Fahrradzukunft

Ausgabe 9

Oktober 2009

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Erhöhte Reichweite im urbanen Raum dank Elektrorad

von Andreas Fuchs

Radfahren ist eine der beliebtesten Sportarten. Entsprechend sind am Wochenende zahlreiche Einzelpersonen sowie Gruppen und Familien mit dem Fahrrad unterwegs. Es fragt sich aber dann, warum der Anteil mit dem Rad zurückgelegter Wege unter der Woche im Quervergleich mit anderen Mobilitätsformen, vielleicht mit Ausnahme der Niederlande und gewisser Universitätsstädte, gering ist, und sich dieser Anteil trotz infrastruktureller Fördermaßnahmen und Öffentlichkeitsarbeit nur langsam steigern lässt. Vermutlich gibt es ergonomische Gründe dafür, dass Freizeit-Radfahren beliebter ist als Alltags-Radfahren. Einer dieser Gründe soll in der Folge erläutert werden.

In diesem Artikel wird zudem eine Hypothese aufgestellt: Elektrofahrrad fahren eliminiert einige der ergonomischen Hinderungsgründe, welche das Ausmaß des Alltags-Radfahren, den Anteil im modal split, gegen oben beschränken. Entsprechend ist zu erwarten, dass sich Elektrofahrräder im urbanen Umfeld verbreiten werden.

Momentan läuft auf diesem Planeten ein Experiment, dessen Ausgang in wenigen Jahren zeigen wird, ob die erwähnte Hypothese angenommen oder verworfen werden kann: Schon sind gegen 20 Prozent aller pro Jahr auf der Erde hergestellten Fahrräder elektrifiziert! Vor allem in China finden Millionen von Elektrofahrrädern und leichter Elektroroller den Weg auf die Straße.

Zur Ergonomie des urbanen Radfahrens

Radfahren im urbanen Raum, in Dorf und Stadt, zeichnet sich dadurch aus, dass die Geschwindigkeit nur während eines geringen Teils der Fahrdauer konstant ist. Das haben eigenen Messungen ergeben. Der häufigste Betriebszustand ist Beschleunigen, positiv beschleunigen – anfahren oder schneller werden – oder negativ beschleunigen, beziehungsweise bremsen. Was dies für die RadfahrerIn bedeutet soll anhand eines Anfahrvorgangs verdeutlicht werden.

Bild 1: Anfahrvorgang. Die Geschwindigkeit nimmt zu und geht mit der Zeit gegen die Endgeschwindigkeit, als Beispiel hier 20 km/h. Entsprechend nimmt die Beschleunigung ab und geht gegen Null. Die Anfangsbeschleunigung entspricht einem typischen Wert von Kraftfahrzeugen.
Die am Rad entsprechend notwendige Fahrleistung zur Überwindung von Beschleunigungswiderstand, Roll- und Luftwiderstand zeigt die dritte Kurve in Bild 1
(Werte für die Berechnung: Gesamtmasse FahrerIn und Fahrrad 100 kg, Rollwiderstandsbeiwert 7,5 Promille, Effektive Stirnfläche 0,6 m2)

Bild 1 zeigt, dass als Antriebsleistung bei 20 km/h am Rad knapp mehr als 100 W benötigt werden. Die RadfahrerIn muss das Pedal mit einer höheren Leistung treten, um die Verluste im Ketten- oder Kardanantrieb wett zu machen.

Auffallend ist, dass der Anfahrvorgang sogar bis zu mehr als das Doppelte der Dauerleistung bei 20 km/h erfordert. Was bedeutet dies nun ergonomisch?

Die Erfahrung zeigt, und eine bekannte Kurve aus Bicycling Science stellt es dar [Wilson 2004], dass, je höher die Tretleistung ist, diese über eine immer geringere Zeit von einer RadfahrerIn durchgehalten werden kann. John Tetz gibt an [Tetz 1999], dass durchschnittliche Zeitgenossen folgende Dauerleistung liefern können:

Bild 2: Durchschnittliche Dauerleistung von »Normalbürgern« gemäss John Tetz, 1999. Eine Person kann demzufolge 180 Minuten oder 3 Stunden lang mit 100 Watt Tretleistung fahren.

Bild 2 ist so zu lesen: Man kann 100 Minuten mit 120 Watt fahren oder 180 Minuten mit 100 Watt. Die Grafik bedeutet nicht, dass man erst 100 Minuten bei 120 Watt, dann 180 Minuten mit 100 Watt, und schliesslich noch 300 Minuten mit 80 Watt fahren kann. Selbstverständlich gibt es Leute die das können, aber dann sind es meistens trainierte Radfahrer, nicht kaum trainierte Normalbürger.

