Ci sono più di 1 milione di droni registrati negli Stati Uniti. La maggior parte appartiene a persone che li pilotano per divertimento, ma un numero crescente viene utilizzato commercialmente. Aziende tra cui Amazon, UPS, Google e DHL stanno già esplorando modi per consegnare pacchi con droni anziché camion. La nostra nuova ricerca ha misurato come questo spostamento cambierebbe il modo in cui gli Stati Uniti usano l'energia e i conseguenti effetti ambientali.
Abbiamo scoperto che in alcuni casi l'uso di droni a propulsione elettrica anziché camion o furgoni a propulsione diesel potrebbe ridurre il consumo di energia e le emissioni di gas serra. Ma in altri casi, l'uso di camion - specialmente quelli elettrici - sarebbe più efficiente e più pulito.
Il settore elettrico americano sta rapidamente passando alla generazione di energia con minori emissioni di gas serra. Ma i trasporti sono ancora in gran parte alimentati da carburanti derivati dal petrolio ed è ora la più grande fonte di emissioni di gas serra negli Stati Uniti Circa un quarto delle emissioni dei trasporti, l'equivalente di 415 milioni di tonnellate di anidride carbonica, proviene da medie e pesanti camion di servizio, i tipi di veicoli che trasportano merci a magazzini, aziende e case dei consumatori.
Ridurre la necessità di autotrasporti consegnando alcuni pacchi con droni elettrici potrebbe risparmiare carburante e potenzialmente emissioni di carbonio. Abbiamo modellato la quantità di energia consumata dai droni e in che modo sarebbe diverso dal modo in cui i pacchetti vengono consegnati ora.
Trovare l'uso di energia di un drone
Innanzitutto, il nostro team, guidato dal Lawrence Livermore National Laboratory, e includendo ricercatori della Carnegie Mellon University, della SRI International e della University of Colorado – Boulder - ha misurato il consumo di energia dei droni quadricottero e ottagonisti che trasportano carichi utili diversi. La quantità di energia utilizzata da un drone dipende da quanto è pesante il drone stesso, dalle sue batterie e dai pacchetti che trasporta, nonché da altri fattori, tra cui la velocità di movimento e le condizioni del vento.
Ai fini di una stima complessiva, abbiamo optato per un drone quadricottero in grado di fornire un pacchetto da 0, 5 kg (1, 1 libbre) e un drone octocopter in grado di fornire un pacchetto da 8 kg (17, 6 libbre), ciascuno con un raggio di circa 2, 5 miglia (4 km). Abbiamo considerato una gamma di tecnologie e carburanti per batterie, ma ci siamo concentrati sulle batterie a base di litio per il nostro case base, perché è ciò che alimenta la maggior parte dei droni elettrici attuali.
Confronto delle emissioni
Anche se sta combattendo la gravità per rimanere in alto, un drone elettrico utilizza molta meno energia per miglio rispetto a un camion di consegna in acciaio pesante che brucia gasolio. Ma un camion o furgone di consegna può trasportare più pacchi contemporaneamente, quindi è necessario allocare il fabbisogno energetico e gli effetti ambientali per pacco.
Veicoli di consegna diversi possono funzionare a diesel, gas naturale, elettricità o benzina, ciascuno con varie caratteristiche energetiche ed energetiche. Abbiamo anche incluso gli effetti ambientali della produzione di questi carburanti e della produzione di batterie per veicoli elettrici. L'energia necessaria per trasformare il petrolio greggio in gasolio può aggiungere un altro 20 percento o più di gas serra alla quantità generata quando il combustibile viene bruciato. E mentre la produzione di batterie sta migliorando, la produzione di batterie genera ancora biossido di carbonio.
Quindi abbiamo calcolato la quantità di gas serra emessi. Bruciare un gallone di gasolio emette circa 10 kg di anidride carbonica, ma le emissioni di elettricità variano a seconda della regione, a seconda di come viene generata. Alcune aree bruciano più carbone e gas naturale per generare energia, mentre altre hanno meno combustibili fossili e fanno più affidamento su energia nucleare, idroelettrica, eolica e solare.
In generale, la generazione di energia elettrica negli Stati Uniti sta diventando più pulita nel tempo. Per mostrare la gamma di fabbisogno energetico ed effetti ambientali, abbiamo prestato particolare attenzione alla California, che ha una griglia a basse emissioni di carbonio, e al Missouri, che si trova in una regione ad alta intensità di carbonio.
