Al trappend elektriciteit opwekken is goed voor je conditie, maar het ecologische voordeel is zeer twijfelachtig.
Hoewel het menselijk lichaam niet erg efficiënt is in het omzetten van brandstof (voedsel) in energie, is dat niet het vraagstuk dat we hier willen aankaarten: mensen moeten nu eenmaal bewegen om gezond te blijven, en dus kunnen we die energie evengoed aanwenden om apparaten aan te drijven.
Het probleem is dat de moderne benadering van de technologie resulteert in weliswaar praktische maar bijzonder inefficiënte machines. In feite doe je met een energiefiets niets meer dan het opwekken van de energie die nodig was voor de productie van de batterij.
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
Pedaalaangedreven machines
Na de uitvinding van de fiets in de jaren zeventig van de negentiende eeuw dook er al snel een stationaire variant van de technologie op: de pedaalaangedreven machine.
Vanaf 1876 werden er pedaalaangedreven draaibanken, zaagmachines, slijpmachines, pompen, freesmachines, boormachines en snijmachines op de markt gebracht. Deze toestellen – die erg populair werden – waren bedoeld voor kleine werkplaatsen en huishoudens die niet over elektriciteit of stoomkracht beschikten (bronnen: 1/2/3).
Pedaalkracht maakte al deze bewerkingen veel efficiënter in vergelijking met machines die met de hand werden aangedreven. De spieren in de benen zijn veel sterker dan die in de armen. Tredmolens en kaapstanders boden eerder in de geschiedenis al een soortgelijk voordeel, maar pedaalkracht was veel compacter, wat de toepassingsmogelijkheden ervan aanzienlijk groter maakte.
Hoeveel energie kan een mens produceren?
Een persoon met een gemiddelde conditie kan ongeveer drie keer meer energie leveren via pedalen dan via een hendel die met de hand wordt aangedreven. Toch mag het potentieel van pedaalkracht niet worden overdreven.
Het klopt dat atleten tot 1.000 watt en meer chemische energie kunnen leveren, maar dat houden ze slechts kortstondig vol. Het vermogen dat een persoon met een gemiddelde conditie over een langere tijdspanne kan volhouden is minder spectaculair: 75 watt of 1 “hup”.
Deze eenheid (een afkorting voor human power) werd in 1984 geïntroduceerd en stelt dat een gemiddelde persoon één hup kan volhouden voor onbepaalde tijd, twee hup (150 watt) voor ongeveer twee uur, drie hup (225 watt) voor ongeveer een half uur, en vier hup (300 watt) slechts voor eventjes (bron).
Het vermogen dat je kan opwekken op een energiefiets is overigens beperkter dan wat je kan produceren op een fiets omdat er geen luchtweerstand is. Die zorgt er op de weg namelijk voor dat het lichaam wordt afgekoeld. Op een energiefiets raak je sneller overhit.
De revival van de energiefiets
Het succes van pedaalaangedreven machines was van korte duur. Hoewel ze werden ontworpen om 100 jaar of langer mee te gaan, overleefden de meeste exemplaren de Eerste Wereldoorlog niet, toen ze werden gesloopt om het metaal te recycleren.
Pedaalaangedreven machines beleefden, samen met de fiets, een eerste revival tijdens de jaren zeventig van de twintigste eeuw, na de oliecrisis. Omdat de ontwikkeling van de technologie vijftig jaar had stil gestaan, was er veel werk aan de winkel. Er werd flinke vooruitgang geboekt – onder meer het aantal toepassingen werd enorm uitgebreid – maar de ontwikkeling stokte opnieuw snel toen de oliecrisis achter de rug was. Uit het onderzoek kwam geen enkel commercieel product voort.
Halverwege de jaren negentig kwam een tweede renaissance op gang, dit keer voornamelijk gevoed door de bezorgdheid over de klimaatopwarming. Maar deze keer ligt de klemtoon elders: niet langer op de rechtstreekse mechanische aandrijving van apparaten, maar op de opwekking van elektriciteit.
Pedaalaangedreven concerten
Het al fietsend opwekken van elektriciteit is de jongste jaren populair geworden bij mensen die hun ecologische voetafdruk willen verkleinen. Een aantal fabrikanten (Windstream, Convergence Tech en Magnificent Revolution) bieden materiaal aan waarmee je een gewone fiets in een wip omtovert tot een kleine elektriciteitscentrale. Het gaat om een metalen steun waarin je je fiets vast kan klemmen, voorzien van een elektrische generator en verbonden met een batterij.
