Warum verfügen Elektrofahrräder nicht alle über diese auf Elektroautos übliche Ausstattung?

Elektroautos laden ihre Batterien beim Anfahren und beim Bremsen auf. Warum nicht auch Fahrräder und andere individuelle Elektrogeräte? Erklärung.

Wer einmal ein Elektrofahrrad mit Hilfsmotor ausprobiert hat, erkennt schnell, dass es in vielen Fällen und für Strecken im urbanen sowie suburbanen Bereich von weniger als 10 bis 15 Kilometern eine Alternative zum Auto darstellen kann. In der Regel ist die Fahrzeit dieselbe oder sogar kürzer als beim Radfahren von Tür zu Tür, und die Ersparnisse in Geld und Stress sind schnell spürbar – ganz zu schweigen von der geringeren Umweltbelastung.

Dann gibt es noch die anderen Freizeitverwendungen, wie Ausflüge am Wochenende oder sogar lange Roadtrips über mehrere Tage und Hunderte von Kilometern. In solchen Fällen kann die Verwaltung von Energie und Reichweite bei der Planung einer Route eine größere Bedeutung erlangen. Dies ist umso wichtiger, als das Aufladen eines E-Fahrzeugs viel länger dauert als das einer herkömmlichen Auto – man spricht hier nicht mehr von Minuten, sondern von Stunden, genauer gesagt zwischen 5 und 7 Stunden für eine vollständige Ladung, je nach Größe der Batterie. Es ist daher nicht sinnvoll, mit nur einer kurzen Zwischenladung unterwegs loszufahren, denn selbst bei einer 30-minütigen Pause erhält man im besten Fall gerade genug Energie für 10 Kilometer. Das Aufladen ist daher ausschließlich nachts im Zelt möglich.

Dort stellt sich die Frage nach der Energieverwaltung … und somit auch nach ihrer Wiedergewinnung. Eine Frage, die sich die meisten Anhänger von E-Bikes mindestens einmal gestellt haben: Warum sind E-Bikes nicht mit einem Regenerierungssystem ausgestattet, das es ermöglicht, die Batterie beim Treten und beim Bremsen aufzuladen, wie es bei Elektroautos der Fall ist?

Zunächst: Wie funktioniert das genau? Das Prinzip der regenerativen Bremse bei einem Elektroauto beruht auf der Fähigkeit des Elektromotors, als Generator zu arbeiten. Beim Beschleunigen verbraucht er Elektrizität, um die Räder anzutreiben. Beim Verlangsamen können die Räder wiederum den Motor antreiben: Der Motor setzt dann Widerstand gegen die Bewegung ein und wandelt einen Teil der Energie des Fahrzeugs in Elektrizität um, die zurück in die Batterie geleitet wird. Für diese Energierückgewinnung muss man nicht unbedingt auf die Bremse treten, denn je nach Fahrzeug und gewähltem Modus tritt sie bereits ein, sobald man vom Gas geht, wobei die Intensität oft regulierbar ist. Sie kann auch durch das Bremspedal ausgelöst werden, wobei die Elektronik das Verlangsamen dann zwischen Motor und mechanischen Bremsen aufteilt.

Das Gerät ermöglicht es, Energie zurückzugewinnen, die sonst in den Bremsen als Wärme verloren gegangen wäre, und somit die Bremsen weniger zu belasten – und das bei einer Fahrgefühl, an das sich viele Elektrofahrer schnell gewöhnen.

Da ein Elektrofahrrad ebenfalls einen Motor und eine Batterie besitzt, könnte man erwarten, dass diese Funktion vorhanden ist. Doch seine Antriebstechnik verändert die Situation erheblich.

Das Freilaufrad – das erste Hindernis bei der Energierückgewinnung

Auf einem klassischen Fahrrad dreht sich das Hinterrad weiter, wenn man aufhört zu treten, ohne Ketten oder Pedale anzutreiben. Dafür sorgt das Freilaufrad, das es ermöglicht, den Schwung des Fahrrads zu nutzen, ohne bei jeder Drehung der Räder mit den Beinen mithelfen zu müssen. Bei vielen Elektrofahrrädern hingegen ist der Motor am Pedalträger angebracht. Er überträgt seine Kraft über die Kette auf das Hinterrad. Wenn man aufhört zu treten, verhindert das Freilaufrad, dass das Hinterrad diese Übertragung rückwärts auslöst. Der Motor dreht sich daher nicht durch die Bewegung des Fahrrads und kann keine Elektrizität erzeugen.

Deshalb bieten herkömmliche Mittelmotoren keine Energierückgewinnung. Diese Beschränkung resultiert aus ihrer mechanischen Konstruktion und könnte nicht durch einen einfachen Software-Update beseitigt werden. Der Hersteller Kalkhoff nennt diese Konzeption übrigens als einen der Gründe für die Seltenheit dieses Systems.

Die direkte Montage des Motors in die Mitte des Rades, ins Nabeninnere, kann dazu beitragen, dieses Problem zu umgehen. Allerdings muss das Rad in der Lage sein, den Motor tatsächlich anzutrieben. Einige Raddmotoren verfügen jedoch ebenfalls über einen Freilaufmechanismus, der sie trennt, wenn die Unterstützung nicht funktioniert. Auch hier ist daher eine Energierückgewinnung unmöglich.

Einige Elektrofahrräder schaffen es dennoch

Trotzdem existiert die regenerative Bremse tatsächlich bereits bei Elektrofahrrädern, auch wenn sie noch selten ist.

Mit dem Zehus-System, das insbesondere von REF Bikes verwendet wird, kann der Radfahrer die Energierückgewinnung durch Rücktritt aktivieren: Der Motor verlangsamt dabei das Fahrrad und leitet gleichzeitig Elektrizität zurück in die Batterie. Dieser Rücktritt dient dazu, das Gerät zu steuern, und es sind tatsächlich die Bewegung des Fahrrads sowie die Drehung des Rades, die die zurückgewonnene Energie liefern. Doch meiner bescheidenen Meinung nach stellt weiteres Treten, selbst rückwärts, nicht wirklich ein echtes „passives“ Energierückgewinnungssystem dar.

Bei Stromer kann in der Kategorie der Speed-Pedelecs (E-Bikes mit einer Unterstützung von bis zu 45 km/h, die in die Kategorie der Kleinkrafträder eingeordnet werden) die Regenerierung beim Abfahren ebenfalls als Motorbremse dienen. Das Unternehmen bietet verschiedene Einstellungen sowie eine Funktion, die den Widerstand des Motors anpasst, um eine gewünschte Abfahrtsgeschwindigkeit beizubehalten. Es wird eine zusätzliche Reichweite von bis zu 20 % durch die Regenerierung versprochen. In diesem Fall muss man berücksichtigen, dass diese Fahrräder etwas schwerer sind und daher eine größere Trägheit aufweisen, was einer besseren Regenerierung zugutekommt. Im Vergleich zum Auto ist das ein echter Widerspruch: Man neigt dazu, das oft übermäßige Gewicht einiger Modelle – meist zu Recht – zu kritisieren, doch gerade diese Modelle profitieren von der besten Regenerierung. Allerdings verringert die Regeneration die Nachteile des Gewichts, verwandelt sie aber nicht in einen Energievorteil.

Was wäre, wenn wir die alte Dynamo neu erfinden würden?

Fahrradfahrer, die bereits Beleuchtungssysteme mit Dynamo kannten, erinnern sich wahrscheinlich an diesen kleinen Kiesel mit Rad, den man gegen die Seite des Reifens drückte. Das Rad trieb ihn an, wodurch Elektrizität erzeugt wurde, um die Glühbirnen der Scheinwerfer zu versorgen und somit zu beleuchten. Gleichzeitig führte dies zu einem Rollwiderstand, der zum Schwitzen bringen konnte – schließlich übertrug sich der Bedarf an zusätzlicher Energie auf den Radfahrer, die Physik ist gnadenlos.

Warum nicht diese Idee nutzen, um eine Batterie aufzuladen? Technisch gesehen ist das Prinzip gültig. Ein unabhängiger Generator, der direkt von einem Rad angetrieben wird, könnte sogar bei einem Fahrrad mit einem Hilfsmotor am Pedalträger Elektrizität erzeugen. Eine geeignete Elektronik würde für die Umwandlung und Regulierung dieser Energie sorgen, um sie an die Batterie zu senden. Man müsste jedoch über eine einfach an die Batterie angeschlossene Beleuchtungsdynamo hinausgehen. Um eine signifikante Leistung zu gewinnen, ist ein entsprechend dimensionierter Generator, kompatible Elektronik sowie eine Batterie erforderlich, die unter diesen Bedingungen aufgeladen werden kann.

Ein Kieselstein gegen den Reifen würde außerdem zu Lärmproblemen sowie, vor allem, zu Verschleiß führen. Die Integration des Generators in den Mittelpunkt des Rades würde diesen Kontakt mit dem Reifen vermeiden, würde aber dennoch zusätzliches Material, Gewicht und Kosten mit sich bringen. Die Idee ist somit umsetzbar – allerdings zu Lasten einer höheren Komplexität.

Man könnte die Logik sogar so weit treiben, das Verhalten eines Elektrofahrzeugs beim Betätigen des Pedals nachzuahmen. Ein Sensor würde das Aufhören des Pedalierens erkennen, anschließend würde die Elektronik den Generator entsprechend einem am Lenker gewählten Niveau steuern: freie Radbewegung, leichte, mittlere oder starke Energierückgewinnung. Die Bremshebel könnten ebenfalls eine höhere Energierückgewinnung verlangen. Ein solches Funktionssystem würde sich perfekt auf einem Fahrrad einfügen, vorausgesetzt, der Radfahrer darf selbst wählen. Denn das Aufhören mit dem Pedalieren kann verschiedene Absichten bedeuten: Abbremsen vor einer Kreuzung, die Geschwindigkeit in einer Abfahrt kontrollieren oder einfach den Schwung auf einer flachen Strecke ausnutzen.

In den ersten beiden Fällen ist die Energierückgewinnung offensichtlich vorteilhaft. Im dritten Fall würde der Generator dazu führen, dass die Geschwindigkeit schneller abnimmt, und diese müsste anschließend durch Treten oder Nutzung der Unterstützung wiedererlangt werden. Daher ist der Vorteil des Freilaufrads offensichtlich, den ich stets bei der umweltfreundlichen Fahrweise mit Elektrofahrzeugen befürworte.

Wie viel Energie könnte man tatsächlich zurückgewinnen?

Um das Interesse am System zu beurteilen, muss man auch auf die beteiligten Energiemengen achten. Nehmen wir ein Fahrrad samt Fahrer mit einem Gewicht von 100 kg, das sich mit 25 km/h bewegt. Seine translatorische kinetische Energie beträgt etwa 0,67 Wh. Ein vollständiges Anhalten würde somit unter idealen Bedingungen ohne Verluste etwa 0,13 % einer 500-Wh-Batterie zurückgewinnen lassen. In der Realität würde nur ein Teil dieser Energie in die Batterie gelangen. Der Generator und die Elektronik weisen ihre eigenen Verluste auf, während die Luft- und Reibungswiderstände ebenfalls zur Verlangsamung beitragen, ohne Elektrizität zu erzeugen. Jedes Anhalten stellt daher einen eher bescheidenen Energiezufluss dar, auch wenn sich die Beiträge addieren können.

Das Gelände bietet mehr Potenzial. Für denselben Gewichtsrahmen von 100 kg entspricht ein Abstieg von 500 Metern Höhenunterschied etwa 136 Wh an potenzieller Schwerkraftenergie. Auch diese Zahl stellt weiterhin einen theoretischen Wert dar: Ein Teil wird benötigt, um den Luftwiderstand und den Rollwiderstand zu überwinden, und das System erfasst nur einen Bruchteil des Rests. Dennoch ist klar, warum ein langer Abstieg die Energierückgewinnung deutlich sinnvoller machen kann. Doch wieder einmal erinnert uns die Physik daran, dass es keine energetischen Wunder gibt: Das Ergebnis hängt stets vom Streckenverlauf, der transportierten Masse, der Geschwindigkeit, der gewünschten Bremsung sowie der Effizienz der Ausrüstung ab.

Und übrigens – wie sieht es mit Elektrorollern aus?

Da der Motor von E-Scootern in der Regel direkt in einem Rad integriert ist, ohne Kette und Pedale, eignet sich ihre Konstruktion besser für die Energierückgewinnung. Bei Modellen, die dafür konzipiert sind, treibt das Rad beim Verlangsamen den Motor an, und dieser leitet wiederum Elektrizität in die Batterie zurück. Der Xiaomi Electric Scooter 5 ermöglicht somit eine Energierückgewinnung beim Loslassen des Gaspedals oder beim Betätigen der Bremse, wobei drei einstellbare Intensitätsstufen über die App verfügbar sind. Damit ähnelt er recht genau dem Funktionsprinzip, an das Elektroautofahrer gewöhnt sind.

Die physikalischen Grenzen bleiben jedoch dieselben wie bei einem Fahrrad: Bei vergleichbarer Geschwindigkeit und Masse ist die verfügbare Energiemenge beim Abbremsen ähnlich. Das Beispiel des Elektrorollers zeigt vor allem, dass die Energierückgewinnung in ein leichtes und relativ einfaches Gerät integriert werden kann, sofern seine Antriebstechnik für diesen Zweck konzipiert wurde.

Die Entwicklung dieser Funktion ist letztendlich ein Kompromiss. Bei einem leichten Fahrrad für flache Strecken bringt eine zusätzliche Ausstattung angesichts ihres Gewichts und ihrer Kosten nur geringe Vorteile. Für einen Radfahrer hingegen, der täglich lange Abfahrten bewältigt, könnte eine gut integrierte und einstellbare Regenerationsfunktion mehr Sinn ergeben. Es bleibt noch, ein System vorzuschlagen, dessen Nutzen die Anschaffung rechtfertigt, während dem Radfahrer die Möglichkeit bleibt, jederzeit auf diese sehr einfache und stets wirksame Funktion zurückzugreifen: das Freilaufrad.