In den USA sind mehr als 1 Million Drohnen registriert. Die meisten davon gehören Leuten, die sie zum Spaß fliegen, aber immer mehr werden kommerziell eingesetzt. Unternehmen wie Amazon, UPS, Google und DHL suchen bereits nach Möglichkeiten, Pakete mit Drohnen anstelle von LKWs auszuliefern. Unsere neue Forschung hat gemessen, wie diese Verschiebung die Art und Weise, wie die USA Energie verbrauchen, und die daraus resultierenden Umweltauswirkungen verändern würde.
Wir haben festgestellt, dass in einigen Fällen der Einsatz von elektrisch angetriebenen Drohnen anstelle von dieselbetriebenen Lastkraftwagen oder Lieferwagen den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen senken kann. In anderen Fällen wäre es jedoch effizienter und sauberer, Lastkraftwagen zu verwenden, insbesondere solche mit Elektroantrieb.
Der US-amerikanische Elektrizitätssektor hat schnell auf die Stromerzeugung mit weniger Treibhausgasemissionen umgestellt. Der Transport wird jedoch noch weitgehend von Kraftstoffen aus Öl angetrieben und ist heute die größte Quelle für Treibhausgasemissionen in den USA. Etwa ein Viertel der Transportemissionen, das entspricht 415 Millionen Tonnen Kohlendioxid, stammt aus mittel- und Duty Trucks, die Art von Fahrzeugen, die Waren an Lagerhäuser, Unternehmen und Verbraucherhäuser liefern.
Die Reduzierung des LKW-Bedarfs durch die Lieferung einiger Pakete mit elektrischen Drohnen könnte Treibstoff und möglicherweise Kohlenstoffemissionen einsparen. Wir haben modelliert, wie viel Energie die Lieferung von Drohnen verbrauchen würde und wie sich dies von der Art und Weise unterscheidet, wie Pakete jetzt geliefert werden.
Den Energieverbrauch einer Drohne finden
Zunächst untersuchte unser Team, das vom Lawrence Livermore National Laboratory geleitet wurde und an dem Forscher der Carnegie Mellon University, von SRI International und der University of Colorado-Boulder teilnahmen, den Energieverbrauch von Drohnen im Quadcopter- und Octocopter-Stil mit unterschiedlichen Nutzlasten. Die Menge an Energie, die eine Drohne verbraucht, hängt davon ab, wie schwer die Drohne selbst ist, welche Batterien und welche Pakete sie trägt - und von anderen Faktoren, einschließlich der Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegt und den Windbedingungen.
Um eine Gesamtschätzung vorzunehmen, haben wir uns für eine Quadcopter-Drohne entschieden, die ein Paket von 0, 5 kg (1, 1 Pfund) liefern kann, und eine Octocopter-Drohne, die ein Paket von 8 kg (17, 6 Pfund) liefern kann, mit einer Reichweite von jeweils etwa 2, 5 Meilen (4 km). Wir haben eine Reihe von Batterietechnologien und Kraftstoffen in Betracht gezogen, uns jedoch auf Lithium-Batterien für unser Basisgehäuse konzentriert, da dies die meisten aktuellen elektrischen Drohnen antreibt.
Emissionen vergleichen
Obwohl es der Schwerkraft entgegen geht, in der Luft zu bleiben, verbraucht eine elektrische Drohne viel weniger Energie pro Meile als ein schwerer Lieferwagen aus Stahl, der Dieselkraftstoff verbrennt. Ein Lieferwagen oder Van kann jedoch viele Pakete gleichzeitig transportieren, sodass der Energiebedarf und die Umwelteinflüsse auf jedes Paket aufgeteilt werden müssen.
Verschiedene Lieferfahrzeuge können mit Diesel, Erdgas, Elektrizität oder Benzin mit unterschiedlichen Energie- und Emissionsmerkmalen betrieben werden. Wir berücksichtigten auch die Umweltauswirkungen der Herstellung dieser Kraftstoffe und der Batterien für Elektrofahrzeuge. Die Energie, die benötigt wird, um Rohöl in Dieselkraftstoff umzuwandeln, kann die Menge, die beim Verbrennen des Kraftstoffs entsteht, um weitere 20 Prozent oder mehr Treibhausgase erhöhen. Und während sich die Batterieherstellung verbessert, wird bei der Herstellung von Batterien immer noch Kohlendioxid erzeugt.
Dann haben wir die Menge der ausgestoßenen Treibhausgase berechnet. Das Verbrennen einer Gallone Dieselkraftstoff stößt ungefähr 10 kg Kohlendioxid aus, die Emissionen von Elektrizität variieren jedoch je nach Region, je nachdem, wie sie erzeugt werden. Einige Gebiete verbrennen mehr Kohle und Erdgas, um Strom zu erzeugen, während andere weniger fossile Brennstoffe haben und mehr auf Atom-, Wasser-, Wind- und Sonnenenergie setzen.
