхраняване на пакети за дронове, и колко енергия използват дронове, са важни фактори, както и въглеродният отпечатък на използваната електроенергия. В нашия документ проучваме как резултатите се променят при различни предположения.
За наземните превозни средства най-добрите начини за подобряване на ефективността включват увеличаване на броя на пакетите, доставени на километър, или преминаване към електрически камиони или микробуси.
Тъй като все повече компании започват да използват дронове, доставката на пакети ще бъде една от техните задачи. За да увеличат максимално потенциалните ползи за околната среда, компаниите трябва да се съсредоточат върху използването на по-малки дронове, заредени с нисковъглеродна електроенергия, за да доставят леки пакети, както и върху ограничаване на това колко складово пространство е отделено за обслужване на дронове за доставка. По-тежките пакети вероятно са най-подходящи за ефективни, често електрически наземни превозни средства. Най-големите печалби ще дойдат от подобряване на енергийната ефективност на складовете и, най-важното, намаляване на количеството електроенергия, генерирано от въглерод-интензивни горива. Сега просто трябва да направим нещо за шума от всички тези витла над главата.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Константин Самарас, асистент по строително и екологично инженерство, университет Карнеги Мелън
Джошуа Столаров, учен по околната среда, Национална лаборатория на Лорънс Ливърмор
