Elektrorad

Ein Elektrorad (in Schwizerdütsch: "Elektrovelo"), auch Elektrofahrrad, E-Fahrrad, E-Rad, E-Bike oder eBike genannt, ist ein Fahrrad, das zur Gänze oder tretunterstützend von einem Elektromotor angetrieben wird. Der Motor kann wahlweise im Vorderrad oder im Hinterrad als Nabenmotor oder im Tretlager als sogenannter Mittelmotor angebracht sein. Die Versorgung des Elektromotors mit Energie erfolgt durch einen – oft abnehmbaren – Akku.

Als Pedelec wird ein solches Elektrorad bezeichnet, wenn dessen elektrische Fahrunterstützung nur durch das Pedalieren abgefordert werden kann. Ein mehrspuriges Elektrofahrzeug wird hingegen als Leichtelektromobil bezeichnet.

Elektrorad aus den Niederlanden

Gocycle aus Grossbritannien

Elektrorad als Faltrad, 2006

Bedien- und Anzeigeinstrumente

Akku in Spezialtasche

Verkehrsrechtlich motivierte Unterscheidungen

Die Art der Motorunterstützung hat unter anderem in Ländern der EU führerscheinrechtliche Folgen; deswegen wird zwischen folgenden Kategorien unterschieden :

• Elektrofahrräder mit limitierter Tretunterstützung, Pedelec genannt,
• Elektrofahrräder mit unlimitierter Tretunterstützung, schnelles Pedelec genannt,
• Elektrofahrräder mit tretunabhängigem Zusatzantrieb,
• Elektrofahrräder ohne Tretantrieb (zuweilen den E-Rollern oder E-Scootern zugezählt und deshalb teilweise auch als E-Roller oder E-Scooter bezeichnet).

Fahrrad mit limitierter Tretunterstützung

→ Hauptartikel: Pedelec

Ein Fahrrad mit beschränkter Tretunterstützung hat die Eigenschaft, dass der Elektromotor nur bei Kurbelbewegung wirkt. Der Motor unterstützt also nur das Treten. Diese Pedelecs sind als Fahrzeuge von der EU-Kraftfahrzeugrichtlinie dann ausgenommen, wenn sie auf eine mittlere Leistung des Motors von 250 W limitiert sind und die Unterstützung des Motors ab 25 km/h abregelt. Dann unterliegen sie in den EU-Ländern weder Helm-, noch Versicherungs- und Führerscheinpflicht und benötigen keine Betriebsgenehmigung.

Nur diese „langsamen“/„normalen“ Pedelecs sind Fahrräder im Sinne der deutschen StVO. Eine Ausnahme bilden nach dieser Definition Fabrikate, die über eine sogenannte Anfahrhilfe verfügen: obwohl sie während des laufenden Betriebs tretabhängig funktionieren, kann man damit unmittelbar aus dem Stand mit einer bloßen Drehung des Gasgriffs auf bis zu ca. 6 km/h beschleunigen, was jedoch für nach dem 1. April 1965 Geborene eine Mofa-Prüfbescheinigung vorschreibt.

In der Schweiz müssen diese Pedelecs, noch bis Ende 2011, wie ein Fahrrad (mit Velovignette) haftpflichtversichert werden. In Österreich sind diese Fahrzeuge uneingeschränkt Fahrräder und benötigen keine Versicherung.

Fahrrad mit unlimitierter Tretunterstützung

In Deutschland sind Fahrräder mit unbeschränkter Tretunterstützung versicherungspflichtig, und es wird ein Mofa-Führerschein, aber kein Helm benötigt. Fahrradwege dürfen mit ihnen nur genutzt werden, wenn sie für Mofas freigegeben sind (durch Zusatzzeichen „Mofas frei“ und stets außerorts). Sie sind im engeren gesetzlichen Sinne des Begriffes Kleinkrafträder mit geringer Leistung.^[1]

In der Schweiz werden für Elektroräder, die 25 km/h überschreiten, Führerschein, Nummernschild und Versicherungsnachweis benötigt. Ist das Elektrorad ein Pedelec, gilt keine Helmpflicht und keine Geschwindigkeitsbegrenzung, da die Geschwindigkeiten von Motor und Mensch addiert werden dürfen, so dass auf der Ebene je nach menschlicher Kraft 35-45 km/h möglich sind.

