Υπάρχουν περισσότεροι από 1 εκατομμύριο drones καταχωρημένοι στις ΗΠΑ. Οι περισσότεροι από αυτούς ανήκουν σε άτομα που τα φέρνουν για διασκέδαση, αλλά ένας αυξανόμενος αριθμός χρησιμοποιείται εμπορικά. Οι εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων των Amazon, της UPS, της Google και της DHL, ερευνούν ήδη τρόπους για την παράδοση πακέτων με αεροσκάφη αντί για φορτηγά. Η νέα μας έρευνα έχει μετρήσει πώς η αλλαγή αυτή θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι ΗΠΑ χρησιμοποιούν την ενέργεια και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν.
Διαπιστώσαμε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις η χρήση ηλεκτροκίνητων αεροσκαφών αντί για ντίζελ ή φορτηγά θα μπορούσε να μειώσει τη χρήση ενέργειας και τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου. Αλλά σε άλλες περιπτώσεις, η χρήση φορτηγών - ειδικά ηλεκτροκίνητων - θα ήταν πιο αποδοτική και καθαρότερη.
Ο αμερικανικός τομέας ηλεκτρικής ενέργειας μεταβαίνει γρήγορα στην παραγωγή ενέργειας με λιγότερες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου. Ωστόσο, οι μεταφορές εξακολουθούν να κινούνται σε μεγάλο βαθμό από τα καύσιμα που παράγονται από πετρέλαιο και είναι πλέον η μεγαλύτερη πηγή εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στις ΗΠΑ Περίπου το ένα τέταρτο των εκπομπών από τις μεταφορές, το ισοδύναμο 415 εκατομμυρίων τόνων διοξειδίου του άνθρακα, προέρχεται από μεσαίες και μεγάλες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, τα φορτηγά οχήματα, τα είδη οχημάτων που παραδίδουν τα φορτία στις αποθήκες, τις επιχειρήσεις και τα σπίτια των καταναλωτών.
Η μείωση της ανάγκης για φορτηγά με την παράδοση ορισμένων πακέτων με ηλεκτρικά drones θα μπορούσε να εξοικονομήσει καύσιμα και ενδεχομένως εκπομπές άνθρακα. Σχεδιάσαμε το μέγεθος της κατανάλωσης ενέργειας που θα χρησιμοποιούσε και πώς θα ήταν διαφορετικό από τον τρόπο παράδοσης των πακέτων τώρα.
Βρίσκοντας τη χρήση ενέργειας από το δράκο
Κατ 'αρχάς, η ομάδα μας - που διεξήχθη από το Εθνικό Εργαστήριο του Lawrence Livermore, συμπεριλαμβανομένων των ερευνητών του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, της SRI International και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο - Boulder - μέτρησε την ενεργειακή χρήση τετραγώνων και οδοντοπτέρων αεροσκαφών που μεταφέρουν διάφορα ωφέλιμα φορτία. Η ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιεί ένα drone εξαρτάται από το πόσο βαρύ είναι το ίδιο το drone, οι μπαταρίες του και οποιεσδήποτε συσκευασίες μεταφέρει - καθώς και άλλους παράγοντες, όπως το πόσο γρήγορα κινούνται και τις συνθήκες ανέμου.
Για να κάνουμε μια συνολική εκτίμηση, εγκαταστάσαμε ένα quadcopter drone ικανό να παραδώσει ένα πακέτο των 1, 1 κιλών (0, 5 κιλά) και ένα οκτοκόπτερο drone ικανό να παραδώσει πακέτο των 17, 6 λιβρών (8 κιλά), έκαστο με εύρος περίπου 2, 5 μιλίων (4χλμ.). Θεωρήσαμε μια σειρά τεχνολογιών μπαταριών και καυσίμων, αλλά εστιάσαμε στις μπαταρίες με βάση το λίθιο για τη βασική μας υπόθεση, διότι αυτό εξουσιώνει τα πιο πρόσφατα ηλεκτρικά drones.
Συγκρίνοντας τις εκπομπές
Παρόλο που καταπολεμά τη βαρύτητα να παραμείνει ψηλά, ένας ηλεκτρικός κινητήρας χρησιμοποιεί πολύ λιγότερη ενέργεια ανά μίλι από ένα βαρύ φορτηγό που παράγει καύσιμο ντίζελ. Αλλά ένα φορτηγό μεταφοράς ή ένα φορτηγό μπορεί να μεταφέρει πολλά πακέτα ταυτόχρονα, έτσι ώστε οι ενεργειακές ανάγκες και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις πρέπει να κατανέμονται ανά συσκευασία.
