В США зарегистрировано более 1 миллиона беспилотных летательных аппаратов. Большинство из них принадлежат людям, управляющим ими ради забавы, но все больше их используют в коммерческих целях. Такие компании, как Amazon, UPS, Google и DHL, уже изучают способы доставки посылок с дронами вместо грузовиков. Наше новое исследование измеряет, как этот сдвиг изменит то, как США используют энергию, и как это повлияет на окружающую среду.
Мы обнаружили, что в некоторых случаях использование беспилотных летательных аппаратов с электроприводом вместо дизельных грузовиков или микроавтобусов может снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов. Но в других случаях использование грузовых автомобилей, особенно электрических, было бы более эффективным и более чистым.
Электроэнергетический сектор США быстро переходит на производство электроэнергии с меньшими выбросами парниковых газов. Но транспорт все еще в значительной степени работает на топливе, произведенном из нефти, и в настоящее время является крупнейшим источником выбросов парниковых газов в США. Около четверти выбросов от транспорта, что эквивалентно 415 миллионам метрических тонн углекислого газа, происходит от средних и тяжелых выбросов. грузовые автомобили, виды транспортных средств, которые доставляют грузы на склады, предприятия и дома потребителей.
Снижение потребности в перевозках за счет доставки некоторых пакетов с электрическими дронами может сэкономить топливо и, возможно, выбросы углерода. Мы смоделировали, сколько энергии будет использовать доставка дронов, и как это будет отличаться от способов доставки пакетов сейчас.
Нахождение беспилотного использования энергии
Во-первых, наша команда, возглавляемая Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса и включающая в себя исследователей из Университета Карнеги-Меллона, SRI International и Университета Колорадо-Боулдер, измерила энергопотребление беспилотных аппаратов типа квадрокоптера и октокоптера, несущих различные полезные нагрузки. Количество энергии, которую использует беспилотник, зависит от того, насколько тяжелым является сам беспилотник, его аккумуляторы и какие пакеты он несет, а также другие факторы, в том числе скорость его движения и условия ветра.
В целях общей оценки мы остановились на беспилотнике-квадрокоптере, способном доставить посылку весом 1, 1 фунта (0, 5 кг), и беспилотном вертолете, способном доставить посылку весом 17, 6 фунта (8 кг), каждый с дальностью около 2, 5 миль. (4 км). Мы рассмотрели ряд аккумуляторных технологий и видов топлива, но сосредоточились на литиевых батареях для нашего базового варианта, потому что это то, что питает большинство современных электрических дронов.
Сравнение выбросов
Несмотря на то, что он борется с гравитацией, чтобы оставаться в воздухе, электрический беспилотник потребляет гораздо меньше энергии на милю, чем тяжелый стальной грузовик, работающий на дизельном топливе. Но грузовик или фургон могут перевозить много упаковок одновременно, поэтому энергетические потребности и воздействие на окружающую среду должны быть распределены по каждой упаковке.
Различные транспортные средства могут работать на дизеле, природном газе, электричестве или бензине, каждый с различными энергетическими характеристиками и характеристиками выбросов. Мы также включили воздействие этих видов топлива на окружающую среду и производство аккумуляторов для электромобилей. Энергия, необходимая для превращения сырой нефти в дизельное топливо, может добавить еще 20 процентов или более парниковых газов к количеству, образующемуся при сжигании топлива. И хотя производство аккумуляторов улучшается, производство аккумуляторов все еще генерирует углекислый газ.
Затем мы рассчитали количество выбросов парниковых газов. При сжигании галлона дизельного топлива выделяется около 10 кг углекислого газа, но выбросы от электричества варьируются в зависимости от региона, в зависимости от того, как оно генерируется. Некоторые районы сжигают больше угля и природного газа для выработки электроэнергии, в то время как другие имеют меньше ископаемого топлива и больше полагаются на атомную, гидроэнергетику, энергию ветра и солнечную энергию.
В целом, производство электроэнергии в США со временем становится чище. Чтобы показать диапазон потребностей в энергии и воздействия на окружающую среду, мы уделили особое внимание Калифорнии, которая имеет низкоуглеродистую сеть, и Миссури, которая находится в регионе с интенсивным выбросом углерода.
