U SAD-u je registrirano više od milijun bespilotnih letjelica. Većina njih pripada ljudima koji ih lete zbog zabave, ali sve veći broj ih se komercijalno koristi. Tvrtke uključujući Amazon, UPS, Google i DHL već istražuju načine isporuke paketa s dronovima umjesto kamiona. Naše novo istraživanje mjerilo je kako će se taj pomak promijeniti kako SAD koristi energiju i rezultirajući utjecaj na okoliš.
Otkrili smo da u nekim slučajevima uporaba dronova na električni pogon, a ne dizelaša ili kombija može smanjiti potrošnju energije i emisiju stakleničkih plinova. Ali u drugim bi slučajevima upotreba kamiona - posebno onih na električni pogon - bila učinkovitija i čišća.
Američki sektor električne energije naglo prelazi na proizvodnju električne energije s manjom emisijom stakleničkih plinova. Ali prijevoz je još uvijek u velikoj mjeri pogonjen naftom i sada je najveći izvor emisije stakleničkih plinova u SAD-u. Oko četvrtine transportnih emisija, što iznosi 415 milijuna tona ugljičnog dioksida, proizlazi iz srednjih i teških teretna vozila, vrste vozila koja isporučuju teret do skladišta, poduzeća i kućica potrošača.
Smanjenje potrebe za kamionom isporukom nekih paketa s električnim bespilotnim letjelicama moglo bi uštedjeti gorivo i potencijalno emisiju ugljika. Modelirali smo koliko će energije isporučivati bespilotne letjelice i kako bi se to razlikovalo od načina isporuke paketa sada.
Pronalaženje potrošnje drona
Prvo, naš tim - predvođen Nacionalnom laboratorijom Lawrence Livermore, uključujući istraživače sa Sveučilišta Carnegie Mellon, SRI International i Sveučilišta Colorado-Boulder - mjerio je potrošnju energije dronova u stilu quadcoptera i oktokoptera koji nose različite korisne nosivosti. Količina energije koju bespilotni zrakoplov koristi ovisi o težini samog drona, baterijama i paketima koje nosi - kao i drugim faktorima, uključujući brzinu kretanja i uvjete vjetra.
Za potrebe ukupne procjene, smjestili smo se na quadcopter bespilotnu letjelicu sposobnu isporučiti paket od 1, 1 kilograma (0, 5 kg) i drong oktokopter koji može isporučiti paket od 8, 6 funti (8 kg), svaki u rasponu od oko 2, 5 milje (4 km). Razmatrali smo niz tehnologija baterija i goriva, ali fokusirali smo se na litijeve baterije za naš osnovni slučaj, jer upravo to pokreće najaktuelnije električne dronove.
Usporedba emisija
Iako se bori s gravitacijom kako bi ostao po visini, električni bespilotni zrakoplov troši mnogo manje energije po kilometru od teškog kamiona za dostavu čelika koji gori dizelsko gorivo. Međutim, kamion ili kombi može prevoziti više paketa odjednom, tako da treba potrošiti energiju i utjecaj na okoliš po paketu.
Različita dostavna vozila mogu se pokretati na dizel, prirodni plin, električnu energiju ili benzin, svaki s različitim energetskim i emisijskim karakteristikama. Uključili smo i utjecaje na okoliš izrade tih goriva i proizvodnje električnih akumulatora. Potrebna energija za pretvaranje sirove nafte u dizelsko gorivo može dodati dodatnih 20 posto stakleničkih plinova količini nastaloj izgaranjem goriva. I dok se proizvodnja baterija poboljšava, izrada baterija i dalje stvara ugljični dioksid.
Zatim smo izračunali količinu ispuštenih stakleničkih plinova. Sagorijevanje galona dizelskim gorivom emitira oko 10 kg ugljičnog dioksida, ali emisije iz električne energije variraju ovisno o regiji, ovisno o tome kako nastaje. Neka područja sagorijevaju više ugljena i prirodnog plina za proizvodnju energije, dok druga imaju manje fosilnih goriva i više se oslanjaju na nuklearnu, hidroenergiju, vjetar i solarnu energiju.
Općenito, proizvodnja električne energije u SAD-u vremenom je čišća. Kako bismo pokazali raspon energetskih potreba i utjecaja na okoliš, posebnu smo pozornost posvetili Kaliforniji koja ima mrežicu s niskim udjelom ugljika i Missouriju koji se nalazi u regiji koja ima velike emisije ugljika.