Dit zijn ook de machines die worden ingezet voor educatieve doeleinden, waar kinderen het verschil wordt duidelijk gemaakt tussen (bijvoorbeeld) het energieverbruik van een gloeilamp of een spaarlamp, en voor ecologische showprojecten, zoals het leveren van energie voor een muziekconcert, een filmvoorstelling of een supercomputer. De BBC maakte zelfs een televisie-aflevering waarin een heel huishouden werd aangedreven door dit soort generators, waarbij 80 fietsers tot 14 kilowatt elektriciteit opwekten.
Een fietsgenerator is niet energie-efficiënt
Er zijn heel wat bedenkingen te maken bij deze aanpak. Ten eerste is het opwekken van elektriciteit een erg inefficiënte manier om apparaten aan te drijven, omwille van de energieverliezen in de batterij, de bijhorende elektronica en de generator. Die energieverliezen kunnen snel oplopen: 10 tot 35 procent in de batterij, 10 tot 20 procent in de generator, en 5 tot 15 procent in de omvormer (die gelijkstroom omzet in wisselstroom). (Bronnen: 1/2/3). De energieverliezen in de spanningsregelaar (die verhindert dat je de batterij opblaast) bedragen ongeveer 25 procent. (Bronnen: 1/2).
Dat betekent dat het totale energieverlies in een pedaalaangedreven generator 42 tot 67,5 procent bedraagt (rekenvoorbeeld voor de hoogste waarde: 100 watt input = 80 watt na 20% verlies in generator = 57,5 watt na 25% energieverlies in de spanningsregelaar = 37,5 watt na een verlies van 35% in de batterij = 32,5 watt na een verlies van 15% in de omvormer = een output van 32,5 watt = efficiëntie van 32,5% of een energieverlies van 67,5%).
De helft tot twee derde van de opgewekte energie gaat verloren als je elektriciteit opwekt en die opslaat in een batterij
Daarbij komt nog een klein maar continu verlies als de batterij niet wordt gebruikt, en bovendien neemt de opslagcapaciteit van de batterij na verloop van tijd af. En om de berekening van de elektrische verliezen compleet te maken, zou je eigenlijk ook nog de verliezen in het apparaat dat wordt aangedreven in rekening moeten brengen (wat we hier niet zullen doen).
Een energieverlies van 42 tot 67,5% betekent dat het 42 tot 67,5% meer energie kost om een apparaat (bijvoorbeeld een mixer) via elektriciteit aan te drijven dan wanneer je hetzelfde apparaat mechanisch zou aandrijven.
Als je 100 watt energie kan leveren, waarvan 42 tot 67,5 procent verloren gaat, blijft er slechts 32,5 tot 58 watt over om het apparaat te doen werken. Als datzelfde apparaat mechanisch wordt aangedreven, lever je (vrijwel) 100 watt direct aan het apparaat. Je moet dus 2 tot 3 keer zo hard of zo lang trappen als je beslist om elektriciteit op te wekken en die op te slaan in een batterij.
Energieverliezen in de aandrijving
Daar blijft het niet bij. Het tweede probleem met de huidige benadering van energiefietsen is dat er gebruik wordt gemaakt van een traditionele fiets en niet van een speciaal gebouwde machine – zoals dat het geval was aan het eind van de negentiende en het begin van de twintigste eeuw. Natuurlijk heeft het gebruik van een gewone fiets voordelen, maar opnieuw is het belangrijk om te realiseren dat deze aanpak weinig efficiënt is.
Eén van de redenen daarvoor is het gebruik van een frictie-aandrijving: het achterste fietswiel oefent kracht uit op het kleinere wiel van de generator (het principe van de intussen verdwenen dynamo). Terwijl een kettingaandrijving een efficiëntie heeft tot 98 procent, bedraagt die in het geval van een frictie-aandrijving slechts 80 tot 90 procent (bron). Bovendien is de slijtage veel groter.
Dit energieverlies moet bij het reeds berekende verlies van 42 tot 67,5% worden geteld, zodat het totale energieverlies oploopt tot 48 procent (in het beste geval) of 73,5 procent (in het slechtste geval). Een lage bandenspanning doet de efficiëntie van een frictie-aandrijving nog verder dalen.
Daarbij moet ook nog worden opgemerkt dat er energieverlies optreedt in de fiets zelf. De pedalen zijn niet rechtstreeks aan het achterwiel zelf vastgemaakt. Ze doen een tandwiel draaien, dat een ketting doet draaien, dat een tandwiel doet draaien, dat het achterwiel doet draaien.
