米国には100万以上のドローンが登録されています。それらのほとんどは、楽しみのために飛行する人のものですが、商業的に使用されるドローンは増え続けています。 Amazon、UPS、Google、DHLなどの企業は、トラックの代わりにドローンを使って荷物を配達する方法をすでに模索しています。 私たちの新しい研究では、その変化が米国のエネルギー使用方法をどのように変化させるか、および結果として生じる環境への影響を測定しました。
場合によっては、ディーゼル駆動のトラックやバンではなく電動ドローンを使用すると、エネルギー使用量と温室効果ガスの排出量を削減できることがわかりました。 しかし、他のケースでは、特に電動のトラックを使用すると、より効率的でクリーンになります。
米国の電力部門は、温室効果ガスの排出量が少ない発電に急速に移行しています。 しかし、輸送の大部分は依然として石油で作られた燃料で賄われており、現在、米国で最大の温室効果ガス排出源となっています。輸送排出量の約4分の1、4億1500万トンの二酸化炭素は、トラック、倉庫、企業、消費者の家に貨物を配送する種類の車両。
電気ドローンを搭載した一部のパッケージを配送することにより、トラック輸送の必要性を減らすと、燃料を節約でき、潜在的に炭素排出量を削減できます。 ドローンの配送に使用するエネルギー量と、現在のパッケージの配送方法との違いをモデル化しました。
ドローンのエネルギー使用量を見つける
最初に、ローレンスリバモア国立研究所、カーネギーメロン大学、SRIインターナショナル、コロラド大学ボールダーの研究者を含むチームが、異なるペイロードを搭載したクワッドコプターとオクトコプタースタイルのドローンのエネルギー使用量を測定しました。 ドローンが使用するエネルギー量は、ドローン自体の重さ、バッテリー、持ち運ぶ荷物によって異なります。また、移動速度や風の状態など、その他の要因によって異なります。
全体的な見積もりを行うために、1.1ポンド（0.5 kg）のパッケージを配達できるクアッドコプタードローンと、それぞれ約2.5マイルの範囲の17.6ポンド（8 kg）のパッケージを配達できるオクトコプタードローンに決めました。 （4 km）。 さまざまなバッテリーテクノロジーと燃料を検討しましたが、ベースケースにはリチウムベースのバッテリーに焦点を当てました。これが現在のほとんどの電気ドローンの動力源であるためです。
排出物の比較
重力を上空にとどめるために戦っていますが、電気ドローンは、ディーゼル燃料を燃やす重いスチール製の配達用トラックよりもはるかに少ないマイルあたりのエネルギーを使用しています。 しかし、配達用トラックまたはバンは一度に多くの荷物を運ぶことができるため、エネルギーのニーズと環境への影響を荷物ごとに割り当てる必要があります。
さまざまな配送車両がディーゼル、天然ガス、電気、またはガソリンで走行でき、それぞれがさまざまなエネルギーおよび排出特性を備えています。 また、これらの燃料を作ることと電気自動車のバッテリーを作ることの環境への影響も含めました。 原油をディーゼル燃料に変えるのに必要なエネルギーは、燃料が燃えたときに生成される量に温室効果ガスの20％以上を追加する可能性があります。 バッテリーの製造は改善されていますが、バッテリーを製造すると二酸化炭素が発生します。
次に、排出された温室効果ガスの量を計算しました。 1ガロンのディーゼル燃料を燃やすと約10 kgの二酸化炭素が排出されますが、電気からの排出は地域によって異なり、その生成方法によって異なります。 石炭や天然ガスを燃やして発電する地域もあれば、化石燃料が少なく、原子力、水力、風力、太陽光発電に依存している地域もあります。
一般に、米国の発電は時間の経過とともにクリーンになっています。 エネルギーのニーズと環境への影響の範囲を示すために、低炭素グリッドを持つカリフォルニア州と、炭素集約型地域にあるミズーリ州に特に注意を払いました。
余分な倉庫？
さらに、限られた範囲の無人機にサービスを提供するために、企業は配送システムのエネルギー使用方法を変更する必要があります。 無人偵察機は、ポニーエクスプレスやアメリカ西部の初期の馬で行われた馬車のように、複数の脚でアイテムを輸送できました。 または、Amazonがテストしているように、小規模な地元の倉庫が無人偵察機の範囲内で主要な配送先にサービスを提供する可能性があります。
サンフランシスコ市にサービスを提供するには、ドローン基地を備えた約4つの都市倉庫が必要であると計算しました。 より大きなベイエリアをカバーするには、他の倉庫と同じように、それぞれが稼働するために電気と潜在的に天然ガスを必要とする数十の新しい倉庫が必要になります。 この追加のエネルギー使用量を見積もりに含めました。
小型ドローンの配送で排出量を削減
すべての要因を組み合わせて、小型ドローンを使用した荷物の配達は、トラックによる配達よりも環境に優れていることがわかりました。 米国では、平均して、荷物をトラックで配達すると、約1 kgの温室効果ガスが排出されます。 カリフォルニアでは、小さな荷物をドローンで配送すると、約0.42 kgの温室効果ガスが排出されます。 これは、同州のトラックで配送される荷物に関連する0.92 kgの温室効果ガスから54％の節約になります。 炭素を多用するミズーリ州では、改善はわずかであり、わずか23％の削減ですが、それでも改善されます。
小型燃料は、ディーゼル燃料、ガソリン、天然ガス、さらには電気で駆動するかどうかにかかわらず、どのトラックやバンよりも優れていました。
大型ドローンに関する我々の発見はあまり明確ではありませんでした。 カリフォルニアでは、ディーゼルトラックよりも9％優れていましたが、ミズーリ州で充電すると、さらに悪化しました。 大型ドローンは1マイルを飛行するのにより多くのキロワット時を必要とするため、電気の炭素強度は大型ドローンにとって本当に重要です。 エネルギーが一般的にクリーンなソースから生成される場所でさえ、ドローンには余分な倉庫エネルギーが必要なため、大型ドローンよりも電動バンまたは電気トラックで大型パッケージを配送する方がおそらく良いでしょう。
しかし、今晩の夕食の必須成分を忘れてしまった場合、私たちの調査結果は、あなたの車を店に持って帰るよりも、食料品店にドローンで送ってもらう方がはるかに良いことを示唆しています。
持続可能性のための次のステップ
他のエネルギーモデルと同様に、推定値は使用される仮定に応じて変化する可能性があります。 ドローン用のパッケージを保管するために必要なスペースの量、およびドローンの使用量は、使用される電気の二酸化炭素排出量と同様に重要な要素です。 この論文では、異なる仮定の下で結果がどのように変化するかを探ります。
地上配送車両の場合、効率を改善する最善の方法は、1マイルあたりに配送される荷物の数を増やすか、電気配送トラックまたはバンに切り替えることです。
多くの企業がドローンの使用を開始するにつれて、小包配達は彼らのタスクの1つになります。 潜在的な環境上のメリットを最大化するには、企業は、低炭素電力で充電された小型ドローンを使用して軽量パッケージを配送し、配送ドローンを提供するための専用の倉庫スペースを制限することに集中する必要があります。 より重いパッケージは、効率的な、多くの場合電気式の地上配送車両に最適です。 最大の利益は、倉庫のエネルギー効率を改善し、決定的には、炭素を大量に消費する燃料から生成される電力量を削減することからもたらされます。 今、私たちは頭上のそれらすべてのプロペラの騒音について何かをしなければなりません。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
コンスタンティン・サマラス、カーネギーメロン大学、土木環境工学助教授
ローレンス・リバモア国立研究所環境科学者、ジョシュア・ストラロフ