Magazzini extra?
Inoltre, per servire droni con portata limitata, le aziende dovrebbero cambiare il modo in cui i loro sistemi di consegna utilizzano energia. I droni potevano trasportare oggetti su più gambe, quasi come il Pony Express o le diligenze con i cavalli nei primi giorni del West americano. Oppure, mentre Amazon sta testando, magazzini locali più piccoli potrebbero servire destinazioni di consegna chiave all'interno della gamma dei droni.
Abbiamo calcolato che servire la città di San Francisco richiederebbe circa quattro magazzini urbani con basi di droni. Per coprire la maggiore area della baia occorrerebbero dozzine di nuovi magazzini, ognuno dei quali necessitava di elettricità e potenzialmente gas naturale per funzionare, proprio come altri magazzini. Abbiamo incluso questo consumo di energia extra nelle nostre stime.
La consegna di piccoli droni può ridurre le emissioni
Combinando tutti i fattori, abbiamo scoperto che la consegna del pacchetto con piccoli droni può essere migliore per l'ambiente rispetto alla consegna con camion. In media negli Stati Uniti, la consegna di camion di un pacco comporta circa 1 kg di emissioni di gas serra. In California, la consegna di droni di un piccolo pacchetto comporterebbe circa 0, 42 kg di emissioni di gas serra. Questo è un risparmio del 54 percento rispetto agli 0, 92 kg di gas serra associati a un pacco consegnato da camion in quello stato. Nel Missouri ad alta intensità di carbonio il miglioramento sarebbe minore - solo una riduzione del 23 percento - ma comunque migliore.
I piccoli droni erano migliori di qualsiasi camion o furgone, alimentati a gasolio, benzina, gas naturale o persino elettricità.
Le nostre scoperte sui droni più grandi sono state meno chiare. Erano migliori del 9% rispetto ai camion diesel in California, ma molto peggio quando caricati nel Missouri. Poiché i droni di grandi dimensioni hanno bisogno di più chilowattora per volare un miglio, l'intensità di carbonio dell'elettricità conta davvero per i droni di grandi dimensioni. Anche nei luoghi in cui l'energia viene generalmente generata da fonti pulite, è probabilmente meglio fornire pacchetti più grandi con furgoni elettrici o camion elettrici piuttosto che grandi droni, a causa dell'energia di magazzino aggiuntiva necessaria per i droni.
Ma se hai dimenticato quell'ingrediente essenziale per la cena di stasera, i nostri risultati suggeriscono che è molto meglio avere il negozio di alimentari che te lo spedisce via drone piuttosto che portare la tua auto al negozio e ritorno.
I prossimi passi per la sostenibilità
Come ogni modello energetico, le nostre stime possono variare in base alle ipotesi utilizzate. La quantità di spazio necessario per conservare i pacchetti per i droni e la quantità di energia utilizzata dai droni sono fattori importanti, così come l'impronta di carbonio dell'elettricità utilizzata. Nel nostro documento, esploriamo come i risultati cambiano in base a presupposti diversi.
Per i veicoli con consegna a terra, i modi migliori per migliorare l'efficienza riguardano l'aumento del numero di colli consegnati per miglio o il passaggio a camion o furgoni elettrici.
Man mano che più aziende iniziano a utilizzare i droni, la consegna dei pacchi sarà una delle loro attività. Per massimizzare i potenziali benefici ambientali, le aziende dovrebbero concentrarsi sull'uso di droni più piccoli caricati con elettricità a basse emissioni di carbonio per fornire pacchetti leggeri e sulla limitazione della quantità di spazio di magazzino dedicata al servizio di droni di consegna. I pacchetti più pesanti sono probabilmente i più adatti per veicoli efficienti, spesso elettrici, con consegna a terra. I maggiori vantaggi arriveranno dal miglioramento dell'efficienza energetica dei magazzini e, soprattutto, dalla riduzione della quantità di elettricità generata da combustibili ad alta intensità di carbonio. Ora non ci resta che fare qualcosa per il rumore di tutte quelle eliche aeree.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Constantine Samaras, assistente professore di ingegneria civile e ambientale, Carnegie Mellon University
Joshuah Stolaroff, scienziato ambientale, Lawrence Livermore National Laboratory
