米国では、登録されているドローンが100万機を超えている。その大半は趣味で飛ばす人が所有しているが、商業利用も増えている。Amazon、Amazon、UPS、Google、DHLなどの企業は、トラックの代わりにドローンで荷物を配送する方法をすでに検討している。私たちの新たな研究では、この移行によって米国のエネルギー利用がどう変わるかを測定し、そこから生じる環境への影響を調べた。
電動ドローンを使えば、ディーゼル車のトラックやバンを使う場合に比べ、エネルギー消費と温室効果ガス排出量を削減できるケースがあることが分かった。一方、トラック、とりわけ電動トラックを使う方が効率的で環境負荷も小さいケースもある。
米国の電力部門では、温室効果ガス排出量の少ない発電方法への移行が急速に進んでいる。しかし、運輸部門は今も主に石油由来の燃料で動いており、現在では米国の温室効果ガス排出量の最大の排出源となっている。運輸部門の排出量の約4分の1に当たる二酸化炭素換算4億1,500万メートルトンは、倉庫や企業、消費者の自宅に貨物を配送する中型・大型トラックから排出される。
一部の荷物を電動ドローンで配送してトラック輸送の必要性を減らせば、燃料を節約し、二酸化炭素排出量も削減できる可能性がある。私たちは、ドローン配送に必要なエネルギー量をモデル化し、現在の荷物配送方法とどう異なるかを調べた。
ドローンのエネルギー消費量を調べる
まず、ローレンス・リバモア国立研究所が主導し、カーネギーメロン大学、SRIインターナショナル、コロラド大学ボルダー校の研究者も参加した私たちのチームは、異なる積載物を運ぶクアッドコプター型およびオクトコプター型ドローンのエネルギー消費量を測定した。ドローンのエネルギー消費量は、機体自体の重量やバッテリー、積載する荷物の重量に加え、飛行速度や風の状態などの要因にも左右される。
全体的な推定値を算出するため、私たちは1.1ポンド（0.5 kg）の荷物を配送できるクアッドコプター型ドローンと、17.6ポンド（8 kg）の荷物を配送できるオクトコプター型ドローンを想定した。いずれも航続距離は約2.5マイル（4 km）とした。さまざまなバッテリー技術と燃料を検討したが、基準ケースではリチウム系バッテリーに焦点を当てた。現在の電動ドローンの大半がこのバッテリーを動力源としているためだ。
排出量を比較する
電動ドローンは空中にとどまるために重力に逆らって飛ぶものの、1マイル当たりのエネルギー消費量は、ディーゼル燃料を燃やす重量のある鉄製配送トラックよりはるかに少ない。しかし、配送トラックやバンは一度に多くの荷物を運べるため、必要なエネルギーと環境への影響は荷物1個当たりに割り当てて考える必要がある。
配送車両には、ディーゼル、天然ガス、電気、ガソリンを動力源とするものがあり、それぞれエネルギー消費量や排出特性が異なる。また、これらの燃料や電気自動車用バッテリーの製造による環境への影響も算定に含めた。原油をディーゼル燃料に精製するために必要なエネルギーによって、燃料の燃焼時に発生する温室効果ガスに加え、さらに20％以上の温室効果ガスが排出されることがある。バッテリー製造は改善が進んでいるものの、バッテリーの製造では今も二酸化炭素が排出されている。
次に、温室効果ガスの排出量を計算した。ディーゼル燃料1ガロンを燃やすと、二酸化炭素が約10 kg排出されるが、電力に伴う排出量は、発電方法によって地域ごとに異なる。石炭や天然ガスを多く燃やして発電する地域もあれば、化石燃料への依存度が低く、原子力、水力、風力、太陽光により多く頼る地域もある。
一般に、米国の発電は時間の経過とともによりクリーンになっている。必要なエネルギー量と環境への影響の幅を示すため、低炭素電力網を持つカリフォルニア州と、炭素集約度の高い地域に位置するミズーリ州に特に注目した。
倉庫はさらに必要？
さらに、航続距離に限りのあるドローンに対応するには、企業は配送システムのエネルギー利用方法を変える必要がある。ドローンは、アメリカ西部の開拓初期に馬で荷物を運んだポニー・エクスプレスや駅馬車のように、複数の区間に分けて荷物を運ぶことができる。また、Amazonが試験しているように、ドローンの航続範囲内にある主要な配送先を、小規模な地域倉庫からカバーする方法もある。
サンフランシスコ市内をカバーするには、ドローン基地を備えた都市型倉庫が約4カ所必要になると私たちは試算した。ベイエリア全域をカバーするには、新たな倉庫が数十カ所必要となり、それぞれの運営には他の倉庫と同様に電気、場合によっては天然ガスが必要となる。この追加のエネルギー消費も推定に含めた。
小型ドローン配送は排出量を削減できる
すべての要因を考慮した結果、小型ドローンによる荷物配送はトラック配送より環境に良い場合があると分かった。米国では平均して、トラックで荷物を1個配送すると、温室効果ガスが約1 kg排出される。カリフォルニア州では、小型荷物をドローンで配送した場合の温室効果ガス排出量は約0.42 kgとなる。この州でトラック配送の荷物1個に伴う0.92 kgと比べ、54％の削減となる。炭素集約度の高いミズーリ州では改善幅は小さく、削減率はわずか23％だが、それでも排出量は減る。
小型ドローンは、ディーゼル、ガソリン、天然ガス、さらには電気を動力源とする場合でも、あらゆるトラックやバンより優れていた。
大型ドローンについては、結果はそれほど明確ではなかった。カリフォルニア州ではディーゼルトラックより9％優れていたが、ミズーリ州で充電した場合は大幅に劣った。大型ドローンは1マイル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、電力の炭素集約度が大きく影響する。通常はクリーンな電源で発電している地域であっても、ドローン向けに追加の倉庫エネルギーが必要になることから、大型荷物は大型ドローンより電動バンや電動トラックで配送する方が望ましい可能性が高い。
しかし、今夜の夕食に欠かせない食材を買い忘れた場合、私たちの調査結果によれば、自分で車を運転して店まで往復するより、食料品店からドローンで届けてもらう方がはるかに良い。
サステナビリティに向けた次のステップ
他のエネルギーモデルと同様、私たちの推定値は前提条件によって変わる。ドローン用の荷物を保管するのに必要なスペースや、ドローンのエネルギー消費量は重要な要因であり、使用する電力のカーボンフットプリントも同様だ。私たちの論文では、前提条件を変えると結果がどう変わるかを検討している。
地上配送車両の効率を高めるには、1マイル当たりに配送する荷物の数を増やすか、電動配送トラックやバンに切り替えるのが最善の方法である。
より多くの企業がドローンを使い始めれば、荷物配送もその用途の一つになる。環境面の潜在的な恩恵を最大限に引き出すには、企業は低炭素電力で充電した小型ドローンで軽い荷物を配送することに重点を置き、ドローン配送に充てる倉庫スペースを抑えるべきだ。重い荷物には、効率の良い、しばしば電動の地上配送車両が最適と考えられる。最大の効果は、倉庫のエネルギー効率を高め、そして何より、炭素集約度の高い燃料による発電量を減らすことで得られる。あとは、頭上を飛び交うプロペラの騒音を何とかするだけだ。