In Österreich gilt ein elektrisch angetriebenes Fahrrad, das aus eigener Kraft eine maximale Geschwindigkeit von 25 km/h erreicht und von einem Motor mit max. 600 W angetrieben wird, als Fahrrad und unterliegt den Ausrüstungsbestimmungen der Fahrradverordnung. Wie mit normalen (nur muskelbetriebenen) Fahrrädern gelten beim Lenken eines solchen die einschlägigen StVO-Bestimmungen, unter anderem die Radwegbenützungspflicht ^{[Anmerkung 1]} mit einspurigen Fahrrädern.^[2] Die sogenannten „schnellen“ Pedelecs, die eine Tretunterstützung bis zu 45 km/h liefern, dürfen daher auf Österreichs Straßen nicht betrieben werden, weder auf Radfahranlagen noch auf der Fahrbahn. Sie können nach derzeitiger Rechtslage auch nicht als Motorfahrrad (Kleinkraftrad) zugelassen bzw. versichert werden.

Abgesehen von der höheren Geschwindigkeit unterscheiden sich die Fahrräder mit limitierter und unlimitierter Tretunterstützung in der Handhabung und im Fahrverhalten nur wenig, der Unterschied besteht in der gesetzlichen Handhabung.

Zweirad mit Elektroantrieb

Fahrräder mit unabhängigem Antrieb im weiteren Sinne fallen in Deutschland unter den gesetzlichen Begriff des Kleinkraftrades und dürfen einer Einschränkung gemäß bis 45 km/h schnell werden. Bei höheren Geschwindigkeiten ist die Bezeichnung Motorrad angebracht. Erreichen sie jedoch mit einem auf 500 W Leistung begrenzten Motor eine Höchstgeschwindigkeit von 20 km/h, gelten sie im Sinne der deutschen StVZO als Leichtmofa und bedingen bis zu dieser Geschwindigkeit keinen Helm. Eine Betriebserlaubnis und ein Versicherungskennzeichen sind jedoch erforderlich.

In der Schweiz werden Fahrzeuge bis maximal 45 km/h als E-Scooter oder Elektroroller Kategorie F bezeichnet und wie ein Mofa per Handgriff beschleunigt. Pedale sind nicht vorhanden. Es werden Helm, Nummernschild, Führerausweis und Versicherung benötigt. Einige der vielen erhältlichen kleinen E-Scooter sind bei niedrigeren Geschwindigkeiten zugelassen, die meisten aber gar nicht, außer auf Privatgelände.

Elektroantrieb

→ Hauptartikel: Elektroantrieb (Fahrrad)

Der Elektroantrieb ist vom Prinzip der Komponenten mit Elektromotor (mit direktem oder indirektem Antrieb, siehe „Ansatzpunkte“ unten), Akkumulator und Elektronikmodul zur Motorsteuerung, bei allen Elektro(fahr)rädern gleich. Unterschiedlich ist die Steuerungstechnik, die das das Leistungsverhalten des Motors, die – falls vorhanden – geschwindigkeitsabhängige Abregelung und, je nach Auslegung des Elektrorades, den tretunabhängigen (selbstfahrend) oder tretabhängigen Antrieb, wie er bei den sogenannten Pedelecs zum Einsatz kommt, regelt. Von der Art der Steuerung hängt ab, ob das jeweilige Elektrorad in dem Land, in dem es in Verkehr gebracht wird, als Fahrrad gilt oder unter die nationalen (gegebenenfalls vereinfachten) kraftfahr- bzw. verkehrsrechtlichen Bestimmungen fällt.^[3]

Ein vorhandenes Rad kann mit Hilfe von nachkaufbaren Bauteilen zum Elektro(fahr)rad aufgerüstet werden, was beim Endverbraucher oder in einer Fahrradwerkstatt geschieht. Manche Hersteller gehen gleich vor, indem sie das gleiche Grundmodell ohne oder mit zusätzlichem Elektroantrieb auf den Markt bringen. Der Nachteil dieses Konzepts ist, dass sich nicht alle Fahrradrahmen dafür eignen. Die in den Rahmen eingeleiteten Kräfte können zu Rahmenbrüchen führen. Daher ist der Rahmen der aktuellen Elektro(fahr)räder die auf den Markt kommen in der Regel bereits konstruktiv auf den Elektroantrieb ausgelegt.