Dodatna skladišta?
Pored toga, kako bi poslužile bespilotne letjelice ograničenog dometa, tvrtke bi morale promijeniti način na koji njihovi sustavi za isporuku troše energiju. Dronovi su mogli prevoziti predmete u više nogu, gotovo kao Pony Express ili scenski treneri s konjima u ranim danima američkog Zapada. Ili, dok Amazon ispituje, manja lokalna skladišta mogla bi poslužiti ključna odredišta za dostavu unutar raspona dronova.
Proračunali smo da će za posluživanje grada San Francisca trebati oko četiri gradska skladišta s dronovima. Da bi se obuhvatilo veće područje zaljeva, trebat će deseci novih skladišta, od kojih je svakom potrebno električna energija i potencijalno prirodni plin, kao i druga skladišta. Uključili smo ovu dodatnu potrošnju energije u naše procjene.
Mala isporuka bespilotnih dronova može uštedjeti emisiju
Kombinirajući sve čimbenike, otkrili smo da dostava paketa s malim bespilotnim letjelicama može biti bolja za okoliš od isporuke kamionima. U prosjeku u SAD-u isporuka paketa kamiona rezultira sa oko 1 kg stakleničkih plinova. U Kaliforniji, isporuka droga malog paketa rezultirala bi oko 0, 42 kg emisije stakleničkih plinova. To je ušteda od 54 posto od 0, 92 kg stakleničkih plinova povezanih s paketom dostavljenim kamionom u toj državi. U Missouriju s puno ugljika poboljšanje bi bilo manje - samo smanjenje od 23 posto -, ali ipak bolje.
Mali bespilotni dronovi bili su bolji od bilo kojeg kamiona ili kombija, bilo da su pogonjeni dizelskim gorivom, benzinom, prirodnim plinom ili čak električnom energijom.
Naša otkrića većih dronova bila su manje jasna. Bili su 9 posto bolji nego kod dizelskih kamiona kad su bili u Kaliforniji, ali i puno gore kad su naplaćeni u Missouriju. Budući da velikim dronovima treba više kilovat-sati da prelete kilometrinu, za velike bespilotne letjelice uistinu je bitan intenzitet ugljika električne energije. Čak i na mjestima gdje se energija obično proizvodi iz čistih izvora, vjerojatno je bolje isporučiti veće pakete s električnim kombijima ili električnim kamionima, a ne velikim dronovima, zbog dodatne skladišne energije potrebne za dronove.
Ali ako ste zaboravili taj bitni sastojak večerašnje večere, naša otkrića sugeriraju da je mnogo bolje da nam prodavaonicu hrane pošalje dronom, nego da svoj automobil odnesete u trgovinu i natrag.
Sljedeći koraci za održivost
Kao i svaki energetski model, i naše se procjene mogu mijenjati ovisno o korištenim pretpostavkama. Količina prostora koja je potrebna za spremanje paketa za bespilotne letelice te količina energije koju dronovi troše važni su čimbenici, kao i ugljični otisak korištene električne energije. U našem radu istražujemo kako se rezultati mijenjaju pod različitim pretpostavkama.
Za zemaljska dostavna vozila najbolji su načini za poboljšanje učinkovitosti povećanje broja isporučenih paketa na milju ili prelazak na električne dostavne kamione ili kombije.
Kako sve više tvrtki počinje koristiti dronove, isporuka paketa bit će im jedan od zadataka. Kako bi se maksimizirale potencijalne prednosti za okoliš, tvrtke bi se trebale usredotočiti na korištenje manjih dronova nabijenih nisko-ugljičnom električnom energijom za isporuku lakih paketa i na ograničavanje prostora skladišta namijenjenog posluživanju bespilotnih dronova. Teži paketi vjerojatno su najprikladniji za učinkovita, često električna, prizemna vozila. Najveći dobitak dobit će se poboljšanjem energetske učinkovitosti skladišta i, presudno, smanjenjem količine električne energije proizvedene iz goriva sa puno ugljika. Sada moramo učiniti nešto o buci svih onih propelera iznad njih.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Constantine Samaras, docent građevinarstva i inženjerstva okoliša, Sveučilište Carnegie Mellon
Joshuah Stolaroff, znanstvenik za zaštitu okoliša, Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore
