Il y a plus d'un million de drones enregistrés aux États-Unis. La plupart d'entre eux appartiennent à des personnes qui les pilotent pour le plaisir, mais un nombre croissant d'entre eux sont utilisés à des fins commerciales. Des sociétés telles qu'Amazon, UPS, Google et DHL explorent déjà des moyens de livrer des colis avec des drones plutôt que des camions. Notre nouvelle recherche a mesuré la manière dont ce changement modifierait la manière dont les États-Unis utilisent l'énergie et les effets environnementaux qui en résultent.
Nous avons constaté que dans certains cas, l'utilisation de drones électriques plutôt que de camions ou de camionnettes fonctionnant au diesel pouvait réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre. Mais dans d'autres cas, utiliser des camions - en particulier des camions électriques - serait plus efficace et plus propre.
Le secteur de l’électricité des États-Unis a rapidement commencé à produire de l’énergie avec moins d’émission de gaz à effet de serre. Cependant, les transports sont encore largement alimentés par des carburants à base de pétrole et constituent à présent la plus grande source d'émissions de gaz à effet de serre aux États-Unis. Environ un quart des émissions du secteur des transports, soit l'équivalent de 415 millions de tonnes métriques de dioxyde de carbone, provient de sources moyennes et lourdes. les camions de transport, les types de véhicules qui transportent des marchandises dans des entrepôts, des entreprises et des domiciles de consommateurs.
Réduire le besoin de camionnage en livrant certains colis avec des drones électriques pourrait économiser du carburant et potentiellement des émissions de carbone. Nous avons modélisé la quantité d'énergie utilisée pour la livraison de drones et en quoi elle serait différente de la manière dont les colis sont livrés maintenant.
Trouver la consommation d'énergie d'un drone
Tout d'abord, notre équipe, dirigée par le laboratoire national Lawrence Livermore et comprenant des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, de SRI International et de l'Université du Colorado à Boulder, a mesuré l'utilisation d'énergie de drones de type quadcopter et octocoptère transportant différentes charges utiles. La quantité d'énergie utilisée par un drone dépend du poids de celui-ci, de ses batteries et de ses colis, ainsi que d'autres facteurs, notamment la vitesse de déplacement et les conditions de vent.
Afin de procéder à une estimation globale, nous avons opté pour un drone quadricoptère capable de livrer un colis de 0, 5 kg (un kilo) et un drone octocoptère capable de livrer un colis de 8 kg (17, 6 lb), chacun offrant une autonomie d'environ 2, 5 miles. (4 km). Nous avons envisagé une gamme de technologies de batteries et de carburants, mais nous nous sommes concentrés sur les batteries à base de lithium, car c'est ce qui alimente la plupart des drones électriques actuels.
Comparer les émissions
Bien que lutter contre la gravité pour rester en l'air, un drone électrique consomme beaucoup moins d'énergie au kilomètre qu'un camion de livraison en acier lourd brûlant du carburant diesel. Mais un camion ou une fourgonnette de livraison peut transporter plusieurs colis à la fois, de sorte que les besoins en énergie et les effets sur l'environnement doivent être répartis par colis.
Différents véhicules de livraison peuvent fonctionner au diesel, au gaz naturel, à l'électricité ou à l'essence, chacun présentant des caractéristiques différentes en matière d'énergie et d'émissions. Nous avons également inclus les effets environnementaux de la fabrication de ces carburants et des batteries de véhicules électriques. L'énergie nécessaire pour transformer le pétrole brut en carburant diesel peut ajouter 20% ou plus de gaz à effet de serre à la quantité générée lors de la combustion du carburant. Et tandis que la fabrication de batteries s'améliore, la fabrication de batteries génère toujours du dioxyde de carbone.
Ensuite, nous avons calculé la quantité de gaz à effet de serre émise. La combustion d'un gallon de carburant diesel émet environ 10 kg de dioxyde de carbone, mais les émissions d'origine électrique varient selon les régions, en fonction de la manière dont elles sont générées. Certaines régions consomment plus de charbon et de gaz naturel pour produire de l'électricité, tandis que d'autres utilisent moins de combustibles fossiles et utilisent davantage l'énergie nucléaire, hydroélectrique, éolienne et solaire.
En général, la production d’électricité aux États-Unis devient plus propre avec le temps. Pour illustrer la gamme des besoins en énergie et les effets sur l’environnement, nous avons accordé une attention particulière à la Californie, qui dispose d’un réseau à faible émission de carbone, et au Missouri, situé dans une région à forte intensité de carbone.
Entrepôts supplémentaires?
En outre, pour desservir les drones à portée limitée, les entreprises devraient modifier la manière dont leurs systèmes de livraison utilisent l’énergie. Les drones pouvaient transporter des objets en plusieurs étapes, presque comme le Pony Express ou les diligences avec des chevaux au début de l'Ouest américain. Ou, comme le teste Amazon, des entrepôts locaux plus petits pourraient desservir des destinations de livraison clés dans la gamme des drones.
Nous avons calculé que desservir la ville de San Francisco nécessiterait environ quatre entrepôts urbains dotés de bases de drones. Comme pour les autres entrepôts, il faudrait des dizaines de nouveaux entrepôts, chacun ayant besoin d'électricité et potentiellement de gaz naturel. Nous avons inclus cette consommation d'énergie supplémentaire dans nos estimations.
La livraison par petit drone peut réduire les émissions
En combinant tous les facteurs, nous avons constaté que la livraison de colis avec de petits drones peut être meilleure pour l'environnement que la livraison avec des camions. En moyenne aux États-Unis, la livraison d'un colis par camion entraîne environ 1 kg d'émissions de gaz à effet de serre. En Californie, la livraison d’un petit colis à un drone entraînerait des émissions de gaz à effet de serre d’environ 0, 42 kg. Cela représente une économie de 54% sur les 0, 92 kg de gaz à effet de serre associés à un colis livré par camion dans cet état. Dans le Missouri, à forte intensité de carbone, l'amélioration serait moins importante - juste une réduction de 23% - mais tout de même meilleure.
Les petits drones étaient meilleurs que n’importe quel camion ou fourgonnette, qu’ils soient alimentés au diesel, à l’essence, au gaz naturel ou même à l’électricité.
Nos conclusions concernant les gros drones étaient moins claires. Ils étaient 9% meilleurs que les camions diesel en Californie, mais bien pires quand ils étaient accusés dans le Missouri. Étant donné que les gros drones ont besoin de plus de kilowattheures pour parcourir un kilomètre, l'intensité en carbone de l'électricité est essentielle pour les gros drones. Même dans les endroits où l'énergie provient généralement de sources propres, il est probablement préférable de livrer des colis plus volumineux avec des fourgonnettes ou des camions électriques plutôt que des gros drones, en raison de l'énergie supplémentaire nécessaire à l'entrepôt pour les drones.
Mais si vous avez oublié cet ingrédient essentiel pour le dîner de ce soir, nos résultats suggèrent qu'il est bien mieux que l'épicerie vous l'envoie par drone plutôt que de prendre votre voiture au magasin et de revenir.
Prochaines étapes pour la durabilité
Comme tout modèle énergétique, nos estimations peuvent varier en fonction des hypothèses retenues. La quantité d'espace nécessaire pour stocker les paquets de drones et la quantité d'énergie utilisée par les drones sont des facteurs importants, de même que l'empreinte carbone de l'électricité utilisée. Dans notre article, nous explorons comment les résultats changent selon différentes hypothèses.
Pour les véhicules de livraison au sol, le meilleur moyen d'améliorer l'efficacité consiste à augmenter le nombre de colis livrés par kilomètre ou à passer à des camions de livraison électriques ou des fourgonnettes.
À mesure que de plus en plus d’entreprises utilisent des drones, la livraison de colis constituera l’une de leurs tâches. Pour maximiser les avantages environnementaux potentiels, les entreprises doivent s’employer à utiliser des drones plus petits chargés d’électricité à faible émission de carbone pour livrer des colis légers, et à limiter la quantité d’entrepôt consacrée aux drones de livraison. Les colis plus lourds conviennent probablement mieux à des véhicules de livraison au sol efficaces, souvent électriques. Les gains les plus importants proviendront de l'amélioration de l'efficacité énergétique des entrepôts et, surtout, de la réduction de la quantité d'électricité générée à partir de combustibles à forte intensité de carbone. Nous devons maintenant faire quelque chose à propos du bruit de toutes ces hélices au-dessus de leur tête.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Constantine Samaras, professeur adjoint en génie civil et environnemental, Université Carnegie Mellon
Joshuah Stolaroff, scientifique en environnement, laboratoire national Lawrence Livermore
