美国登记注册的无人机数量已达超过100万架。其中大多数属于个人娱乐飞行，但用于商业用途的无人机数量正在增加。包括亚马逊、UPS、谷歌和DHL在内的公司，已经在探索用无人机而非卡车配送包裹的方式。我们的最新研究测算了这一转变将如何改变美国的能源使用情况，以及由此产生的环境影响。
我们发现，在某些情况下，与柴油卡车或货车相比，使用电动无人机可以减少能源消耗和温室气体排放。但在其他情况下，使用卡车——尤其是电动卡车——效率更高，也更清洁。
美国电力行业正迅速转向以更低的温室气体排放发电。但交通运输仍主要依靠石油制成的燃料，如今已成为美国温室气体排放的最大来源。交通运输排放中约四分之一，即相当于4.15亿公吨二氧化碳，来自中型和重型卡车；这类车辆负责将货物运送至仓库、企业和消费者家中。
部分包裹改用电动无人机配送，可减少对卡车运输的需求，从而节省燃料，并有望减少碳排放。我们模拟了无人机配送的能源消耗，并将其与目前的包裹配送方式进行了比较。
测算无人机的能源消耗
首先，我们的团队由劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头，并有卡内基梅隆大学、SRI国际公司和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员参与，测量了四旋翼和八旋翼无人机在搭载不同载荷时的能源消耗。无人机的能源消耗取决于无人机本身、电池及所载包裹的重量，也受其他因素影响，包括飞行速度和风况。
为得出总体估算，我们选定了两种机型：一种四旋翼无人机可配送重1.1磅（0.5千克）的包裹，另一种八旋翼无人机可配送重17.6磅（8千克）的包裹，两者的航程均约为2.5英里（4千米）。我们考虑了多种电池技术和燃料，但基准情景采用锂电池，因为目前大多数电动无人机都使用这种电池。
比较排放量
电动无人机虽然要克服重力才能保持飞行，但每英里的能耗远低于烧柴油的重型钢制配送卡车。不过，配送卡车或货车一次可以运送许多包裹，因此需要将能源需求和环境影响分摊到每个包裹上。
不同配送车辆可以使用柴油、天然气、电力或汽油，其能源消耗和排放特性各不相同。我们还纳入了生产这些燃料和制造电动汽车电池所产生的环境影响。将原油加工成柴油所需的能源，会使温室气体排放量在燃料燃烧产生的排放之外再增加20%或更多。电池制造工艺虽在不断改进，但制造电池仍会产生二氧化碳。
随后，我们计算了温室气体排放量。燃烧一加仑柴油约排放10千克二氧化碳，而电力排放则因地区而异，具体取决于发电方式。有些地区更多地燃烧煤炭和天然气发电，另一些地区使用的化石燃料较少，更依赖核能、水力、风能和太阳能。
总体而言，美国的发电过程正随着时间推移变得更加清洁。为展示能源需求和环境影响的差异范围，我们特别关注了电网碳排放较低的加利福尼亚州，以及位于碳排放密集地区的密苏里州。
需要更多仓库？
此外，为服务航程有限的无人机，企业必须改变配送系统的能源使用方式。无人机可以分多个航段运输物品，这有点像美国西部早期用马匹接力传递邮件的小马快递或驿站马车。或者，正如亚马逊正在测试的那样，较小的本地仓库可以服务无人机航程范围内的重要配送目的地。
我们计算得出，为旧金山市提供服务需要约四座设有无人机基地的城市仓库。要覆盖更大的湾区，则需要数十座新仓库，每座仓库都需要用电，并可能需要天然气才能运营，与其他仓库一样。我们的估算纳入了这部分额外能源消耗。
小型无人机配送可减少排放
综合考虑所有因素后，我们发现，与卡车配送相比，小型无人机配送包裹可能更有利于环境。在美国，卡车配送每个包裹平均会产生约1千克温室气体排放。在加利福尼亚州，无人机配送一个小包裹会产生约0.42千克温室气体排放。相比该州卡车配送包裹产生的0.92千克温室气体排放，这减少了54%。在碳排放密集的密苏里州，改善幅度较小，减排仅为23%，但仍然更好。
小型无人机的表现优于任何卡车或货车，无论车辆使用柴油、汽油、天然气，还是电力驱动。
我们对大型无人机的研究结果则不那么明确。在加利福尼亚州，它们比柴油卡车好9%；但在密苏里州充电时，表现则差得多。大型无人机每飞行一英里需要更多千瓦时，因此电力的碳强度对大型无人机影响很大。即使在通常使用清洁能源发电的地区，考虑到无人机所需的额外仓库能源，使用电动货车或电动卡车配送较大的包裹，可能仍优于大型无人机。
不过，如果你忘了买今晚晚餐必需的一种食材，我们的研究结果表明，让杂货店用无人机把它送来，比自己开车往返商店要好得多。
迈向可持续发展的下一步
和任何能源模型一样，我们的估算会随所采用的假设而变化。存放待无人机配送包裹所需的空间、无人机的能耗，以及所用电力的碳足迹，都是重要因素。在我们的论文中，我们探讨了在不同假设下结果会如何变化。
对于地面配送车辆，提高效率的最佳方式包括增加每英里配送的包裹数量，或改用电动配送卡车或货车。
随着越来越多的公司开始使用无人机，包裹配送将成为其用途之一。为最大限度发挥潜在的环境效益，企业应重点使用以低碳电力充电的小型无人机配送轻型包裹，并限制专供无人机配送使用的仓库空间。较重的包裹可能更适合由高效的地面配送车辆运输，这些车辆通常为电动。最大的改善将来自提高仓库的能源效率，以及至关重要地减少由高碳燃料发电的电量。现在，我们只需解决头顶上所有螺旋桨的噪音问题。
