Commercieel verkrijgbare fietsgeneratoren zijn niet duurzaam

Datum: 25 mei 2011 Auteur: Kris De Decker

Fietsen op een moderne hometrainer om elektriciteit op te wekken kan een geweldige workout zijn, maar in veel gevallen is het niet duurzaam. Hoewel mensen relatief inefficiënte motoren zijn die voedsel omzetten in arbeid, is dat niet het probleem dat we hier willen aankaarten; mensen moeten bewegen om gezond te blijven, dus kunnen we die energie net zo goed gebruiken om machines aan te drijven. Het probleem is dat de huidige aanpak van trapperskracht leidt tot zeer inefficiënte machines.

Wanneer je een commerciële fietsgenerator gebruikt, trap je in feite om de energie te produceren die nodig is voor de productie van de batterij.

Twee methoden van energieopwekking

Er zijn twee manieren om een apparaat aan te drijven door te trappen:

1. Directe mechanische verbinding: Dit was het geval bij alle trapaangedreven machines die rond de eeuwwisseling van de 20e eeuw te koop waren.
2. Elektriciteitsopwekking: Je trapt om elektriciteit op te wekken, die vervolgens wordt gebruikt om het apparaat van stroom te voorzien.

In de jaren 70 was het meeste onderzoek gericht op directe mechanische krachtoverbrenging. Tegenwoordig is de interesse in trapaangedreven machines bijna uitsluitend gericht op het opwekken van elektriciteit, bijvoorbeeld voor het opladen van mobiele telefoons en laptops — producten die in de jaren 70 nog niet eens bestonden.

Met één uitzondering (de ‘Fender Blender’, een trapaangedreven machine om smoothies te maken), bestaan de enige commercieel verkrijgbare trapaangedreven machines in de westerse wereld uit standaarden waar je je fiets in plaatst, verbonden met een elektromotor/generator en een batterij. Deze combinatie kan een gewone racefiets snel omzetten in een elektriciteitsgenerator. Dit zijn ook de machines die worden gebruikt voor educatieve en artistieke projecten, zoals het van stroom voorzien van een concert, een bioscoopprojectie of een supercomputer.

De inefficiëntie van elektriciteitsopwekking

Het opwekken van elektriciteit is verre van de meest efficiënte manier om trapperskracht te benutten. Dit komt door interne energieverliezen in de batterij, het batterijbeheersysteem, andere elektronische componenten en de motor/generator.

Deze energieverliezen tellen snel op:

• Batterij: 10 tot 35 procent verlies.
• Motor/generator: 10 tot 20 procent verlies.
• Converter (DC naar AC): 5 tot 15 procent verlies.
• Spanningsregelaar (DC-naar-DC converter): ongeveer 25 procent verlies.

Dit betekent dat het totale energieverlies in een trapaangedreven generator tussen de 42 en 67,5 procent ligt.

Rekenvoorbeeld bij maximaal verlies: 100 watt input → 80 watt (na 20% verlies in motor/generator) → 57,5 watt (na 25% verlies in spanningsregelaar) → 37,5 watt (na 35% verlies in batterij) → 32,5 watt (na 15% verlies in converter) = 32,5 watt output. Dit resulteert in een efficiëntie van 32,5% of een energieverlies van 67,5%.

Daarnaast treedt er een klein verlies op wanneer de batterij in ruststand staat, en de ladefficiëntie van de batterij verslechtert na verloop van tijd.

Kortom: je moet twee tot drie keer zo hard of zo lang trappen als je kiest voor elektrische stroomverzorging in vergelijking met het mechanisch aandrijven van hetzelfde apparaat.

Traditionele fietsen zijn niet ontworpen voor stationaire kracht

Een tweede probleem is dat de huidige aanpak gebruikmaakt van een traditionele fiets op een trainingsstandard, in plaats van een trapaangedreven machine die vanaf nul is ontworpen. Dit is aanzienlijk minder efficiënt.

Wrijvingsaandrijving

Er wordt vaak gebruikgemaakt van een zogenaamde wrijvingsaandrijving (friction drive), waarbij het achterwiel van de fiets op de kleine roller van de motor/generator rust. Terwijl ketting- en riemaandrijvingen (gebruikt in machines uit de late 19e eeuw) een efficiëntie tot 98 procent hebben, is een wrijvingsaandrijving slechts 80 tot 90 procent efficiënt en slijt deze veel sneller. Een lage bandenspanning vermindert deze efficiëntie verder.

Daarnaast is er energieverlies in de fiets zelf: de pedalen zijn niet direct verbonden met het achterwiel, maar gaan via een tandwiel, een ketting en een ander tandwiel.

De invloed van het type fiets

Het type fiets dat wordt gebruikt, beïnvloedt de output aanzienlijk:

• Racefietsen: De zithouding is ontworpen om windweerstand te verminderen. Tests op ergometers tonen aan dat trappen in deze positie slechts ongeveer 80 procent zo effectief is als in een normale, rechtopstaande positie. Op een stationaire machine heeft deze houding geen enkel voordeel.
• Mountainbikes: De geprofileerde banden verlagen de efficiëntie van de wrijvingsaandrijving.

Het ontbreken van een vliegwiel

Een groot nadeel van een gewone fiets is de afwezigheid van een vliegwiel (een zware schijf van beton, hout of staal). In een vanaf nul gebouwde machine neemt het vliegwiel de functie van het achterwiel over.

Een vliegwiel is essentieel omdat de kracht die we met onze voeten op de pedalen uitoefenen inconsistent is. Er zijn pieken elke 180 graden en 'dode punten' aan de boven- en onderkant van de pedaalslag. Op een stationaire fiets zonder vliegwiel resulteert dit in een schokkerige beweging, wat de energie-output beperkt en extra stress veroorzaakt op de onderdelen. Een vliegwiel vlakt deze verschillen uit, waardoor de fietser minder snel vermoeid raakt en meer vermogen kan genereren.

Ecologische impact en duurzaamheid

Elektriciteitsopwekking maakt trapperskracht minder duurzaam, minder robuust en kostbaarder.

Belichaamde energie van batterijen

Batterijen moeten worden geproduceerd en regelmatig worden vervangen. De 'belichaamde energie' (embodied energy) van een loden batterij van 150Wh is ten minste 37.500 Wh. Dit staat gelijk aan 250 volledige ladingen van de batterij.

Als je 75 watt aan vermogen levert aan de batterij, moet je 500 uur trappen om alleen al de energie terug te verdienen die nodig was om de batterij te produceren. Aangezien de levensduur van een loden batterij soms slechts 300 cycli is, trap je in feite om de energie te produceren die nodig is voor de productie van de batterij zelf.

Vergelijking met mechanische machines

Een puur mechanische machine kost ook energie om te maken (voornamelijk door de productie van staal). Echter, terwijl een batterij elke paar jaar vervangen moet worden, kunnen mechanische machines wel 100 jaar meegaan.

Als we uitgaan van een levensduur van 4 jaar voor een batterij, zou een elektrische generator over een periode van 100 jaar 6,7 tot 22,5 keer meer belichaamde energie vereisen dan een mechanische eenheid. Bovendien kan een mechanisch frame vaak van gerecyclede materialen worden gemaakt, wat de ecologische voetafdruk minimaliseert.

Robuustheid en Kosten

Een mechanische machine is een van de meest robuuste energiebronnen, maar dit voordeel gaat verloren bij elektriciteitsopwekking:

• Afhankelijkheid: Men blijft afhankelijk van een toevoer van vervangende batterijen.
• Onderhoud: Elektronische onderdelen (spanningsregelaars, converters) kunnen defect raken en zijn moeilijk zelf te repareren, in tegenstelling tot eenvoudige mechanische overbrengingen.
• Prijs: Commerciële elektrische modellen kosten tussen de $700 en $1000. Een zelfbouw mechanische machine kan voor $10 tot $50 worden gebouwd (met gebruikte onderdelen), terwijl een professionele mechanische machine (zoals de Fender Blender) duur is vanwege het stalen frame, maar geen kosten voor batterijen met zich meebrengt.

Oplossingen

Er zijn twee manieren om de grote energieverliezen van fietsgeneratoren aan te pakken:

1. Vermijd elektriciteit: Drijf apparaten direct mechanisch aan waar dat mogelijk is.
2. Verbeter de efficiëntie: Voor apparaten die geen roterende beweging gebruiken, kan de efficiëntie worden verhoogd door de generator vanaf nul te bouwen (zonder gebruik van een standaard fiets) en het aantal elektronische componenten in de overdrachtsketen te verminderen.

***

Bronnen

• McCullagh, J. (Red.). (1977). Pedal Power in Work, Leisure and Transportation. Rodale Press.
• Dean, T. (2008). The Human-Powered Home: Choosing Muscles Over Motors. New Society Publishers.
• Wilson, D. G. (2004). Bicycling Science (3e editie).
• Weir, A. (1980). The Dynapod: a pedal power unit.
• Weightman, D. (1976). The use of pedal power for agriculture and transport in developing countries. Lanchester Polytechnic.
• Cyders, T. J. (2008). Design of a human-powered utility vehicle for developing communities.
• National Research Council. (1981). Supplement, Energy for rural development.
• Brett, D. (2003). Tales from the Blue Ox.
• Sharp, A. (1896). Bicycles and tricycles.
• Allen, J. S. (1991-1992). In search of the massless flywheel. Human Power.
• Modak, J.P. & Moghe, S.D. (1998). Design and development of a human-powered machine for the manufacture of lime-flyash-sand bricks. Human Power.
• Modak, J.P. (2007). Human Powered Flywheel Motor: concept, design, dynamics and applications.
• Park, B. (1892). Modern mechanism: exhibiting the latest progress in machines, motors, and the transmission of power.
• Mother Earth News. (2008). Make electricity while you exercise.
• Toolemera Blog. Luther’s tool grinders & Woodworkers’ tools and machines (1884).
• Needham, J. (1987). Science & civilisation in China, Vol.5, Part 9.