Generell wird die Stromerzeugung in den USA mit der Zeit sauberer. Um den unterschiedlichen Energiebedarf und die Auswirkungen auf die Umwelt aufzuzeigen, haben wir besonderes Augenmerk auf Kalifornien gelegt, das über ein kohlenstoffarmes Netz verfügt, und auf Missouri, das sich in einer kohlenstoffintensiven Region befindet.
Zusätzliche Lager?
Um Drohnen mit begrenzter Reichweite zu versorgen, müssten Unternehmen außerdem den Energieverbrauch ihrer Versorgungssysteme ändern. Drohnen konnten Gegenstände in mehreren Beinen transportieren, fast wie der Pony Express oder Postkutschen mit Pferden in den frühen Tagen des amerikanischen Westens. Oder, wie Amazon testet, kleinere lokale Lager könnten wichtige Lieferziele innerhalb der Reichweite der Drohnen bedienen.
Wir errechneten, dass für die Versorgung der Stadt San Francisco etwa vier städtische Lagerhäuser mit Drohnenbasen erforderlich wären. Um die größere Bay Area abzudecken, wären Dutzende neuer Lagerhäuser erforderlich, die wie andere Lagerhäuser Strom und möglicherweise Erdgas benötigen. Wir haben diesen zusätzlichen Energieverbrauch in unsere Schätzungen einbezogen.
Kleine Drohnenlieferungen können Emissionen einsparen
In Kombination aller Faktoren haben wir festgestellt, dass die Paketzustellung mit kleinen Drohnen besser für die Umwelt ist als die Zustellung mit Lastwagen. In den USA verursacht die Auslieferung eines Pakets per LKW im Durchschnitt etwa 1 kg Treibhausgasemissionen. In Kalifornien würde die Drohnenlieferung eines kleinen Pakets zu etwa 0, 42 kg Treibhausgasemissionen führen. Das ist eine Einsparung von 54 Prozent gegenüber den 0, 92 kg Treibhausgasen, die mit einem Paket verbunden sind, das per LKW in diesem Zustand geliefert wird. Im kohlenstoffintensiven Missouri wäre die Verbesserung geringer - nur 23 Prozent weniger - aber immer noch besser.
Kleine Drohnen waren besser als jeder Lastwagen oder Lieferwagen, egal ob Diesel, Benzin, Erdgas oder sogar Strom.
Unsere Erkenntnisse über größere Drohnen waren weniger eindeutig. Sie waren in Kalifornien 9 Prozent besser als Dieselfahrzeuge, in Missouri jedoch viel schlechter. Da große Drohnen mehr Kilowattstunden benötigen, um eine Meile zu fliegen, ist die Kohlenstoffintensität von Elektrizität für große Drohnen von entscheidender Bedeutung. Selbst an Orten, an denen Energie normalerweise aus sauberen Quellen erzeugt wird, ist es wahrscheinlich besser, größere Pakete mit elektrischen Lieferwagen oder elektrischen Lastwagen zu liefern, als mit großen Drohnen, da für Drohnen zusätzliche Lagerenergie benötigt wird.
Aber wenn Sie diese wichtige Zutat für das heutige Abendessen vergessen haben, ist es nach unseren Erkenntnissen viel besser, wenn das Lebensmittelgeschäft sie Ihnen per Drohne zusendet, als wenn Sie Ihr Auto zum Geschäft und zurück bringen.
Nächste Schritte zur Nachhaltigkeit
Wie bei jedem Energiemodell können sich unsere Schätzungen in Abhängigkeit von den verwendeten Annahmen ändern. Der Platzbedarf für die Lagerung von Drohnenpaketen und der Verbrauch von Energiedrohnen sind wichtige Faktoren, ebenso wie der CO2-Fußabdruck des verwendeten Stroms. In unserer Arbeit untersuchen wir, wie sich die Ergebnisse unter verschiedenen Annahmen ändern.
Bei Bodenlieferfahrzeugen besteht die beste Möglichkeit zur Verbesserung der Effizienz darin, die Anzahl der pro Meile gelieferten Pakete zu erhöhen oder auf elektrische Lieferwagen oder Lieferwagen umzusteigen.
Da immer mehr Unternehmen Drohnen einsetzen, wird die Paketzustellung eine ihrer Aufgaben sein. Um die potenziellen Umweltvorteile zu maximieren, sollten sich Unternehmen darauf konzentrieren, kleinere Drohnen mit kohlenstoffarmer Elektrizität für die Lieferung von leichten Paketen zu verwenden und zu begrenzen, wie viel Lagerfläche für die Lieferung von Drohnen vorgesehen ist. Schwerere Pakete eignen sich wahrscheinlich am besten für effiziente, häufig elektrische Bodenlieferfahrzeuge. Die größten Gewinne werden durch die Verbesserung der Energieeffizienz von Lagern und vor allem durch die Reduzierung der aus kohlenstoffintensiven Brennstoffen erzeugten Strommenge erzielt. Jetzt müssen wir nur noch etwas gegen den Lärm all dieser Propeller unternehmen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Constantine Samaras, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, Umweltwissenschaftler, Lawrence Livermore National Laboratory
