Dlaczego rowery elektryczne nie mają wszystkie tego standardowego wyposażenia, które znajduje się w samochodach elektrycznych?

Samochody elektryczne ładowają swoje baterie podczas ruszania i hamowania. Dlaczego nie rowery i inne pojazdy elektryczne jednoosobowe? Wyjaśnienie.

Kiedy spróbuje się roweru z pomocą silnika elektrycznego (VAE), szybko się zdaje sobie sprawę, że może on zastąpić samochód w wielu sytuacjach i podczas dojazdów, zarówno w mieście, jak i na obszarach podmiejskich na odległość do 10–15 kilometrów. Zazwyczaj czas podróży jest taki sam, a nawet krótszy niż przy jazdzie rowerem od drzwi do drzwi, a oszczędności finansowe i redukcja stresu są wyraźnie widoczne, nie mówiąc już o mniejszym zanieczyszczeniu środowiska.

A są jeszcze inne zastosowania rekreacyjne, takie jak wycieczki w weekendy czy nawet długie podróże samochodowe trwające kilka dni i setki kilometrów. W takich przypadkach zarządzanie energią i zasięgiem może mieć większe znaczenie przy planowaniu trasy. Jest to szczególnie ważne, ponieważ ładowanie pojazdu elektrycznego zajmuje znacznie więcej czasu niż samochodu – mówimy tu nie o minutach, ale o godzinach, a pełne naładowanie trwa od 5 do 7 godzin w zależności od pojemności baterii. Dlatego nie ma mowy o szybkim naładowaniu w drodze, bo jeśli planujesz przerwę trwającą 30 minut, uzyskasz zaledwie tyle energii, by przejechać 10 kilometrów, w najlepszym przypadku. Naładowanie możliwe jest więc wyłącznie w nocy, pod namiotem.

W tym miejscu pojawia się pytanie dotyczące zarządzania energią… a więc także jej odzyskiwania. To pytanie, które większość entuzjastów rowerów elektrycznych zadała sobie przynajmniej raz: dlaczego rowery z pomocą elektryczną nie są wyposażone w system regeneracji umożliwiający ładowanie baterii podczas pedałowania i hamowania, podobnie jak samochody elektryczne?

Najpierw, jak to dokładnie działa? Zasada hamowania regeneracyjnego w samochodzie elektrycznym opiera się na możliwości silnika elektrycznego do pracy jako generatora. Podczas przyspieszania zużywa on energię elektryczną, aby napędzać koła. Podczas zwalniania koła mogą z kolei napędzać go: wtedy silnik stwarza opór ruchowi i przekształca część energii pojazdu w energię elektryczną, która jest zwracana do baterii. Ta regeneracja nie wymaga koniecznie naciskania pedału hamulca, ponieważ w zależności od modelu samochodu i wybranego trybu działa już po zwolnieniu pedału gazu, przy intensywności często regulowanej. Może być również aktywowana przez pedał hamulca, przy czym system elektroniczny rozdziela siłę hamowania pomiędzy silnik a hamulce mechaniczne.

Urządzenie umożliwia odzyskiwanie energii, która w przeciwnym razie zostałaby rozproszona jako ciepło w hamulcach, oraz zmniejsza obciążenie tych ostatnich, co przekłada się na lepsze doznania podczas jazdy, do których wielu użytkowników pojazdów elektrycznych szybko się przyzwyczaja.

Ponieważ rower elektryczny również posiada silnik i baterię, można by oczekiwać obecności tej funkcji. Jednak jego przeniesienie napędu znacząco zmienia sytuację.

Koło wolne – pierwsza przeszkoda w odzyskiwaniu energii

W klasycznym rowerze, gdy przestajesz pedałować, tylne koło nadal się obraca, ale nie napędza łańcucha ani pedałów. To właśnie pełni rolę koło wolne, które umożliwia korzystanie z impetu bez konieczności wspierania każdego obrotu koła nogami. Natomiast w wielu rowerach elektrycznych silnik znajduje się na poziomie pedałów. Przekazuje on swoją siłę do tylnego koła za pomocą łańcucha. Gdy przestajesz pedałować, koło wolne zapobiega temu, by tylne koło napędzało ten mechanizm wstecz. Dlatego silnik nie obraca się pod wpływem ruchu roweru i nie może wytwarzać energii elektrycznej.