Διαφορετικά οχήματα παράδοσης μπορούν να λειτουργούν με πετρέλαιο ντίζελ, φυσικό αέριο, ηλεκτρικό ρεύμα ή βενζίνη, καθένα με διαφορετικά χαρακτηριστικά ενέργειας και εκπομπών. Περιελάβαμε επίσης τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την παραγωγή αυτών των καυσίμων και την κατασκευή ηλεκτρικών μπαταριών οχημάτων. Η ενέργεια που απαιτείται για να μετατρέψει το αργό πετρέλαιο σε πετρέλαιο ντίζελ μπορεί να προσθέσει άλλο 20 τοις εκατό ή περισσότερα αέρια θερμοκηπίου στο ποσό που παράγεται όταν καίγεται το καύσιμο. Και ενώ η κατασκευή της μπαταρίας βελτιώνεται, οι μπαταρίες εξακολουθούν να δημιουργούν διοξείδιο του άνθρακα.
Στη συνέχεια υπολογίσαμε την ποσότητα των εκπεμπόμενων αερίων θερμοκηπίου. Κάνοντας ένα γαλόνι καυσίμου ντίζελ εκπέμπει περίπου 10 κιλά διοξειδίου του άνθρακα, αλλά οι εκπομπές από τον ηλεκτρισμό ποικίλλουν ανάλογα με την περιοχή, ανάλογα με τον τρόπο που παράγεται. Ορισμένες περιοχές καίγονται περισσότερο άνθρακα και φυσικό αέριο για να παράγουν ενέργεια, ενώ άλλοι έχουν λιγότερα ορυκτά καύσιμα και βασίζονται περισσότερο στην πυρηνική, υδροηλεκτρική, αιολική και ηλιακή ενέργεια.
Γενικά, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ γίνεται όλο και πιο καθαρή με την πάροδο του χρόνου. Για να δείξουμε το εύρος των ενεργειακών αναγκών και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, δώσαμε ιδιαίτερη προσοχή στην Καλιφόρνια, η οποία διαθέτει δίκτυο χαμηλών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, και το Μιζούρι, το οποίο βρίσκεται σε μια περιοχή εντάσεως άνθρακα.
Επιπλέον αποθήκες;
Επιπλέον, για να εξυπηρετούν αεροσκάφη περιορισμένης εμβέλειας, οι εταιρείες θα πρέπει να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο τα συστήματα διανομής τους χρησιμοποιούν ενέργεια. Οι Drones μπορούσαν να μεταφέρουν αντικείμενα σε πολλαπλά πόδια, σχεδόν όπως το Pony Express ή οι stagecoaches έκαναν με άλογα στις πρώτες ημέρες της αμερικανικής δύσης. Ή, όπως δοκιμάζει η Amazon, οι μικρότερες τοπικές αποθήκες θα μπορούσαν να εξυπηρετήσουν προορισμούς βασικών παραδόσεων εντός της εμβέλειας των drones.
Υπολογίσαμε ότι η εξυπηρέτηση της πόλης του Σαν Φρανσίσκο θα απαιτούσε περίπου τέσσερις αστικές αποθήκες με βάσεις πυροκροτητών. Για την κάλυψη της μεγαλύτερης έκτασης του κόλπου απαιτούνται δεκάδες νέες αποθήκες, κάθε μία από τις οποίες χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια και ενδεχομένως φυσικό αέριο, όπως και άλλες αποθήκες. Περιελάβαμε αυτή την επιπλέον κατανάλωση ενέργειας στις εκτιμήσεις μας.
Η μικρή παράδοση με χρήση κυκλώματος μπορεί να εξοικονομήσει εκπομπές
Συνδυάζοντας όλους τους παράγοντες, διαπιστώσαμε ότι η παράδοση των συσκευασιών με μικρά drones μπορεί να είναι καλύτερη για το περιβάλλον από την παράδοση με φορτηγά. Κατά μέσο όρο στις ΗΠΑ, η παράδοση φορτηγών από ένα φορτηγό οδηγεί σε περίπου 1 κιλό εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Στην Καλιφόρνια, η παράδοση με μικρά πακέτα ενός μικρού πακέτου θα είχε ως αποτέλεσμα περίπου 0, 42 κιλά εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Αυτό είναι μια εξοικονόμηση 54 τοις εκατό από τα 0.92 kg των αερίων θερμοκηπίου που συνδέονται με ένα πακέτο που παραδίδεται με φορτηγό σε αυτή την κατάσταση. Σε Μιζούρι με έντονη άνθρακα η βελτίωση θα ήταν μικρότερη - μόνο μείωση 23% - αλλά ακόμα καλύτερη.
