Sustainability of widespread last-mile drone delivery systems: A comparative urban case study in the U.S. based on real-world data

Abstract

Transportsektoren står for en betydelig andel av de globale utslippene. Derfor bør innsatsen for å redusere klimaendringene også omfatte nye kjøretøyteknologier som har potensial til å redusere karbonutslippene langs forsyningskjedene. Droner eller ubemannede luftfartøyer (UAV-er) har blitt identifisert som en ny teknologi innen pakkelevering, siden de er lette og energieffektive batteridrevne farkoster. Store leverandører av logistikktjenester har allerede tatt i bruk droneleveringsprogrammer i en tidlig fase de siste årene. I takt med at droner blir stadig mer relevante for pakkelevering, er det derfor behov for å evaluere den potensielle miljøpåvirkningen fra fremtidige droneleveringssystemer.

Denne masteroppgaven evaluerer miljøytelsen til et droneleveringssystem og sammenligner det med et bakkeleveringssystem. Miljøytelsen ble målt i form av energiforbruk og karbonutslipp under transportfasen.

For å oppnå dette målet ble det gjennomført en urban casestudie i fem storbyer i USA, basert på et banebrytende datasett som inneholder historiske data om levering av varer fra Amazon. I denne avhandlingen ble 9 157 ruter med over 1,3 millioner leveringskoordinater brukt til å modellere systemet. Det ble etablert et grunnleggende bakkeleveringssystem basert på et elektrisk og et dieseldrevet leveringskjøretøy (G1, G2). I tillegg ble det foreslått fire tilfeller av dronelevering basert på en moderne VTOL-konfigurasjon med fastvinge (D1, D2, D3, D4). I tillegg ble effekten av en overgang til en mindre karbonintensiv energimiks modellert.

Resultatene viser at droner har fordelen av å være energieffektive, men at de har begrensninger når det gjelder tilbakelagt distanse og kapasitet til å frakte pakker. I visse tilfeller med flere pakkeleveringer og et nærmere distribusjonssenter kan droner konkurrere med dieselkjøretøy. Elektriske kjøretøy presterte imidlertid bedre enn droner når det gjelder energiforbruk og CO2-utslipp.

Funnene understreker viktigheten av å implementere multilevering som rutetiltak for å forbedre ytelsen til dronelevering i forhold til referansealternativet (D1). Batteribegrensninger viste seg å være en betydelig begrensning for multilevering, men det forventes at fremtidige teknologiske fremskritt vil gjøre det mulig for droner å operere over lengre avstander.

Til slutt vil overgangen til en mindre karbonintensiv elektrisitetsmiks i betydelig grad favorisere elektriske kjøretøy og droner, som er batteridrevne kjøretøy, fremfor dieselbiler når det gjelder driftsutslipp. Dette vil imidlertid også ha betydning for andre faser av livssyklusen, for eksempel produksjon av kjøretøy, infrastruktur og utrangeringsfasen.

The transportation sector is responsible for a substantial share of the worldwide emissions. For this reason, efforts in climate change mitigation should include new vehicle technologies that have the potential of lowering carbon emissions along supply chains. Drones or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been identified as an emerging technology within last-mile package delivery operations, given that they are lightweight and energy efficient battery-powered vehicles. Major logistic service providers have already deployed early-stage drone delivery programs in recent years. Therefore, as UAVs become increasingly relevant in last-mile operations, there is a need to evaluate the potential environmental impact of future drone delivery systems.

This master thesis evaluates the environmental performance of a drone delivery system, comparing it to a ground delivery system. Environmental performance was measured in terms of energy consumption and carbon emissions during the transportation phase.

To achieve this objective, an urban case study set in five metropolitan cities in the U.S. was modeled based on a pioneering dataset, containing historical last-mile delivery data from Amazon. In the context of this thesis, 9,157 routes with over 1.3 million delivery coordinates were employed to model the system. A baseline ground delivery system was established based on an electric and a diesel delivery vehicle (G1, G2). Further, four drone delivery cases based on a state-of-the-art fixed-wing VTOL configuration were proposed (D1, D2, D3, D4). Additionally, the effects of transitioning to a less carbon-intensive energy mix were modeled.

The results indicate that drones possess the benefit of being energy efficient, but face limitations in terms of distance traveled and package carrying capacity. In certain cases involving package multi-delivery and a closer distribution center, drones could contend with diesel vehicles. However, electric vehicles outperformed drones in terms of energy consumption and CO2 emissions.

The findings highlight the importance of implementing multi-delivery as routing measure to enhance the performance of drone delivery in reference to the baseline case (D1). Battery constraints were found to be a significant limitation for multi-delivery; however, it is expected that future drone technology advancements will enable drones to operate over longer distances.

Lastly, the transition to a less carbon-intensive electricity mix would significantly favor electric vehicles and drones, which are battery-powered vehicles, over diesel fleets in terms of operational emissions. However, this would also shift the relevance to other life cycle phases such as vehicle production, infrastructure or end-of-life phases.