Ansatzpunkte des Elektroantriebs

• Direkte Einspeisung der Motorkraft in eins der beiden Laufräder:
  • Nabenmotor im Hinter- oder Vorderrad,
  • über Reibradgetriebe mit Reibrolle auf den Fahrradreifen.
• Indirekte Einspeisung der Motorkraft in das Hinterrad:
  • über separaten Ketten- oder Zahnriementrieb (in der Regel an der linken Hinterradseite),
  • über die Fahrradkette:
    • über in die Kette eingreifendes Ritzel,
    • über ein zum Kettenblatt paralleles Blatt, das Teil eines separaten Kettentriebs ist,
    • über die Tretlagerwelle (jüngste Entwicklung):
      • über ein Stirnradgetriebe,
      • über ein Kegelradgetriebe als Sattelrohrmotor.
• Externe Antriebseinheit mit Motor, Akku und Steuerung auf einem Schubanhänger.

Nutzungen

Elektrofahrrad-Tankstelle in der Brautgasse am Ulmer Münster

Es gibt verschiedene Nutzungsbereiche mit unterschiedlichen Anforderungen:

• Professionelle Nutzung: Postdienste (Postzusteller), Polizei (in verkehrsberuhigten Bereichen), Firmenfuhrparks, Fahrt zur Arbeitsstelle (Pendler).
• Touristische Nutzung: Verleihstationen an Bahnhöfen und touristischen Knotenpunkten. In Ferien- oder Kurorten.
• Private Nutzung: Zum tagtäglichen Gebrauch im Umkreis der Wohnung, insbesondere für weniger trainierte und/oder ältere oder auch für leistungsgeminderte Personen oder allgemein in entsprechend hügeligen oder gegenwindreichen Wohnorten.

Praxiserfahrungen

Elektrofahrräder erreichen – je nach Leistung des Motors, des fahrenden Menschen und der Zulassung – Geschwindigkeiten von 25 km/h oder 35 km/h und mehr. Es zeigt sich, dass durchschnittliche Menschen mit einem schnellen Elektrofahrrad ungefähr die Fahrleistungen von unmotorisierten Fahrrad-Athleten erreichen, aber mit den üblichen Akkus (ohne Tausch) weniger weit kommen. Die Durchschnittsgeschwindigkeiten von schnellen Elektrofahrrädern liegen meistens zwischen 25 bis 30 km/h, was sie auf kürzeren Strecken innerorts zu den durchschnittlich schnellsten Fahrzeugen überhaupt macht.

Die zögerliche Akzeptanz für Elektrofahrräder resultiert vor allem aus der Historie der Akku-Technologie. Gilt die Fahrradtechnik als ausgereift, so galt das lange Zeit nicht für die Akku-Technologie. Akkus mit geringer Reichweite, stark nachlassende Akkus, Memoryeffekt usw. behindern die Popularität im Niederpreissegment. Da vor allem europäische Hersteller lange die Zielgruppe der über 50-Jährigen im Blick hatten, wurden nur entsprechend designte Räder auf dem Markt platziert. Dies führte zum heutigen "Oma-Rad"-Image der elektrisch unterstützten Räder.

Moderne Elektroräder haben heute NiMh-Akkus, Lithium-Polymer-Akkus oder Lithium-Eisen-Phosphat(LiFePO4)-Akkumulatoren, die sich im Einsatz bewähren (große Reichweite und Lebensdauer, kein Memoryeffekt). Insbesondere die seit ca. 2010 verfügbaren LiFePO4-Akkumulatoren zeigen eine höhere Leistungsdichte und Betriebssicherheit sowie kürzere Ladezyklen (dies aber nur mit leistungsstarken Ladegeräten). Preislich liegen diese im Bereich der Li-Ion-Akkus.