Dus bovenop het energieverlies van de frictie-aandrijving komt het (weliswaar kleine) energieverlies van de kettingaandrijving (plus het energieverlies in de derailleur, als je fiets die heeft).
De kettingaandrijving direct aansluiten op de generator zou het energieverlies van de frictie-aandrijving opheffen, maar dat impliceert dat je de fiets moet aanpassen, zodat hij onbruikbaar wordt als transportmiddel – wat het hele concept van de commercieel verkrijgbare pedaalaangedreven generators om zeep helpt.
Racefiets is geen betere energiefiets
Er kan nog meer energieverlies optreden bij het gebruik van een gewone fiets voor het opwekken van elektriciteit. Zo toont fabrikant Windstream een racefiets om elektriciteit op te wekken. Dat is geen goede keuze, omdat de positie van de fietser in dat geval gericht is op het verminderen van de luchtweerstand. Onderzoek heeft aangetoond dat stationair fietsen in die positie 20 procent minder efficiënt is vergeleken met een kaarsrechte positie zoals op een klassieke fiets (bron).
Op de weg is een racefiets niettemin voordelig omdat de fietser het grootste deel van zijn of haar kracht opoffert aan het overwinnen van de luchtweerstand. Maar op een stationaire fiets heeft die positie uiteraard geen enkel voordeel.
De populaire mountain-bike is ook al geen goede keuze omwille van de geribbelde banden, die de efficiëntie van de frictie-aandrijving verder naar beneden halen. Kortom, terwijl deze producten het voordeel bieden dat je in principe je bestaande fiets kan gebruiken, komt lang niet elke fiets in aanmerking (bron).
Het belang van een vliegwiel
Een ander nadeel van het gebruik van een gewone fiets is dat die niet over een vliegwiel beschikt. Een vliegwiel is een zware ronde schijf die door het gewicht en de rotatiesnelheid kortstondig energie blijft produceren nadat ze in beweging is getrapt. Bij de speciaal gebouwde energiefietsen uit het einde van de negentiende eeuw nam het vliegwiel de functie over van het achterwiel van de fiets. De mens drijft het vliegwiel aan, en het vliegwiel drijft vervolgens de machine aan (die machine kan in principe ook een elektrische generator zijn).
Een vliegwiel is belangrijk omdat de krachtuitoefening op de pedalen niet constant is – als de ene pedaal helemaal boven staat en de andere helemaal beneden, wordt er slechts een minieme kracht uitgeoefend. Staan de pedalen daarentegen in een horizontale lijn dan is de krachtuitoefening het grootst.
Dat onregelmatige vermogen vormt geen probleem als je op de weg fietst omwille van de inertie van de fietser. Maar in het geval van een stationaire fiets leidt het tot een schokkerige beweging die het vermogen van de fietser beperkt.
Batterij voor energiefiets
Al trappend elektriciteit opwekken met je eigen fiets is niet alleen inefficiënt, het is ook verre van duurzaam. De productie van een batterij – die regelmatig vervangen moet worden – kost veel energie. Volgens dit onderzoek (pdf) bedraagt de ingebedde energie van een loodzuuraccu met een capaciteit van 150 watt-uur (zoals degene die met de Windstream generator wordt verkocht) tenminste 37.500 watt-uur, wat overeenkomt met 250 oplaadbeurten (bijkomende bronnen: 1/2).
Een energiefiets die elektriciteit opslaat in een batterij, kost meer energie dan hij oplevert
Met andere woorden: als je 75 watt kan leveren aan de batterij, moet je 500 uur trappen om de energie op te wekken die nodig was voor de productie van de batterij. Omdat de levensverwachting van een loodzuuraccu beperkt kan zijn tot 300 oplaadbeurten (bronnen: 1/2), bestaat de kans dat je met een energiefiets eigenlijk niets meer doet dan het opwekken van energie die nodig was voor de productie van de batterij.
Als je daarbij ook nog de ingebedde energie van de andere elektronica en onderdelen mee in rekening brengt, dan wordt het ecologische voordeel van de energiefiets zeer twijfelachtig. Het is waarschijnlijk dat zo’n fiets veel meer energie kost dan hij oplevert.
Hoe maak je een fietsgenerator efficiënter?
Er zijn verschillende manieren om de duurzaamheid en efficiëntie van een elektrische energiefiets te verbeteren. In principe kan je zowel de spanningsregelaar, de omvormer en de batterij elimineren – of elk van die drie. Maar daar betaal je wel een prijs voor.
Als je de omvormer weg laat, dan kan je alleen maar elektrische apparaten op gelijkstroom aandrijven – bijvoorbeeld toestellen die verkocht worden om op het dashboard van je auto aan te sluiten. Omwille van het grote energieverlies dat de omvormer veroorzaakt (25%), kan dat een interessante optie zijn. Maar lang niet alle apparaten zijn verkrijgbaar in een variant die werkt op gelijkstroom.
Als je de spanningsregelaar weglaat – wat het geval is bij een aantal commercieel verkrijgbare energiefietsen – dan moet je er over waken dat je een constante spanning produceert door op een metertje te kijken terwijl je trapt. Produceer je een te hoge spanning, dan blaas je immers de batterij op (of het apparaat, als je geen batterij gebruikt). De batterij weglaten verbetert zowel de efficiëntie als de duurzaamheid. Maar dan verlies je de mogelijkheid om elektriciteit op te wekken voor later gebruik. Met andere woorden: je hebt geen andere keuze dan te trappen terwijl je het apparaat in kwestie gebruikt.
Of dit mogelijk is of niet hangt af van waar je de generator wil voor gebruiken. Als je een laptop of een mobiele telefoon wil opladen is dat geen probleem, omdat die toestellen zelf over een batterij beschikken. Wil je echter het licht in de trappenhal doen branden, of een televisie, desktop computer, elektrische gitaar of (kleine) koelkast aandrijven, ligt dat iets moeilijker.
Energiefiets met vliegwiel en kettingaandrijving
Naast het eventuele weglaten van batterij of elektrische componenten doe je er ook goed aan een speciale energiefiets te bouwen in plaats van je bestaande fiets te gebruiken. Dat laat je toe om de frictie-aandrijving te vervangen door een efficiëntere kettingaandrijving, en om het achterwiel te vervangen door een vliegwiel. Het vliegwiel is ook zeer handig als je zonder spanningsregelaar trapt, omdat het niet alleen de energie-input (het natuurlijke trapritme) maar ook de energie-output (het voltage) gelijkmatiger maakt.
Een vliegwiel kan je makkelijk zelf maken door een fietswiel te vullen met cement. Je kan ook een rond houten tafelblad gebruiken, zoals in het geval van de Pedal Powered Prime Mover (PPPM), gemaakt door de Amerikaan David Butcher. De machine bestaat uit een stalen geraamte gemaakt van onderdelen van een kast.
De fiets is niet gemaakt om energie op te wekken – veel beter is het om een speciale pedaalaangedreven machine te bouwen
Hoewel de PPPM gebruik maakt van een frictie-aandrijving, is die relatief efficiënt. In plaats van een fietsband wordt de generator immers aangedreven door een “houten band” – het vliegwiel. Aangezien een hogere bandenspanning de efficiëntie van een frictie-aandrijving verbetert, kan een houten vliegwiel beschouwd worden als een fietswiel met een optimale bandenspanning.
Bovendien wordt het vliegwiel direct door de pedalen aangedreven, zodat het verlies van de kettingaandrijving wordt uitgewist. Het nadeel hiervan is dat je de trapversnelling niet kan aanpassen. Volgens Butcher is de energiefiets dankzij het vliegwiel tot 25% efficiënter dan het gebruik van een gewone fiets voor het opwekken van elektriciteit.
Directe mechanische aandrijving
De beste manier om het enorme efficiëntieverlies van een energiefiets te elimineren is helemaal geen elektriciteit te produceren en apparaten mechanisch aan te drijven – zoals dat het geval was aan het eind van de negentiende eeuw. Dat is onmogelijk in het geval van moderne elektronische apparaten zoals laptops en mobiele telefoons, maar veel andere machines zouden in principe mechanisch in plaats van elektrisch van energie kunnen worden voorzien: gereedschappen, keukenmachines, landbouwmachines, voedselverwerkende machines en industriële machines.
Daar hebben we het in de volgende artikels over:
- De vergeten toekomst van de fietsmachine
- Een hightech keuken zonder elektriciteit
- Bouw je eigen energiefiets of fietsmachine
Kris De Decker
Verwante artikels:
- Kan een moderne samenleving op menselijke spierkracht draaien?
- Europa zoekt vrachtfietsers (m/v): veel werk voor goede fietsbenen
- Maak alles samen: open modulaire hardware
- Het dubbele dividend van lokale energie: in het oog, in het hart
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Geef een reactie op Amber Van De Pol Reactie annuleren