Dlatego też standardowe silniki centralne nie umożliwiają odzyskiwania energii. Ten ograniczenie wynika z ich konstrukcji mechanicznej i nie może zostać przezwyciężone prostym aktualizowaniem oprogramowania. Producent Kalkhoff wymienia właśnie tę konstrukcję jako jeden z powodów rzadkości tego rozwiązania.

Montaż silnika bezpośrednio w centrum koła, w obręczy, może pomóc w obejściu tego problemu. Wymaga to jednak tego, aby koło faktycznie mogło napędzać silnik. Jednak niektóre silniki kołowe posiadają również mechanizm wolnego koła, który odłącza je, gdy pomoc nie działa. Dlatego również w tym przypadku niemożliwe jest odzyskiwanie energii.

Niektóre rowery elektryczne już to robią

Mimo to hamowanie regeneracyjne istnieje rzeczywiście w rowerach elektrycznych, choć nadal jest mało powszechne.

Dzięki systemowi Zehus, używanemu m.in. przez REF Bikes, kolarz może aktywować odzyskiwanie energii, pedalując w tył: silnik wtedy spowalnia rower, jednocześnie zwracając energię elektryczną do baterii. To pedałowanie w tył służy do sterowania urządzeniem, a to właśnie ruch roweru i obrót kół dostarczają odzyskanej energii. Jednak, moim skromnym zdaniem, kontynuowanie pedałowania, nawet w tył, nie stanowi prawdziwego „pasywnego” systemu odzyskiwania energii.

W ofercie Stromer, w kategorii rowerów elektrycznych o dużej prędkości (rowery VAE z pomocą silnika do 45 km/h, zaliczane do kategorii motocykli), system regeneracji energii może również pełnić funkcję hamulca silnikowego podczas zjazdów. Marka oferuje różne ustawienia oraz funkcję dostosowującą opór silnika w celu utrzymania wybranej prędkości zjazdu. Zapewnia ona nawet 20% większy zasięg dzięki temu systemowi. Należy jednak pamiętać, że takie rowery są nieco cięższe, co daje im większą bezwładność sprzyjającą lepszej regeneracji energii. Porównując to z samochodem, mamy tu prawdziwy paradoks: zwykle – i słusznie – krytykuje się nadmierną wagę niektórych modeli, ale to właśnie one cieszą się najlepszą regeneracją energii. Należy jednak precyzyjnie zaznaczyć, że regeneracja zmniejsza negatywne skutki większej masy, ale nie przekształca jej w przewagę energetyczną.

A co, jeśli ponownie wymyślimy tę dobrą, starą dynamo?

Kolarze, którzy korzystali z oświetlenia zasilanego dynamo, zapewne pamiętają ten mały kamień z kółkiem, który przykładało się do boku opony. Koło je obracało, co generowało prąd służący do zasilania i tym samym oświetlania żarówek w reflektorach. Co więcej, powodowało to opór toczenia, który mógł sprawić, że kolarz się spoci (tak, potrzeba dodatkowej energii przenosiła się na kolarza – fizyka nie jest łaskawa).

Dlaczego nie skorzystać z tego pomysłu do ładowania baterii? Technicznie rzecz biorąc, zasada jest słuszna. Niezależny generator, napędzany bezpośrednio przez koło, mógłby wytwarzać prąd nawet w rowerze, w którym silnik wspomagający znajduje się przy pedałach. Odpowiednia elektronika zajmowałaby się konwersją i regulacją tej energii, aby przesłać ją do baterii. Należałoby jednak wyjść poza zwykłą dynamo do oświetlenia podłączoną bezpośrednio do baterii. Aby uzyskać znaczną moc, potrzebny jest generator odpowiednio do tego skonstruowany, kompatybilna elektronika oraz bateria zdolna do przyjmowania ładowania w takich warunkach.

Kamyk uderzający o oponę powodowałby również problemy z hałasem, a przede wszystkim z zużyciem. Umieszczenie generatora w centrum koła uniknęłoby takiego kontaktu z oponą, ale nadal wiązałoby się z dodatkowym sprzętem, większą masą i wyższymi kosztami. Pomysł jest więc realizowalny, ale pod warunkiem zaakceptowania dodatkowej złożoności.

Można by nawet posunąć tę logikę do tego stopnia, by odtworzyć zachowanie samochodu elektrycznego przy naciśnięciu pedału. Czujnik wykryłby zatrzymanie się pedału, a następnie elektronika sterowałaby generatorem zgodnie z poziomem wybranym na kierownicy: wolna praca kół, lekkie, średnie lub intensywne odzyskiwanie energii. Dźwignie hamulcowe mogłyby również żądać większego odzyskiwania energii. Taki system doskonale pasowałby do roweru, pod warunkiem pozostawienia decyzji kolarzowi. Przecież przestanie pedałować może wynikać z kilku intencji: zwolnienia przed skrzyżowaniem, kontrolowania prędkości na zjeździe lub po prostu korzystania z impetu na płaskim odcinku drogi.

W pierwszych dwóch przypadkach odzyskiwanie energii ma oczywiste znaczenie. W trzecim przypadku generator powodowałby szybszą utratę prędkości, którą trzeba by następnie odzyskać poprzez pedałowanie lub korzystanie z pomocy. Stąd korzyść płynąca z koła wolnego, które nieustannie promuję w kontekście ekologicznego prowadzenia pojazdów elektrycznych.

Ile energii można by rzeczywiście odzyskać?

Aby ocenić użyteczność tego systemu, należy również sprawdzić ilość energii zaangażowanej w proces. Weźmy zestaw roweru i kolarza o masie 100 kg jadący z prędkością 25 km/h. Jego energia kinetyczna wynosi około 0,67 Wh. Pełne zatrzymanie umożliwiłoby więc odzyskanie, w idealnym obliczeniu bez strat, równowartości około 0,13% baterii o pojemności 500 Wh. W rzeczywistości tylko część tej energii trafiłaby z powrotem do baterii. Generator i elektronika generują swoje straty, natomiast opór powietrza i toczenia również przyczyniają się do spowolnienia, nie wytwarzając przy tym energii elektrycznej. Każde zatrzymanie stanowi zatem dość niewielki wkład, chociaż te wartości mogą się sumować.

Relief oferuje większy potencjał. Dla tej samej masy 100 kg zjazd o 500 metrach różnicy poziomów odpowiada około 136 Wh energii potencjalnej grawitacyjnej. Ta wartość stanowi jednak nadal zasób teoretyczny – część energii jest wykorzystywana na pokonanie oporu powietrza i tarcia, a system odzyskuje tylko niewielką część reszty. Można jednak zrozumieć, dlaczego długi zjazd może sprawić, że odzyskiwanie energii staje się znacznie bardziej istotne. Ale ponownie to fizyka przypomina nam, że cudów energetycznych nie ma – wynik zawsze zależy od trasy, masy transportowanej, prędkości, wymaganego hamowania oraz sprawności sprzętu.

A tak w ogóle, co z elektrycznymi skuterami?

Ponieważ silnik skuterów elektrycznych jest zazwyczaj wbudowany bezpośrednio w koło, bez użycia łańcucha i pedałów, ich konstrukcja sprzyja łatwiejszemu odzyskiwaniu energii. W modelach przeznaczonych do tego celu koło napędza silnik podczas zwalniania, a ten z kolei przekazuje energię elektryczną z powrotem do baterii. Xiaomi Electric Scooter 5 umożliwia odzyskiwanie energii po zwolnieniu pedału przyspieszenia lub przy naciśnięciu hamulca, przy czym intensywność może być regulowana na trzech poziomach w aplikacji. Dzięki temu funkcjonowanie jest dość dokładnie podobne do tego, do którego przyzwyczajeni są kierowcy pojazdów elektrycznych.

Granice fizyczne pozostają jednak takie same jak w przypadku roweru: przy porównywalnej prędkości i masie ilość energii dostępnej podczas zwalniania jest podobna. Przykład rolkarza pokazuje przede wszystkim, że system recyklingu energii może być zintegrowany z lekkim i stosunkowo prostym urządzeniem, o ile jego silnik został zaprojektowany do tego celu.

Rozwój tej funkcji jest ostatecznie wynikiem kompromisu. W przypadku lekkiego roweru przeznaczonego do jazdy po równinach dodatkowe wyposażenie może przynieść niewiele korzyści ze względu na jego wagę i koszt. Z drugiej strony, dla kolarza, który codziennie pokonuje długie zjazdy, dobrze zintegrowane i regulowane systemy odzyskiwania energii mogą mieć większe znaczenie. Pozostaje więc zaproponowanie systemu, którego korzyści przy użyciu usprawiedliwią konieczność jego zastosowania, pozwalając jednocześnie kolarzowi na wybór powrotu, gdy tylko tego zapragnie, do tej bardzo prostej i zawsze skutecznej funkcji: koła wolnego.