Ein Akku muss auf die kurzzeitige maximale Stromaufnahme des Motors ausgelegt sein. Dies wird bei modernen Akkumulatoren, in NiMh-Technik und bei LiFeP04-Akkus aber grundsätzlich sichergestellt. Bei älteren Bleiakkus war dies nur dann gegeben, wenn man spezielle hochstromfähige Fahrakkus verwendet hat. In der Vergangenheit hielten zahlreiche E-Bike-Akkus die hohe Strombelastbarkeit auf Dauer nicht aus, weil die verwendeten Zellen nicht hochstromfest waren, was insbesondere dann zur Überlastung führte, wenn Elektroräder häufig an Steigungen gefahren wurden.

Elektroräder haben eine durch die Ladekapazität des Akkus eingeschränkte Reichweite. Diese wird umso kürzer, je steiler das Streckenprofil ist. Der Elektroantrieb ist insbesondere bei Pedelecs als "Rückenwind" konzipiert, nicht als ausschließlicher Antrieb. Es kann nicht wie bei einem benzinbetriebenen Fahrzeug innerhalb von wenigen Minuten wieder „vollgetankt“ werden, ein Akkuladezyklus dauert je nach Modell mehrere Stunden. ^[4]. Im Gegensatz zu Motorrädern mit Verbrennungsmotor beschleunigen Elektroräder jedoch lautlos und tragen lokal nicht zur Ozon- und Smogbildung bei.

In den letzten Jahren haben in China, in westlichen Ländern bisher weitestgehend unbemerkt, E-Bikes den Individualverkehr revolutioniert. Waren vor wenigen Jahren noch Fahrräder dominant im Straßenbild chinesischer Großstädte, sind inzwischen viele Millionen E-Bikes hinzugekommen. Getrieben durch die Gesetzgebung, d.h. Zulassungsverbot für Krafträder mit Verbrennungsmotor in vielen Großstädten, ist eine Industrie mit einem Produktionsvolumen von schätzungsweise 20 Mio. E-Bikes pro Jahr entstanden. Eine Vielzahl lokaler Anbieter überschwemmen den Markt und führen einen heftigen Preiskampf. Die Preise liegen mit 200 bis 300 Euro pro Bike nur knapp über dem Materialwert. Das typische chinesische E-Bike ist im Erscheinungsbild eher einem Motorroller wie z.B. einer Vespa denn einem Fahrrad nachempfunden. Die Geschwindigkeit ist auf 25 km/h limitiert, ein Pedalantrieb ist in der Regel nur zum Notbetrieb oder als Steigungshilfe vorgesehen. Energiespeicher sind in der Mehrzahl der Fälle Bleiakkus, Li-Ionen-Batterien kommen nur in wenigen hochpreisigen Modellen zum Einsatz. Eine ähnlich explosionsartige Entwicklung ist in anderen bevölkerungsreichen asiatischen Ländern wie Indien oder Indonesien nicht zu beobachten. Dort dominieren benzingetriebene Kleinkrafträder, da keine Zulassungsbeschränkungen existieren.

Systembedingte Probleme

Der Akkumulator ist nach einer bestimmten Anzahl von Ladezyklen erschöpft, bzw. die Reichweite vermindert sich unter ein gefordertes Maß. Die Zyklenzahl ist von der Chemie des Akkus abhängig. Bei NiCd Akku rechnet man mit 1000 Zyklen, bei NiMh mit 700 und bei LiIon mit 500 Zyklen. Beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator sind bei optimaler Herstellung des Akkus auch Zyklenzahlen von mehr als 1000 möglich.

Er muss dann ersetzt bzw. recycelt werden, was aus ökologischer Sichtweise nicht unproblematisch ist. Hochtechnologiekonzepte bringen Abhilfe bei entsprechend höheren Preisen. In den USA haben Rennkonstruktionen (motorradähnlich) bereits über 300 Volt Betriebsspannung ^[5].

Fortgeschrittene Batteriemanagementkonzepte mit Konditionierung einzelner Zellen im Betrieb erhöhen die Lebensdauer durch redundante Zellen, diese sind insbesondere bei hochwertigen Lithium-basierten Akkus zu finden. Durch eine Rekuperation der Bremsenergie kann im Stadtverkehr die Reichweite zumindest um 15 % vergrößert werden. Zu bedenken ist aber, dass die zugehörigen E-Motoren keinen Freilauf haben können und bei Betrieb ohne Akku, z.B. wenn dieser erschöpft ist, der Motor wie ein üblicher Dynamo immer kraftzehrend mitbewegt werden muss, auch wenn die Energierückgewinnung ausgeschaltet ist. Ein anderer Ideenansatz zur Verlängerung der Reichweite besteht unter anderem darin, durch Anbringung eines kleinen Zusatzgestells am Rahmen einen Solarkollektor am Fahrrad mitzuführen. ^[6]