Τα μικρά αεροσκάφη ήταν καλύτερα από οποιοδήποτε φορτηγό ή φορτηγό, είτε τροφοδοτούνται με καύσιμο ντίζελ, βενζίνη, φυσικό αέριο ή και ηλεκτρισμό.
Τα ευρήματά μας σχετικά με τα μεγαλύτερα αεροσκάφη ήταν λιγότερο ξεκάθαρα. Ήταν 9 τοις εκατό καλύτερα από ό, τι από τα φορτηγά ντίζελ όταν στην Καλιφόρνια, αλλά πολύ χειρότερα όταν χρεώνονται στο Μιζούρι. Επειδή οι μεγάλοι drones χρειάζονται περισσότερες κιλοβατώρες για να πετάξουν ένα μίλι, η ένταση του άνθρακα της ηλεκτρικής ενέργειας έχει σημασία για τους μεγάλους drones. Ακόμη και σε μέρη όπου η ενέργεια παράγεται συνήθως από καθαρές πηγές, είναι πιθανότατα καλύτερα να παραδίδετε μεγαλύτερες συσκευασίες με ηλεκτρικά φορτηγά ή ηλεκτρικά φορτηγά αντί για μεγάλα αεροσκάφη, λόγω της πρόσθετης ενέργειας αποθήκης που απαιτείται για τα αεροσκάφη.
Αλλά εάν ξεχάσατε αυτό το βασικό συστατικό για το δείπνο της ημέρας, τα ευρήματά μας δείχνουν ότι είναι πολύ καλύτερο να το στείλετε στο μανάβικο με το αυτοκίνητο αντί να πάρετε το αυτοκίνητό σας στο κατάστημα και πίσω.
Επόμενα βήματα για τη βιωσιμότητα
Όπως κάθε ενεργειακό μοντέλο, οι εκτιμήσεις μας μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με τις υποθέσεις που χρησιμοποιήθηκαν. Το μέγεθος του χώρου που απαιτείται για την αποθήκευση πακέτων για τα αεροσκάφη και το μέγεθος των χρησιμοποιούμενων φορείων ενέργειας είναι σημαντικοί παράγοντες, όπως και το αποτύπωμα άνθρακα της χρησιμοποιούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Στην εργασία μας, διερευνάμε πώς αλλάζουν τα αποτελέσματα υπό διαφορετικές υποθέσεις.
Όσον αφορά τα οχήματα μεταφοράς εδάφους, οι καλύτεροι τρόποι βελτίωσης της απόδοσης περιλαμβάνουν την αύξηση του αριθμού των συσκευασιών που παραδίδονται ανά μίλι ή τη μετάβαση σε φορτηγά ή φορτηγά μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.
Καθώς περισσότερες εταιρείες αρχίζουν να χρησιμοποιούν drones, η παράδοση των πακέτων θα είναι ένα από τα καθήκοντά τους. Προκειμένου να μεγιστοποιηθούν τα πιθανά περιβαλλοντικά οφέλη, οι εταιρείες πρέπει να επικεντρωθούν στη χρήση μικρότερων αεροσκαφών φορτωμένων με ηλεκτρισμό χαμηλών εκπομπών άνθρακα για την παράδοση ελαφρών συσκευασιών και στον περιορισμό του όγκου των αποθηκών που προορίζονται για την εξυπηρέτηση των αεροσκαφών μεταφοράς. Τα βαρύτερα πακέτα είναι πιθανότατα τα πιο κατάλληλα για αποδοτικά, συχνά ηλεκτρικά, οχήματα εδάφους. Τα μεγαλύτερα οφέλη θα προκύψουν από τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των αποθηκών και, ουσιαστικά, από τη μείωση της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από καύσιμα με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα. Τώρα πρέπει να κάνουμε κάτι για το θόρυβο όλων αυτών των προπέλες γενικά.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Κωνσταντίνος Σαμαράς, Επίκουρος Καθηγητής Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon
Joshua Stolaroff, περιβαλλοντικός επιστήμονας, Εθνικό εργαστήριο Lawrence Livermore