Leider zeigt die Kurve nicht, mit welcher Leistung bei Zeitdauern unter einer Stunde gefahren werden kann. Ein Vergleich mit der Grafik 2.4 in Bicycling Science 3 zeigt aber, dass mit zunehmender Tretleistung die erzielbaren Fahrdauern dramatisch geringer werden. Bei Tretleistungen größer als 200 Watt betragen die Fahrdauern nur mehr wenige Minuten, nicht mehr Stunden wie bei 100 oder 75 Watt.

Übertragen auf die durch Bild 1 dargestellte Situation bedeutet dies, dass urbanes Radfahren wegen der oft auftreteden Beschleunigungen und den entsprechenden Spitzenbelastungen durch die der FahrerIn abverlangte, hohe Tretleistung anstrengend ist. Die Fahrdauern werden kurz, oder anders: Die Ermüdung setzt zu früh ein. Die Fahrdauer oder die räumliche Reichweite ist bei wechselnder Belastung in der Art wie in Bild 1 gezeigt wesentlich geringer als wenn nur konstante Dauerbelastung aufträte.

Der Autor vermutet, dass Radfahren als Sport oder Freizeitbeschäftigung eben darum beliebter ist als Alltags-Radfahren, weil bei diesen Einsatzarten des Fahrrades Wechsel der Geschwindigkeit nicht so oft notwendig sind wie beim Radfahren im urbanen Raum. Dem Sport- und Freizeit-Radfahrer werden Dauerleistungen abverlangt, nicht dauernd wechselnde Leistungen wie bei »Stop-And-Go«.

Die negative Wahrnehmung von körperlicher Belastung ist mit steigender und häufig wechselnder Herzfrequenz – diese korreliert mit der abgegebenen Leistung – größer. Im urbanen Verkehr ist die Belastung der RadfahrerIn also durch die bloße Tretaufgabe schon groß; hinzu kommt noch, dass einem Radfahrer im urbanen Verkehr aus Gründen der Sicherheit und wegen der Verkehrsdichte, viel Aufmerksamkeit abverlangt wird. Es erstaunt also zumindest nicht, dass Radfahren als Sport sehr beliebt ist, aber dass unter der Woche die Stadtbilder zu wenig durch RadfahrerInnen belebt werden.

Die oben dargestellte, wechselnde Belastung mit Fahr- und letztlich Tretleistung mag für viele jüngere, gesunde und einigermaßen trainierte Personen kein Problem sein. Die spezifische Leistung, die Tretleistung pro Gewichtseinheit (W/kg), nimmt jedoch mit steigendem Alter ab. Jeder Mensch kommt, zumindest wenn er lange genug lebt, also an die Grenze, an der Anfahren mit einem Fahrrad nicht mehr möglich ist.

In Bezug auf Radfahren im urbanen Raum kommt für ältere Menschen erschwerend hinzu, dass die Schnellkraft – sie bestimmt wie schnell ein Muskel Kraft aufbauen kann – noch schneller abnimmt als die Muskelkraft, welche das Erbringen von Dauerleistungen möglich macht. Als Folge davon kann beim Anfahren die zur Stabilisierung eines Zweirades notwendige Minimalgeschwindigkeit nicht genügend schnell erreicht werden und es droht Sturzgefahr.

Bild 1 wurde gerechnet für eine Gesamtmasse von FahrerIn und Rad von 100 Kilogramm. Beträgt die Gesamtmasse hingegen 125 statt 100 Kilogramm, steigt die benötigte Tretleistung von 250 auf 300 Watt. Hat man Nutzlast mit dabei, Handgepäck auf dem Träger oder gar größere Einkäufe im Anhänger, wird die oft wechselnde Geschwindigkeit bald zum Problem.

Ein Indiz für die Vermutung, dass Radfahrer die wegen Beschleunigen und Bremsen wechselnde Belastung hassen, ist die oft durch RadfahrerInnen demonstrierte Tatsache, an Ampeln nicht abzubremsen.

Gut konstruierte Elektrofahrräder als Lösung des Beschleunigungs- und Brems-Problem des urbanen Radfahrens

Laut Verständnis des Autors zeichnet sich ein gut ausgelegtes Elektrofahrrad dadurch aus, dass die FahrerIn beim Wechsel zwischen Fahrzuständen unterstützt, sonst jedoch nicht behindert wird: Dann soll unterstützt werden, wenn die Geschwindigkeit (oder die Höhe über Meer) gewechselt wird, beim Beschleunigen in der Ebene oder bergauf. Brems-Beschleunigungen können viel höher sein als Anfahr-Beschleunigungen. Energie-Rekuperation dank des Elektrofahrrad-Antriebs ist nur in demjenigen Leistungsbereich möglich, für den er ausgelegt wurde. Die Auslegung von Elektrofahrradantrieben richtet sich nach dem Anfahren, nicht nach dem Abbremsen.

Noch gibt es auf dem Markt leider viele suboptimal ausgelegte Elektrofahrräder. Deren Motor gibt erst bei erhöhter Geschwindigkeit Leistung ab, nicht jedoch beim Anfahren. Solch ein Elektrofahrrad mag auf Sonntagsausflügen, etwa beim Ankämpfen gegen Gegenwind in den Tiefebenen Europas, eine gewisse Hilfe sein, ist jedoch im urbanen Radfahren (und in hügeligen Gegenden) eher eine Belastung. Ein Elektrofahrrad, welches aber beim Beschleunigen und Bergauffahren zu einer Last anstatt zu einer Hilfe für die Fahrerin wird, ist im Vergleich zu einem rein mechanischen Fahrrad überflüssig.

Zu einer eher unglücklichen Auslegung eines Elektrofahrrades kommt man, wenn unüberlegt vor allem Design-Kriterien aus der Fahrradwelt angewendet werden wie »möglichst klein und leicht«. Zum Beschleunigen, auch zum sanften Beschleunigen, ist Drehmoment notwendig. Die Entsprechung von Drehmoment ist in der elektrischen Welt der Strom. Ein brauchbares Elektrofahrrad hat also nicht den kleinstmöglichen Motor, sondern einen Motor mindestens solchen Volumens, dass das Beschleunigen unterstützt werden kann. Entsprechend braucht ein gut ausgelegtes Elektrofahrrad auch eine Batterie einer gewissen Minimalgröße.

Bild 1 zeigt, dass Spitzen- und Dauerleistung unterschieden werden müssen. Ein hoch bepacktes Post-Elektrofahrrad oder ein Elektrofahrrad als Zugfahrzeug eines vollgelanden Kinderanhängers benötigt zum zügigen Anfahren leicht mehr als 250 Watt. Als Dauerleistung sind 250 Watt in der Ebene oft zu viel, am Berg oft zu wenig elektrische Zusatzleistung.

Der Autor ist der Meinung, dass gesetzliche Leistungsbegrenzung nicht sinnvoll ist, sondern nur Geschwindigkeitsbegrenzung. Denn eine Elektrofahrrad-Batterie ist ein Speicher mit so sehr begrenztem Energieinhalt, dass die Konstrukteure und Benutzer von Elektrofahrrädern versuchen, mit möglichst wenig elektrischer Zusatzleistung möglichst schnell vorwärts und möglichst weit zu kommen. Energieeffizienz des Fahrzeugs ist eine wichtige Voraussetzung. Die nachgefragte, elektrische Leistung wird also in optimierten Elektrofahrrädern minimiert, nicht maximiert!

Need for Speed?

Die Leistungsgrenzen des Menschen beschränken das System FahrerIn und Fahrrad nicht nur beim oft wiederholten Beschleunigen, sondern auch beim dauerhaften schnell Fahren. Auf kurzen Strecken, typisch für das urbane Radfahren, ist der Zeitgewinn durch noch höhere Geschwindigkeit sowieso klein oder vernachlässigbar. Pendler wohnen aber vielfach außerhalb von Dörfern und Städten. Um die oft gefahrenen, längeren Anfahrstrecken in den urbanen Raum zurückzulegen, ist eine gegenüber dem mechanischen Fahrrad erhöhte Geschwindigkeit angenehm.

So gesehen besteht der Wunsch nicht nur nach Unterstützung beim Beschleunigen, sondern auch beim Fahren mit Geschwindigkeiten leicht oberhalb des Fahrrad-typischen Bereiches von zirka 20 bis 30 km/h. Der Autor hält die Spitzengeschwindigkeiten von über 30, aber weniger als 40 km/h, welche die Elektrofahrräder mit aufrechter Sitzposition der »Schnellen Schweizer Klasse« erreichen, noch für sinnvoll. Die Muskelkraft liefert bei diesen Geschwindigkeiten immer noch einen nicht vernachlässigbaren Beitrag zur Energiebilanz, es gibt einen Trainingseffekt. Wegen der entsprechenden Auslegung erlauben diese Elektrofahrräder auch zügiges Befahren längerer Steigungen, ideal für hügeliges oder alpines Gelände.

Nutzenabwägung

Das Elektrofahrrad hat vor allem auch aus ergonomischen Gründen das Potential, den modal split der pedalbetriebenen Fahrzeuge zu vergrößern. Dies wäre zur Entlastung der urbanen Räume sehr erwünscht.

Ein großer Umweltnutzen entstünde durch das Elektrofahrrad dann, wenn nicht ausschließlich Fahrten mit mechanischen Fahrrädern substituiert würden, sondern wenn vor allem andere, umweltschädlichere Formen der Mobilität durch das Elektrofahrrad konkurrenziert würden. Eine Studie von Häuselmann und Wolf [Häuselmann et al. 1999] zeigt, dass durch Elektrofahrräder vor allem Fahrten mit weniger umweltfreundlichen Fahrzeugen ersetzt werden. Zusätzliche Mobilität wird kaum erzeugt. Ein »Flyer«-Elektrofahrrad ersetzt zu X Prozent Fahrten mit:

29 % PKW (Personenkraftwagen)
27 % Mechanisches Fahrrad
25 % Öffentlicher Verkehr
12 % Mofa, Roller, Motorrad
5 % Zu Fuß
2 % Hätte Fahrt nicht gemacht

Da ein Elektrofahrrad vor allem Fahrten von weniger umweltfreundlicheren Fahrzeugen ersetzt, welche teilweise mit Verbrennungsmotor angetrieben sind und welche vergleichsweise mehr an Gewicht in Form von Batterien und elektrischen Motoren herumschleppen, verschlechtert sich die Umweltbilanz wegen grauer Energie im Antriebsstrang global gesehen nicht. (Ein mechanisches Fahrrad, welches im Keller Staub sammelt und nach nur geringer Lebens-Kilometerleistung, weil es veraltet ist, weggeworfen wird, ist sicher nicht ökologisch.)

Das Elektrofahrrad kann potentiell den Anteil von mit wenigstens teilweise mit Muskelkraft zurückgelegten Wegen erhöhen. Der mit Radfahren verbundene Gesundheitsnutzen könnte sich so einstellen.

Letztlich für die Umweltbilanz wichtig ist vor allem das Gewicht des Fahrzeugs, weniger die Art seines Antriebs: Je leichter ein Fahrzeug ist, umso weniger Energie wird zu seiner Bewegung benötigt. Elektrische Energie kann mit hohem Wirkungsgrad aus erneuerbaren Quellen (Wind, Wasser) geerntet werden und erscheint als Antriebsenergie deshalb als sehr vorteilhaft. Die Höhe des Muskelkraftanteil ist sekundär, da Muskelkraft wegen des Energieinputs in die Nahrungskette nicht CO2-neutral ist. Es gibt Literatur die behauptet, das mechanische Fahrrad sei, verglichen mit dem Elektrofahrrad, ökologisch zumindest nicht unproblematisch [Lemire-Elmore 2004].

Fazit

Wenn Elektrofahrräder Fahrten umweltschädlicher Fahrzeuge substituieren und zudem den modal split der Muskelkraftfahrzeuge erhöhen, wird die Umwelt-, und auch die Gesundheitsbilanz positiv.

In dem Sinn der Titel: Erhöhte Reichweite … Das Elektrofahrrad kann das Radfahren weiteren Personengruppen erschließen, oder gewisse Personengruppen – die Älteren – länger auf dem Fahrrad halten, in einer überalternden Gesellschaft ein wichtiger Effekt. Die Benutzer ermüden dank des Elektrofahrrades im Stop-and-Go Verkehr weniger schnell: Die individuelle Reichweite im urbanen Umfeld steigt. Und: Das Elektrofahrrad kann umweltschädlichere Formen von Mobilität konkurrieren.

Zum Autor

Andreas Fuchs ist promovierter Klima-Physiker. Er lebt vom Engineering von Elektroantrieben im Leistungsbereich kleiner als wenige Kilowatt. Unter seiner Federführung fand die Erforschung der Grundlagen von Serie Hybrid Muskelkraft-Fahrzeugen statt. andreas.fuchs|Spamschutz: Text zwischen senkrechten Balken entfernen|@bluewin.ch
Texte von Andreas Fuchs:
Series Hybrid Drive-System: Advantages for Velomobiles,
E-Management Integration – Serie Hybrid E-Fahrrad-Antrieb – Schlussbericht

Literatur

Häuselmann et al. 1999
Christian Häuselmann, Cornelia Wolf: Ökobilanz und Energiesparpotential von muskelkraftverstärkenden Zweirädern. Bundesamt für Energie Schweiz, Wasser und Energiewirtschaftsamt des Kanton Bern, KIGA, 1999
Lemire-Elmore 2004
Justin Lemire-Elmore: The Energy Cost of Electric and Human-Powered Bicycles. 2004
Tetz 1999
John Tetz: Up-Hill Assist. Konferenzband des Velomobilseminar »Assisted Human Powered Vehicles«. Futurebike CH, 1999
Wilson 2004
David Gordon Wilson: Bicycling Science 3. MIT Press, 2004

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