Ausblick

Neuartige Akkutechnologie, Lithium-Batterien (beispielsweise von A123) werden in Akkuwerkzeugen bereits eingesetzt. Ein Fahrtregler ähnlich wie bei Modellautos oder Modelleisenbahn steuert den Motoreinsatz. Beim Pedelec wird ein Kurbelwellensensor, der nur bei Bewegung den Motor freigibt, eingesetzt. Ein wahlweise zuschaltbarer Stromspargang (Eco-mode) bewirkt bei normalen Fahrbedingungen eine Vergrößerung der Akku-Reichweite von durchschnittlich 40 auf bis zu 60 Kilometer pro Ladung bei typisch 250 Wattstunden Akku-Kapazität. Außerdem schaltet ein Raddrehzahlsensor den Motor über 25 km/h, auch bergab, zur Stromersparnis ab. Teilweise sind bereits Räder erhältlich, die den Akku mit Bremsenergie wieder aufladen.

Organisationsstrukturen

1994 wurde in Deutschland ein gemeinnütziger Verein namens ExtraEnergy e.V. gegründet, in dem sich technikinteressierte sogenannte „Powerbiker“ zusammengeschlossen haben. Der Verein gibt eine Zeitschrift mit regelmäßigen Testberichten und weltweiten Nachrichten zu diesem Themenfeld heraus. Die Webseite ist mehrsprachig (englisch/deutsch/französisch/chinesisch/koreanisch).

Literatur

• Hannes Neupert: Das Powerbike. Moby Dick Verlag, Kiel 2000, 165 Seiten, ISBN 3-89595-123-4
• Niels A. Fries: Das große Handbuch für Solar- und Elektrofahrräder: Batterie, Eigenbau, Betrieb, Tipps & Tricks, Antrieb, Technik. [N. A. Fries], [Neuss] 2006, 84 Seiten, ISBN 3-00-015258-X
• Christian Smolik, Michael Bollschweiler, Verena Ziese: Das Elektrorad: Typen, Technik, Trends. BVA Bielefelder Verlag, Bielefeld 2010, ISBN 978-3-87073-435-0.
• Teja Müller, Eberhard Müller: E-Bike-Technik: Funktion und Physik der Elektrofahrräder. Books on Demand GmbH, Norderstedt 2011, ISBN 978-3-8423-6194-2.

Einzelnachweise

1. ↑ EU-Zulassung für erstes Pedelec über 25 km/h ExtraEnergy.org-Internetportal, 30. Januar 2004
2. ↑ Rechtsgrundlage für E-Bikes Österreichischer Automobil-, Motorrad- und Touring Club (ÖAMTC) (JavaScript erforderlich)
3. ↑ Vgl. dazu Fahrrad mit Hilfsmotor und Motorfahrrad.
4. ↑ E-Bikes: Tipps zum richtigen Einsatz der Elektropower Stromtipp.de-Internetportal
5. ↑ Bandimere 2000: Rocky Mountain electric drags National Electric Drag Racing Association, 27. Mai 2000 (in englischer Sprache)
6. ↑ Hyperbike - Hybrid Pedal assisted Solar Bicycle Hacket Gadgets-Internetportal, 5. Juli 2008 (in englischer Sprache)

Anmerkungen

1. ↑ "Radwegbenützungspflicht", mit "ü" geschrieben, ist ein Begriff des Österreichischen Rechts - und erscheint hier daher in unveränderter Form im Text.

Siehe auch

Elektrofahrzeug | Schubanhänger | Eurobike | IFMA | Velomobil | Hybridantrieb | Solarfahrzeug | ERockit | Elmoto | Alptiger

Weblinks

 Commons: Electrically-powered bicycles – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Elektrofahrrad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wiktionary: Elektrorad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• www.extraenergy.org, gemeinnütziger Verein zur Verbreitung muskel-elektrischer Fahrzeuge
• WDR5: Hörerinformation mit vielen Tipps (PDF-Datei; 115 kB)