Дополнительные склады?
Кроме того, чтобы обслуживать беспилотники с ограниченным радиусом действия, компаниям придется изменить способ использования энергии в своих системах доставки. Дроны могли перевозить предметы несколькими ногами, почти как Pony Express или дилижанс с лошадьми в ранние времена на американском Западе. Или, как Amazon тестирует, небольшие локальные склады могут обслуживать ключевые пункты назначения в пределах диапазона дронов.
Мы рассчитали, что для обслуживания города Сан-Франциско потребуется около четырех городских складов с базами беспилотников. Чтобы покрыть большую площадь залива, потребуются десятки новых складов, каждый из которых нуждается в электричестве и, возможно, в природном газе для работы, как и другие склады. Мы включили это дополнительное использование энергии в наши оценки.
Небольшая доставка беспилотников может сэкономить выбросы
Сочетая все факторы, мы обнаружили, что доставка посылок с небольшими беспилотниками может быть лучше для окружающей среды, чем доставка грузовиками. В среднем в США при доставке пакета автотранспортом получается около 1 кг выбросов парниковых газов. В Калифорнии доставка беспилотником небольшой упаковки приведет к выбросам около 0, 42 кг парниковых газов. Это экономия 54% по сравнению с 0, 92 кг парниковых газов, связанных с пакетом, доставленным грузовиком в этом штате. В углеродоемких Миссури улучшение будет меньше - всего на 23 процента - но все же лучше.
Маленькие беспилотники были лучше, чем любой грузовик или фургон, будь то на дизельном топливе, бензине, природном газе или даже электричестве.
Наши выводы о больших беспилотниках были менее четкими. Они были на 9 процентов лучше, чем дизельные грузовики в Калифорнии, но намного хуже, когда их заряжали в Миссури. Поскольку большим беспилотникам нужно больше киловатт-часов, чтобы пролететь милю, углеродная интенсивность электричества действительно имеет значение для больших беспилотников. Даже в те места, где энергия обычно генерируется из чистых источников, вероятно, лучше доставлять большие пакеты с электрическими фургонами или электрическими грузовиками, а не с большими дронами из-за дополнительной складской энергии, необходимой для беспилотных летательных аппаратов.
Но если вы забыли этот важный ингредиент для сегодняшнего ужина, наши результаты показывают, что гораздо лучше, чтобы продуктовый магазин отправлял его вам дроном, а не доставлял вашу машину в магазин и обратно.
Следующие шаги для устойчивости
Как и любая энергетическая модель, наши оценки могут меняться в зависимости от используемых допущений. Важными факторами являются объем пространства, необходимого для хранения пакетов для беспилотных летательных аппаратов, и количество используемых ими беспилотных летательных аппаратов, а также углеродный след используемой электроэнергии. В нашей статье мы исследуем, как результаты меняются при разных предположениях.
Для наземных транспортных средств наилучшие способы повышения эффективности включают увеличение количества посылок на милю или переключение на электрические грузовики или фургоны.
Поскольку все больше компаний начинают использовать беспилотники, одной из их задач будет доставка посылок. Чтобы максимизировать потенциальные выгоды для окружающей среды, компании должны сосредоточиться на использовании небольших беспилотных летательных аппаратов, заряженных низкоуглеродным электричеством, для доставки легких пакетов, а также на ограничении того, сколько места на складе отводится для доставки беспилотных летательных аппаратов. Более тяжелые упаковки, вероятно, лучше всего подходят для эффективных, часто электрических, наземных транспортных средств доставки. Наибольшие выгоды принесут повышение энергоэффективности складов и, что особенно важно, уменьшение количества электроэнергии, вырабатываемой из углеродоемких видов топлива. Теперь нам просто нужно что-то сделать с шумом всех этих винтов над головой.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Константин Самарас, доцент кафедры гражданского и экологического проектирования, Университет Карнеги-Меллона
Джошуа Столарофф, ученый-эколог, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса
