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Das Ultrarad

2019-03-31

Das Ultracap-HPV - eine Konzeptvorstellung

 

Am 16.03.2019 telefonierte ich mit Michael Hänsch, und redete mit ihm über verschiedene Themen. Irgendwann liefen meine Gedanken bei dem Gespräch über das Podbike etwas nebenher, und mir kam die Idee, in dem Podbike könnten anstelle von Batterien Ultra-Caps eingebaut sein. Damit möchte ich ein reines HPV beschreiben, das eine Art der Rekuperation hat.

Was sind Ultra-Caps? Vorab: Sie heissen auch Supercaps. Caps sind Kondensatoren für englisch 'capacitors'. Die neuesten Bauformen sprengen alle Vorstellungen von einem herkömmlichen Kondensator, die im Leistungsbereich von Pikofarad oder Nanofarad rangierten. Auch die Elektrolytkondensatoren, 'El-Kos', besonders die sogenannten Goldcaps, die die ersten Standlichter-LEDs für die Fahrradrückleuchten noch bis zum nächsten Morgen sichtbar leuchten liessen, hatten bestenfalls 1Farad.

 

Hier die Definition der Einheit Farad: 1*F=1*C/V=1*A*s*V-1=1*A2*s4*kg-1*m-2.

Ein Typ 'BCAP3000' von MaxwellTechnologies hat wie die Typbezeichnung schon andeutet mindestens 3000F bei 2,7V. Desweiteren behalten diese Kondensatoren ihren Ladungszustand angeblich über Wochen. Für einen Typ rechnete ich 163 Stunden, also knapp eine Woche aus. Ein Kondensator ist ein passives Bauteil. Es speichert Energie in Form von Gleichstrom. Ein Supercap oder Ultracap arbeitet etwas komplizierter als ein reiner Kondensator, so daß man ihn je nach Bauform als eine Mischung zwischen Batterie und Kondensator betrachten kann. Hier sei die Helmhotz-Doppelschicht als der elektrostatische Teil und eine elektrochemische Redoxreaktion nach Faraday'schem Prinzip als der zusätzliche Teil der Funktionsweise genannt. In der Praxis sind dies keine zwei Platten, die dicht aneinander sind, sondern Metallfolien in einer Wicklung zwischen denen das Dielektrikum sich befindet. Die Herstellung und die Einzelheiten im Aufbau sind die entscheidenden Erfolgsfaktoren. An dieser Stelle soll nicht näher darauf eingegangen werden. Entscheidend ist ihre schnelle Aufladung. Genausoschnell können sie ihre gespeicherte Energie wieder freisetzen. Leider begrenzen elektrochemische Prozesse einen unendlichen Einsatz, aber sie können mit Akkus gut mithalten. Das Gewicht eines Maxwell-Ultracap liegt bei einem viertel bis einem halben Kilogramm pro Cap, wobei für 48V dann 18 Stück in Reihe geschaltet werden müssten. Mit Gehäuse, Motor und Steuerungselektronik könnten 15kg zusätzlich schon ein Argument für einen Mehrspurer sein, -Kippgefahr für die Einspurer.

Hier die Überlegung: Der Ultracap wird nur durch die Energie des Fahrers, der Fahrerin, gespeist , und ist somit eine Ergänzung des Antriebs, aber es wird keine äussere Energie durch Aufladen zugeführt. Damit muss das Fahrzeug weiterhin als reines Fahrrad gelten.

Die Idee ist prinzipell nicht neu, wurde nur bisher beim Fahrrad und anderen muskelgetriebenen Fahrzeugen meines Wissens nicht beschrieben. Beispielsweise sieht das Formel1-Reglement von 2007 eine Rekuperation mit Batterie und Supercap vor, -Stichwort 'KERS'. Auch Busse und Strassenbahnen können so Energie zurückgewinnen, wenn auch wohl erst in Versuchen.

Natürlich, ein langer Anstieg oder Erschöpfung sind dann eine grössere Herausforderung als mit Akku, aber als Fahrrad entfällt die Diskussion um eine Höchstgeschwindigkeit, womit der Fahrer und der Hersteller für Deutschland eine wichtige Sorge weniger hätte, vor allem wenn es um ein System wie bei dem Podbike geht. Denn für den Hersteller ist eine Typzulassung für ein S-Pedelec nur bei höheren Stückzahlen interessant. Für die Radlerin oder den Radler ist jedes Hemmnis gerade bei Auslandsfahrten weniger eine Erleichterung.

Was wäre gerade bei dem Podbike oder dem 3G von 3g engineering der Nutzen? Bei schwereren Fahrrädern oder Spezialrädern ist es besonders lohnend, und das kettenlose Antriebskonzept macht den Einbau leichter. Jedes starke Bremsen ist eine verschwendete Energie. Noch mehr als bei leichteren Fahrzeugen, wird eine relativ grosse Energiemenge in kürzer Zeit aus der Bewegungsenergie abgezogen und geht im wesentlichen als Wärme dem System verloren. Nur bei moderatem Bremsen lässt sich die gewonnene elektrische Energie zum Laden der Akkumulatoren nutzen, so dass in der Regel 10-20% der kinetischen Energie zurückgewonnen werden. Die restliche Energie wird über die Bremsen in Wärme überführt. Die Ultra-Caps sind ein Game-Changer, weil sie viel schneller aufgeladen werden können. Allerdings speichern sie nicht so grosse Energiemengen wie die Akkus. Wieviel Energie zurückerhalten werden kann, bleibt dann den Praxistests überlassen. Die Tendenz spricht jedoch dafür, dass der Fahrer nach einem erzwungenen Stopp, wie typischerweise im Stadtverkehr, auch nach häufigen Stopps wieder ähnlich schnell in Fahrt kommt, während die vorgesehene Batterielösung nur eine durch die Akkugrösse begrenzte Zahl an Anfahrten unterstützt. Die Ultra-Caps können auch zusammen mit einer Akkubatterie verbaut werden, was so besonders im Stadtverkehr die Reichweite schont. Aber wie Per Hassel Sørensen in dem Artikel in der IB 205 bereits ausführt, sollte das Gewicht des Fahrers, der Fahrerin, nie vergessen werden. Ein erstes Feedback von Podbike zeigt aber Desinteresse, da man die Caps für zu teuer hält, ohne aber auf mein Konzept näher einzugehen.

Ein anderer Weg wäre bei einem Pedelec die Vorgaben zu erfüllen, indem die Batterieunterstützung wird ab 25km/h unterbrochen wird. Im Falle von Podbike und 3g wäre eine Geschwindigkeit oberhalb von 25km/h nur mit stärkerem Muskeleinsatz oder nur bergab möglich. Auch hier könnten Ultra-Caps unterstützen, sofern sie dann nicht doch als zugehörig zur Batterie und ihrer Funktion betrachtet werden.

Alternativen?

Vergleichbare Lösungsansätze könnte man im Schwungrad finden. So wird das Prinzip wird bei alten Fahrräder im Verborgenen genutzt: 28"-Räder mit relativ viel Masse im äusseren Bereich durch Stahlfelgen, schwere Reifen und Schläuche bringen eine höhere Rotationsenergie als bei kleineren Leichtbaulaufrädern. In Verbindung mit dem grösseren Durchmesser reicht der Schwung, um spürbar besser über unebene Wege zu kommen und mehr Ruhe im Fahrrad zu haben. Eine Lösung mit separatem Schwungrad ist mir für Fahrräder aber nicht bekannt. Es gibt andere Fahrzeugkonzepte mit horizontalem Schwungrad, durch das ein Einspurer beim Halten durch den Kreiseleffekt noch stehen bleibt. So ich weiss wird dies bei manchen Staplern mit Pendelachse verwendet, um sie vor dem gefährlichen Kippen in der Kurve zu bewahren.

Im hohen Gewichtsanteil des Menschen am Gesamtsystem liegt auch der Grund, warum muskelgetriebene Flugzeuge nur selten abheben und fliegen. In der InfoBull wünschte man sich mehr zu diesem Thema, aber es ist einfach mit zu vielen Hürden verbunden, so dass sich zu wenige damit beschäftigen. In der Regel dürften die Muskeln zu schwach und das Gesamtsystem zu schwer sein. Mit den Supercaps aber könnte ein Segler mit Muskelkraft eine Starthilfe erhalten, die sonst wie bei Segelflugzeugen üblich über Seilwinden erfolgt. Hier geht es also nicht um die Rückgewinnung von Bremsenergie, sondern um ein Aufladen eines Energiespeichers vor dem Start. Diese Vorgehensweise wäre natürlich auch beim Podbike möglich.

Zuletzt taucht vielleicht die Frage auf, warum solche Ideen nicht früher gekommen sind? Die Antwort ist, dass, wie schon erwähnt, Ultra-Caps bei ähnlicher Baugrösse viel mehr Energie speichern können als frühere Kondensatoren. In diesem Zusammenhang sehr aufsehenserregend war der Kauf von Maxwell durch Tesla Anfang dieses Jahres. Dadurch ging eine Welle der Verwunderung zum Strand der tausend Möglichkeiten, die diese neuen Superkondensatoren bieten, nicht nur für die Rekuperation von EVs, sondern auch für die Pufferung von Energiespitzen bei regenerativen Energiequellen. Hier ist es das besondere Interesse um alles was Elon Musk tut, was die besondere Aufmerksamkeit einiger YouTuber befeuert.

Lasst Euch inspirieren und anspornen, vielleicht ein altes Pedelec umzubauen. Auf die ersten brauchbaren Ergebnisse freuen sich bestimmt die vielen Fahrradfahrer, die ihre meisten Fahrten im Stadtverkehr zählen. Tip: Der Motor muss beim Drehen des Rades Gleichstromspannung abliefern, sonst rekuperiert er nicht, und ein Versuch wäre zwecklos. Mein erster Test bei dem alten Pedelec meiner Frau verlief auch gleich negativ. Weiteres: Vielleicht müsste man den Motor auskuppeln können, also nur dann Rekuperieren, wenn man die Bremse betätigt. Die sollte zwei Stufen haben: Zuerst wird die Motorbremse aktiviert, und bei starker Bremsung dann auch die vorhandene Bremse. Dazu könnte man im Bremshebel einen Federschalter einbauen, der mit dem Zugwiderlager des Hebels verbunden ist. Das allerdings hängt vom eingebauten Motortyp ab. Und dann wäre ein Aktivierungstaster, eine Art Startknopf, nötig, um die Energie aus dem Puffer wieder abzurufen.

Eine Bemerkung an die echten Racer: Ultracaps wären vermutlich im Rennen umstritten. Ohne Entladung dieser vor dem Start wäre die Fairness nicht gegeben, und dann hätten sie eher taktische Bedeutung bei Überholmanövern. Jedenfalls wird ein Rad etwa fünf bis fünfzehn Kilogramm schwerer.

Damit möchte ich schliessen, dass meine Konzepte eines Fahrrads mit Rekuperation der Bremsenergie in Supercaps und eines Startens mit zuvor selbst eingespeister Energie mir bisher noch nicht anderweitig bekannt wurden, und sie eine gute Grundlage für weitere Überlegungen und Versuche sein sollen. Meine Wortwahl wäre: Ultracap-Bike! Auf die Plätze, fertig und: Ultra!

Autor: Andreas Hertting